Nové technológie umožnia pestovať orgány. V Rusku sa objaví unikátna technika pestovania orgánov na transplantáciu z vlastných buniek pacienta

Postindustriálne miery rozvoja ľudstva, menovite vedy a techniky, sú také veľké, že si ich pred 100 rokmi nebolo možné predstaviť. To, čo sa kedysi čítalo len v populárnej vedeckej fantastike, sa teraz objavilo v reálnom svete.

Medicína 21. storočia je pokročilejšia ako kedykoľvek predtým. Choroby, ktoré boli v minulosti považované za smrteľné, sa dnes úspešne liečia. Problémy onkológie, AIDS a mnohých ďalších chorôb však ešte nie sú vyriešené. Našťastie sa v blízkej budúcnosti nájde riešenie týchto problémov, jedným z nich bude aj kultivácia ľudských orgánov.

Základy bioinžinierstva

Veda, ktorá využíva informačný základ biológie a na riešenie svojich problémov využíva analytické a syntetické metódy, vznikla nie tak dávno. Na rozdiel od konvenčného inžinierstva, ktoré na svoju činnosť využíva technické vedy, prevažne matematiku a fyziku, bioinžinierstvo ide ďalej a využíva inovatívne metódy v podobe molekulárnej biológie.

Jednou z hlavných úloh novovytvorenej vedecko-technickej sféry je pestovanie umelých orgánov v laboratórne podmienky za účelom ich ďalšej transplantácie do tela pacienta, ktorému zlyhal orgán v dôsledku poškodenia alebo opotrebovania. Spoliehaním sa na trojrozmerné bunkové štruktúry boli vedci schopní pokročiť v štúdiu účinkov rôznych chorôb a vírusov na aktivitu. ľudské orgány.

Žiaľ, ešte to nie sú plnohodnotné orgány, ale iba organoidy – rudimenty, nedokončená zbierka buniek a tkanív, ktoré sa dajú použiť len ako experimentálne vzorky. Ich výkonnosť a životaschopnosť sa testuje na pokusných zvieratách, hlavne na rôznych hlodavcoch.

Historický odkaz. transplantológia

Rozmach bioinžinierstva ako vedy predchádzalo dlhé obdobie rozvoja biológie a iných vied, ktorých účelom bolo študovať Ľudské telo. Začiatkom 20. storočia dostala impulz pre svoj rozvoj transplantológia, ktorej úlohou bolo skúmať možnosti transplantácie darcovského orgánu inej osobe. Vytvorenie techník schopných uchovať darcovské orgány na určitý čas, ako aj dostupnosť skúseností a podrobných plánov na transplantáciu umožnili chirurgom z celého sveta koncom 60. rokov úspešne transplantovať orgány ako srdce, pľúca a obličky. .

Zapnuté tento moment Princíp transplantácie je najúčinnejší, ak je pacient v ohrození smrteľné nebezpečenstvo. Hlavný problém spočíva v akútny nedostatok darcovských orgánov. Pacienti môžu čakať, kým na nich príde rad, celé roky bez toho, aby na to čakali. Okrem toho existuje vysoké riziko skutočnosť, že transplantovaný darcovský orgán sa nemusí zakoreniť v tele príjemcu, pretože imunitný systém pacienta to bude považovať za cudzí predmet. Do konfrontácie tento jav Boli vynájdené imunosupresíva, ktoré však skôr ochromia ako vyliečia – ľudská imunita je katastrofálne oslabená.

Výhody umelého výtvoru oproti transplantácii

Jedným z hlavných konkurenčných rozdielov medzi metódou pestovania orgánov a ich transplantáciou od darcu je, že v laboratórnych podmienkach možno orgány vyrábať na základe tkanív a buniek budúceho príjemcu. V podstate sa používajú kmeňové bunky, ktoré majú schopnosť diferencovať sa na bunky určitých tkanív. Vedec je schopný kontrolovať tento proces zvonku, čo výrazne znižuje riziko budúceho odmietnutia orgánu ľudským imunitným systémom.

Navyše pomocou metódy umelého pestovania orgánov je možné ich vyrobiť neobmedzené množstvo a uspokojiť tak životné potreby miliónov ľudí. Princíp hromadnej výroby výrazne zníži cenu orgánov, zachráni milióny životov a výrazne zvýši prežitie ľudstva a posunie dátum jeho biologická smrť.

Pokroky v bioinžinierstve

Dnes sú vedci schopní vypestovať základy budúcich orgánov – organoidy, na ktorých testujú rôzne choroby, vírusy a infekcie, aby vystopovali infekčný proces a vyvinuli taktiku boja. Úspešnosť fungovania organoidov sa testuje ich transplantáciou do tiel zvierat: králikov, myší.

Za povšimnutie stojí aj to, že bioinžinierstvo dosiahlo určité úspechy pri vytváraní plnohodnotných tkanív a dokonca aj pri pestovaní orgánov z kmeňových buniek, ktoré, žiaľ, zatiaľ nie je možné transplantovať ľuďom pre ich nefunkčnosť. V súčasnosti sa však vedci naučili umelo vytvárať chrupavky, cievy a ďalšie spojovacie prvky.

Koža a kosti

Nie je to tak dávno, čo sa vedcom z Kolumbijskej univerzity podarilo vytvoriť fragment kosti so štruktúrou podobnou kĺbu. spodná čeľusť spája ho so základňou lebky. Fragment bol získaný pomocou kmeňových buniek, ako v rastúcich orgánoch. O niečo neskôr sa izraelskej spoločnosti Bonus BioGroup podarilo vynájsť nový spôsob obnovy ľudskej kosti, ktorý bol úspešne testovaný na hlodavcoch – umelo vypestovaná kosť bola transplantovaná do jednej z jeho labiek. V tomto prípade boli opäť použité kmeňové bunky, len boli získané z pacientovho tukového tkaniva a následne umiestnené na gélovité kostné lešenie.

