Стволовые клетки - свойства, классификация, получение, выращивание и использование. Общие принципы лечения стволовыми клетками. Выращивания органов

Уже сегодня технологии выращивания новых органов широко используются в медицине и позволяют осваивать новые методы изучения иммунной системы и различных заболеваний, а также снижают потребность в трансплантатах. Пациенты, которым сделали пересадку каких-либо органов, нуждаются в большом количестве токсических препаратов для того, чтобы подавлять свою иммунную систему; иначе их организм может отвергнуть пересаженный орган. Однако, благодаря развитию тканевой инженерии, пересадка органов может остаться в прошлом. Используя клетки самих пациентов в качестве материала для выращивания в лаборатории новых видов ткани, ученые открывают все новые технологии создания человеческих органов.

Выращивание органов -- перспективная биоинженерная технология, целью которой является создание различных полноценных жизнеспособных биологических органов для человека. Пока технология не применяется на людях.

Создание органов стало возможным чуть более 10 лет назад благодаря развитию биоинженерных технологий. Для выращивания используют стволовые клетки, взятые у пациента. Разработанная недавно технология ИПК (индуцированные плюрипотентные клетки) позволяет перепрограммировать стволовые клетки взрослого человека так, чтобы из них мог получиться любой орган.

Выращивание органов или тканей человека может быть, как внутренним, так и наружным (в пробирках).

Самый известный ученый в этой области - Энтони Атала, признанный Врачом года-2011, глава лаборатории в Институте регенеративной медицины Вейк Сити (США). Именно под его руководством 12 лет назад был создан первый искусственный орган - мочевой пузырь. Вначале Атала с коллегами создали искусственную матрицу из биосовместимых материалов. Затем взяли у пациента здоровые стволовые клетки мочевого пузыря и перенесли на каркас: одни изнутри, другие снаружи. Через 6-8 недель орган был готов к пересадке.

«Меня учили, что нервные клетки не восстанавливаются, - вспоминал позже Атала. - Как же мы были поражены, когда наблюдали, как пересаженный нами мочевой пузырь покрывается сеткой нервных клеток! Это значило, что он будет, как и должно, общаться с мозгом и функционировать как у всех здоровых людей. Удивительно, как много истин, которые еще 20 лет назад казались незыблемыми, опровергнуто, и теперь нам открыты ворота в будущее».

Для создания матрикса применяют донорские или искусственные ткани, даже углеродные нанотрубки и нити ДНК. Например, кожа, выращенная на каркасе из углеродных нанотрубок, в десятки раз прочнее стали - неуязвима, как у супермена. Только непонятно, как с таким человеком потом работать, например, хирургу. Кожу на каркасе из паучьего шелка (тоже прочнее стали) уже вырастили. Правда, человеку пока не пересаживали.

А самая, пожалуй, передовая технология - печатание органов. Придумал ее все тот же Атала. Метод годится для сплошных органов и особенно хорош для трубчатых. Для первых экспериментов использовали обычный струйный принтер. Позже, конечно, изобрели специальный.

Принцип прост, как все гениальное. Вместо чернил разного цвета картриджи заправлены суспензиями разных типов стволовых клеток. Компьютер вычисляет структуру органа и задает режим печати. Он, конечно, сложнее обычной печати на бумаге, в нем много-много слоев. За счет них и создается объем. Потом все это должно срастись. Уже удалось «напечатать» кровеносные сосуды, в том числе сложно ветвящиеся.

Кожа и хрящи. Их вырастить проще всего: достаточно было научиться размножать кожные и хрящевые клетки вне организма. Хрящи пересаживают уже около 16 лет, это достаточно распространенная операция.

Кровеносные сосуды. Вырастить их несколько сложнее, чем кожу. Ведь это трубчатый орган, который состоит из двух типов клеток: одни выстилают внутреннюю поверхность, а другие формируют наружные стенки. Первыми вырастили сосуды японцы под руководством профессора Кадзува Накао из Медицинской школы Киотского университета еще в 2004 году. Чуть позже, в 2006 году, директор Института стволовой клетки университета Миннесоты в Миннеаполисе (США) Катрин Верфэйл продемонстрировала выращенные клетки мышц.

Сердце. Шестнадцати детям в Германии уже пересажены клапаны сердца, выращенные на каркасе от свиного сердца. Двое детей живут с такими клапанами уже 8 лет, и клапаны растут вместе с сердцем! Американо-гонконгская группа ученых обещает начать пересадку «заплаток» для сердца после инфаркта через 5 лет, а английская команда биоинженеров через 10 лет планирует пересаживать целое новенькое сердце.

