Нові технології дозволять вирощувати органи. Унікальна методика вирощування органів для пересадки з клітин самого пацієнта з'явиться у Росії

Постіндустріальні темпи розвитку людства, а саме науки і техніки, настільки великі, що їх неможливо було уявити ще 100 років тому. Те, про що раніше можна було прочитати лише у науково-популярній фантастиці, тепер з'явилося й у реальному світі.

Рівень розвитку медицини 21 століття вище, ніж будь-коли. Захворювання, які вважалися смертельно небезпечними раніше, сьогодні успішно лікуються. Однак ще не вирішено проблем онкології, СНІДу та багатьох інших захворювань. На щастя, у найближчому майбутньому для цих проблем знайдеться рішення, одним із яких стане вирощування органів людини.

Основи біоінженерії

Наука, що використовує інформаційний базис біології і користується аналітичним і синтетичним методами на вирішення своїх завдань, зародилася недавно. На відміну від звичайної інженерії, яка для своєї діяльності застосовує технічні науки, здебільшого математику та фізику, біоінженерія йде далі і пускає в хід інноваційні методи у вигляді молекулярної біології.

Однією з головних завдань новоспеченої науково-технічної сфери є вирощування штучних органів у лабораторних умовз метою їх подальшої пересадки в тіло пацієнта, у якого відмовив через пошкодження або через зношеність той чи інший орган. Спираючись на тривимірні клітинні структури, вчені змогли просунутися у вивченні впливу різних хвороб та вірусів на діяльність людських органів.

На жаль, поки що це не повноцінні органи, а лише органоїди - зачатки, незакінчена сукупність клітин і тканин, які можна використовувати лише як експериментальні зразки. Їхня працездатність і уживливість перевіряються на піддослідних тварин, в основному, на різних гризунах.

Історична довідка. Трансплантологія

Зростання біоінженерії як науки передував довгий період розвитку біології та інших наук, метою яких було вивчення людського тіла. Ще на початку 20 століття поштовх своєму розвитку отримала трансплантологія, завданням якої було вивчення можливості пересадки органу донора іншій людині. Створення методик, здатних консервувати на деякий час донорські органи, а також наявність досвіду та детальних планів трансплантації дозволили хірургам з усього світу наприкінці 60-х років успішно пересадити такі органи, як серце, легені, нирки.

на Наразіпринцип трансплантації є найбільш дієвим у разі, якщо пацієнту загрожує смертельна небезпека. Основна проблема полягає в гострий дефіцитдонорських органів. Хворі можуть роками чекати на свою чергу, так її і не дочекавшись. Крім того, існує високий ризиктого, що пересаджений донорський орган може не прижитися в тілі реципієнта, оскільки імунною системою пацієнта він розглядатиметься як стороннього предмета. У протиборство даному явищубули винайдені імунодепресанти, які, проте, швидше калічать, ніж лікують – імунітет людини катастрофічно слабшає.

Переваги штучного створення над трансплантацією

Одна з головних конкурентних відмінностей методу вирощування органів від їхньої пересадки від донора полягає в тому, що в лабораторних умовах органи можуть проводитися на основі тканин та клітин майбутнього реципієнта. В основному, використовуються стовбурові клітини, що мають здатність диференціюватися в клітини певних тканин. Цей процес вчений здатний контролювати ззовні, що суттєво знижує ризик майбутнього відторгнення органу імунною системою людини.

Більше того, за допомогою методу штучного вирощування органів можна виробляти їхню необмежену кількість, тим самим задовольняючи життєво важливі потреби мільйонів людей. Принцип масового виробництва значно знизить ціни на органи, рятуючи мільйони життів та значно збільшуючи виживання людини та відсуваючи дату її біологічної смерті.

Досягнення біоінженерії

На сьогоднішній день вчені спроможні вирощувати зачатки майбутніх органів - органоїди, на яких відчувають різні хвороби, віруси та інфекції з метою простежити процес зараження та розробити тактику протидії. Успішність функціонування органоїдів перевіряють за допомогою їхньої трансплантації в тіла тварин: кроликів, мишей.

Варто також зазначити, що біоінженерія досягла певних успіхів у створенні повноцінних тканин і навіть у вирощуванні органів зі стовбурових клітин, які, на жаль, поки що неможливо пересадити людині через їхню непрацездатність. Однак на даний момент науковці навчилися створювати штучним шляхом хрящі, судини та інші сполучні елементи.

Шкіра та кістки

Нещодавно у вчених Колумбійського університету вдалося створити фрагмент кістки, за структурою схожий із суглобом нижньої щелепи, що з'єднує її з основою черепа. Фрагмент був отриманий за допомогою стовбурових клітин, як і при вирощуванні органів. Трохи пізніше ізраїльській компанії Bonus BioGroup вдалося винайти новий метод відтворення людської кістки, який був успішно випробуваний на гризуні - штучно вирощена кістка була пересаджена в одну з його лап. В даному випадку знову ж таки були використані стволові клітини, тільки отримані вони були з жирової тканини пацієнта і в подальшому поміщені на гелеподібний каркас кістки.

