Nové technológie umožnia pestovanie orgánov. 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.

Úroveň rozvoja medicíny v 21. storočí je vyššia 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, využívajúca informačný základ biológie a využívajúca analytické a syntetické metódy na riešenie svojich problémov, 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 novo razenej 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 znehodnotenia. Na základe trojrozmerných bunkových štruktúr vedci dokázali pokročiť v štúdiu vplyvu rôznych chorôb a vírusov na aktivitu. ľudské orgány.

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

Odkaz na históriu. transplantológia

Rozmach bioinžinierstva ako vedy predchádzalo dlhé obdobie rozvoja biológie a iných vied, ktorých účelom bolo študovať Ľudské telo. Impulz k rozvoju dostala už začiatkom 20. storočia transplantácia, ktorej úlohou bolo skúmať možnosť transplantácie darcovského orgánu inej osobe. Vytvorenie metód schopných uchovať darcovské orgány na určitý čas, ako aj dostupnosť skúseností a podrobných plánov na transplantáciu umožnili chirurgom z celého sveta úspešne transplantovať orgány ako srdce, pľúca a obličky koncom 60. rokov .

Na tento moment princíp transplantácie je najúčinnejší v prípade ohrozenia pacienta 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 ho imunitný systém pacienta bude považovať za cudzí predmet. V konfrontácii tento jav boli vynájdené imunosupresíva, ktoré však skôr ochromujú ako liečia - ľudská imunita sa katastrofálne oslabuje.

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, čím sa uspokoja životne dôležité potreby miliónov ľudí. Princíp hromadnej výroby výrazne zníži cenu orgánov, zachráni milióny životov a výrazne zvýši prežitie ľudstva a posunie dátum jeho biologická smrť.

Úspechy v bioinžinierstve

K dnešnému dňu sú vedci schopní vypestovať základy budúcich orgánov - organoidy, na ktorých sa testujú rôzne choroby, vírusy a infekcie, aby bolo možné sledovať infekčný proces a vyvinúť protiopatrenia. Úspešnosť fungovania organel sa kontroluje ich transplantáciou do tiel zvierat: králikov, myší.

Za zmienku 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 človeku pre ich nefunkčnosť. V súčasnosti sa však vedci naučili, ako umelo vytvárať chrupavky, cievy a ďalšie spojovacie prvky.

Koža a kosti

Nie je to tak dávno, čo sa vedcom z Kolumbijskej univerzity podarilo vytvoriť kostný fragment podobný štruktúre kĺbu. mandibula spája ho so základňou lebky. Fragment bol získaný pomocou kmeňových buniek, ako pri kultivácii orgánov. O niečo neskôr sa izraelskej spoločnosti Bonus BioGroup podarilo vynájsť novú metódu obnovy ľudskej kosti, ktorá bola úspešne testovaná na hlodavcoch – do jednej z jej labiek bola transplantovaná umelo vypestovaná kosť. V tomto prípade boli opäť použité kmeňové bunky, len boli získané z tukového tkaniva pacienta a následne umiestnené na gélovitý kostný rám.

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 s kmeňovými bunkami 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 bolo tiež možné pestovať pľúca umelo v bioreaktore, ale bez krvných ciev, čo spochybňuje ich výkonnosť.

Perspektívy rozvoja

V dejinách nebude dlho čakať, keď bude možné väčšinu orgánov a tkanív vytvorených v umelých podmienkach transplantovať človeku. Vedci z celého sveta už vyvinuli projekty, 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 experimentálne používajú od roku 2006 a v budúcnosti budú schopné vytvárať 3D funkčné modely biologických orgánov prenosom bunkových kultúr na biokompatibilný základ.

Všeobecný záver

Bioinžinierstvo ako veda, ktorej účelom je kultivácia tkanív a orgánov na ich ďalšiu transplantáciu, sa zrodilo nie tak dávno. Skokové tempo, ktorým napreduje, sa vyznačuje významnými úspechmi, ktoré v budúcnosti zachránia milióny životov.

Kosti a vnútorné orgány z kmeňových buniek eliminujú potrebu darcovských orgánov, ktorých je už teraz nedostatok. Vedci už majú za sebou veľa vývojov, ktorých výsledky zatiaľ nie sú príliš produktívne, ale majú veľký potenciál.

Biotlačiareň je biologická variácia technológie reprap, zariadenie schopné vytvoriť z buniek akýkoľvek orgán, nanášať 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 požadovaného orgánu v skúmavke je podľa vývojárov konceptu oveľa jednoduchšie ho vytlačiť.

