Noile tehnologii vor permite creșterea organelor. O tehnică unică de creștere a organelor pentru transplant din celulele proprii ale pacientului va apărea în Rusia
Ratele postindustriale de dezvoltare a omenirii, și anume știința și tehnologia, sunt atât de mari încât nu puteau fi imaginate acum 100 de ani. Ceea ce înainte se citea doar în SF populare, a apărut acum în lumea reală.
Nivelul de dezvoltare a medicinei în secolul 21 este mai ridicat ca niciodată. Bolile care erau considerate mortale în trecut sunt tratate cu succes astăzi. Cu toate acestea, problemele oncologiei, SIDA și multe alte boli nu au fost încă rezolvate. Din fericire, în viitorul apropiat va exista o soluție la aceste probleme, dintre care una va fi cultivarea organelor umane.
Fundamentele bioingineriei
O știință care folosește baza informațională a biologiei și folosește metode analitice și sintetice pentru a-și rezolva problemele, apărută nu cu mult timp în urmă. Spre deosebire de ingineria convențională, care folosește științe tehnice, mai ales matematică și fizică, pentru activitățile sale, bioingineria merge mai departe și folosește metode inovatoare sub forma biologiei moleculare.
Una dintre sarcinile principale ale sferei științifice și tehnice nou bătute este cultivarea organelor artificiale în conditii de laboratorîn scopul transplantării ulterioare în corpul unui pacient al cărui organ a cedat din cauza leziunilor sau deteriorării. Pe baza structurilor celulare tridimensionale, oamenii de știință au reușit să avanseze în studiul impactului diferitelor boli și viruși asupra activității. organe umane.
Din păcate, până acum acestea nu sunt organe cu drepturi depline, ci doar organoide - rudimente, o colecție neterminată de celule și țesuturi care pot fi folosite doar ca mostre experimentale. Performanța și viabilitatea lor sunt testate pe animale de experiment, în principal pe diferite rozătoare.
Referință istorică. transplantologie
Creșterea bioingineriei ca știință a fost precedată de o lungă perioadă de dezvoltare a biologiei și a altor științe, al căror scop a fost studiul corpul uman. Încă de la începutul secolului al XX-lea, transplantul a primit un impuls în dezvoltarea sa, a cărui sarcină era să studieze posibilitatea transplantului unui organ donator către o altă persoană. Crearea tehnicilor capabile să conserve organele donatoare pentru o perioadă de timp, precum și disponibilitatea experienței și a planurilor detaliate pentru transplant, le-au permis chirurgilor din întreaga lume să transplanteze cu succes organe precum inima, plămânii și rinichii la sfârșitul anilor 60. .
Pe acest moment principiul transplantului este cel mai eficient în cazul în care pacientul este amenințat pericol mortal. Problema principală constă în lipsă acută organe donatoare. Pacienții își pot aștepta rândul ani de zile, fără să aștepte. În plus, există Risc ridicat faptul că un organ donator transplantat poate să nu prindă rădăcini în corpul primitorului, deoarece va fi considerat de sistemul imunitar al pacientului ca fiind obiect străin. În confruntare acest fenomen Au fost inventate imunosupresoare, care, totuși, mai degrabă paralizează decât vindecă - imunitatea umană slăbește catastrofal.
Avantajele creației artificiale față de transplant
Una dintre principalele diferențe competitive între metoda de creștere a organelor și transplantul lor de la un donator este că, în condiții de laborator, organele pot fi produse pe baza țesuturilor și celulelor viitorului primitor. Practic, se folosesc celule stem, care au capacitatea de a se diferenția în celule ale anumitor țesuturi. Omul de știință este capabil să controleze acest proces din exterior, ceea ce reduce semnificativ riscul de respingere viitoare a organului de către sistemul imunitar uman.
Mai mult, cu ajutorul metodei de cultivare a organelor artificiale, este posibil să se producă un număr nelimitat dintre acestea, satisfacând astfel nevoile vitale a milioane de oameni. Principiul producției în masă va reduce semnificativ prețul organelor, salvând milioane de vieți și crește semnificativ supraviețuirea umană și amânând data acesteia. moartea biologică.
Realizări în bioinginerie
Până în prezent, oamenii de știință sunt capabili să crească rudimentele viitoarelor organe - organoizi pe care sunt testate diferite boli, viruși și infecții pentru a urmări procesul de infecție și a dezvolta contramăsuri. Succesul funcționării organelelor este verificat prin transplantarea lor în corpurile animalelor: iepuri, șoareci.
De asemenea, merită remarcat faptul că bioingineria a obținut un oarecare succes în crearea de țesuturi cu drepturi depline și chiar în creșterea organelor din celule stem, care, din păcate, nu pot fi încă transplantate unei persoane din cauza inoperabilității lor. Cu toate acestea, în acest moment, oamenii de știință au învățat cum să creeze artificial cartilaj, vase de sânge și alte elemente de legătură.
Piele și oase
Nu cu mult timp în urmă, oamenii de știință de la Universitatea Columbia au reușit să creeze un fragment osos similar ca structură cu o articulație. mandibulă legând-o de baza craniului. Fragmentul a fost obținut prin utilizarea celulelor stem, ca în cultivarea organelor. Puțin mai târziu, compania israeliană Bonus BioGroup a reușit să inventeze o nouă metodă de recreare a unui os uman, care a fost testată cu succes pe o rozătoare - un os crescut artificial a fost transplantat într-una dintre labe. În acest caz, din nou, s-au folosit celule stem, doar ele au fost obținute din țesutul adipos al pacientului și ulterior plasate pe un cadru osos asemănător gelului.