Починаючи з 2000-х років, для лікування опіків лікаря застосовують спеціалізовані гідрогелі та методи природної регенерації пошкоджених ділянок шкіри. Сучасні експериментальні методики дозволяють виліковувати сильні опіки за кілька днів. Так званий Skin Gun розпорошує особливу суміш із стовбуровими клітинами пацієнта на пошкоджену поверхню. Також спостерігаються великі успіхи у створенні шкіри, що стабільно функціонує, з кровоносними та лімфатичними судинами.

Нещодавно вченим із Мічигану вдалося виростити в лабораторних умовах частину м'язової тканини, яка, щоправда, вдвічі слабша за оригінальну. Так само вчені в Огайо створили тривимірні тканини шлунка, які могли виробляти всі необхідні для травлення ферменти.

Японські ж вчені зробили майже неможливе - виростили людське око, що повністю функціонує. Проблема трансплантації полягає у тому, що приєднати зоровий нервочі до головного мозку поки неможливо. У Техасі штучним шляхом у біореакторі вдалося також виростити легені, але без кровоносних судин, що ставить під сумнів їхню працездатність.

Перспективи розвитку

Зовсім недовго залишилося доти в історії, коли людині можна буде пересадити більшість органів і тканин, створених у штучних умовах. Вже зараз вчені з усього світу мають у своєму розпорядженні розробки проектів, експериментальні зразки, деякі з яких не поступаються оригіналам. Шкіру, зуби, кістки, все внутрішні органичерез деякий час можна буде створювати в лабораторіях і продавати нужденним людям.

Нові технології також прискорюють розвиток біоінженерії. 3D-друк, який набув поширення в багатьох сферах людського життя, буде корисним і в рамках вирощування нових органів. 3D-біопринтери вже експериментально використовуються з 2006 року, а в майбутньому вони зможуть створювати тривимірні працездатні моделі біологічних органів, переносячи культури клітин на біосумісну основу.

Загальний висновок

Біоінженерія як наука, метою якої є вирощування тканин та органів для їхньої подальшої трансплантації, зародилася не так давно. Семимільний темп, в якому вона крокує шляхом прогресу, характеризується істотними досягненнями, які в майбутньому врятують мільйони життів.

Вирощені зі стовбурових клітин кістки і внутрішні органи зведуть нанівець потребу донорських органахкількість яких і так перебуває у стані дефіциту. Вже зараз вчені мають безліч розробок, результати яких поки не надто продуктивні, але мають величезний потенціал.

Біопринтер - біологічна варіація технології reprap, пристрій, здатний з клітин створювати будь-який орган, завдаючи клітини шар за шаром, вже створено. У грудні 2009 року американською кампанією Organovo та австралійською кампанією Invetech було розроблено біопринтер, розрахований на дрібносерійний промисловий випуск. Замість того, щоб виростити потрібний орган у пробірці, набагато легше його надрукувати - вважають розробники концепції.

Розробки технології розпочалися ще кілька років тому. До цих пір над цією технологією працюють дослідники відразу в кількох інститутах та університетах. Але більше досягли успіху на цій ниві професор Габор Форгач (Gabor Forgacs) і співробітники його лабораторії Forgacslab в університеті Міссурі в рамках проекту Organ Printing, які розкрили нові тонкощі біодруку ще в 2007 році. Для комерціалізації своїх розробок професор та співробітники заснували кампанію Organovo. Кампанією була створена технологія NovoGen, яка включала всі необхідні деталі біодруку як в біологічній частині, так і в частині "заліза".

Було розроблено лазерну калібрувальну систему і роботизовану систему позиціонування головок, точність якої становить кілька мікрометрів. Це дуже важливо для розміщення клітин у правильному положенні. Перші експериментальні принтери для Organovo (і з її "ескізам") будувала компанія nScrypt (рисунок 2). Але ті пристрої ще не пристосовані для практичного використання, і застосовувалися для шліфування технології.

У травні 2009 року компанія Organovo вибрала як промисловий партнер медичну кампанію Invetech. Ця кампанія має більш ніж 30-річний досвід виробництва лабораторного та медичного обладнання, зокрема і комп'ютеризованого. На початку грудня перший екземпляр 3D-біопринтера, що втілює в собі технологію NovoGen, був відправлений з Invetech до Organovo. Новинку відрізняють компактні розміри, інтуїтивно зрозумілий комп'ютерний інтерфейс, високий рівень інтеграції вузлів і висока надійність. Найближчим часом Invetech має намір поставити ще кілька таких апаратів для Organovo, а вона вже займеться поширенням новинки в науковому співтоваристві. Новий апаратмає настільки скромні габарити, що його можна буде поставити в біологічну шафу, яка необхідна для того, щоб забезпечити стерильне середовище в процесі друку.