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

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

V máji 2009 kampaň Organovo vybrala ako priemyselného partnera lekársku 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 stelesňujúca technológiu NovoGen odoslaná z Invetech do Organova. Novinka sa vyznačuje kompaktnými rozmermi, intuitívnym počítačovým rozhraním, vysokým stupňom integrácie uzlov a vysokou spoľahlivosťou. V blízkej budúcnosti má Invetech v úmysle dodať pre Organovo niekoľko ďalších rovnakých zariadení a novinku už bude distribuovať vo vedeckej komunite. Nové zariadenie je tak skromný, že ho možno 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 pestovanie si vyžaduje v prvom rade vyrobiť rám, ktorý určuje tvar budúceho orgánu. Zároveň samotný rám nesie nebezpečenstvo, že sa stane iniciátorom zápalu orgánu.

Výhodou biotlačiarne je, že nepotrebuje takéto lešenie. Tvar orgánu je nastavený samotným tlačovým zariadením, pričom bunky sú umiestnené 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.

Znakom 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 tlačiarne je znázornená na obrázku 4.

Najprv sa teda pestujú 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 guľôčok. Priemer takejto gule je 500 mikrometrov (pol milimetra). Oranžová farba látky je daná špeciálnym farbivom. 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 montáže organu a koalescencie 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.

Tlačiareň dokáže oveľa lepšie vytvárať viac 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 sú zložené z troch vrstiev buniek – endotelu, hladkého svalstva a fibroblastov. Štúdie však ukázali, 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. Forgachov tím už teda dokáže vytvárať veľmi tenké a rozvetvené cievy akéhokoľvek tvaru. Teraz výskumníci 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 - na obrázku 7.

Bod a -- krúžok dvoch druhov bioatramentu. Sú špeciálne zafarbené rôznymi fluorescenčnými látkami. Nižšie je rovnaký krúžok po 60 hodinách. Bunky rastú samy. Bod b - vývoj rúrky, regrutovaný z krúžkov znázornených na obrázku. Bod c vyššie - 12-vrstvová trubica, zložená z buniek hladkých svalových vlákien pupočníka; bod c, na dne - 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), vyplnia najskôr priestor medzi sféroidmi a po 70 hodinách (bod d, vpravo) celé tkanivo stáva jediným celkom. Dole: graf bunkovej kontrakcie výsledného tkaniva. Ako je možné vidieť, amplitúda (meraná vertikálne) kontrakcií je približne 2 mikróny a perióda je približne dve sekundy (krát vyznačené horizontálne) (foto a ilustrácie Forgacs et al).

Obrázok 8 tiež ukazuje štruktúru vytlačených srdcových tkanív (fotografie od Forgacs a kol.).

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 replikácie orgánov. Medzi prístupmi Tengion a Organovo sú určité rozdiely. Napríklad tieto dve technológie pristupujú k organizácii živých buniek do skupín na vytvorenie tkanív rôznymi spôsobmi a tlačiarne spoločností tiež pristupujú k problému získavania vzoriek a analýzy génov rôznymi spôsobmi. Obe spoločnosti poznamenávajú, že sa stretávajú s rovnakými ťažkosťami – reprodukovať zložité látky je pomerne náročné, obom tlačiarňam trvá veľmi dlho, kým sa nastavia na jeden typ trojrozmernej tlače. Taktiež samotný vývoj tlačiarne je len časťou úlohy. Musíte tiež vytvoriť špeciálny softvér, ktorý vám pomôže simulovať tkaninu pred tlačou a rýchlo prekonfigurovať tlačiareň. Samotná tlačiareň si s vytvorením toho najzložitejšieho orgánu musí poradiť za pár hodín. Cez tenké kapiláry by sa mal aplikovať čo najskôr živiny inak orgán odumrie. Obe spoločnosti to však majú rovnako Konečný cieľ- "odtlačok" 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 k 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. Nové orgány môžu byť použité na nahradenie zastaraných častí ľudského tela a v dôsledku toho - radikálne predĺženie života (nesmrteľnosť). V budúcnosti biotlač umožní vynájsť nové biologické orgány na zlepšenie človeka 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 Forgacz 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 masového uplatnenia, ale skutočnosť, že sa takéto práce vykonávajú, teší a vzbudzuje nádej, že aspoň jedna rada umelých orgánov bude úspešná.

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 aplikácii 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 sa potom spoja. Gél nezasahuje do splynutia buniek a zároveň dodáva štruktúre pevnosť až do okamihu, keď bunky zrastú. Gél sa potom dá ľahko odstrániť vodou.