Od roku 2000 lekári používajú na liečbu popálenín špecializované hydrogély a metódy prirodzenej regenerácie poškodenej kože. Moderné experimentálne techniky umožňujú vyliečiť ťažké popáleniny za niekoľko dní. Takzvaná Skin Gun nastrieka na poškodený povrch špeciálnu zmes kmeňových buniek pacienta. Veľký pokrok sa dosiahol aj pri vytváraní stabilne fungujúcej pokožky s krvnými a lymfatickými cievami.

Nedávno sa vedcom z Michiganu podarilo vypestovať v laboratórnej časti svalové tkanivo, ktorý je však dvakrát slabší ako originál. Podobne vedci v Ohiu vytvorili trojrozmerné tkanivá žalúdka, ktoré boli schopné produkovať všetky enzýmy potrebné na trávenie.

Japonským vedcom sa podarilo takmer nemožné – vypestovali si plne funkčné ľudské oko. Problém pri transplantácii je, čo priložiť optický nerv oči do mozgu ešte nie je možné. V Texase boli pľúca tiež pestované umelo v bioreaktore, no bez ciev, čo spochybňuje ich funkčnosť.

Perspektívy rozvoja

Nebude to dlho trvať, kým sa v histórii väčšina orgánov a tkanív vytvorených v umelých podmienkach bude dať transplantovať ľuďom. Vedci z celého sveta už vyvinuli projekty a experimentálne vzorky, z ktorých niektoré nie sú horšie ako originály. Koža, zuby, kosti, všetko vnútorné orgány po určitom čase bude možné vytvárať v laboratóriách a predávať ľuďom v núdzi.

Nové technológie urýchľujú aj rozvoj bioinžinierstva. 3D tlač, ktorá sa rozšírila v mnohých oblastiach ľudského života, poslúži aj pri pestovaní nových orgánov. 3D biotlačiarne sa už experimentálne využívajú od roku 2006 a v budúcnosti budú schopné vytvárať trojrozmerné funkčné modely biologických orgánov prenosom bunkových kultúr na biokompatibilný substrát.

Všeobecný záver

Bioinžinierstvo ako veda, ktorej účelom je pestovať tkanivá a orgány na ich ďalšiu transplantáciu, vzniklo nie tak dávno. Prudké tempo, ktorým kráča po ceste pokroku, sa vyznačuje významnými úspechmi, ktoré v budúcnosti zachránia milióny životov.

Kosti a vnútorné orgány vypestované z kmeňových buniek eliminujú potrebu darcovských orgánov, ktorých množstvo je už teraz v stave nedostatku. Vedci už majú za sebou mnoho vývojov, ktorých výsledky ešte nie sú veľmi produktívne, no majú obrovský potenciál.

Biotlačiareň je biologická variácia technológie reprap, zariadenie schopné vytvoriť z buniek akýkoľvek orgán, ukladať bunky vrstvu po vrstve, už bolo vytvorené. V decembri 2009 vyvinula americká spoločnosť Organovo a austrálska spoločnosť Invetech biotlačiareň určenú pre priemyselnú výrobu v malom rozsahu. Namiesto pestovania želaného orgánu v skúmavke je oveľa jednoduchšie ho vytlačiť – to si myslia vývojári konceptu.

Vývoj technológie sa začal pred niekoľkými rokmi. Výskumníci z niekoľkých inštitútov a univerzít stále pracujú na tejto technológii. Ale profesor Gabor Forgacs a pracovníci jeho laboratória Forgacslab na University of Missouri v rámci projektu Organ Printing, ktorí v roku 2007 odhalili nové jemnosti biotlače, boli v tejto oblasti úspešnejší. Na komercializáciu svojho vývoja profesor a spolupracovníci založili kampaň Organovo. Kampaň vytvorila technológiu NovoGen, ktorá zahŕňala všetky potrebné detaily biotlače v biologickej aj v hardvérovej časti.

Bol vyvinutý laserový kalibračný systém a robotický systém polohovania hlavy s presnosťou niekoľkých mikrometrov. Je veľmi dôležité umiestniť bunky do správnej polohy. Prvé experimentálne tlačiarne pre Organovo (a podľa jeho „náčrtov“) postavila spoločnosť nScrypt (obrázok 2). Tieto zariadenia však ešte neboli prispôsobené na praktické použitie a používali sa na leštenie technológie.

V máji 2009 si kampaň Organovo vybrala ako priemyselného partnera medicínsku spoločnosť Invetech. Táto spoločnosť má viac ako 30-ročné skúsenosti s výrobou laboratórnych a medicínske vybavenie vrátane počítačových. Začiatkom decembra bola prvá kópia 3D biotlačiarne s technológiou NovoGen odoslaná z Invetech do Organova. Nový produkt sa vyznačuje kompaktnými rozmermi, intuitívnym počítačovým rozhraním, vysokým stupňom integrácie komponentov a vysokou spoľahlivosťou. V blízkej budúcnosti má Invetech v úmysle dodať pre Organovo niekoľko ďalších rovnakých zariadení a nový produkt už bude distribuovať vedeckej komunite. Nové zariadenie má také skromné ​​rozmery, že sa dá umiestniť do biologickej skrinky, ktorá je potrebná na zabezpečenie sterilného prostredia počas procesu tlače

Treba povedať, že biotlač nie je jediný spôsob, ako umelo vytvárať orgány. však klasickým spôsobom kultivácia vyžaduje v prvom rade vyrobiť rám, ktorý definuje tvar budúceho orgánu. Zároveň samotný rám nesie nebezpečenstvo, že sa stane iniciátorom zápalu orgánu.