Треба сказати, що біодрук – не єдиний спосіб штучно створювати органи. Однак, класичний спосібвирощування вимагає насамперед виготовити каркас, який задає форму майбутнього органу. При цьому сам каркас несе небезпеку стати ініціатором запалення органу.

Перевага біопринтера в тому, що він не потребує такого каркасу. Форму органу задає сам друкуючий пристрій, розташовуючи клітини в потрібному порядку. Сам біопринтер має дві головки, що наповнюються двома типами чорнила. У ролі чорнила в першій використовуються клітини різних типів, а другий - допоміжні матеріали (підтримує гідрогель, колаген, фактори зростання). "Квітів" у принтера може бути більше двох - якщо потрібно використовувати різні клітиничи допоміжні матеріали різного виду.

Особливістю технології NovoGen є те, що друк ведеться не окремими клітинами. Принтер наносить відразу конгломерат із кількох десятків тисяч клітин. Це основна відмінність технології NovoGen від інших технологій біодруку.

Схема роботи принтера представлена ​​малюнку 4.

Отже, спочатку вирощуються необхідні тканини. Потім вирощена тканина нарізається циліндрами у співвідношенні діаметра до довжини 1:1 (пункт a). Далі - пункт b - ці циліндрики на якийсь час поміщаються в спеціальну живильне середовищеде вони набувають форми маленьких куль. Діаметр такої кулі - 500 мікрометрів (підлога міліметра). Помаранчевий колір тканини надається за допомогою спеціального барвника. Далі, кульки завантажуються в картридж (пункт c) - який містить піпетки, що наповнюються кульками в порядку один за одним. Сам тривимірний біопринтер (пункт d) повинен наносити ці сфероїди з мікрометровою точністю (тобто помилка має бути меншою за тисячну частку міліметра). Принтер також обладнаний камерами, які здатні спостерігати в реальному часі процес друку.

Створений зразок принтера працює одразу з трьома «квітами» - два види клітин (в останніх дослідах Форгача це були клітини серцевого м'яза і епітеліальні клітини) - а третій - це суміш, що включає скріплюючий гель, що містить колаген, фактор росту і ряд інших речовин. Ця суміш дозволяє органу зберігати форму, перш ніж клітини зростуть між собою (пункт d).

За словами Габора, принтер не відтворює структуру органу точно. Однак цього і не потрібно. Природна програма клітин сама коригує структуру органу.

Схема збирання органу та зрощення куль у орган показано малюнку 5.

У ході експериментів біопринтер із клітин ендотелію та клітин серцевого м'яза курчати надрукував «серце» (рисунок 6). Через 70 годин кульки зрослися в єдину систему, а через 90 годин – «серце» почало скорочуватися. Причому клітини ендотелію сформували структури, подібні до капілярів. Також м'язові клітини, що спочатку скорочувалися хаотично, з часом самостійно синхронізувалися і стали скорочуватися одночасно. Втім, до практичного використання цей прототип серця поки що не придатне – навіть якщо замість курячих клітин використовувати людські – технологія біодруку має бути ще покращена.

Набагато краще принтер справляється зі створенням більше простих органів-- наприклад, шматків людської шкіри чи кровоносних судин. Під час друку кровоносних судин колагеновий клей наноситься не тільки на краї судини, а й у середину. А потім, коли клітини зростуться, клей легко видаляється. Стінки судини складаються з трьох шарів клітин – ендотелій, гладкі м'язи та фібробласти. Але дослідження показали, що в пресі можна відтворювати лише один шар, що складається з суміші цих клітин - клітини самі мігрують і вишиковуються в три однорідні шари. Цей факт може полегшити процес друку багатьох органів. Таким чином команда Форгача вже може створювати дуже тонкі та розгалужені судини будь-якої форми. Зараз дослідники працюють над нарощуванням шару м'язів на судинах, що зробить судини застосовними для імплантації. Особливий інтерес представляють судини товщиною менше 6 міліметрів - оскільки для великих існують відповідні синтетичні матеріали.

Ілюстрація коїться з іншими експериментами біодруку -- малюнку 7.

Пункт a – кільце з двох видів біочорнил. Вони спеціально пофарбовані різними речовинами, що флуорескують. Нижче - це кільце через 60 годин. Клітини самостійно зростаються. Пункт b - розвиток трубки, набраної з кілець, показаних на зображенні. Пункт з зверху - 12-шарова трубка, складена з клітин гладких м'язових волокон пуповини; пункт c, унизу - розгалужена трубка прообраз судин для трансплантації. Пункт d - побудова серцевої тканини, що скорочується. Зліва показані грати (6 на 6) із сфероїдів з клітинами серцевого м'яза (без ендотелію), роздрукованих на колагеновій "біобумазі". Якщо в ті ж "чорнила" додаються клітини ендотелію (другий малюнок - червоний колір, кардіоміоцити тут показані зеленим), вони заповнюють спочатку простір між сфероїдами, а через 70 годин (пункт d, праворуч) вся тканина стає єдиним цілим. Внизу: графік скорочення клітин отриманої тканини. Як видно, амплітуда (відміряна по вертикалі) скорочень становить приблизно 2 мікрони, а період - близько двох секунд (час відзначено по горизонталі) (фото та ілюстрації Forgacs et al).