Почки, печень, поджелудочная железа. Как и сердце, это так называемые сплошные органы. В них самая высокая плотность клеток, поэтому вырастить их труднее всего. Уже решен главный вопрос: как сделать так, чтобы выращенные клетки составили форму печени или почки? Для этого берут матрицу в форме органа, помещают в биореактор и заполняют клетками.

Мочевой пузырь. Самый первый «орган из пробирки». Сегодня операции по выращиванию и пересадке собственного «нового» мочевого пузыря уже сделаны нескольким десяткам американцев.

Верхняя челюсть. Специалисты из Института регенеративной медицины при университете Тампере (Финляндия) умудрились вырастить верхнюю челюсть человека… в его собственной брюшной полости. Они перенесли стволовые клетки на искусственную матрицу из фосфата кальция и зашили мужчине в живот. Через 9 месяцев челюсть извлекли и поставили на место родной, удаленной из-за опухоли.

Сетчатка глаза, нервная ткань мозга. Достигнуты серьезные успехи, но пока о весомых результатах говорить рано.

Возможность вырастить человеческий орган в пробирке и пересадить его человеку, нуждающемуся в пересадке — мечта трансплантологов. Ученые по всему миру работают над этим и уже научились делать ткани, небольшие работающие копии органов, и до полноценных запасных глаз, легких и почек нам на самом деле осталось совсем немного. Пока что органеллы используются в основном в научных целях, их выращивают, чтобы понять, как работают органы, как развиваются болезни. Но от этого до трансплантации всего несколько шагов. МедНовости собрали сведения о самых перспективных проектах.

Легкие . Ученые из Техасского университета вырастили легкие человека в биореакторе. Правда, без кровеносных сосудов такие легкие не функциональны. Однако команда ученых из Медицинского центра Колумбийского университета (Columbia University Medical Center, New York) недавно впервые в мире получили функциональное легкое с перфузируемой и здоровой сосудистой системой у грызунов ex vivo.

Ткани сердечной мышцы . Биоинженерам из университета Мичигана удалось вырастить в пробирке кусок мышечной ткани. Правда, полноценно сердце из такой ткани пока работать не сможет, она вдвое слабее оригинала. Тем не менее пока это самый сильный образец сердечной ткани.

Кости . Израильская биотехнологическая компания Bonus BioGroup использовалат трехмерные сканы для создания гелеобразного каркаса кости перед посевом стволовыми клетками, взятыми из жира. Кости, получившиеся в результате, они успешно пересадили грызунам. Уже планируются эксперименты по выращиванию человеческих костей по этой же технологии.

Ткани желудка . Ученым под руководством Джеймса Уэллса из Детского медицинского клинического центра в Цинциннати (Огайо) удалось вырастить «в пробирке» трехмерные структуры человеческого желудка при помощи эмбриональных стволовых клеток и из плюрипотентных клеток взрослого человека, перепрограммированных в стволовые. Эти структуры оказались способны вырабатывать все необходимые человеку кислоты и пищеварительные ферменты.

Японские ученые вырастили глаз в чашке Петри . Искусственно выращенный глаз содержал основные слои сетчатки: пигментный эпителий, фоторецепторы, ганглионарные клетки и другие. Трансплантировать его целиком пока возможности нет, а вот пересадка тканей — весьма перспективное направление . В качестве исходного материала были использованы эмбриональные стволовые клетки.

Ученые из корпорации Genentech вырастили простату из одной клетки . Молекулярным биологам из Калифорнии удалось вырастить целый орган из единственной клетки.
Ученым удалось найти единственную мощную стволовую клетку в простатической ткани, которая способна вырасти в целый орган. Таких клеток оказалось чуть меньше 1% от общего числа. В исследовании 97 мышам трансплантировали такую клетку под почку и у 14 из них выросла полноценная простата, способная нормально функционировать. Точно такую же популяцию клеток биологи нашли и в простате человека, правда, в концентрации всего 0,2%.

Сердечные клапаны . Швейцарские ученые доктор Саймон Хоерстрап (Simon Hoerstrup) и Дорта Шмидт (Dorthe Schmidt) из университета Цюриха (University of Zurich) смогли вырастить человеческие сердечные клапаны , воспользовавшись стволовыми клетками, взятыми из околоплодной жидкости. Теперь медики смогут выращивать клапаны сердца специально для неродившегося еще ребенка, если у него еще в зародышевом состоянии обнаружатся дефекты сердца.