Din anii 2000, medicii folosesc hidrogeluri specializate și metode de regenerare naturală a pielii deteriorate pentru a trata arsurile. Tehnicile experimentale moderne fac posibilă vindecarea arsurilor severe în câteva zile. Așa-numitul Skin Gun pulverizează un amestec special cu celulele stem ale pacientului pe suprafața deteriorată. Există, de asemenea, progrese majore în crearea pielii funcționale stabile cu vase de sânge și limfatice.
Recent, oamenii de știință din Michigan au reușit să crească în partea de laborator tesut muscular, care, totuși, este de două ori mai slab decât originalul. În mod similar, oamenii de știință din Ohio au creat țesuturi stomacale tridimensionale care au fost capabile să producă toate enzimele necesare digestiei.
Oamenii de știință japonezi au făcut aproape imposibilul - au crescut un ochi uman complet funcțional. Problema cu transplantul este ce să atașezi nervul optic ochii la creier nu este încă posibil. În Texas, a fost posibilă creșterea artificială a plămânilor într-un bioreactor, dar fără vase de sânge, ceea ce pune la îndoială performanța acestora.
Perspective de dezvoltare
Nu trece cu mult timp înainte de momentul din istorie în care va fi posibilă transplantarea unei persoane a majorității organelor și țesuturilor create în condiții artificiale. Deja, oamenii de știință din întreaga lume au dezvoltat proiecte, mostre experimentale, dintre care unele nu sunt inferioare originalelor. Piele, dinți, oase, totul organe interne după ceva timp, va fi posibil să se creeze în laboratoare și să se vândă persoanelor aflate în nevoie.
Noile tehnologii accelerează, de asemenea, dezvoltarea bioingineriei. Imprimarea 3D, care a devenit larg răspândită în multe domenii ale vieții umane, va fi, de asemenea, utilă în creșterea de noi organe. Bioprinterele 3D au fost folosite experimental din 2006, iar în viitor vor putea crea modele tridimensionale funcționale ale organelor biologice prin transferul culturilor celulare pe o bază biocompatibilă.
Concluzie generală
Bioingineria ca știință, al cărei scop este cultivarea țesuturilor și a organelor pentru transplantul ulterioar, sa născut nu cu mult timp în urmă. Ritmul rapid în care face progrese este caracterizat de realizări semnificative care vor salva milioane de vieți în viitor.
Oasele și organele interne crescute de celule stem vor elimina necesitatea organe donatoare, care sunt deja insuficiente. Deja, oamenii de știință au o mulțime de dezvoltări, ale căror rezultate nu sunt încă foarte productive, dar au un potențial mare.
Bioimprimanta este o variație biologică a tehnologiei reprap, un dispozitiv capabil să creeze orice organ din celule, aplicând celule strat cu strat, a fost deja creat. În decembrie 2009, compania americană Organovo și compania australiană Invetech au dezvoltat o bioimprimantă concepută pentru producția industrială la scară mică. În loc să creșteți organul dorit într-o eprubetă, este mult mai ușor să îl imprimați, conform dezvoltatorilor conceptului.
Dezvoltarea tehnologiei a început în urmă cu câțiva ani. Până acum, cercetătorii de la mai multe institute și universități lucrează la această tehnologie simultan. Dar, mai de succes în acest domeniu, profesorul Gabor Forgacs (Gabor Forgacs) și personalul laboratorului său Forgacslab de la Universitatea din Missouri, ca parte a proiectului Organ Printing, au dezvăluit noi complexități ale bioprintării încă din 2007. Pentru a-și comercializa dezvoltările, profesorul și personalul au fondat campania Organovo. Campania a creat tehnologia NovoGen, care a inclus toate detaliile necesare bioprinting atât în partea biologică, cât și în partea hardware.
Au fost dezvoltate un sistem de calibrare cu laser și un sistem de poziționare a capului robotizat cu o precizie de câțiva micrometri. Acest lucru este foarte important pentru a plasa celulele în poziția corectă. Primele imprimante experimentale pentru Organovo (și conform „schițelor”) au fost construite de nScrypt (Figura 2). Dar acele dispozitive nu erau încă adaptate pentru utilizare practică și au fost folosite pentru a șlefui tehnologia.
În mai 2009, campania Organovo a selectat compania medicală Invetech ca partener industrial. Această companie are o experiență de peste 30 de ani în producția de laborator și Echipament medical inclusiv computerizat. La începutul lunii decembrie, prima copie a bioimprimantei 3D care încorporează tehnologia NovoGen a fost expediată de la Invetech la Organovo. Noutatea se distinge prin dimensiuni compacte, o interfață intuitivă pentru computer, un grad ridicat de integrare a nodurilor și fiabilitate ridicată. În viitorul apropiat, Invetech intenționează să furnizeze mai multe dispozitive identice pentru Organovo și va distribui deja noutatea în comunitatea științifică. Dispozitiv nou are dimensiuni atât de modeste încât poate fi plasat într-un dulap biologic, ceea ce este necesar pentru a asigura un mediu steril în timpul procesului de imprimare
Trebuie spus că bioprintarea nu este singura modalitate de a crea organe artificial. In orice caz, mod clasic cultivarea presupune, în primul rând, realizarea unui cadru care să stabilească forma viitorului organ. În același timp, cadrul în sine prezintă pericolul de a deveni inițiatorul inflamației organului.