На малюнку 8 наведено також структуру роздрукованих тканин серця (фотографії Forgacs etal).

Перші зразки 3D-біопринтера від Organovo та Invetech будуть доступні для дослідницьких та медичних організацій у 2011 році.

Слід зазначити, що Organovo не є єдиним гравцем на цьому ринку. Якийсь час тому західна біотехнологічна компанія Tengion представила свою технологію відтворення органів. Між підходами Tengion та Organovo є деякі відмінності. Наприклад, дві технології по-різному підходять до організації живих клітин у групи для створення тканин, крім того принтери компаній по-різному підходять до проблеми отримання зразків і генного аналізу. В обох компанія відзначають, що стикаються з одними і тими ж труднощами - досить складно відтворювати складні тканини, обидва принтери дуже довго налаштовуються на один тип тривимірного друку. Також розробка самого принтера – це лише частина завдання. Також потрібно створити спеціальне програмне забезпечення, яке допоможе моделювати тканину перед друком та швидко переналаштувати принтер. Сам принтер має впоратися зі створенням найскладнішого органу за кілька годин. По тонких капілярах слід якнайшвидше подавати поживні речовини, Інакше орган загине. Тим не менш, обидві компанії мають однакову кінцеву мету– «друк» органів людини.

Спочатку обладнання використовуватиметься у дослідних цілях. Наприклад, надруковані фрагменти печінки можна буде використовувати в токсикологічні експерименти. Пізніше штучні фрагменти шкіри та м'язів, капіляри, кістки можна буде використовувати для лікування важких травм та для пластичних операцій. Як Organovo, так і Tengion сходяться в тому, що обладнання, здатне швидко та якісно друкувати органи, цілком з'явиться приблизно в 2025-2030 році. Використання біодруку дозволить сильно здешевити створення нових органів. Нові органи можна буде використовувати для заміни застарілих частин тіла людини і як результат радикального продовження життя (імморталізму). У перспективі біодрук дозволить винаходити нові біологічні органидля вдосконалення людини та тварин та винаходи штучних живих істот.

Технології біодруку.

Цей пост про біопринтери - винахід, який допоможе людині вирощувати нові органи замість старих, що зносилися, і таким чином значно продовжити їй життя.

Про технологію біодруку, розроблену Габором Форгачем у кампанії Organovo, я вже розповідав в одному зі своїх минулих постів. Проте, це єдина технологія створення штучного створення органів із клітин. Заради справедливості варто розглянути інші. Поки що до масового застосування вони всі далекі, але те, що такі роботи ведуться, радує та вселяє надію, що принаймні одна лінія штучних органів досягне успіху.

Перше - це розробки американських вчених Володимира Миронова (Vladimir Mironov) з медичного університетуПівденної Кароліни (Medical University of South Carolina) та Томаса Боланда (Thomas Boland) з університету Клемсона (Clemson University). Першим дослідження почав доктор Боланд, який вигадав ідею і почав дослідження у своїй лабораторії, і захопив нею свого колегу.

Разом вони за допомогою принтера змогли реалізувати технологію нанесення клітин за шаром шар. Для досвіду були взяті старі принтери Hewlett-Packard - старі моделі використовувалися тому, що їх картриджі мають досить великі отвори, щоб не пошкодити клітини. Картриджі були ретельно очищені від чорнила, і замість чорнила в них було залито клітинну масу. Також довелося дещо переробити конструкцію принтера, створити програмне забезпечення для контролю над температурою, електричним опором та в'язкістю "живого чорнила".

Наносити клітини на площину шар-за-шаром раніше намагалися й інші вчені, але ці вперше змогли це зробити за допомогою струминного принтера.

На нанесенні клітин на поверхню вчені зупинятися не збираються.

Щоб надрукувати тривимірний орган, як клею для з'єднання клітин передбачається використовувати екзотичний термозворотний (або "термореверсований") гель, створений нещодавно Анною Гатовською (Anna Gutowska) з тихоокеанської північно-західної національної лабораторії (Pacific Northwest National Laboratory).

Цей гель є рідким при 20 градусах Цельсія і твердне при температурі вище, ніж 32 градуси. І, на щастя, не шкідливий для біологічних тканин.

Під час друку на скляну підкладку наносяться через один шар клітин і шар гелю (див. малюнок 1). Якщо шари досить тонкі, клітини потім зростаються. Гель не заважає зрощенню клітин, і в той же час надає конструкції міцність до того моменту, коли клітини зростуть. Після цього гель може бути легко видалений за допомогою води.

Команда вже провела кілька експериментів, використовуючи легко доступні клітинні культури, типу клітин яєчника хом'яка

На думку авторів, тривимірний друк може вирішити проблему створення нових органів для медицини замість пошкоджених або вирощування органів для біологічних дослідів. Швидше за все, першою буде пущено в масове використання технологію вирощування великих ділянок шкіри для лікування людей, уражених опіками. Оскільки вихідні клітини для культивування "живого чорнила" будуть взяті від самого пацієнта, так що проблеми з відторгненням бути не повинно.