Ушная раковина . Используя стволовые клетки, ученые вырастили . Эксперимент был проведен исследователями из Университета Токио (University of Tokyo) И Университета Киото (Kyoto University) под руководством Томаса Сервантеса (Thomas Cervantes).

Кожа. Ученые из Цюрихского университета (Швейцария) и университетской детской больницы этого города впервые сумели вырастить в лаборатории человеческую кожу, пронизанную кровеносными и лимфатическими сосудами . Полученный кожный лоскут способен почти полностью выполнять функцию здоровой кожи при ожогах, хирургических дефектах или кожных болезнях.

Поджелудочная железа . Ученые впервые создали , способные вырабатывать инсулин. Еще одна попытка вылечить диабет I типа.

Почки . Ученые из австралийского университета Квинсленда научились выращивать искусственные почки из стволовых клеток кожи. Пока это лишь маленькие органоиды размером 1 см, но по устройству и функционированию они практически идентичны почкам взрослого человека.

Прежде чем мы перейдем к непосредственному рассказу о выращивание органов, я хотел бы посвятить вас, что такое стволовые клетки.

Что такое стволовые клетки?

Стволовые клетки - прародительницы всех без исключения типов клеток в организме. Они способны к самообновлению и, что самое главное, в процессе деления образуют специализированные клетки различных тканей. Стволовые клетки обновляют и замещают клетки, утраченные в результате каких-либо повреждений во всех органах и тканях. Они призваны восстанавливать организм человека с момента его рождения.

С возрастом количество стволовых клеток в организме катастрофически снижается. У новорожденного 1 стволовая клетка встречается на 10 тысяч, к 20-25 годам – 1 на 100 тысяч, к 30 – 1 на 300 тысяч. К 50-летнему возрасту в организме уже остается всего 1 стволовая клетка на 500 тысяч. Истощение запаса стволовых клеток вследствие старения или тяжёлых заболеваний лишает организм возможностей самовосстановления. Из-за этого жизнедеятельность тех или иных органов становится менее эффективной.

Какие органы и ткани ученые смогли вырастить с помощью стволовых клеток?

Привожу только самые известные примеры научных достижений.

в 2004 году японские ученые впервые в мире вырастили структурно полноценные капиллярные кровеносные сосуды из стволовых клеток

Японские ученые первыми в мире вырастили структурно полноценные капиллярные кровеносные сосуды из стволовых клеток человеческого эмбриона. Об этом 26 марта 2004 года сообщила японская газета Yomiuri.

Как отмечает издание, группа исследователей из медицинской школы Киотского университета под руководством профессора Кадзува Накао использовала капиллярные клетки, генерированные из стволовых клеток, импортированных в 2002 году из Австралии. До сих пор исследователям удавалось регенерировать лишь нервные клетки и мышечную ткань, что недостаточно для "производства" цельного органа. Информация с сайта NewsRu.com

В 2005 году американские ученые впервые вырастили полноценные клетки головного мозга

Ученые из Флоридского университета (США) первыми в мире вырастили полностью сформированные и приживающиеся клетки головного мозга. Как сообщил руководитель проекта Бьорн Шеффлер, вырастить клетки удалось путем «копирования» процесса регенерации клеток головного мозга. Теперь ученые надеются выращивать клетки для трансплантации, что может помочь в лечении болезней Альцгеймера и Паркинсона.Шеффлер отметил, что ранее ученым удавалось выращивать нейроны из стволовых клеток, однако именно во Флоридском университете удалось получить полноценные клетки и изучить процесс их роста от начала до конца. Информация с сайта Газета.ру по материалам Independent.

В 2005 году ученым удалось воспроизвести нервную стволовую клетку

Итальянско-британская группа ученых из эдинбургского и миланского университетов на основе неспециализированных эмбриональных стволовых нервных клеток научилась создавать in vitro различные типы клеток нервной системы.

Ученые применили уже разработанные методы управления эмбриональными стволовыми клетками к полученным ими более специализированным нервным стволовым клеткам. Результаты, которые были достигнуты на клетках мышей, были воспроизведены и на человеческих стволовых клетках. В интервью, данном агентству BBC, Стивен Поллард из Эдинбургского университета пояснил, что разработка его коллег поможет воссоздать болезнь Паркинсона или болезнь Альцгеймера «в пробирке». Это позволит лучше понять механизм их возникновения и развития, а также обеспечит фармакологов мини-полигоном для поиска подходящих средств лечения. Соответствующие переговоры с фармакологическими компаниями уже ведутся.