Výhodou biotlačiarne je, že nepotrebuje takéto lešenie. Tvar orgánu je určený samotným tlačovým zariadením, usporiadaním buniek v požadovanom poradí. Samotná biotlačiareň má dve hlavy naplnené dvoma druhmi atramentu. Bunky sa používajú ako atrament v prvom rôzne druhy, a v druhom - pomocné materiály (podporný hydrogél, kolagén, rastové faktory). Tlačiareň môže mať viac ako dve "farby" - ak chcete použiť rôzne bunky alebo pomocné materiály rôzneho druhu.

Zvláštnosťou technológie NovoGen je, že tlač nevykonávajú jednotlivé bunky. Tlačiareň okamžite aplikuje konglomerát niekoľkých desiatok tisíc buniek. Toto je hlavný rozdiel medzi technológiou NovoGen a inými technológiami biotlače.

Schéma činnosti tlačiarne je znázornená na obrázku 4.

Najprv sa teda vypestujú požadované tkanivá. Vyrastené tkanivo sa potom nareže na valce v pomere priemeru k dĺžke 1:1 (bod a). Ďalej - bod b - tieto valce sú dočasne umiestnené v špeciálnom živné médium, kde majú podobu malých guličiek. Priemer takejto gule je 500 mikrometrov (pol milimetra). Oranžová farba látky je dosiahnutá pomocou špeciálneho farbiva. Potom sa guľôčky vložia do zásobníka (bod c) -- ktorý obsahuje pipety naplnené guľôčkami v poradí jeden po druhom. Samotná 3D biotlačiareň (bod d) musí tieto sféroidy vytlačiť s mikrometrovou presnosťou (to znamená, že chyba musí byť menšia ako tisícina milimetra). Tlačiareň je vybavená aj kamerami, ktoré sú schopné sledovať proces tlače v reálnom čase.

Vytvorená vzorková tlačiareň pracuje naraz s tromi „farbami“ – dvoma typmi buniek (pri najnovších Forgachových experimentoch to boli bunky srdcového svalu resp. epitelové bunky) - a treťou je zmes, ktorá obsahuje bonding gél s obsahom kolagénu, rastového faktora a množstva ďalších látok. Táto zmes umožňuje orgánu zachovať si svoj tvar predtým, ako sa bunky spoja (bod d).

Podľa Gabora tlačiareň nereprodukuje presne štruktúru orgánu. Toto sa však nevyžaduje. Prirodzený program buniek sám koriguje štruktúru orgánu.

Schéma zostavy orgánu a fúzie guľôčok do orgánu je znázornená na obrázku 5.

Počas experimentov biotlačiareň z endotelových buniek a buniek kuracieho srdcového svalu vytlačila „srdce“ (obrázok 6). Po 70 hodinách sa gule spojili do jedného systému a po 90 hodinách sa „srdce“ začalo sťahovať. Okrem toho endotelové bunky vytvorili štruktúry podobné kapiláram. Tiež svalové bunky, spočiatku chaoticky klesajúca, nakoniec sa synchronizovala nezávisle a začala súčasne klesať. Tento prototyp srdca však zatiaľ nie je vhodný na praktické využitie – aj keď sa namiesto kuracích buniek použijú ľudské bunky – technológiu biotlače treba ďalej zlepšovať.

Oveľa lepšia tlačiareň robí lepšiu prácu pri vytváraní ďalších jednoduché orgány-- napríklad kúsky ľudskej kože alebo krvných ciev. Pri tlači ciev sa kolagénové lepidlo nanáša nielen na okraje cievy, ale aj do stredu. A potom, keď bunky rastú spolu, lepidlo sa ľahko odstráni. Steny cievy pozostávajú z troch vrstiev buniek – endotelu, hladkého svalstva a fibroblastov. Výskum však ukázal, že iba jedna vrstva pozostávajúca zo zmesi týchto buniek môže byť reprodukovaná tlačou - samotné bunky migrujú a zoraďujú sa do troch homogénnych vrstiev. Táto skutočnosť môže uľahčiť proces tlače mnohých orgánov. Forgacsov tím už teda dokáže vytvárať veľmi tenké a rozvetvené nádoby akéhokoľvek tvaru. Vedci teraz pracujú na vytvorení vrstvy svalov na cievach, vďaka čomu budú cievy vhodné na implantáciu. Obzvlášť zaujímavé sú nádoby s hrúbkou menšou ako 6 milimetrov, pretože pre väčšie existujú vhodné syntetické materiály.

Ilustrácia s ďalšími experimentmi s biotlačou je na obrázku 7.

Bod a je prstenec dvoch druhov bioatramentu. Sú špeciálne natreté rôznymi fluorescenčnými látkami. Nižšie je rovnaký krúžok po 60 hodinách. Bunky rastú spolu samy. Bod b je rozvinutím rúrky vyrobenej z krúžkov znázornených na obrázku. Položka c vyššie je 12-vrstvová trubica zložená z buniek hladkého svalstva pupočníka; bod c, nižšie - rozvetvená trubica - prototyp nádob na transplantáciu. Bod d - konštrukcia kontrahujúceho srdcového tkaniva. Vľavo je mriežka (6 x 6) sféroidov s bunkami srdcového svalu (bez endotelu), vytlačená na kolagénovom „biopapieri“. Ak sa do toho istého „atramentu“ pridajú endotelové bunky (druhý obrázok je červený, kardiomyocyty sú tu znázornené zelenou), najskôr vyplnia priestor medzi sféroidmi a po 70 hodinách (bod d, vpravo) sa celé tkanivo zmení na jediný celok. Dole: graf bunkovej kontrakcie výsledného tkaniva. Ako je možné vidieť, amplitúda (meraná vertikálne) kontrakcií je približne 2 mikróny a perióda je približne dve sekundy (čas vyznačený horizontálne) (fotografie a ilustrácie od Forgacsa a kol.).

Obrázok 8 tiež ukazuje štruktúru vytlačeného srdcového tkaniva (fotografie od Forgacsa a spol.).