Avantajul unei bioimprimante este că nu necesită o astfel de schelă. Forma organului este stabilită de dispozitivul de imprimare însuși, plasând celulele în ordinea necesară. Bioimprimanta în sine are două capete umplute cu două tipuri de cerneală. Celulele sunt folosite ca cerneală în primul tipuri variate, iar în al doilea - materiale auxiliare (hidrogel de susținere, colagen, factori de creștere). Imprimanta poate avea mai mult de două „culori” - dacă doriți să utilizați celule diferite sau materiale auxiliare de diverse feluri.
O caracteristică a tehnologiei NovoGen este că imprimarea nu este efectuată de celule individuale. Imprimanta aplică imediat un conglomerat de câteva zeci de mii de celule. Aceasta este principala diferență dintre tehnologia NovoGen și alte tehnologii de bioprintare.
Schema imprimantei este prezentată în Figura 4.
Deci, țesuturile necesare sunt crescute mai întâi. Țesutul crescut este apoi tăiat în cilindri într-un raport diametru/lungime de 1:1 (punctul a). Următorul - punctul b - acești cilindri sunt plasați temporar într-o specială mediu nutritiv unde iau forma unor bile mici. Diametrul unei astfel de mingi este de 500 de micrometri (o jumătate de milimetru). Culoarea portocalie a țesăturii este dată cu o vopsea specială. Apoi, margelele sunt încărcate într-un cartuş (punctul c) -- care conţine pipete umplute cu margele în ordine una câte una. Bioimprimanta 3D în sine (punctul d) trebuie să imprime aceste sferoide cu precizie micrometrică (adică eroarea trebuie să fie mai mică de o miime de milimetru). Imprimanta este, de asemenea, echipată cu camere care sunt capabile să monitorizeze procesul de imprimare în timp real.
Imprimanta eșantion creată funcționează cu trei „culori” simultan - două tipuri de celule (în ultimele experimente ale lui Forgach, acestea au fost celule ale mușchiului inimii și celule epiteliale) - iar al treilea este un amestec care include un gel de legătură care conține colagen, factor de creștere și o serie de alte substanțe. Acest amestec permite organului să-și mențină forma înainte ca celulele să fuzioneze împreună (punctul d).
Potrivit lui Gabor, imprimanta nu reproduce cu exactitate structura organului. Cu toate acestea, acest lucru nu este necesar. Programul natural al celulelor însuși corectează structura organului.
Schema ansamblării orgii și coalescența bilelor în orgă este prezentată în Figura 5.
În timpul experimentelor, o bioimprimantă din celule endoteliale și celule musculare ale inimii de pui a imprimat o „inimă” (Figura 6). După 70 de ore, bilele s-au contopit într-un singur sistem, iar după 90 de ore, „inima” a început să se contracte. Mai mult, celulele endoteliale au format structuri asemănătoare cu capilarele. De asemenea celule musculare, inițial scăzând haotic, în cele din urmă s-a sincronizat independent și a început să scadă simultan. Cu toate acestea, acest prototip de inimă nu este încă potrivit pentru utilizare practică - chiar dacă celulele umane sunt folosite în locul celulelor de pui - tehnologia de bioprintare trebuie îmbunătățită în continuare.
Imprimanta este mult mai bună la a crea mai multe organe simple-- de exemplu, bucăți de piele umană sau vase de sânge. La imprimarea vaselor de sânge, lipiciul de colagen este aplicat nu numai pe marginile vasului, ci și pe mijloc. Și apoi, când celulele cresc împreună, lipiciul este ușor îndepărtat. Pereții vasului sunt formați din trei straturi de celule - endoteliu, mușchi netezi și fibroblaste. Dar studiile au arătat că doar un strat format dintr-un amestec al acestor celule poate fi reprodus în tipărire - celulele în sine migrează și se aliniază în trei straturi omogene. Acest fapt poate facilita procesul de imprimare a multor organe. Astfel, echipa lui Forgach poate crea deja vase foarte subțiri și ramificate de orice formă. Acum, cercetătorii lucrează la construirea unui strat de mușchi pe vase, care va face vasele potrivite pentru implantare. Vasele cu grosimea mai mică de 6 milimetri prezintă un interes deosebit, deoarece există materiale sintetice potrivite pentru cele mai mari.
Ilustrație cu alte experimente de bioprintare -- în Figura 7.
Punctul a -- un inel de două tipuri de cerneală biologică. Sunt colorate special cu diferite substanțe fluorescente. Mai jos este același inel după 60 de ore. Celulele cresc pe cont propriu. Punctul b - dezvoltarea tubului, recrutat din inelele prezentate în imagine. Punctul c deasupra - tub cu 12 straturi, compus din celule din fibrele musculare netede ale cordonului ombilical; punctul c, în partea de jos - un tub ramificat - un prototip de vase pentru transplant. Punctul d - construcția țesutului cardiac contractant. În stânga este o grilă 6 x 6 de sferoizi cu celule musculare cardiace (fără endoteliu) imprimate pe „bio-hârtie” de colagen. Dacă la aceeași „cerneală” se adaugă celule endoteliale (a doua imagine este roșie, cardiomiocitele sunt prezentate aici cu verde), acestea umplu mai întâi spațiul dintre sferoizi, iar după 70 de ore (punctul d, din dreapta) întreg țesutul devine un întreg unic. De jos: graficul contracției celulare a țesutului rezultat. După cum se poate observa, amplitudinea (măsurată vertical) a contracțiilor este de aproximativ 2 microni, iar perioada este de aproximativ două secunde (timpul marcat orizontal) (foto și ilustrații de Forgacs și colab.).
Figura 8 prezintă, de asemenea, structura țesuturilor inimii imprimate (fotografii de Forgacs și colab).