В 2006 году швейцарсцкие ученые вырастили из стволовых клеток клапаны человеческого сердца

Осенью 2006 года доктор Саймон Хоерстрап и его коллеги из университета Цюриха впервые вырастили человеческие сердечные клапаны, воспользовавшись стволовыми клетками, взятыми из околоплодной жидкости.

Это достижение может сделать реальным выращивание клапанов сердца специально для ещё не родившегося ребёнка, если у него, ещё в утробе матери, обнаружатся дефекты сердца. А вскоре после рождения младенцу можно будет пересадить новые клапаны.

Вслед за выращиванием в лаборатории из клеток человека мочевого пузыря и кровеносных сосудов - это следующий шаг на пути создания «собственных» органов для конкретного пациента, способных устранить потребность в донорских органах или искусственных механизмах.

В 2006 году британские ученые вырастили из стволовых клеток ткани печени

Осенью 2006 года британские ученые из университета Ньюкасла объявили о том, что первыми в мире вырастили в лабораторных условиях искусственную печень из стволовых клеток, взятых из пуповинной крови. Техника, которая использовалась при создании «минипечени», размером в 2 см, будет разрабатываться дальше, чтобы создать нормально функционирующую печень стандартного размера.

В 2006 году в США впервые выращен сложный человеческий орган - мочевой пузырь

Американские ученые смогли вырастить в лабораторных условиях полноценный мочевой пузырь. В качестве материала были использованы клетки самих пациентов, нуждающихся в пересадке.

"Путем биопсии можно взять кусочек ткани, а спустя два месяца ее количество умножится в несколько раз, - объясняет директор института регенеративной медицины Энтони Атала. - Исходный материал и особые вещества мы кладем в специальную форму, оставляем в специальном лабораторном инкубаторе и через несколько недель получаем готовый орган, который уже можно пересаживать". Первую трансплантацию провели еще в конце 90-х. Операцию по пересадке мочевого пузыря сделали семи пациентам. Результаты оправдали ожидания ученых, и сейчас специалисты разрабатывают методы создания еще 20-ти органов - среди них сердце, печень, кровеносные сосуды и поджелудочная железа.

В 2007 году стволовые клетки помогли британским ученым создать часть сердца человека

Весной 2007 года группе британских ученых, состоящая из физиков, биологов, инженеров, фармакологов, цитологов и опытных клиницистов, под руководством профессора кардиохирургии Магди Якуба впервые в истории удалось воссоздать одну из разновидностей тканей человеческого сердца при помощи стволовых клеток костного мозга. Эта ткань выполняет роль сердечных клапанов. Если дальнейшие испытания пройдут успешно, разработанную методику можно будет применять для выращивания из стволовых клеток полноценного сердца для трансплантации больным.

В 2007 году японские ученые вырастили из стволовых клеток роговицу глаза

Весной 2007 года на симпозиуме по вопросам репродуктивной медицины в городе Иокогама были обнародованы результаты уникального эксперимента специалистов Токийского университета. Исследователи использовали стволовую клетку, взятую из края роговицы. Такие клетки способны развиваться в различные ткани, выполняя в организме восстановительные функции. Выделенная клетка была помещена в питательную среду. Спустя неделю она развилась в группу клеток, а на четвертой неделе преобразовалась в роговицу диаметром 2 см. Таким же образом был получен тонкий защитный слой (конъюнктива), покрывающий роговицу снаружи.

Ученые подчеркивают, что впервые полноценная ткань человеческого организма выращена из единственной клетки. Пересадка органов, полученных новым способом, исключает риск переноса инфекций. Японские ученые намерены приступить к клиническим испытаниям сразу после того, как удостоверяться в безопасности новой технологии.

В 2007 году японские ученые вырастили зуб из стволовых клеток

Японским ученым удалось вырастить зуб из одной клетки. Его вырастили в лабораторных условиях и пересадили мыши. Инъекция клеточного материала была произведена в коллагеновый каркас. После выращивания оказалось, что зуб принял зрелую форму, которая состояла из полноценных частей, таких как дентин, пульпа, сосуды, периодонтальные ткани, и эмаль. По словам исследователей, зуб был идентичен естественному. После трансплантации зуба лабораторной мыши он прижился и функционировал полностью нормально. Данный метод позволит выращивать целые органы из одной-двух клеток, говорят исследователи.

В 2008 году американские ученые смогли вырастить новое сердце на каркасе от старого

Дорис Тейлор (Doris Taylor) и её коллеги из университета Миннесоты (University of Minnesota) создали живое сердце крысы, используя необычную технику. Ученые взяли взрослое сердце крысы и поместили его в специальный раствор, который удалил из сердца все клетки мышечной сердечной ткани, оставив другие ткани нетронутыми. Этот очищенный каркас был засеян клетками сердечной мышцы, взятыми у новорождённой крысы, и помещён в среду, имитирующую условия в организме.