Prvé vzorky 3D biotlačiarne od spoločností Organovo a Invetech budú k dispozícii výskumným a lekárskym organizáciám v roku 2011.

Treba poznamenať, že Organovo nie je jediným hráčom na tomto trhu. Západná biotechnologická spoločnosť Tengion pred časom predstavila svoju technológiu na obnovu orgánov. Medzi prístupmi Tengion a Organovo sú určité rozdiely. Napríklad tieto dve technológie majú rôzne prístupy k organizovaniu živých buniek do skupín na vytvorenie tkanív; okrem toho tlačiarne spoločností majú rôzne prístupy k problému získavania vzoriek a analýzy génov. Obe spoločnosti poznamenávajú, že sa stretávajú s rovnakými ťažkosťami – reprodukovať zložité látky je pomerne náročné a obom tlačiarňam trvá veľmi dlho, kým sa nastavia na jeden typ 3D tlače. Taktiež návrh samotnej tlačiarne je len časťou úlohy. Je tiež potrebné vytvoriť špeciálny softvér, ktorý pomôže simulovať tkaninu pred tlačou a rýchlo prekonfigurovať tlačiareň. Samotná tlačiareň by mala byť schopná vytvoriť najzložitejší orgán za pár hodín. Tenké kapiláry by sa mali kŕmiť čo najskôr živiny, inak orgán odumrie. Obe spoločnosti to však majú rovnako konečný cieľ- „tlač“ ľudských orgánov.

Spočiatku bude zariadenie slúžiť na výskumné účely. Môžu sa použiť napríklad tlačené fragmenty pečene toxikologické experimenty. Neskôr sa môžu použiť umelé úlomky kože a svalov, kapilár, kostí na liečenie ťažkých poranení a na plastická operácia. Organovo aj Tengion sa zhodujú, že zariadenia schopné rýchlo a efektívne vytlačiť celé orgány sa objavia okolo roku 2025-2030. Zavedenie biotlače výrazne zníži náklady na vytváranie nových orgánov. Novými orgánmi možno nahradiť zastarané časti ľudského tela a v dôsledku toho radikálne predĺžiť život (nesmrteľnosť). V budúcnosti nám biotlač umožní vynájsť nové biologické orgány na zlepšenie ľudí a zvierat a vynájdenie umelých živých bytostí.

Biotlačové technológie.

Tento príspevok je o biotlačiarňach – vynáleze, ktorý pomôže človeku vypestovať nové orgány, ktoré nahradia starobou opotrebované a výrazne mu tak predĺžia život.


O technológii biotlače, ktorú vyvinul Gabor Forgacs v kampani Organovo, som už hovoril v jednom z mojich predchádzajúcich príspevkov. Nie je to však jediná technológia na vytváranie umelých orgánov z buniek. Aby som bol spravodlivý, treba zvážiť aj iné. Zatiaľ sú všetky ďaleko od masovej aplikácie, ale skutočnosť, že sa takéto práce vykonávajú, je povzbudzujúca a dáva nám nádej, že aspoň jeden rad umelých orgánov dosiahne úspech.

Prvým je vývoj amerických vedcov Vladimíra Mironova z lekárska univerzita Južná Karolína (Medical University of South Carolina) a Thomas Boland (Thomas Boland) z Clemson University (Clemson University). Prvý výskum začal doktor Boland, ktorý prišiel s nápadom a začal výskum vo svojom laboratóriu a uniesol s ním aj svojho kolegu.

Spoločne s pomocou tlačiarne dokázali implementovať technológiu nanášania buniek vrstvu po vrstve. Na experiment boli vzaté staré tlačiarne Hewlett-Packard – používali sa staré modely, pretože ich kazety mali dostatočne veľké otvory, aby nepoškodili bunky. Náplne boli starostlivo očistené od atramentu a namiesto atramentu boli naplnené bunkovou hmotou. Musel som tiež trochu prerobiť tlačiareň, vytvoriť softvér na ovládanie teploty, elektrického odporu a viskozity „živého atramentu“.

Iní vedci sa už predtým pokúšali aplikovať bunky na rovinu vrstvu po vrstve, ale títo boli prví, ktorí to dokázali pomocou atramentovej tlačiarne.

Vedci sa nezastavia pri kreslení buniek do lietadla.

Aby bolo možné vytlačiť trojrozmerný orgán, lepidlo použité na spojenie buniek má byť exotický termoreverzibilný (alebo "termoverzibilný") gél, ktorý nedávno vyvinula Anna Gutowska z Pacific Northwest National Laboratory.

Tento gél je tekutý pri 20 stupňoch Celzia a tuhne pri teplotách vyšších ako 32 stupňov. A našťastie nie je škodlivý pre biologické tkanivá.

Pri tlači na sklenený substrát sa nanášajú cez jednu vrstvu buniek a vrstvy gélu (pozri obrázok 1). Ak sú vrstvy dostatočne tenké, bunky potom rastú spolu. Gél nezasahuje do splynutia buniek a zároveň dodáva štruktúre pevnosť až do okamihu, keď bunky zrastú. Potom je možné gél ľahko odstrániť vodou.

Tím už vykonal niekoľko experimentov s použitím ľahko dostupných bunkových kultúr, typ buniek vaječníkov škrečka.

Trojrozmerná tlač môže podľa autorov vyriešiť problém vytvárania nových orgánov pre medicínu, ktoré nahradia poškodené alebo rastúce orgány pre biologické experimenty. S najväčšou pravdepodobnosťou sa ako prvá masovo začne používať technológia na pestovanie veľkých plôch kože na liečbu ľudí postihnutých popáleninami. Keďže štartovacie bunky na kultiváciu „živého atramentu“ budú odobraté samotnému pacientovi, nemal by byť problém s odmietnutím.