Primele mostre ale bioimprimantei 3D de la Organovo și Invetech vor fi disponibile pentru organizațiile de cercetare și medicale în 2011.
De menționat că Organovo nu este singurul jucător de pe această piață. Cu ceva timp în urmă, compania de biotehnologie occidentală Tengion și-a prezentat tehnologia de replicare a organelor. Există unele diferențe între abordările Tengion și Organovo. De exemplu, cele două tehnologii abordează organizarea celulelor vii în grupuri pentru a crea țesuturi în moduri diferite, iar imprimantele companiilor abordează și problema obținerii de mostre și analize genetice în moduri diferite. Ambele companii observă că se confruntă cu aceleași dificultăți - este destul de dificil să reproduci țesături complexe, ambele imprimante durează foarte mult timp pentru a se configura pentru un tip de imprimare tridimensională. De asemenea, dezvoltarea imprimantei în sine este doar o parte a sarcinii. De asemenea, trebuie să creați un software special care vă va ajuta să simulați materialul înainte de imprimare și să reconfigurați rapid imprimanta. Imprimanta în sine trebuie să facă față creării celui mai complex organ în câteva ore. Prin capilare subțiri, trebuie aplicat cât mai curând posibil nutrienți altfel organul va muri. Cu toate acestea, ambele companii au același lucru scopul suprem- „amprenta” organelor umane.
Inițial, echipamentul va fi folosit în scopuri de cercetare. De exemplu, fragmentele de ficat imprimate pot fi utilizate în experimente toxicologice. Mai târziu, fragmente artificiale de piele și mușchi, capilare, oase pot fi folosite pentru a trata leziuni severe și pentru a Chirurgie Plastică. Atât Organovo, cât și Tengion sunt de acord că echipamentele capabile să imprime rapid și eficient organe întregi vor apărea în jurul anului 2025-2030. Introducerea bioprintingului va reduce foarte mult costul creării de noi organe. Noile organe pot fi folosite pentru a înlocui părți învechite ale corpului uman și, ca rezultat - o extindere radicală a vieții (imortalism). În viitor, bioprintarea va permite inventarea de noi organe biologice pentru perfecţionarea omului şi a animalelor şi inventarea fiinţelor vii artificiale.
Tehnologii de bioprintare.
Această postare este despre bioimprimante - o invenție care va ajuta o persoană să crească noi organe pentru a le înlocui pe cele uzate de la bătrânețe și, astfel, să-și prelungească semnificativ viața.
Am vorbit deja despre tehnologia de bioprintare dezvoltată de Gabor Forgacz în campania Organovo într-una dintre postările mele anterioare. Cu toate acestea, aceasta nu este singura tehnologie pentru crearea de organe artificiale din celule. Pentru a fi corect, mai sunt și altele de luat în considerare. Până acum, toate sunt departe de aplicarea în masă, dar faptul că o astfel de muncă este efectuată mulțumește și inspiră speranța că cel puțin o linie de organe artificiale va reuși.
Prima este dezvoltarea oamenilor de știință americani Vladimir Mironov de la universitate medicala Carolina de Sud (Universitatea de Medicină din Carolina de Sud) și Thomas Boland (Thomas Boland) de la Universitatea Clemson (Universitatea Clemson). Prima cercetare a fost începută de dr. Boland, care a venit cu o idee și a început cercetările în laboratorul său, și l-a dus pe colegul său cu ea.
Împreună, cu ajutorul unei imprimante, au putut implementa tehnologia aplicării celulelor strat cu strat. Pentru experiment s-au luat imprimante vechi Hewlett-Packard - s-au folosit modele vechi deoarece cartușele lor aveau orificii suficient de mari pentru a nu deteriora celulele. Cartușele au fost curățate cu grijă de cerneală și, în loc de cerneală, au fost umplute cu masă celulară. De asemenea, a trebuit să reproiectez oarecum imprimanta, să creez un software pentru a controla temperatura, rezistența electrică și vâscozitatea „cernelii active”.
Alți oameni de știință au încercat înainte să aplice celule pe un plan strat cu strat, dar aceștia au fost primii care au putut face acest lucru folosind o imprimantă cu jet de cerneală.
Oamenii de știință nu se vor opri la aplicarea celulelor pe un avion.
Pentru a imprima un organ tridimensional, adezivul pentru conectarea celulelor ar trebui să fie un gel exotic termo-reversibil (sau „termoreversibil”) creat recent de Anna Gutowska de la Laboratorul Național de Nord-Vest Pacific (Laboratorul Național de Nord-Vest Pacific).
Acest gel este lichid la 20 de grade Celsius și se solidifică la temperaturi mai mari de 32 de grade. Și, din fericire, nu este dăunător țesuturilor biologice.
La imprimarea pe un substrat de sticlă, acestea sunt aplicate printr-un strat de celule și straturi de gel (vezi Figura 1). Dacă straturile sunt suficient de subțiri, atunci celulele se unesc. Gelul nu interferează cu fuziunea celulelor și, în același timp, conferă rezistență structurii până în momentul în care celulele cresc împreună. Gelul poate fi apoi îndepărtat cu ușurință cu apă.
Echipa a desfășurat deja mai multe experimente folosind ușor disponibile culturi celulare, un tip de celulă ovariană de hamster.
Potrivit autorilor, imprimarea 3D poate rezolva problema creării de noi organe pentru medicină care să le înlocuiască pe cele deteriorate sau organe în creștere pentru experimente biologice. Cel mai probabil, tehnologia de creștere a unor suprafețe mari de piele pentru a trata persoanele afectate de arsuri va fi folosită mai întâi în masă. Deoarece celulele sursă pentru cultivarea „cernelii vie” vor fi luate de la pacient însuși, deci nu ar trebui să existe o problemă cu respingerea.