Всего через четыре дня клетки размножились настолько, что начались сокращения новой ткани, а через восемь дней реконструированное сердце уже могло качать кровь, хотя и всего на 2-процентном уровне мощности (считая от здорового взрослого сердца). Таким образом, учёные получили работоспособный орган из клеток второго животного. Этим путём в будущем можно было бы обрабатывать сердца, взятые для пересадки, для исключения отторжения органа. "Так вы можете сделать любой орган: почку, печень, лёгкое, поджелудочную железу", - говорит Тейлор. Донорский каркас, определяющий форму и структуру органа, будет наполняться родными для больного специализированными клетками, сделанными из стволовых.

Любопытно, что в случае с сердцем в качестве основы можно попробовать взять сердце свиньи, анатомически близкое к человеческому. Удалив только мышечную ткань, прочие ткани такого органа можно будет уже дополнить культивированными человеческими клетками сердечной мышцы, получив гибридный орган, который, по идее, должен хорошо прижиться. А новые клетки будут сразу хорошо снабжаться кислородом - благодаря старым сосудам и капиллярам, оставшимся от сердца донора.

Я привел наиболее интересные факты, если вас заинтересовала эта информация то вы можете углубиться в нее подробней, информация была взята с сайта

) технология не применяется на людях, однако идут активные разработки и эксперименты в этой области. По словам директора Федерального научного центра трансплантологии и искусственных органов имени Шумакова профессора Сергея Готье выращивание органов станет доступным через 10-15 лет .

Ситуация

Идея о искусственном выращивании человеческих органов не покидает учёных уже больше полувека, с того момента, как людям начали пересаживать органы доноров. Даже при возможности пересаживать большинство органов пациентам, в настоящее время очень остро стоит вопрос донорства. Многие пациенты умирают, не дождавшись своего органа. Искусственное выращивание органов может спасти миллионы человеческих жизней. Некоторые достижения в этом направлении уже достигнуты с помощью методов регенеративной медицины .

См. также

Примечания

Wikimedia Foundation . 2010 .

Смотреть что такое "Выращивание органов" в других словарях:

Окрашенная культура клеток эпителия. На фото кератин (красный) и ДНК (зеленая) Культивирование клеток представляет собой процесс, посредством которого in vitro отдельные клетки (или единственная клет … Википедия

Содержит некоторые из самых выдающихся текущих событий, достижений и инноваций в различных областях современной технологии. Новые технологии это те технические нововведения, которые представляют прогрессивные изменения в рамках области… … Википедия

Подготовка к крионированию Крионика (от греч. κρύος холод, мороз) практика сохранения тела или головы/мозга человека в состоянии глубокого … Википедия

2007 – 2008 2009 2010 – 2011 См. также: Другие события в 2009 году 2009 Международный год астрономии (ЮНЕСКО). Содержание … Википедия

Большой медицинский словарь

Выращивание с. х. культур в условиях орошения. Один из наиболее интенсивных видов земледелия, сложившийся в пустынных, полупустынных и засушливых зонах, а также в районах, недостаточно обеспеченных влагой в отдельные периоды вегетации. В… …

Выращивание растений при отсутствии микроорганизмов в среде, окружающей всё растение или (чаще) только его корни (стерильность всего растения может быть обеспечена только в замкнутом сосуде, где трудно поддерживать необходимые для… … Большая советская энциклопедия

Выращивание микроорганизмов, животных и растительных клеток, тканей или органов в искусственных условиях … Медицинская энциклопедия

Пшеница - (Wheat) Пшеница это широко распространенная зерновая культура Понятие, классификация, ценность и питательные свойства сортов пшеницы Содержание >>>>>>>>>>>>>>> … Энциклопедия инвестора

Европа - (Europe) Европа – это плотнонаселенная высокоурбанизированная часть света названная в честь мифологической богини, образующая вместе с Азией континент Евразия и имеющая площадь около 10,5 миллионов км² (примерно 2 % от общей площади Земли) и … Энциклопедия инвестора

Книги

• Болезни домашних и сельскохозяйственных птиц. В 3-х томах , . Книга "Болезни домашних и сельскохозяйственных птиц" представляет собой перевод десятого, дополненного и переработанного издания руководства по болезням птиц, в подготовке которого приняли…
• Болезни домашних и сельскохозяйственных птиц (количество томов: 3) , Кэлнек Б.У.. Книга "Болезни домашних и сельскохозяйственных птиц" представляет собой перевод десятого, дополненного и переработанного издания руководства по болезням птиц, в подготовке которого приняли…

В В Е Д Е Н И Е

Выращивание органов и его альтернативы

Многие болезни, в том числе, угрожающие жизни человека, связаны с нарушениями в деятельности конкретного органа (например, почечная недостаточность, сердечная недостаточность, сахарный диабет и др.). Далеко не во всех случаях эти нарушения можно исправить с помощью традиционных фармакологических или хирургических воздействий.