Všimnite si tiež, že tradičné pestovanie orgánov môže trvať niekoľko týždňov – takže pacient nemusí čakať požadovaný orgán. Pri transplantácii orgánu od inej osoby sa zvyčajne len každému desiatemu podarí počkať, kým na orgán príde rad, zvyšok zomrie. Ale technológia biotlače, ak má dostatok buniek, môže trvať len niekoľko hodín, kým sa vytvorí orgán.

Počas tlače bude potrebné riešiť problémy, ako je kŕmenie umelého orgánu. Je zrejmé, že tlačiareň musí vytlačiť orgán so všetkými cievami a kapilárami, cez ktoré by mali byť počas procesu tlače dodávané živiny (ako však ukázali experimenty Gabora Forgacsa, aspoň niektoré orgány sú schopné tvoriť kapiláry samy). . Orgán by mal byť tiež vytlačený za nie viac ako niekoľko hodín - preto sa na zvýšenie pevnosti prichytenia buniek navrhuje pridať kolagénový proteín do väzbového roztoku.

Podľa prognózy vedcov sa o pár rokov na klinikách objavia biotlačiarne. Vyhliadky, ktoré sa otvárajú, sú obrovské.

Pre tlač touto technológiou zložitý orgán pozostávajúce z veľkého počtu buniek, sú potrebné kazety so širokou škálou atramentov. Doktor Phil Campbell a jeho kolegovia z Carnegie Mellon University v Amerike, najmä profesor robotiky Lee Weiss – ktorí tiež experimentujú s biotlačou – však prišli na spôsob, ako znížiť počet druhov atramentu bez poškodenia výsledného orgánu. .

Na tento účel navrhol použiť ako jeden z biokvetov roztok obsahujúci rastový faktor BMP-2. Ako ďalšia biofarba boli použité kmeňové bunky získané zo svalov nôh myší.

Ďalej tlačiareň vytlačila na sklo štyri štvorce so stranami 750 mikrometrov – v každom z nich bola koncentrácia rastového hormónu iná. Kmeňové bunky, ktoré sa ocitli v oblastiach s rastovými faktormi, sa začali meniť na bunky kostného tkaniva. A čím vyššia je koncentrácia BMP-2, tým vyšší je „výťažok“ diferencovaných buniek. Kmeňové bunky, ktoré skončili v čistých oblastiach, sa od tejto cesty vývoja zmenili na svalové bunky kmeňová bunka predvolene vyberie.

Predtým bunky rôzne druhy boli pestované oddelene. Ale podľa vedca spoločné rastúce bunky približujú túto techniku ​​k prírode. "Môžete vytvoriť štruktúru lešenia, v ktorej sa na jednom konci rozvíja kosť, na druhom konci sa rozvíja šľacha a na druhom konci sa rozvíja sval. To vám dáva väčšiu kontrolu nad regeneráciou tkaniva," hovorí autor práce. A budú použité len dva druhy atramentu, čo zjednodušuje dizajn biotlačiarne.

O problém riadených zmien bunkových štruktúr sa začali zaujímať aj vedci z Ruska. „Dnes existuje veľa vývojov súvisiacich s pestovaním tkaniva z kmeňových buniek,“ komentuje vedec Nikolai Adreanov. -- Najlepšie výsledky vedci dosiahli v pestovaní epitelové tkanivá, pretože jeho bunky sa delia veľmi rýchlo. A teraz sa výskumníci pokúšajú použiť kmeňové bunky na vytvorenie nervové vlákna, ktorej bunky v prírodné podmienky sa zotavujú veľmi pomaly."

Aj podľa Lee Weissa, ktorý tlačiareň vyvinul, je ich technológia ešte ďaleko od priemyselnej implementácie. Navyše rozšírenie vedomostí o biológii by nezaškodilo. "Dokážem vytlačiť dosť zložité veci. Ale pravdepodobne jedným z najväčších limitujúcich faktorov (pre túto technológiu) je pochopenie biológie. Musíte presne vedieť, čo tlačiť." Alexander Revishchin, kandidát biologických vied, vedúci výskumník Ústavu vývojovej biológie Ruskej akadémie vied, poukazuje na ďalší problém. „V zásade je možné tlačiť tkanivá „bunkovým atramentom“, ale technológia je stále nedokonalá,“ poznamenal. „Napríklad, ak sa kmeňové bunky transplantujú do neobvyklých podmienok, tieto bunky stratia niť prirodzeného vývoja a komunikácie s okolitých buniek, čo môže viesť k ich degenerácii do nádoru.“ biotlačiareň kmeňových buniek

Dúfajme však, že technológia sa v najbližších rokoch rozvinie.

Vedci po prvý raz vytvorili chiméru človeka a prasaťa – článok popisujúci tento experiment vyšiel 26. januára vo vedeckom časopise Cell. Medzinárodný tím vedcov pod vedením Juana Carlosa Izpisuu Belmonteho, profesora zo Salk Institute for Biological Studies (USA), pestoval embryá obsahujúce ľudské kmeňové bunky u ošípaných počas 28 dní. Z dvoch tisícok hybridných embryí sa 186 vyvinulo na organizmy, v ktorých ľudská časť bola jedna na desaťtisíc buniek.

Chiméry sú organizmy pomenované podľa príšery z Grécke mýty, ktorý spája kozu, leva a hada, sa získavajú spojením genetického materiálu dvoch zvierat, avšak bez rekombinácie DNA (teda výmeny genetickej informácie, ku ktorej dochádza pri počatí dieťaťa). Výsledkom je, že chiméry majú dve sady geneticky odlišných buniek, ale fungujú ako celý orgán zmeniť. V experimente, o ktorom Cell píše, vedci odobrali embryá z gravidnej prasnice a naplnili ich infúziou indukovaných ľudských kmeňových buniek, po čom boli embryá poslané späť, aby sa vyvinuli v tele prasaťa. Chiméry sa nesmeli narodiť - už sa ich zbavili skoré štádiumženské tehotenstvo.

