Сахарный диабет, костные патологии и ожоги третьей степени — крайне неприятные недуги. В случае этих заболеваний классические методы медицины упираются в предел своих возможностей и оказываются бесполезными, не позволяя добиться полного излечения. Поврежденные органы требуют замены, но не всегда есть возможность добыть донорский материал, поэтому приходится ограничиваться только паллиативной поддержкой пациента. Но что если немного пофантазировать о развитии медицинских технологий?
Новый гардероб
Выходом из этой ситуации могли бы стать искусственно создаваемые ткани, разработанные специально под клиническую картину, и наука активно работает в этом направлении. Ученые не отчаиваются и с энтузиазмом продвигают науку в светлое будущее, которое располагается где-то на стыке гистологии, эмбриологии, трансплантологии и биотехнологий. Под общим названием «тканевой инженерии» (ТИ) скрывается сложный процесс формирования из клеток тканевой структуры, которая позволит заместить несформированные и критически поврежденные части человеческого тела. В отличие от классических протезов, тканеинженерные конструкции замещают поврежденные участки с воссозданием исходной структуры органа, что приводит к восстановлению его функции. Поскольку такое вмешательство приводит к восстановлению тканей и органов, данную область относят к разделу регенеративной медицины. Про прошлое, настоящее и грядущее метода расскажем в этой статье. Но для начала — прочитайте вводную публикацию: «Не можешь излечить — восстанови! Как появилась регенеративная медицина и какие у нее возможности сегодня»!
Первые шаги
Клетки, каркасы и стимулирующие рост сигналы — эта триада стала основой тканевой инженерии. Однако свое начало она берет в другом когда-то авангардном направлении — биологии стволовых клеток (клеток, способных к самообновлению и дифференцировке). Давайте бросим взгляд на несколько десятилетий назад.
С 1960-х годов было показано, что некоторые популяции клеток способны давать клональные структуры — основу тканевой гетерогенности и формирования колоний клеток. Статья А. Дж. Беккера, Э. А. Маккалоха и Дж. Э. Тилла об исследованиях гемопоэтических клеток была опубликована в 1963 году в журнале Nature («Cytological Demonstration of the Clonal Nature of Spleen Colonies Derived from Transplanted Mouse Marrow Cells») и встретила большой интерес у научного сообщества. Там описывались наблюдения за развитием колоний клеток, пересаженных от здоровой мыши на облученную селезенку другой особи. Колонии достигали значительного размера и давали потомков во все три линии миелоидной ветки гемопоэза: эритроцитарную, гранулоцитарную и мегакариоцитарную. Этот эксперимент впервые продемонстрировал, что в организме животного могут прижиться клетки другой особи (или же свои, но из другого места), а этот факт открывает путь клиническому применению тканевой инженерии.
Над органами мышей вообще издеваются достаточно часто. Чего только стоит выращивание человеческой кишки в организме мыши для тестирования терапии пищеварительных заболеваний: «Желудок размером с горошину + человеческий кишечник, выращенный в мыши».
В 1978 году гемопоэтические стволовые клетки были обнаружены в пуповинной крови человека, а в 1981 были выделены плюрипотентные клетки мыши. События развивались стремительно, и в 1998 году, наконец, были получены эмбриональные стволовые клетки человека (ЭСК), что в конечном счете привело к вручению Нобелевской премии Джону Гердону и Синъе Яманаке «За открытие факта, что зрелые клетки могут быть „перепрограммированы“ обратно в плюрипотентное состояние»: «Нобелевская премия по физиологии и медицине (2012): индуцированные стволовые клетки».
Тканевая инженерия как область до сих пор стремительно развивается, опираясь на знания о биологии стволовых клеток. Конечно, их способность превращаться в различные типы клеток открывает уникальные возможности для регенерации тканей. Сочетание клеток, искусственно созданных каркасов и стимулирующих сигналов позволяет ученым разрабатывать подходы к созданию функциональных тканей, которые могут быть использованы для трансплантации или восстановления органов.
Гены или воспитание?