Зауважимо також, що традиційне вирощування органів може тривати кілька тижнів - тому пацієнт може не дочекатися потрібного органу. При пересадці органу від іншої людини зазвичай лише кожному десятому вдається дочекатися своєї черги на орган, решта гине. Але технологія біодруку за наявності достатньої кількості клітин може вимагати лише кілька годин для побудови органу.

Під час друку потрібно вирішувати такі проблеми, як харчування штучного органу. Очевидно, принтер повинен друкувати орган з усіма судинами та капілярами, через які вже в процесі друку слід подавати поживні речовини (втім, як показали досліди Габора Форгача, принаймні деякі органи здатні формувати капіляри самостійно). Також орган повинен бути надрукований не більше ніж за кілька годин - тому для підвищення міцності кріплень клітин передбачається додавати в скріплюючий розчин колаген.

За прогнозом вчених, вже за кілька років біопринтери з'являться у клініках. Перспективи, які при цьому відкриваються, є величезними.

Для друку за цією технологією складного органу, Що складається з великої кількості клітин, потрібні картриджі з великою різноманітністю чорнила. Проте, доктор Філ Кемпбелл (Phil Campbell) та його колеги з американського університету Карнегі-Меллона (Carnegie Mellon University), зокрема, професор роботехніки Лі Вейсс (Lee Weiss) – які теж проводять експерименти з біодруком – вигадали спосіб, як зменшити кількість видів чорнила без шкоди для результуючого органу.

Для цього як один з біоцвітів він запропонував використовувати розчин, що містить фактор росту BMP-2. Як інший біоцвіт стовбурові використовувалися клітини, отримані з м'язів ніг мишей.

Далі, принтером було нанесено на скло чотири квадрати зі сторонами по 750 мікрометрів - у кожному їх концентрація гормону зростання була різна. Стовбурові клітини, що опинилися на ділянках з фактором зростання, почали перетворюватися на клітини кісткової тканини. І чим більшою була концентрація BMP-2, тим вищий "урожай" диференційованих клітин. Стовбурові клітини, які опинилися на чистих ділянках, перетворилися на м'язові клітини, оскільки цей шлях розвитку стовбурова клітинавибирає за замовчуванням.

Раніше клітини різних видіввирощувалися окремо. Але, за словами вченого, спільне вирощування клітин робить цю техніку ближчою до природної. "Ви можете створити таку структуру підкладки, в якій один кінець розвиватиме кістку, ще один край - сухожилля, а третій - м'язи. Це забезпечує вам більший контроль над регенерацією тканини", - каже автор роботи. І при цьому буде використовуватися лише два види чорнила - що спрощує конструкцію біопринтера.

Проблемою керованого зміни клітинних структур зацікавилися і вчені із Росії. «На сьогоднішній день ведеться дуже багато розробок, пов'язаних із вирощуванням тканин із стовбурових клітин, – коментує вчений Микола Адреанов. - Найкращих результатіввчені досягли при вирощуванні епітеліальної тканини, Оскільки її клітини дуже швидко діляться. А тепер дослідники намагаються за допомогою стовбурових клітин створити нервові волокна, клітини яких у природних умовдуже повільно відновлюються».

Також за словами Лі Вейсса, який займався розробкою принтера, їхня технологія ще далека від промислового впровадження. Крім того, не завадило б розширення знання про біологію. "Я можу надрукувати досить складні речі. Але, ймовірно, один із найсерйозніших факторів, що обмежують (для даної технології) - це розуміння біології. Потрібно точно знати, що саме друкувати". Іншу проблему вказує кандидат біологічних наук, старший науковий співробітник Інституту біології розвитку РАН Олександр Ревищин. «В принципі друк тканин “клітинним чорнилом” можливий, проте технологія поки що недосконала, - зазначив він. переродженню в пухлину». стовбуровий клітинний біопринтер орган

Але будемо сподіватися, що найближчими роками технологія буде відпрацьована.

Вчені вперше створили химеру людини та свині – стаття, яка розповідає про цей експеримент, була опублікована 26 січня у науковому журналі Cell. Міжнародна команда вчених під керівництвом Хуана Карлоса Іспісуа Бельмонте, професора Інституту біологічних досліджень Солка (США) протягом 28 днів вирощувала в організмі свині ембріони, що містять стовбурові клітини людини. З двох тисяч гібридних зародків 186 розвинулися в організми, в яких людська частинастановила одну на десять тисяч клітин.

Хімери – організми, прозвані на честь монстра з грецьких міфів, що з'єднує в собі козу, лева та змію, – виходять в результаті сполуки генетичного матеріалу двох тварин, але без рекомбінації ДНК (тобто обміну генетичною інформацією, що відбувається під час зачаття дитини). У результаті химер має два набори генетично різнорідних клітин, але функціонують вони як цілий організм. У ході експерименту, про який пише Cell, вчені вийняли з вагітної свиноматки ембріони та підсадили в них індуковані людські стовбурові клітини, після чого ембріони відправили назад розвиватися у тілі свині. З'явитися на світ химерам не дозволили – їх позбулися ще на ранній стадіївагітності самки.