Prečo vedci potrebujú hybridné organizmy?

Výklenok pre orgány


Jedným z hlavných cieľov experimentu je pestovanie ľudských orgánov v telách zvierat. Niektorí pacienti čakajú v rade na transplantáciu aj roky a vytvorenie biologického materiálu týmto spôsobom by mohlo zachrániť tisíce životov. „Stále sme od toho ďaleko, ale prvý a dôležitý krok sme urobili,“ hovorí Izpisua Belmonte. Ľudský orgán vypestovaný v chimére z pacientových vlastných buniek by vyriešil problém odmietnutia transplantátu telom pacienta, keďže by bol vypestovaný z jeho vlastných buniek.
Vedci sa chystajú vyvinúť ľudské orgány v tele zvieraťa pomocou úpravy génov (konkrétne inovatívnym spôsobom CRISPR-Cas9). Spočiatku sa DNA zvieracieho embrya zmení tak, aby sa z neho nevyvinul potrebný orgán, ako je srdce alebo pečeň. Tento „výklenok“ bude vyplnený ľudskými kmeňovými bunkami.

Experimenty ukazujú, že v chimére môže byť vytvorený takmer akýkoľvek orgán – dokonca aj taký, ktorý nie je zabezpečený u pokusného zvieraťa. Ďalší experiment rovnakej skupiny vedcov ukázal, že injekcia kmeňových buniek potkana do tela myši im umožňuje pestovať žlčník, hoci myši tento orgán evolučne nemajú.

Japonskí vedci ešte v roku 2010 rovnakým spôsobom vytvorili pankreas potkanov. Tímu Izpisua Belmontea sa podarilo vypestovať srdce a oči potkana v tele myši. 25. januára jeden z jeho kolegov v článku v časopise Nature informoval, že jeho skupine sa podarilo uskutočniť opačný experiment – ​​vypestovať myší pankreas u potkana a úspešne ho transplantovať. Organ správne fungoval viac ako rok.

Dôležitou podmienkou úspechu experimentov s chimérami je správny pomer veľkosť spojených organizmov. Napríklad vedci sa predtým pokúšali vytvoriť chiméry ošípaných a potkanov, ale experiment bol neúspešný. Oveľa kompatibilnejší sú ľudia, kravy a prasatá. Tím Izpisua Belmonte sa rozhodol použiť ošípané na vytvorenie ľudskej chiméry jednoducho preto, že ich použitie je lacnejšie ako použitie kráv.

Hybridy medzi nami


História už predtým poznala prípady transplantácie určitých častí tela zvierat, vrátane ošípaných. Ešte v 19. storočí americký lekár Richard Kissam úspešne transplantoval rohovku oka mladého muža, ktorú odobral šesťmesačnému prasiatku. Ale plnohodnotná tvorba chimér začala v 60. rokoch, keď americká vedkyňa Beatrice Mintzová získala v laboratóriu prvý hybridný organizmus spojením buniek dvoch rôznych typov myší – bielej a čiernej. O niečo neskôr ďalšia vedkyňa, Francúzka Nicole Le Doirin, prepojila zárodočné vrstvy embrya kurčaťa a prepelice a v roku 1973 publikovala prácu o vývoji hybridného organizmu. V roku 1988 Irving Weisman zo Stanfordskej univerzity vytvoril myš s ľudským imunitným systémom (pre výskum AIDS) a následne implantoval ľudské kmeňové bunky do mozgu myší pre neurovedecký výskum. V roku 2012 sa narodili prvé chiméry primátov: v r Národné centrumŠtúdia primátov v Oregone vedci vytvorili opice obsahujúce šesť rôznych DNA.

Navyše, história už pozná prípady chimérnych ľudí, hoci ich tak spoločnosť nenazýva a oni sami si to nemusia uvedomovať. V roku 2002 zomrela obyvateľka Bostonu Karen Keegan genetický test zistiť, či môže dostať obličku od jedného zo svojich príbuzných. Testy ukázali nemožné: DNA pacientky sa nezhodovala s DNA jej biologických synov. Ukázalo sa, že Keegan mala vrodený chimérizmus, ktorý sa v embryu vyvíja v dôsledku poruchy procesu oplodnenia: jej telo obsahovalo dve genetické sady, jednu v krvných bunkách a druhú v bunkách v tkanivách jej tela.

Formálne môže byť osoba, ktorá dostala zahraničný transplantát, nazývaná aj chiméra. Kostná dreň, - napríklad pri liečbe leukémie. V niektorých prípadoch môžete v krvi takéhoto pacienta nájsť bunky s jeho pôvodnou DNA aj s DNA darcu. Ďalším príkladom je takzvaný mikrochimérizmus. V tele tehotnej ženy možno pozorovať pohyb fetálnych kmeňových buniek nesúcich jeho genóm v orgánoch nastávajúcej mamičky – obličkách, pečeni, pľúcach, srdci a dokonca aj mozgu. Vedci naznačujú, že sa to môže stať takmer pri každom tehotenstve a takéto bunky môžu zostať na novom mieste počas celého života ženy.

Ale vo všetkých týchto prípadoch sa chiméry tvoria (prirodzene alebo nie) z dvoch ľudí. Ďalšia vec je spojenie človeka a zvieraťa. Transplantácia tkanív zo zvierat na ľudí ich môže urobiť zraniteľnými voči novým chorobám, a preto sú naše imunitný systém nie je pripravený. Mnohých desí aj možnosť obdarovať zvieratá ľudskými vlastnosťami, dokonca zvýšiť úroveň vedomia. Vedci sa snažia ubezpečiť spoločnosť a úrady, že takéto experimenty budú prísne kontrolované laboratóriami a použité len na dobro. Americký Národný inštitút zdravia (NIH) takýto výskum nikdy nefinancoval a označil ho za neetický. V auguste 2016 však predstavitelia NIH uviedli, že môžu moratórium preskúmať (rozhodnutie ešte nepadlo).