После открытия стволовых клеток ученые задались вопросом о природе плюрипотентности и вектора развития ткани. Казалось бы, при одинаковом геноме все клетки должны стройным маршем идти по единому пути развития. Однако ученые продолжали открывать все новые и новые типы клеток. Ответить на этот вопрос помогли исследования гистогенеза и клеточной ниши. Важность субстрата и морфогенов в среде культивирования была продемонстрирована в трудах Джуды Фолкмана в 1970-х годах, он же впервые заговорил об использовании каркасов (скаффолдов), имитирующих естественный внеклеточный матрикс для наращивания клеточной массы. Каркасы служат для физического позиционирования клеток в пространстве, определяют направление роста и дифференцировки при имплантации, обеспечивают снабжение ткани кислородом и питательными веществами и по совместительству отвечают за биосовместимость трансплантированных клеток.
Каркасы в массы
Первое применение каркасов на практике свет увидел в исследованиях Уильяма Т. Грина в 1977 году в работе по пересадке хондроцитов на костном матриксе. Хондроциты из суставного хряща кролика были выделены из матрицы путем ферментативного переваривания. При соответствующих условиях культивирования эти клетки размножались в течение многих поколений, сохраняя специализацию. Ткань из субкультуры была переселена на декальцинированную кость в колено кролика и восстановила суставной дефект всего за 10 дней.
В последующие годы проводились классические тканеинженерные эксперименты как в лаборатории, так и в клинике. В 1991 году молодой пациент с синдромом Поландса (врожденным пороком развития грудной клетки и отсутствием грудины) стал первым человеком, получившим тканеинженерный имплант, состоящий из синтетического полимерного каркаса, заполненного аутологичными (то есть его собственными) хондроцитами. Фундамент для клинического применения методов тканевой инженерии был заложен.
Правила удачной примерки
Главным трудом по теме тканевой инженерии можно назвать одноименную статью «Tissue engineering» 1993 года под авторством Роберта Лэнгера и Джозефа Ваканти, самую цитируемую в этой области на сегодняшний день. Несмотря на небольшой объем, в этой фундаментальной работе были описаны основные принципы производства новой ткани и тонкости работы с клетками. Большое внимание уделяется и особенностям трансплантации, и работе с субстратом. Но что больше нас интересует, — это описание основных подходов к переносу культивированных тканей в организм пациента, которые используются по сей день и играют важную роль для регенеративной медицины. Рассмотрим их по порядку.
- Пересадка изолированных клеток позволяет избежать трудностей хирургического вмешательства с их дальнейшими осложнениями и заменяет только те клетки, которые обеспечивают необходимую функцию; а также манипулировать клетками перед трансплантацией. Главная проблема — риск развития иммунологического отторжения и низкая выживаемость клеток внутри тела реципиента.
- Индукция развития ткани. Это один метод тканевой инженерии, который направлен на стимуляцию регенерации или создания новых тканей с помощью различных биологических и физико-химических факторов. Успех этого подхода зависит от очистки и крупномасштабного производства соответствующих сигнальных молекул, таких как факторы роста (например, BMP — Bone Morphogenetic Protein или VEGF — Vascular Endothelial Growth Factor); и во многих случаях — от разработки методов доставки этих молекул к их мишеням.
- И конечно же, пересадка клеток в составе матриц. В матрицах закрытого типа существуют ячейки для клеток, состоящие из изолированной мембраны, пропускающей питательные вещества и метаболиты, но предотвращающей разрушение трансплантата антителами и иммунными клетками. Эти системы могут быть имплантированы вовнутрь или использованы прямо на коже. В открытых матрицах клетки имплантируются и встраиваются в организм и свободно взаимодействуют с окружающими тканями. Матрицы изготавливаются как из натуральных материалов, таких как коллаген; так и из синтетических полимеров. Иммунологическое отторжение может быть предотвращено с помощью иммуносупрессивных препаратов или заранее при использовании аутологичных клеток.
В двадцать первом веке вышеперечисленные идеи и методики получили бурное развитие. На сегодняшний день использование костных имплантов уже не попадет в заголовки газет, а рост десятков компаний, разрабатывающих заменители кожи, мало кого удивит. Область быстро растет, а ученые по всему миру ведут интенсивные разработки по многим фронтам.
В нашей новой статье мы рассказываем про главный из них — медицину. Ознакомиться с ней вы можете на нашем сайте!