Навіщо вченим потрібні гібридні організми?

Ніша для органів

Одна з головних цілей експерименту – вирощування людських органів в організмі тварин. Частина пацієнтів ⁠роками чекає на черги на трансплантацію, і створення біологічного матеріалу ⁠таким шляхом могло б врятувати тисячі життів. "Ми ще далекі від цього, але перший і важливий крок зроблено", - говорить Іспісуа Бельмонте. Людський орган, вирощений у химері з власних клітин хворого, вирішив би проблему відторгнення трансплантата організмом хворого, оскільки вирощений з його власних клітин.
Розвинути людські органи у тілі тварини вчені збираються за допомогою генного редагування (а саме інноваційним способом CRISPR-Cas9). Спочатку ДНК ембріона тварини змінюватимуть так, щоб у ньому не розвинувся необхідний орган, наприклад серце або печінка. Таку «нішу» заповнюватимуть людські стовбурові клітини.

Експерименти показують, що у химері можна створити практично будь-який орган – навіть той, який у піддослідної тварини не передбачено. Інший експеримент цієї групи учених показав, що підсадка в організм миші стовбурових щурових клітин дозволяє виростити жовчний міхур, хоча в мишей цього органу еволюційно немає.

Ще в 2010 році японські вчені так само створили для щура підшлункову залозу. Команда Іспісуа Бельмонте змогла виростити в організмі миші також щурине серце та очі. Двадцять п'ятого січня один із його колег повідомив у статті в журналі Nature, що його групі вдалося провести зворотний експеримент – виростити в щурі підшлункову залозу для миші та успішно її пересадити. Орган справно функціонував понад рік.

Важлива умова для успіху експериментів із химерами – правильне співвідношеннярозмірів сполучених організмів. Наприклад, раніше вчені намагалися створити химери свиней та щурів, але експеримент виявився безуспішним. Набагато більш сумісними є люди, корови та свині. Команда Іспісуа Бельмонте віддала перевагу використанню для створення химери з людиною свині просто тому, що використовувати останніх дешевше, ніж корів.

Гібриди серед нас

Історія знала випадки пересадки людям деяких частин тіла від тварин, зокрема і свиней, і раніше. Ще в XIX столітті американський доктор Річард Кіссам успішно пересадив юнакові рогівку ока, яку взяв у шестимісячного порося. Але повноцінне створення химер почалося у 1960-і роки, коли американська вчена Беатріс Мінц отримала лабораторним шляхом перший гібридний організм, поєднавши клітини двох різних видів мишей – білої та чорної. Трохи пізніше інша вчена – француженка Ніколь ле Дуарен поєднала зародкові шари курячого та перепелиного ембріона та у 1973 році випустила роботу про розвиток гібридного організму. У 1988 році Ірвінг Вейсман зі Стенфордського університету створив мишу з людською імунною системою (для досліджень СНІДу), а згодом вживлював людські стовбурові клітини в мишачий мозок для досліджень з нейробіології. У 2012 році на світ з'явилися перші химери-примати: у Національний центрДослідження приматів в Орегоні вчені створилимак, що містять шість різних ДНК.

Більше того, історія вже знає і випадки людей-химер, хоча суспільство їх такими не називає, та й вони самі можуть про це не здогадуватися. 2002 року мешканка Бостона Карен Кіган пройшла генетичний тестЩоб визначити, чи можна їй пересаджувати нирку одного з її родичів. Аналізи показали неможливе: ДНК пацієнтки не відповідала ДНК її біологічних синів. Виявилося, що Кіган мав вроджений химеризм, який розвивається у ембріона в результаті збою в процесі запліднення: її організм містив два генетичні набори, один у клітин крові, інший – у клітин у тканинах її тіла.

Формально химерою можна назвати і людину, якій пересадили чужу кістковий мозок, - Наприклад, при лікуванні лейкемії. У деяких випадках у крові такого пацієнта можна знайти клітини і з його вихідної ДНК, і ДНК донора. Ще один приклад – так званий мікрохімерізм. У тілі вагітної жінки може спостерігатися переміщення стовбурових клітин плода, які несуть його геном, до органів майбутньої матері – нирки, печінка, легені, серце і навіть мозок. Вчені припускають, що це може траплятися майже при кожній вагітності, а такі клітини можуть залишатися на новому місці протягом усього життя жінки.