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

3D tlač môže podľa autorov vyriešiť problém vytvárania nových orgánov pre medicínu, ktoré nahradia poškodené alebo rastúce orgány pre biologické experimenty. S najväčšou pravdepodobnosťou sa najskôr masovo začne používať technológia pestovania veľkých plôch kože na liečbu ľudí postihnutých popáleninami. Keďže zdrojové bunky na kultiváciu „živého atramentu“ budú odobraté od samotného pacienta, tak by nemal byť problém s odmietnutím.

Všimnite si tiež, že tradičná kultivácia orgánov môže trvať niekoľko týždňov - takže pacient nemusí byť schopný čakať. požadovaný orgán. Keď sa transplantuje orgán od inej osoby, zvyčajne len jeden z desiatich stihne počkať, kým na neho príde rad, a 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 živiny dodávané už počas procesu tlače (ako však ukázali experimenty Gábora Forgácha, aspoň niektoré orgány sú schopné vytvárať kapiláry samy). Orgán musí byť tiež vytlačený nie viac ako za niekoľko hodín - preto sa na zvýšenie pevnosti bunkových úponov má pridať do väzbového roztoku kolagénový proteín.

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 americkej Carnegie Mellon University (Carnegie Mellon University), 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 boli tlačiarňou na sklo nanesené štyri štvorce so stranami 750 mikrometrov – v každom z nich bola koncentrácia rastového hormónu iná. Kmeňové bunky nachádzajúce sa v oblastiach s rastovým faktorom sa začali meniť na bunky kostného tkaniva. A čím vyššia bola koncentrácia BMP-2, tým vyššia bola „úroda“ diferencovaných buniek. Kmeňové bunky, ktoré skončili v čistých oblastiach, sa od tejto vývojovej cesty zmenili na svalové bunky kmeňová bunka predvolene vyberie.

Skoršie bunky rôzne druhy pestované oddelene. Podľa vedca však spoločná kultivácia buniek približuje túto techniku ​​k prírode. "Môžete vytvoriť štruktúru substrátu, v ktorej sa na jednom konci rozvíja kosť, na druhom šľacha a na treťom sval. To vám dáva väčšiu kontrolu nad regeneráciou tkaniva," hovorí autor práce. A zároveň sa budú používať len dva druhy atramentu – čo zjednodušuje dizajn biotlačiarne.

O problém riadených zmien bunkových štruktúr sa začali zaujímať aj vedci z Ruska. „Dnes sa veľa vyvíja v súvislosti s kultiváciou tkanív z kmeňových buniek,“ povedal vedec Nikolai Adreanov. -- najlepšie výsledky vedci dosiahli pri 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 vivo sa zotavujú veľmi pomaly.

Aj podľa Lee Weissa, ktorý tlačiareň vyvinul, je ich technológia ešte ďaleko od priemyselnej implementácie. Okrem toho by nezaškodilo rozšírenie vedomostí z biológie. "Dokážem tlačiť 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 tlač obrúskov "bunkovým atramentom" možná, ale technológia je stále nedokonalá," poznamenal. Transformácia na nádor. biotlačiareň kmeňových buniek

Dúfajme však, že v najbližších rokoch sa technológia rozvinie.

Vedci vytvorili prvú chiméru človeka a prasaťa – článok popisujúci tento experiment vyšiel 26. januára vo vedeckom časopise Cell. Medzinárodný tím vedcov pod vedením Juana Carlosa Ispisua Belmonteho, profesora Salk Institute for Biological Research (USA), pestoval embryá obsahujúce ľudské kmeňové bunky počas 28 dní v tele ošípanej. Z dvoch tisícok hybridných embryí sa 186 vyvinulo na organizmy, v ktorých ľudská časť bola jedna z 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 izmov. V experimente, o ktorom Cell píše, vedci odobrali embryá gravidnej prasnici a zasadili do nich indukované ľudské kmeňové bunky, po ktorých boli embryá poslané späť, aby sa vyvinuli v tele prasaťa. Chiméry sa nesmeli narodiť – zbavili sa ich pre inú skoré štádiumženské tehotenstvo.

Prečo vedci potrebujú hybridné organizmy?

Výklenok pre orgány

Jedným z hlavných cieľov experimentu je pestovanie ľudských orgánov na zvieratách. Niektorí pacienti čakajú roky v rade na transplantáciu a vytvorenie biologického materiálu týmto spôsobom môže zachrániť tisíce životov. „Stále sme od toho ďaleko, ale prvý a dôležitý krok sme urobili,“ hovorí Ispisua 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 bude DNA zvieracieho embrya zmenená 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 infúzia kmeňových buniek potkana do tela myši umožňuje pestovať žlčník, hoci myši tento orgán evolučne nemajú.