Rețineți, de asemenea, că cultura tradițională a organelor poate dura câteva săptămâni -- așa că pacientul ar putea să nu poată aștepta. organul dorit. Atunci când un organ este transplantat de la o altă persoană, de obicei doar unul din zece reușește să aștepte rândul său pentru a primi un organ, restul mor. Dar tehnologia de bioprintare, având suficiente celule, poate dura doar câteva ore pentru a construi un organ.
În timpul tipăririi, probleme precum alimentarea organului artificial vor trebui abordate. Evident, imprimanta trebuie să imprime un organ cu toate vasele și capilarele prin care ar trebui să fie furnizate nutrienți deja în timpul procesului de imprimare (totuși, după cum au arătat experimentele lui Gabor Forgacz, cel puțin unele organe sunt capabile să formeze capilare de la sine). De asemenea, organul trebuie imprimat în cel mult câteva ore - prin urmare, pentru a crește rezistența atașamentelor celulare, se presupune că se adaugă proteină de colagen la soluția de legare.
Conform prognozei oamenilor de știință, în câțiva ani vor apărea bioimprimante în clinici. Perspectivele care se deschid sunt enorme.
Pentru imprimare cu această tehnologie organ complex constând dintr-un număr mare de celule, sunt necesare cartușe cu o mare varietate de cerneluri. Cu toate acestea, Dr. Phil Campbell și colegii săi de la Universitatea Americană Carnegie Mellon, în special profesorul de robotică Lee Weiss - care experimentează și bioprintarea - au găsit o modalitate de a reduce numărul de tipuri de cerneală fără a afecta organul rezultat. .
Pentru a face acest lucru, el a sugerat utilizarea unei soluții care conține factorul de creștere BMP-2 ca una dintre florile biologice. Ca o altă biocoloră, s-au folosit celule stem, obținute din mușchii picioarelor șoarecilor.
Apoi, patru pătrate cu laturile de 750 de micrometri au fost aplicate pe sticlă de către imprimantă - în fiecare dintre ele concentrația de hormon de creștere a fost diferită. Celulele stem găsite în zonele cu factor de creștere au început să se transforme în celule țesut osos. Și cu cât concentrația de BMP-2 era mai mare, cu atât „recolta” de celule diferențiate era mai mare. Celulele stem care au ajuns în zone curate s-au transformat în celule musculare, de la această cale de dezvoltare celulă stem selectează implicit.
Celulele anterioare diferite feluri crescut separat. Dar, potrivit omului de știință, co-cultivarea celulelor face ca această tehnică să fie mai aproape de naturală. "Puteți crea o structură a substratului în care un capăt dezvoltă osul, un alt capăt dezvoltă tendonul, iar al treilea dezvoltă mușchi. Acest lucru vă oferă mai mult control asupra regenerării țesuturilor", spune autorul lucrării. Și, în același timp, vor fi folosite doar două tipuri de cerneală - ceea ce simplifică designul bioimprimantei.
Oamenii de știință din Rusia au devenit, de asemenea, interesați de problema modificărilor controlate în structurile celulare. „Astăzi, se realizează o mulțime de dezvoltări legate de cultivarea țesuturilor din celule stem”, a comentat omul de știință Nikolai Adreanov. -- cele mai bune rezultate au reușit oamenii de știință când au crescut tesut epitelial deoarece celulele sale se divid foarte repede. Și acum cercetătorii încearcă să folosească celule stem pentru a crea fibrele nervoase, ale cărui celule în vivo isi revin foarte incet.
De asemenea, conform lui Lee Weiss, cel care a dezvoltat imprimanta, tehnologia lor este încă departe de implementarea industrială. În plus, nu ar strica să extindem cunoștințele de biologie. „Pot imprima lucruri destul de complexe. Dar probabil unul dintre cei mai mari factori limitativi (pentru această tehnologie) este înțelegerea biologiei. Trebuie să știi exact ce să imprimi”. Alexander Revishchin, candidat la științe biologice, cercetător principal la Institutul de Biologie a Dezvoltării al Academiei Ruse de Științe, subliniază o altă problemă. „În principiu, imprimarea țesuturilor cu „cerneală celulară” este posibilă, dar tehnologia este încă imperfectă”, a observat el, transformarea într-o tumoră. organ bioimprimator de celule stem
Dar, să sperăm că în următorii ani tehnologia va fi dezvoltată.
Oamenii de știință au creat prima himeră a unui om și a unui porc – un articol care descrie acest experiment a fost publicat pe 26 ianuarie în revista științifică Cell. O echipă internațională de oameni de știință condusă de Juan Carlos Ispisua Belmonte, profesor la Institutul Salk pentru Cercetare Biologică (SUA), a crescut timp de 28 de zile embrioni care conțin celule stem umane în corpul unui porc. Din cei două mii de embrioni hibrizi, 186 s-au dezvoltat în organisme în care parte umană era una din zece mii de celule.
Himerele sunt organisme numite după un monstru din mituri grecești, care combină o capră, un leu și un șarpe, se obțin prin combinarea materialului genetic a două animale, dar fără recombinare ADN (adică schimbul de informații genetice care are loc atunci când este conceput un copil). Ca rezultat, himerele au două seturi de celule diferite din punct de vedere genetic, dar funcționează ca întreg organul ism. În experimentul, despre care scrie Cell, oamenii de știință au îndepărtat embrioni de la o scroafă gestantă și au plantat celule stem umane induse în ei, după care embrionii au fost trimiși înapoi pentru a se dezvolta în corpul unui porc. Himerele nu aveau voie să se nască - au scăpat de ele pentru alta stadiu timpuriu sarcina feminina.