Але у всіх цих випадках химери утворюються (природно чи ні) від двох людей. Інша річ – поєднання людини з твариною. Трансплантація тканин від тварин людині може зробити її вразливою для нових хвороб. імунна системане готова. Багатьох також лякає можливість наділення звірів людськими властивостями, до підвищення рівня свідомості. Вчені намагаються запевнити суспільство і владу в тому, що подібні експерименти жорстко контролюватимуть лабораторії і використовуватимуться лише на благо. Національні інститути здоров'я США (NIH) ніколи не фінансували такі розробки, посилаючись на їхню неетичність. Але в серпні 2016 року представники NIH заявили, що можуть переглянути мораторій (рішення поки що не прийнято).

На відміну від NIH, американська армія щедро фінансує подібні експерименти. За словами кардіолога з Міннесотського університету Деніела Геррі, його проект зі створення химер, в рамках якого було отримано свиню із серцем від іншої особини, нещодавно отримав від військових грант $1,4 млн на експерименти з вирощування у свині людського серця.

Перш ніж розпочати обговорення теми статті, хочу зробити невеликий екскурсщо є організм людини. Це допоможе зрозуміти, наскільки важлива робота будь-якої ланки в складній системі. людського організму, що може статися при збої, і як сучасна медицина намагається вирішити проблеми, якщо якийсь орган виходить з ладу.

Організм людини як біологічна система

Людський організм – це складна біологічна система, що має особливу структуру та наділена специфічними функціями. Усередині цієї системи розрізняють кілька рівнів організації. Вища інтеграція – це організмовий рівень. Далі низхідною йдуть системний, органний, тканинний, клітинний і молекулярний рівні організації. Від узгодженої роботи всіх рівнів системи залежить злагоджена роботавсього організму людини.
Якщо якийсь орган чи система органів працює неправильно, то порушення стосуються і більше нижчих рівніворганізації, таких як тканини та клітини.

Молекулярний рівень- Це перша цегла. Як випливає з назви, весь організм людини, як і всього живого, складається з безлічі молекул.

Клітинний рівень можна собі уявити як різноманітний компонентний склад молекул, що утворюють різні клітини.

Клітини, об'єднані в різні за морфологією та функціонуванням тканини, утворюють тканинний рівень.

До складу органів людини входять різноманітні тканини. Вони забезпечують нормальне функціонування будь-якого органу. Це – органний рівень організації.

Наступний рівеньорганізації – системний. Певні анатомічно об'єднані органи виконують складнішу функцію. Наприклад, травна система, складається з різних органівзабезпечує перетравлення їжі, що надходить в організм, всмоктування продуктів травлення і виведення невикористаних залишків.
І найвищий рівень організації – організмовий рівень. Усі системи та підсистеми організму працюють, як добре налаштований музичний інструмент. Узгоджена робота всіх рівнів досягається завдяки механізму саморегуляції, тобто. підтримки певному рівні різних біологічних показників. При найменшому дисбалансі у роботі будь-якого рівня організм людини починає працювати з перебоями.

Що таке стовбурові клітини?

Термін «стволові клітини» був у науку російським гістологом А. Максимовим в 1908 року. Стовбурові клітини – це неспеціалізовані клітини. Їх ще розглядають як незрілі клітини. Вони є практично у всіх багатоклітинних, включаючи людину. Шляхом поділу клітини себе відтворюють. Вони здатні перетворюватися на спеціалізовані клітини, тобто. їх можуть утворюватися різні тканини і органи.

Саме велика кількістьСК у немовлят та дітей, у юності кількість стовбурових клітин в організмі зменшується в 10 разів, а зрілого віку- У 50 разів! Значне зменшення числа СК під час старіння, і навіть важких захворюваньзменшує можливості організму до самовідновлення. Звідси випливає неприємний висновок: життєдіяльність багатьох важливих системорганів знижується.

Стовбурові клітини та майбутнє медицини

Вчені-медики давно звернули увагу на пластичність СК та теоретичну можливість вирощувати з них різні тканини та органи людського організму. Роботи з вивчення властивостей СК розпочалися у другій половині минулого століття. Як завжди, перші дослідження проводилися на лабораторних тваринах. До початку нашого століття почалися спроби використовувати СК для вирощування тканин та органів людини. Хочу розповісти про найцікавіші результати у цьому напрямі.

Японським вченим 2004 р. вдалося виростити в лабораторних умовах капілярні кровоносні судиниіз СК.

Наступного року американським дослідникам з університету штату Флорида вдалося виростити із СК клітини головного мозку. Вчені заявили, що такі клітини здатні вживлятись у головний мозок, і їх можна використовувати при лікуванні таких захворювань, як хвороби Паркінсона та Альцгеймера.

2006 року швейцарські вчені з університету Цюріха виростили у своїй лабораторії клапани серця людини. Для цього експерименту використовувалися СК із навколоплідної рідини. Доктор С. Герстрап вважає, що ця методика може бути використана для вирощування серцевих клапанів для дитини, яка ще не народилася, у якої виявлені дефекти серця. Після народження немовляті можна пересадити нові клапани, вирощені зі стовбурових клітин навколоплідної рідини.