Japonskí vedci ešte v roku 2010 rovnakým spôsobom vytvorili pankreas pre potkana. Tím Ispisua Belmonte bol tiež schopný vypestovať potkanie srdce a oči na myšiach. 25. januára jeden z jeho kolegov v článku v časopise Nature informoval, že jeho skupine sa podarilo urobiť 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 veľkosti spojených organizmov. Napríklad predchádzajúci vedci sa pokúsili vytvoriť chiméry ošípaných a potkanov, ale experiment bol neúspešný. Ľudia, kravy a ošípané sú oveľa kompatibilnejšie. Tím Izpisua Belmonteho sa rozhodol použiť prasa na vytvorenie chiméry s človekom, jednoducho preto, že je lacnejšie použiť toho druhého ako kravy.

Hybridy medzi nami

História už predtým poznala prípady transplantácie niektorých častí tela zo zvierat, vrátane ošípaných, ľuďom. 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 by mohla dostať transplantáciu obličky 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 možno chimérou nazvať aj osobu, ktorej bola transplantovaná cudzia 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. Mnohí sú tiež vystrašení z možnosti obdarovať zvieratá ľudskými vlastnosťami, až po zvýšenie úrovne 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. Daniel Gerry, kardiológ z University of Minnesota, uviedol, že jeho projekt chiméry, ktorý vytvoril prasa so srdcom z iného zvieraťa, nedávno dostal od armády grant vo výške 1,4 milióna dolárov na experimenty s cieľom vypestovať ľudské srdce u prasaťa.

Predtým, ako pristúpim k diskusii o téme článku, chcem urobiť malá odbočka ktorým je ľudské telo. Pomôže to pochopiť, aká dôležitá je práca akéhokoľvek prepojenia v zložitom systéme. Ľudské teločo sa môže stať v prípade zlyhania a ako sa moderná medicína snaží riešiť problémy, ak niektorý orgán zlyhá.

Ľudské telo ako biologický systém

Ľudské telo je zložitý biologický systém so špeciálnou štruktúrou a vybavený špecifickými funkciami. V rámci tohto systému existuje niekoľko úrovní organizácie. Vyššia integrácia je na úrovni organizmu. Ďalšie v zostupnom poradí sú systémové, orgánové, tkanivové, bunkové a molekulárne úrovne organizácie. Koordinovaná práca všetkých úrovní systému závisí od harmonická práca celé ľudské telo.
Ak niektorý orgán alebo systém orgánov nefunguje správne, potom sa porušenia týkajú viac nižšie úrovne organizácie, ako sú tkanivá a bunky.

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

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

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

Ľudské orgány sa skladajú z rôznych tkanív. Zabezpečujú normálne fungovanie akéhokoľvek orgánu. Toto je orgánová úroveň organizácie.

Ďalší level organizácie – systémové. Niektoré anatomicky kombinované orgány vykonávajú zložitejšiu funkciu. Napríklad, zažívacie ústrojenstvo, skladajúci sa z rôzne telá, 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 v práci 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. Sú tiež považované za nezrelé bunky. Nachádzajú sa takmer vo všetkých mnohobunkových organizmoch vrátane ľudí. Bunky sa rozmnožujú delením. Sú schopné premeniť sa na špecializované bunky, t.j. môžu sa z nich vytvárať rôzne tkanivá a orgány.

Väčšina veľké množstvo SC u dojčiat a detí, v dospievaní, počet kmeňových buniek v tele klesá 10-krát a zrelý vek- 50 krát! Výrazný pokles počtu SC počas starnutia, ako aj vážnych chorôb znižuje schopnosť tela liečiť sa. Z toho vyplýva nepríjemný záver: životne dôležitá činnosť mnohých dôležité systémy orgány sú znížené.

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 nášho storočia sa začali pokusy používať SC na pestovanie ľudských tkanív a orgánov. Chcem hovoriť o najzaujímavejších výsledkoch v tomto smere.

Japonským vedcom sa v roku 2004 podarilo vypestovať kapiláru cievy z SC.

Nasledujúci rok sa americkým výskumníkom na Floridskej štátnej univerzite podarilo vypestovať mozgové bunky z SC. Vedci uviedli, že takéto bunky sú schopné implantovať sa do mozgu a môžu sa použiť pri liečbe 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. Hörstrap verí, že táto technika by mohla byť použitá na rast srdcových chlopní pre nenarodené dieťa so srdcovými chybami. Po narodení môžu byť bábätku transplantované nové chlopne vypestované z kmeňových buniek plodovej vody.