De ce oamenii de știință au nevoie de organisme hibride?
Nișă pentru organe
Unul dintre obiectivele principale ale experimentului este creșterea organelor umane la animale. Unii pacienți așteaptă ani de zile la coadă pentru transplant, iar crearea de material biologic în acest fel ar putea salva mii de vieți. „Suntem încă departe de asta, dar primul și important pas a fost făcut”, spune Ispisua Belmonte. Un organ uman crescut într-o himeră din celulele proprii ale pacientului ar rezolva problema respingerii transplantului de către corpul pacientului, deoarece ar fi crescut din propriile celule.
Oamenii de știință vor dezvolta organe umane în corpul unui animal folosind editarea genelor (și anume într-un mod inovator CRISPR Cas9). Inițial, ADN-ul unui embrion de animal va fi modificat astfel încât să nu dezvolte un organ necesar, cum ar fi inima sau ficatul. Această „nișă” va fi umplută de celule stem umane.
Experimentele arată că aproape orice organ poate fi creat într-o himeră - chiar și unul care nu este prevăzut la un animal de experiment. Un alt experiment al aceluiași grup de oameni de știință a arătat că infuzia de celule stem de șobolan în corpul unui șoarece face posibilă creșterea vezicii biliare, deși șoarecii nu au acest organ evolutiv.
În 2010, oamenii de știință japonezi au creat un pancreas pentru un șobolan în același mod. Echipa lui Ispisua Belmonte a reușit, de asemenea, să crească o inimă și ochi de șobolan la șoareci. Pe 25 ianuarie, unul dintre colegii săi a raportat într-un articol din revista Nature că grupul său a reușit să facă experimentul invers, să crească pancreasul unui șoarece la un șobolan și să-l transplanteze cu succes. Organul a funcționat corect timp de mai bine de un an.
O condiție importantă pentru succesul experimentelor cu himere este raportul corect dimensiunile organismelor conectate. De exemplu, oamenii de știință anteriori au încercat să creeze himere de porci și șobolani, dar experimentul nu a avut succes. Oamenii, vacile și porcii sunt mult mai compatibili. Echipa lui Izpisua Belmonte a optat să folosească un porc pentru a crea o himeră cu un om, pur și simplu pentru că este mai ieftin să-l folosești pe acesta din urmă decât vacile.
Hibrizi printre noi
Istoria a cunoscut cazuri de transplant la oameni a unor părți ale corpului de la animale, inclusiv porci, înainte. În secolul al XIX-lea, medicul american Richard Kissam a transplantat cu succes corneea ochiului unui tânăr, pe care a luat-o de la un purcel de șase luni. Dar crearea cu drepturi depline a himerelor a început în anii 1960, când savantul american Beatrice Mintz a obținut primul organism hibrid în laborator prin combinarea celulelor a două tipuri diferite de șoareci - alb și negru. Puțin mai târziu, un alt om de știință, franțuzoaica Nicole Le Doirin, a conectat straturile germinale ale unui embrion de pui și prepeliță și în 1973 a publicat o lucrare despre dezvoltarea unui organism hibrid. În 1988, Irving Weisman de la Universitatea Stanford a creat un șoarece cu un sistem imunitar uman (pentru cercetarea SIDA) și, ulterior, a implantat celule stem umane în creierul șoarecilor pentru cercetarea neuroștiinței. În 2012 s-au născut primele himere de primate: în Centrul Național Un studiu asupra primatelor din Oregon, oamenii de știință au creat maimuțe care conțin șase ADN-uri diferite.
Mai mult, istoria cunoaște deja cazuri de oameni himere, deși societatea nu le numește astfel și ei înșiși poate să nu fie conștienți de acest lucru. În 2002, locuința din Boston, Karen Keegan, a murit test genetic pentru a determina dacă ar putea primi un transplant de rinichi de la una dintre rudele ei. Testele au arătat imposibilul: ADN-ul pacientului nu se potrivea cu ADN-ul fiilor ei biologici. S-a dovedit că Keegan avea himerism congenital, care se dezvoltă în embrion ca urmare a unei defecțiuni în procesul de fertilizare: corpul ei conținea două seturi genetice, unul în celule sanguine, celălalt în celule din țesuturile corpului ei.
Formal, o himeră poate fi numită și o persoană care a fost transplantată cu cea a altcuiva Măduvă osoasă, de exemplu în tratamentul leucemiei. În unele cazuri, în sângele unui astfel de pacient, puteți găsi celule atât cu ADN-ul său original, cât și cu ADN-ul donatorului. Un alt exemplu este așa-numitul microchimerism. În corpul unei femei însărcinate, mișcarea celulelor stem fetale care își poartă genomul poate fi observată în organele viitoarei mame - rinichi, ficat, plămâni, inimă și chiar creier. Oamenii de știință sugerează că acest lucru se poate întâmpla cu aproape fiecare sarcină și astfel de celule pot rămâne într-un loc nou pe tot parcursul vieții unei femei.