У тому ж році американські медики виростили в лабораторних умовах цілий орган сечовий міхур. СК було взято у людини, для якої вирощувався цей орган. Доктор Е. Атала, директор інституту регенеративної медицини, розповів, що клітини та спеціальні речовини містяться в особливу форму, Що залишається в інкубаторі протягом декількох тижнів. Після цього готовий орган пересідає пацієнту. Такі операції робляться зараз у звичайному режимі.

У 2007 році на міжнародному медичному симпозіумі в Йокагамі була представлена ​​доповідь японських фахівців з університету Токіо про дивовижний науковий експеримент. З єдиної стовбурової клітини, взятої з рогівки та поміщеної в живильне середовище, вдалося виростити нову рогівку. Вчені мали намір розпочати клінічні дослідження і надалі застосовувати цю технологію при лікуванні очей.

Японцям належить пальма першості у вирощуванні зуба із єдиної клітини. СК пересадили на колагеновий каркас та розпочали експеримент. Після вирощування зуб виглядав як природний та мав усі складові, включаючи дентин, судини, емаль тощо. Зуб був трансплантований лабораторної миші, прижився та функціонував нормально. Японські вчені бачать великі перспективи застосування цього методу у вирощуванні зуба з однієї СК з наступною пересадкою його господарю клітини.

Японським медикам з університету Кіото вдалося отримати із СК тканини нирок, надниркових залоз та фрагмент ниркового канальця.

Щороку в усьому світі мільйони людей помирають від захворювань серця, головного мозку, нирок, печінки, м'язової дистрофіїі т.д. У їхньому лікуванні можуть допомогти стовбурові клітини. Однак, існує один момент, який може загальмувати застосування стовбурових клітин медичної практики– це відсутність міжнародної законодавчої бази: звідки можна брати матеріал, скільки його можна зберігати, як повинні взаємодіяти пацієнт та його лікар при використанні СК.

Ймовірно, проведення медичних експериментів та розробка такого закону мають відбуватися паралельно.

) технологія не застосовується на людях, проте йдуть активні розробки та експерименти у цій галузі. За словами директора Федерального наукового центру трансплантології та штучних органів імені Шумакова професора Сергія Готьє вирощування органів стане доступним через 10-15 років.

Ситуація

Ідея про штучне вирощування людських органів не залишає вчених вже більше півстоліття, з того моменту, як людям почали пересаджувати органи донорів. Навіть за можливості пересаджувати більшість органів пацієнтам, нині дуже гостро постає питання донорства. Багато пацієнтів помирають, не дочекавшись свого органу. Штучне вирощуванняорганів може врятувати мільйони людських життів. Деякі досягнення у цьому напрямі вже досягнуто за допомогою методів регенеративної медицини.

Див. також

Примітки

Wikimedia Foundation. 2010 .

Дивитись що таке "Вирощування органів" в інших словниках:

Забарвлена ​​культура клітин епітелію. На фото кератин (червоний) та ДНК (зелена) Культивування клітин є процесом, за допомогою якого in vitro окремі клітини (або єдина клітина … Вікіпедія

Містить деякі з найвидатніших поточних подій, досягнень та інновацій у різних галузях сучасної технології. Нові технології це ті технічні нововведення, які становлять прогресивні зміни в рамках області.

Підготовка до кріонування Кріоніка (від грец. κρύος холод, мороз) практика збереження тіла або голови/мозку людини в стані глибокого … Вікіпедія

2007 – 2008 2009 2010 – 2011 Див. також: Інші події у 2009 році 2009 Міжнародний рікастрономії (ЮНЕСКО). Зміст … Вікіпедія

Великий медичний словник

Вирощування с. х. культур за умов зрошення. Один з найінтенсивніших видів землеробства, що склався в пустельних, напівпустельних та посушливих зонах, а також у районах, недостатньо забезпечених вологою в окремі періоди вегетації. У… …

Вирощування рослин за відсутності мікроорганізмів у середовищі, що оточує всю рослину або (частіше) тільки її коріння (стерильність всієї рослини може бути забезпечена тільки в замкнутій посудині, де важко підтримувати необхідні для ... Велика Радянська Енциклопедія

Вирощування мікроорганізмів, тварин і рослинних клітин, тканин або органів у штучних умовах. Медична енциклопедія

Пшениця- (Wheat) Пшениця це широко поширена зернова культура Поняття, класифікація, цінність та поживні властивості сортів пшениці Зміст >>>>>>>>>>>>>>> … Енциклопедія інвестора

Європа- (Europe) Європа – це щільно населена високоурбанізована частина світу названа на честь міфологічної богині, що утворює разом з Азією континент Євразія і має площу близько 10,5 мільйонів км² (приблизно 2 % від загальної площі Землі) та … Енциклопедія інвестора

Книги

• Хвороби домашніх та сільськогосподарських птахів. У 3-х томах, . Книга "Хвороби свійських та сільськогосподарських птахів" є перекладом десятого, доповненого та переробленого видання керівництва з хвороб птахів, у підготовці якого прийняли…
• Хвороби домашніх і сільськогосподарських птахів (кількість томів: 3) , Келнек Б.У.