Существует ряд альтернативных способов того, как восстановить функции органов пациентам в случае серьёзного поражения:

1) Стимуляция процессов регенерации в организме. Кроме фармакологических воздействий в практике применяется процедура введения в организм стволовых клеток, которые имеют способность к превращению в полноценные функциональные клетки организма. Уже получены положительные результаты при лечении с помощью стволовых клеток самых разных заболеваний, в том числе, наиболее распространенных в обществе заболеваний, таких, как инфаркты, инсульты, нейродегенеративные заболевания, диабет и другие. Однако ясно, что такой способ лечения применим лишь для устранения относительно небольших повреждений органов.

2) Восполнение функций органов с помощью аппаратов не биологического происхождения. Это могут быть крупных размеров аппараты, к которым больные подключаются на определенное время (например, аппараты для гемодиализа при почечной недостаточности). Также имеются модели носимых устройств, или устройств, имплантируемых внутрь организма (существуют варианты сделать это, оставив собственный орган пациента, однако, иногда его удаляют, и аппарат полностью берёт на себя его функции, как в случае использования искусственного сердца AbioCor ). Подобные приспособления в ряде случаев используют на время ожидания появления необходимого донорского органа. Пока не биологические аналоги значительно уступают по совершенству естественным органам.

3) Использование донорских органов. Донорские органы, пересаживаемые от одного человека к другому, уже широко и порою успешно применяются в клинической практике. Однако это направление сталкивается с рядом проблем, таких, как серьёзный дефицит донорских органов, проблема реакции отторжения чужого органа иммунной системой и др. Уже были попытки пересаживать человеку органы животных (это называется ксенотрансплантацией), но пока успехи в применении такого способа скромные и в регулярную практику он не внедрён. Однако ведутся исследования с целью повысить эффективность ксенотрансплантации, например, посредством генетической модификации.

4) Выращивание органов. Органы могут выращиваться искусственно как в теле человека, так и вне организма. В ряде случаев имеется возможность выращивать орган из клеток того человека, которому его собираются трансплантировать. Разработан ряд методов выращивания биологических органов, например, с помощью специальных приборов, работающих по принципу 3D принтера. К рассматриваемому направлению можно отнести предложение о возможности выращивания, для замены повреждённого тела человека с сохранившимся мозгом, самостоятельно развивающегося организма, клона - “растения” (с отключенной способностью мыслить).

Среди перечисленных четырёх вариантов решения проблемы недостаточности функций органов именно их выращивание может быть наиболее естественным для организма способом восстановления при крупных повреждениях.

В настоящем тексте приводится информация о существующих достижениях в выращивании биологических органов.

Д О С Т И Ж Е Н И Я И П Е Р С П Е К Т И В Ы В В Ы Р А Щ И В А Н И И О Т Д Е Л Ь Н Ы Х О Р Г А Н О В

Д Л Я Н У Ж Д М Е Д И Ц И Н Ы

Выращивание тканей

Выращивание простых тканей – уже существующая и использующаяся в практике технология.

Кожа

Восстановление повреждённых участков кожи уже является частью клинической практики. В ряде случаев используются методы регенерации кожи самого человека, например, пострадавшего от ожога посредством специальных воздействий. Это например разработанный Р.Р. Рахматуллиным биопластический материал гиаматрикс 1 , или биокол 2 , разработанный коллективом под руководством Б.К. Гаврилюка. Для выращивания кожи на месте ожога также используются специальные гидрогели 3 .

Также развиваются методы распечатки фрагментов ткани кожи с помощью специальных принтеров. Созданием таких технологий занимаются, например, разработчики из американских центров регенерационной медицины AFIRM 4 и WFIRM 5 .