Na rozdiel od NIH americká armáda takéto experimenty štedro financuje. Jeho projekt chiméry, ktorý zahŕňal šľachtenie prasaťa so srdcom z iného prasaťa, podľa kardiológa Daniela Garryho z University of Minnesota nedávno získal vojenský grant vo výške 1,4 milióna dolárov na experimentovanie s pestovaním ľudského srdca u prasaťa.

Skôr ako začnem diskutovať o téme článku, chcem to urobiť malá exkurzia, ktorým je ľudské telo. To vám pomôže pochopiť, aká dôležitá je práca akéhokoľvek odkazu v zložitom systéme. Ľudské telo, čo sa môže stať, ak dôjde k zlyhaniu a ako sa moderná medicína snaží riešiť problémy, ak niektorý orgán zlyhá.

Ľudské telo ako biologický systém

Ľudské telo je zložitý biologický systém, ktorý má špeciálnu štruktúru a je vybavený špecifickými funkciami. V rámci tohto systému existuje niekoľko úrovní organizácie. Najvyššia integrácia je na úrovni organizmu. Ďalej klesajú systémové, orgánové, tkanivové, bunkové a molekulárne úrovne organizácie. Koordinovaná práca všetkých úrovní systému závisí od harmonická práca celého ľudského tela.
Ak niektorý orgán alebo orgánový systém nefunguje správne, potom porušenia ovplyvňujú viac nižšie úrovne organizácie, ako sú tkanivá a bunky.

Molekulová úroveň– toto je prvá tehla. Ako už názov napovedá, celé ľudské telo, rovnako ako všetko živé, pozostáva z nespočetných molekúl.

Bunkovú úroveň si možno predstaviť ako rôznorodé zložkové zloženie molekúl, ktoré tvoria rôzne bunky.

Bunky spojené do tkanív rôznej morfológie a fungovania tvoria tkanivovú úroveň.

Ľudské orgány obsahujú rôzne tkanivá. Zabezpečujú normálne fungovanie akéhokoľvek orgánu. Toto je orgánová úroveň organizácie.

Ďalší level organizácia – systémová. Niektoré anatomicky zjednotené orgány vykonávajú zložitejšiu funkciu. Napríklad, zažívacie ústrojenstvo, skladajúci sa z rôzne orgány, zabezpečuje trávenie potravy vstupujúcej do tela, vstrebávanie produktov trávenia a odstraňovanie nespotrebovaných zvyškov.
A najvyššia úroveň organizácie je organizačná úroveň. Všetky systémy a podsystémy tela fungujú ako dobre vyladené hudobný nástroj. Koordinovaná práca všetkých úrovní sa dosahuje vďaka mechanizmu samoregulácie, t.j. podpora na určitej úrovni rôznych biologických ukazovateľov. Pri najmenšej nerovnováhe vo fungovaní akejkoľvek úrovne začne ľudské telo pracovať prerušovane.

Čo sú to kmeňové bunky?

Termín „kmeňové bunky“ zaviedol do vedy ruský histológ A. Maksimov v roku 1908. Kmeňové bunky (SC) sú nešpecializované bunky. Stále sú považované za nezrelé bunky. Sú prítomné takmer vo všetkých mnohobunkových organizmoch vrátane ľudí. Bunky sa rozmnožujú delením. Sú schopné premeny na špecializované bunky, t.j. môžu sa z nich vytvárať rôzne tkanivá a orgány.

Najviac veľké množstvo KS u dojčiat a detí; v dospievaní sa počet kmeňových buniek v tele zníži 10-krát a zrelý vek- 50 krát! Výrazný pokles počtu SC počas starnutia, ako aj vážnych chorôb znižuje schopnosť tela liečiť sa. To vedie k nepríjemnému záveru: životná aktivita mnohých dôležité systémy orgánov klesá.

Kmeňové bunky a budúcnosť medicíny

Lekárski vedci už dlho venujú pozornosť plasticite SC a teoretickej možnosti vypestovať z nich rôzne tkanivá a orgány ľudského tela. Práce na štúdiu vlastností SC sa začali v druhej polovici minulého storočia. Ako vždy, prvé štúdie sa uskutočnili na laboratórnych zvieratách. Začiatkom tohto storočia sa začali pokusy používať SC na pestovanie ľudských tkanív a orgánov. Rád by som vám povedal o najzaujímavejších výsledkoch v tomto smere.

Japonským vedcom sa v roku 2004 podarilo vypestovať kapilárne bunky v laboratórnych podmienkach. cievy z SK.

Nasledujúci rok sa americkým výskumníkom z Florida State University podarilo vypestovať mozgové bunky z SC. Vedci uviedli, že takéto bunky môžu byť implantované do mozgu a mohli by sa použiť na liečbu chorôb, ako je Parkinsonova a Alzheimerova choroba.

V roku 2006 švajčiarski vedci z univerzity v Zürichu vypestovali ľudské srdcové chlopne vo svojom laboratóriu. Na tento experiment sa použili SC z plodovej vody. Dr. S. Hoerstrap verí, že táto technika by mohla byť použitá na rast srdcových chlopní pre nenarodené dieťa, ktoré má srdcové chyby. Po narodení môže dieťa dostať nové chlopne vyrastené z kmeňových buniek plodovej vody.

V tom istom roku americkí lekári vypestovali celý orgán v laboratóriu - močového mechúra. SC boli odobraté osobe, pre ktorú bol tento orgán pestovaný. Doktor E. Atala, riaditeľ Inštitútu regeneratívnej medicíny, povedal, že sú tam umiestnené bunky a špeciálne látky špeciálny tvar, ktorý zostáva v inkubátore niekoľko týždňov. Potom sa hotový orgán transplantuje pacientovi. Takéto operácie sa teraz vykonávajú ako obvykle.