Dar în toate aceste cazuri, himerele se formează (în mod natural sau nu) din două persoane. Un alt lucru este combinația dintre om și animal. Transplantarea țesuturilor de la animale la oameni îi poate face vulnerabili la noi boli, motiv pentru care noi sistemul imunitar nu e gata. Mulți se sperie și de posibilitatea de a dota animalele cu calități umane, până la creșterea nivelului de conștiință. Oamenii de știință încearcă să asigure societatea și autoritățile că astfel de experimente vor fi strict controlate de laboratoare și folosite numai pentru bine. Institutul Național de Sănătate din SUA (NIH) nu a finanțat niciodată o astfel de cercetare, considerând-o neetică. Dar în august 2016, reprezentanții NIH au spus că ar putea revizui moratoriul (decizia nu a fost încă luată).
Spre deosebire de NIH, armata americană finanțează cu generozitate astfel de experimente. Daniel Garry, cardiolog la Universitatea din Minnesota, a declarat că proiectul său himer, care a creat un porc cu o inimă de la un alt animal, a primit recent o subvenție de 1,4 milioane de dolari din partea armatei pentru experimente de creștere a unei inimi umane la un porc.
Înainte de a trece la discuția despre subiectul articolului, vreau să fac mica digresiune care este corpul uman. Acest lucru va ajuta la înțelegerea cât de importantă este munca oricărei legături într-un sistem complex. corpul uman ce se poate întâmpla în caz de eșec și modul în care medicina modernă încearcă să rezolve problemele dacă vreun organ cedează.
Corpul uman ca sistem biologic
Corpul uman este un sistem biologic complex, cu o structură specială și dotat cu funcții specifice. În cadrul acestui sistem, există mai multe niveluri de organizare. Integrarea superioară este nivelul organismului. Urmează, în ordine descrescătoare, nivelurile de organizare sistemică, de organ, țesut, celular și molecular. De lucrul coordonat la toate nivelurile sistemului depinde muncă armonioasăîntregul corp uman.
Dacă un organ sau un sistem de organe nu funcționează corect, atunci încălcările se referă mai mult niveluri inferioare organizații precum țesuturile și celulele.
Nivelul molecular este prima caramida. După cum sugerează și numele, întregul corp uman, ca toate ființele vii, este format din nenumărate molecule.
Nivelul celular poate fi imaginat ca o compoziție diversă de molecule care formează celule diferite.
Celulele combinate în țesuturi cu morfologie și funcționare diferite formează nivelul de țesut.
Organele umane sunt alcătuite dintr-o varietate de țesuturi. Ele asigură funcționarea normală a oricărui organ. Acesta este nivelul de organ al organizației.
Nivelul următor organizaţii – sistemice. Anumite organe combinate anatomic îndeplinesc o funcție mai complexă. De exemplu, sistem digestiv, constând din diverse corpuri, asigura digestia alimentelor care intra in organism, absorbtia produselor de digestie si indepartarea reziduurilor nefolosite.
Iar cel mai înalt nivel de organizare este nivelul organismului. Toate sistemele și subsistemele corpului funcționează bine reglat instrument muzical. Munca coordonată a tuturor nivelurilor se realizează datorită mecanismului de autoreglare, adică. susținerea la un anumit nivel a diverșilor indicatori biologici. La cel mai mic dezechilibru în munca de la orice nivel, corpul uman începe să lucreze intermitent.
Ce sunt celulele stem?
Termenul de „celule stem” a fost introdus în știință de histologul rus A. Maksimov în 1908. Celulele stem (SC) sunt celule nespecializate. De asemenea, sunt considerate celule imature. Se găsesc în aproape toate organismele multicelulare, inclusiv în oameni. Celulele se reproduc prin divizare. Ele sunt capabile să se transforme în celule specializate, adică. Din ele se pot forma diverse țesuturi și organe.
Cel mai un numar mare de SC la sugari și copii, în adolescență, numărul de celule stem din organism scade de 10 ori și varsta matura- De 50 de ori! O scădere semnificativă a numărului de SC în timpul îmbătrânirii, precum și boală gravă reduce capacitatea organismului de a se vindeca singur. De aici rezultă o concluzie neplăcută: activitatea vitală a multora sisteme importante organe este redusă.
Celulele stem și viitorul medicinei
Oamenii de știință medicali au acordat de multă atenție plasticității SC-urilor și posibilității teoretice de a crește diferite țesuturi și organe ale corpului uman din ele. Lucrările privind studiul proprietăților SC au început în a doua jumătate a secolului trecut. Ca întotdeauna, primele studii au fost efectuate pe animale de laborator. Până la începutul secolului nostru, au început încercările de a utiliza SC pentru creșterea țesuturilor și organelor umane. Vreau să vorbesc despre cele mai interesante rezultate în această direcție.
Oamenii de știință japonezi au reușit în 2004 să crească capilar vase de sânge de la SC.
În anul următor, cercetătorii americani de la Universitatea de Stat din Florida au reușit să crească celule cerebrale din SC. Oamenii de știință au spus că astfel de celule sunt capabile să se implanteze în creier și pot fi utilizate în tratamentul bolilor precum Parkinson și Alzheimer.
În 2006, oamenii de știință elvețieni de la Universitatea din Zurich au crescut valve cardiace umane în laboratorul lor. Pentru acest experiment, au fost utilizate SC din lichidul amniotic. Dr. S. Hörstrap crede că această tehnică ar putea fi folosită pentru a crește valvele cardiace pentru un copil nenăscut care are defecte cardiace. După naștere, copilul poate fi transplantat cu noi valve crescute din celule stem din lichidul amniotic.
În același an, medicii americani au crescut un întreg organ în laborator - vezica urinara. SC au fost luate de la persoana pentru care a fost crescut acest organ. Dr. E. Atala, directorul Institutului de Medicina Regenerativa, a spus ca celulele si substantele speciale sunt plasate in formă specială, care rămâne în incubator câteva săptămâni. După aceea, organul finit este transplantat pacientului. Astfel de operațiuni sunt acum efectuate ca de obicei.