Доктор Герлах (Jorg Gerlach) с коллегами из Института регенеративной медицины при Университете Питсбурга (Institute for Regenerative Medicine at the University of Pittsburg) изобрели устройство для пересадки кожи, которое поможет людям быстрее излечиться от ожогов различной степени тяжести. Skin Gun распыляет на поврежденную кожу пострадавшего раствор с его же стволовыми клетками. На данный момент новый метод лечения находится на экспериментальной стадии, но результаты уже впечатляют: тяжелые ожоги заживают буквально за пару дней. 6

Кости

Группа сотрудников Колумбийского университета под руководством Горданы Вуньяк-Новакович (Gordana Vunjak-Novakovic) получила из стволовых клеток, засеянных на каркас, фрагмент кости, аналогичный части височно-нижнечелюстного сустава. 7

Учёные израильской компании Bonus Biogroup 8 (основатель и исполнительный директор - Шай Мерецки, Shai Meretzki ) разрабатывают методы выращивания человеческой кости из жировой ткани пациента, полученной посредством липосакции. Выращенную таким образом кость уже удалось успешно пересадить в лапу крысы.

Зубы

Итальянским ученым из University of Udine удалось показать, что полученная из единственной клетки жировой ткани популяция мезенхимальных стволовых клеток invitro даже в отсутствие специфического структурного матрикса или подложки может быть дифференцирована в структуру, напоминающую зубной зачаток. 9

В Токийском университете учёные вырастили из стволовых клеток мышей полноценные зубы, имеющие зубные кости и соединительные волокна, и успешно трансплантировали их в челюсти животных. 10

Хрящи

Специалистам из Медицинского центра Колумбийского университета (Columbia University Medical Center) под руководством Джереми Мао (Jeremy Mao) удалось добиться восстановления суставных хрящей кроликов.

Сначала исследователи удалили животным хрящевую ткань плечевого сустава, а также находящийся под ней слой костной ткани. Затем на место удаленных тканей им были помещены коллагеновые каркасы.

У тех животных, у которых каркасы содержали трансформирующий фактор роста - белок, который контролирует дифференцировку и рост клеток, вновь сформировалась костная и хрящевая ткань на плечевых костях, а движения в суставе полностью восстановились. 11

Группе американских ученых из The University of Texasat Austin удалось продвинуться в создании хрящевой ткани с меняющимися в разных участках механическими свойствами и составом внеклеточного матрикса. 12

В 1997 году, Хирургу Джею Ваканти (Jay Vscanti) из Главной больницы Массачусетса в Бостоне удалось вырастить на спине у мыши человеческое ухо, используя клетки хряща. 13

Медики Университета Джона Хопкинса удалили пораженное опухолью ухо и часть черепной кости у 42-летней женщины, страдающей раком. Используя хрящевую ткань из грудной клетки, кожу и сосуды из других частей тела пациентки, они вырастили ей искусственное ухо на руке и затем пересадили в нужное место. 14

Сосуды

Исследователи из группы профессора Ин Чжэн (Ying Zheng) вырастили в лаборатории полноценные сосуды, научившись управлять их ростом и формировать из них сложные структуры. Сосуды формируют ветвления, нормальным образом реагируют на суживающие вещества, транспортируя кровь даже через острые углы. 15

Ученые во главе с заведующим кафедрой в Университете Райса Дженнифер Вест (Jennifer West) и молекулярным физиологом из Медицинского колледжа Бэйлора (Baylor College of Medicine - BCM) Мэри Дикинсон (Mary Dickinson) нашли свой способ выращивать кровеносные сосуды, в том числе капилляры с использованием в качестве базового материала полиэтиленгликоля (PEG) – нетоксичного пластика. Ученые модифицировали PEG, имитируя экстрацеллюлярный матрикс организма.

Затем они соединили его с двумя видами клеток, необходимыми для образования кровеносных сосудов. Используя свет, превращающий полимерные нити PEG в трехмерный гель, они получили мягкий гидрогель, содержащий живые клетки и ростовые факторы. В результате ученые смогли наблюдать за тем, как клетки медленно образуют капилляры во всей массе геля.

Чтобы протестировать новые сети кровеносных сосудов, ученые имплантировали гидрогели в роговицу глаза мышей, где отсутствует естественное кровоснабжение. Введение красителя в кровь животных подтвердило существование нормального кровотока во вновь образовавшихся капиллярах. 16

Шведские врачи из университета Готенбурга под руководством профессора Сухитры Сумитран-Хольгешон (Suchitra Sumitran-Holgersson) впервые в мире провели операцию по пересадке вены, выращенной из стволовых клеток пациента. 17

Участок подвздошной вены длиной около 9 сантиметров, полученный от умершего донора, был очищен от донорских клеток. Внутрь оставшегося белкового каркаса поместили стволовые клетки девочки. Через две недели была проведена операция по пересадке вены с выросшей в ней гладкой мускулатурой и эндотелием.