V roku 2007 na medzinárodnom medicínskom sympóziu v Jokahame predstavili japonskí špecialisti z Tokijskej univerzity správu o úžasnom vedeckom experimente. Z jedinej kmeňovej bunky odobratej z rohovky a umiestnenej do živného média bolo možné vypestovať novú rohovku. Vedci mali v úmysle začať klinické štúdie a ďalej využívať túto technológiu pri liečbe očí.

Japonci sú lídrami v pestovaní zuba z jednej bunky. SC bol transplantovaný na kolagénové lešenie a experiment sa začal. Zub po vyrastení vyzeral ako prirodzený a mal všetky svoje zložky vrátane dentínu, ciev, skloviny atď. Zub bol transplantovaný do laboratórnej myši, zakorenil sa a fungoval normálne. Japonskí vedci vidia veľké vyhliadky na využitie tejto metódy v pestovaní zuba z jedného SC a následnej transplantácii bunky jej majiteľovi.

Japonským lekárom z Kjótskej univerzity sa podarilo získať tkanivo obličiek a nadobličiek a fragment obličkového tubulu z SC.

Každý rok na celom svete zomierajú milióny ľudí na choroby srdca, mozgu, obličiek, pečene, svalová dystrofia atď. Kmeňové bunky môžu pomôcť pri ich liečbe. Existuje však jeden bod, ktorý môže spomaliť používanie kmeňových buniek v lekárska prax je absencia internacionály legislatívneho rámca: odkiaľ je možné materiál vziať, ako dlho ho možno skladovať, ako má pacient a jeho lekár interagovať pri používaní SC.

Pravdepodobne by vykonávanie lekárskych experimentov a vývoj takéhoto zákona mali ísť paralelne.

) technológia sa nepoužíva na ľuďoch, ale v tejto oblasti prebieha aktívny vývoj a experimenty. Podľa riaditeľa Federálneho vedeckého centra pre transplantáciu a umelé orgány pomenovaného po Shumakovovi, profesora Sergeja Gauthiera, budú rastúce orgány dostupné o 10-15 rokov.

Situácia

Myšlienka umelo pestovať ľudské orgány neopustila vedcov už viac ako pol storočia, odkedy sa darcovské orgány začali transplantovať ľuďom. Aj keď je možné väčšinu orgánov pacientom transplantovať, téma darcovstva je v súčasnosti veľmi naliehavá. Mnoho pacientov zomiera bez toho, aby dostali svoj orgán. umelé pestovanie orgány môžu zachrániť milióny ľudských životov. Určité pokroky v tomto smere sa už dosiahli pomocou metód regeneratívnej medicíny.

pozri tiež

Poznámky


Nadácia Wikimedia. 2010.

Pozrite sa, čo je „Pestovanie orgánov“ v iných slovníkoch:

    Zafarbená epiteliálna bunková kultúra. Na snímke keratín (červená) a DNA (zelená) Bunková kultúra je proces, pri ktorom jednotlivé bunky (alebo jedna bunka) in vitro ... Wikipedia

    Obsahuje niektoré z najvýznamnejších aktuálnych udalostí, úspechov a inovácií v rôznych oblastiach moderná technológia. Nové technológie sú tie technické inovácie, ktoré predstavujú progresívne zmeny v tejto oblasti... ... Wikipedia

    Príprava na kryoniku Kryonika (z gréckeho κρύος chlad, mráz) je prax uchovávania ľudského tela alebo hlavy/mozgu v stave hlbokého ... Wikipedia

    2007 – 2008 2009 2010 – 2011 Pozri tiež: Ďalšie podujatia v roku 2009 2009 Medzinárodný rok astronómia (UNESCO). Obsah ... Wikipedia

    Veľký lekársky slovník

    Rastúce s. X. plodiny v podmienkach zavlažovania. Jeden z najintenzívnejších druhov poľnohospodárstva, vyvinutý v púštnych, polopúštnych a suchých zónach, ako aj v oblastiach nedostatočne zásobených vlahou v určitých vegetačných obdobiach. V……

    Pestovanie rastlín v neprítomnosti mikroorganizmov v prostredí obklopujúcom celú rastlinu alebo (častejšie) iba jej korene (sterilitu celej rastliny je možné zabezpečiť len v uzavretej nádobe, kde je náročné udržiavať potrebné ... .. . Veľká sovietska encyklopédia

    Pestovanie mikroorganizmov, živočíšnych a rastlinných buniek, tkanív alebo orgánov v umelých podmienkach... Lekárska encyklopédia

    Pšenica- (Pšenica) Pšenica je rozšírená obilná plodina Koncepcia, klasifikácia, hodnota a nutričné ​​vlastnosti odrôd pšenice Obsah >>>>>>>>>>>>>>> ... Encyklopédia investorov

    Európe- (Európa) Európa je husto osídlená, vysoko urbanizovaná časť sveta pomenovaná po mytologickej bohyni, ktorá spolu s Áziou tvorí kontinent Eurázia a má rozlohu asi 10,5 milióna km² (približne 2 % z celkovej rozlohy Zem) a... Encyklopédia investorov

knihy

  • Choroby domácich a hospodárskych vtákov. V 3 zväzkoch, . Kniha Choroby domácej a farmárskej hydiny je prekladom desiateho, rozšíreného a prepracovaného vydania príručky o chorobách vtákov, pri príprave ktorej...
  • Choroby domáceho a chovného vtáctva (počet zväzkov: 3), Kalnek B.U.. Kniha „Choroby domáceho a chovného vtáctva“ je prekladom desiateho, rozšíreného a prepracovaného vydania príručky o chorobách vtákov, v príprave tzv. ktoré zobrali...
KATEGÓRIE

POPULÁRNE ČLÁNKY

2023 „kingad.ru“ - ultrazvukové vyšetrenie ľudských orgánov