V tom istom roku americkí lekári vypestovali v laboratóriu celý orgán - 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 špeciálna forma, ktorý zostáva v inkubátore niekoľko týždňov. Potom sa hotový orgán transplantuje pacientovi. Takéto operácie sa teraz vykonávajú ako obvykle.

V roku 2007 bola na medzinárodnom medicínskom sympóziu v Jokohame prezentovaná správa japonských odborníkov z Tokijskej univerzity 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 klinický výskum a ďalej aplikovať túto technológiu pri liečbe očí.

Japonci držia dlaň pri pestovaní zuba z jednej bunky. SC bol transplantovaný na kolagénové lešenie a experiment sa začal. Po vyrastení zub vyzeral ako prirodzený a mal všetky súčasti vrátane dentínu, ciev, skloviny atď. Zub bol transplantovaný do laboratórnej myši a tá prežila a fungovala normálne. Japonskí vedci vidia veľké vyhliadky na použitie tejto metódy v pestovaní zuba z jedného SC s následnou transplantáciou do bunkového hostiteľa.

Japonským lekárom z univerzity v Kjóte sa podarilo získať tkanivá obličiek, 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. Je tu však jeden moment, ktorý môže spomaliť využitie kmeňových buniek v lekárska prax je absencia internacionály legislatívneho rámca: odkiaľ je možné materiál vziať, ako dlho ho možno skladovať, ako by mal pacient a jeho lekár interagovať pri používaní SC.

Pravdepodobne by vykonávanie lekárskych experimentov a vývoj takéhoto zákona mali ísť ruka v ruke.

) technológia sa u ľudí nepoužíva, ale v tejto oblasti prebieha aktívny vývoj a experimenty. Podľa riaditeľa Federálneho vedeckého centra pre transplantácie a umelé orgány pomenovaného po Shumakovovi, profesora Sergeja Gauthiera, bude kultivácia orgánov dostupná o 10-15 rokov.

Situácia

Myšlienka umelej kultivácie ľudských orgánov neopustila vedcov viac ako pol storočia, od chvíle, keď ľudia začali transplantovať darcovské orgány. Aj pri možnosti transplantácie väčšiny orgánov pacientom je v súčasnosti otázka darcovstva veľmi akútna. Mnoho pacientov zomiera bez toho, aby čakali na svoj orgán. umelé pestovanie orgány môžu zachrániť milióny životov. Určité pokroky v tomto smere sa už dosiahli prostredníctvom metód regeneratívnej medicíny.

pozri tiež

Poznámky

Nadácia Wikimedia. 2010.

Pozrite si, čo je „Growing Organs“ v iných slovníkoch:

Farbená kultúra epitelových buniek. Na fotografii keratín (červená) a DNA (zelená) Bunková kultúra je proces, pri ktorom in vitro jednotlivé bunky (alebo jedna bunka ... 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 oblasti ... ... Wikipedia

Príprava na kryoniku Kryonika (z gréckeho κρύος chlad, mráz) je prax udržiavania tela alebo hlavy / mozgu človeka v hlbokom stave ... Wikipedia

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

Veľký lekársky slovník

Kultivácia s. X. plodiny pod závlahou. Jeden z najintenzívnejších druhov poľnohospodárstva, ktorý sa rozvinul v púštnych, polopúštnych a suchých zónach, ako aj v oblastiach, ktoré nie sú v určitých obdobiach vegetácie dostatočne zásobené vlahou. AT……

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 udržať potrebné pre ... . .. Veľká sovietska encyklopédia

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

Pšenica- (Pšenica) Pšenica je rozšírená obilnina Koncept, klasifikácia, hodnota a nutričné ​​vlastnosti odrôd pšenice Obsah >>>>>>>>>>>>>>> … Encyklopédia investora

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 (asi 2 % celkovej Zeme). oblasť) a... Encyklopédia investora

knihy

• Choroby domáceho a poľnohospodárskeho vtáctva. V 3 zväzkoch, . Kniha „Choroby hydiny a farmového vtáctva“ je prekladom desiateho, doplneného a prepracovaného vydania príručky o chorobách vtákov, pri príprave ktorej sa ...
• Choroby hydiny a farmárskeho vtáctva (počet zväzkov: 3), Kalnek B.U.. Kniha „Choroby hydiny a farmárskeho vtáctva“ je prekladom desiateho, doplneného a prepracovaného vydania príručky o chorobách vtákov, v príprave tzv. ktorý zabral...