În 2007, la simpozionul medical internațional de la Yokohama, a fost prezentat un raport al experților japonezi de la Universitatea din Tokyo despre un experiment științific uimitor. Dintr-o singură celulă stem prelevată din cornee și plasată într-un mediu nutritiv, a fost posibil să crească o nouă cornee. Oamenii de știință intenționau să înceapă cercetările clinice și să aplice în continuare această tehnologie în tratamentul ochilor.
Japonezii țin palma în creșterea unui dinte dintr-o singură celulă. SC a fost transplantat pe o schelă de colagen și a început experimentul. După creștere, dintele arăta ca unul natural și avea toate componentele, inclusiv dentina, vasele, smalțul etc. Dintele a fost transplantat într-un șoarece de laborator și a supraviețuit și a funcționat normal. Oamenii de știință japonezi văd perspective mari pentru utilizarea acestei metode în creșterea unui dinte dintr-un singur SC, urmată de transplantul într-o celulă gazdă.
Medicii japonezi de la Universitatea din Kyoto au reușit să obțină țesuturi ale rinichilor, glandelor suprarenale și un fragment din tubul renal din SC.
În fiecare an, milioane de oameni din întreaga lume mor din cauza bolilor inimii, creierului, rinichilor, ficatului, distrofie musculara etc. Celulele stem pot ajuta în tratamentul lor. Cu toate acestea, există un moment care poate încetini utilizarea celulelor stem în practică medicală este absența unei internaționale cadru legislativ: de unde poate fi luat materialul, cât timp poate fi păstrat, cum ar trebui să interacționeze pacientul și medicul său atunci când utilizează SC.
Probabil, desfășurarea experimentelor medicale și dezvoltarea unei astfel de legi ar trebui să meargă mână în mână.
) tehnologia nu este folosită la om, dar există dezvoltări și experimente active în acest domeniu. Potrivit directorului Centrului Științific Federal pentru Transplant și Organe Artificiale, numit după Shumakov, profesorul Serghei Gauthier, cultivarea organelor va deveni disponibilă în 10-15 ani.
Situatie
Ideea cultivării artificiale a organelor umane nu a părăsit oamenii de știință de mai bine de jumătate de secol, din momentul în care oamenii au început să transplanteze organe donatoare. Chiar și cu posibilitatea de a transplanta majoritatea organelor la pacienți, problema donării este în prezent foarte acută. Mulți pacienți mor fără să-și aștepte organul. cultivare artificială organele pot salva milioane de vieți. Unele progrese în această direcție au fost deja realizate prin metodele medicinei regenerative.
Vezi si
Note
Fundația Wikimedia. 2010 .
Vedeți ce este „Organele în creștere” în alte dicționare:
Cultură colorată de celule epiteliale. În fotografie, cheratina (roșu) și ADN (verde) Cultura celulară este un proces prin care celulele individuale in vitro (sau o singură celulă ... Wikipedia
Conține unele dintre cele mai remarcabile evenimente actuale, realizări și inovații în diverse domenii tehnologie moderna. Noile tehnologii sunt acele inovații tehnice care reprezintă schimbări progresive într-o zonă ... ... Wikipedia
Pregătirea pentru crionică Crionica (din greacă κρύος frig, îngheț) este practica de a menține corpul sau capul/creierul unei persoane într-o stare de adâncime ... Wikipedia
2007 – 2008 2009 2010 – 2011 Vezi și: Alte evenimente în 2009 2009 Anul Internațional astronomie (UNESCO). Cuprins... Wikipedia
Dicţionar medical mare
Cultivarea cu. X. culturile sub irigare. Unul dintre cele mai intensive tipuri de agricultură care s-a dezvoltat în zonele deșertice, semidesertice și aride, precum și în zonele care nu sunt suficient de umiditate în anumite perioade ale sezonului de vegetație. LA… …
Cultivarea plantelor în absența microorganismelor în mediul care înconjoară întreaga plantă sau (mai des) doar rădăcinile acesteia (sterilitatea întregii plante nu poate fi asigurată decât într-un vas închis, unde este dificil să se mențină necesarul pentru ... . .. Marea Enciclopedie Sovietică
Creșterea microorganismelor, a celulelor animale și vegetale, a țesuturilor sau a organelor în condiții artificiale... Enciclopedia medicală
Grâu- (Grâul) Grâul este o cultură de cereale răspândită Conceptul, clasificarea, valoarea și proprietățile nutriționale ale soiurilor de grâu Conținut >>>>>>>>>>>>>>> … Enciclopedia investitorului
Europa- (Europa) Europa este o parte a lumii dens populată, foarte urbanizată, numită după o zeiță mitologică, formând împreună cu Asia continentul Eurasiei și având o suprafață de aproximativ 10,5 milioane km² (aproximativ 2% din totalul). Zona Pământului) și... Enciclopedia investitorului
Cărți
- Boli ale păsărilor domestice și agricole. În 3 volume, . Cartea „Bolile păsărilor de curte și ale păsărilor de fermă” este o traducere a celei de-a zecea ediții, completate și revizuite a manualului privind bolile păsărilor, în pregătirea căreia a luat ...
- Bolile păsărilor de curte și ale păsărilor de fermă (număr de volume: 3) , Kalnek B.U.. Cartea „Bolile păsărilor de curte și ale păsărilor de fermă” este o traducere a celei de-a zecea ediții, completată și revizuită a manualului privind bolile păsărilor, în pregătirea care a luat...