Прошло больше года с момента операции, антител к трансплантату в крови пациентки обнаружено не было и самочувствие ребёнка улучшилось.

Мышцы

Сотрудники Вустерского политехнического института (США) успешно ликвидировали большую рану в мышечной ткани у мышей путём выращивания и вживления состоящих из белкового полимера фибрина микронитей, покрытых слоем человеческих мышечных клеток. 18

Израильские ученые из Technion-Israel Institute of Technology исследуют необходимую степень васкуляризации и организации ткани invitro, позволяющую улучшить приживаемость и интеграцию тканеинженерного васкуляризированного мышечного импланта в организме реципиента. 19

Кровь

Исследователи из Университета Пьера и Марии Кюри в Париже под руководством Люка Дуая (Luc Douay) впервые в мировой практике успешно испытали на людях-добровольцах искусственную кровь, выращенную из стволовых клеток.

Каждый из участников эксперимента получил по 10 миллиардов эритроцитов, что эквивалентно примерно двум миллилитрам крови. Уровни выживаемости полученных клеток оказались сопоставимы с аналогичными показателями обычных эритроцитов. 20

Костный мозг

Искусственный костный мозг, предназначенный для производства in vitro клеток крови, впервые успешно был создан исследователями в лаборатории химической инженерии Мичиганского Университета (University of Michigan ) под руководством Николая Котова (Nicholas Kotov ). С его помощью уже можно получать гемопоэтические стволовые клетки и В-лимфоциты – клетки иммунной системы, продуцирующие антитела. 21

Выращивание сложных органов

Мочевой пузырь.

Доктор Энтони Атала (Anthony Atala) и его коллеги из американского университета Вэйк Форест (Wake Forest University) занимаются выращиванием мочевых пузырей из собственных клеток пациентов и их трансплантацией пациентам. 22 Они отобрали нескольких пациентов и взяли у них биопсию пузыря - образцы мышечных волокон и уротелиальных клеток. Эти клетки размножались семь-восемь недель в чашках Петри на имеющем форму пузыря основании. Затем выращенные таким способом органы были вшиты в организмы пациентов. Наблюдения за пациентами в течении нескольких лет показали, что органы функционировали благополучно, без негативных эффектов, характерных для более старых методов лечения. Фактически это первый случай, когда достаточно сложный орган, а не простые ткани, такие, как кожа и кости, был искусственно выращен in vitro и пересажен в человеческий организм. Так же этот коллектив разрабатывает методы выращивания других тканей и органов.

Трахея.

Испанские хирурги провели первую в мире трансплантацию трахеи, выращенной из стволовых клеток пациентки - 30-летней Клаудии Кастильо (Claudia Castillo). Орган был выращен в университете Бристоля (University of Bristol) на основе донорского каркаса из коллагеновых волокон. Операцию провёл профессор Паоло Маккиарини (Paolo Macchiarini) из госпиталя Барселоны (Hospital Clínic de Barcelona). 23

Профессор Маккиарини активно сотрудничает с Российскими исследователями, что позволило сделать первые операции по пересадке выращенной трахеи в России. 24

Почки

Компания Advanced Cell Technology в 2002 г. сообщила об успешном выращивании полноценной почки из одной клетки, взятой из уха коровы с использованием технологии клонирования для получения стволовых клеток. Применяя специальное вещество, стволовые клетки превратили в почечные.

Ткань вырастили на каркасе из саморазрушающегося материала, созданного в Гарвардской медицинской школе и имеющего форму обычной почки.

Полученные в результате почки около 5 см в длину были имплантированы корове рядом с основными органами. В результате искусственная почка успешно начала вырабатывать мочу. 25

Печень

Американские специалисты из Массачусетской больницы общего профиля (Massachusetts General Hospital) под руководством Коркута Югуна (Korkut Uygun) успешно пересадили нескольким крысам печень, выращенную в лаборатории из их собственных клеток.

Исследователи удалили печени у пяти лабораторных крыс, очистили их от клеток хозяина, получив, таким образом, соединительнотканные каркасы органов. Затем в каждый из пяти полученных каркасов исследователи ввели примерно по 50 миллионов клеток печени, взятых у крыс-реципиентов. В течение двух недель на каждом из заселенных клетками каркасов сформировалась полностью функционирующая печень. После чего выращенные в лаборатории органы были успешно пересажены пяти крысам. 26

Сердце

Ученые из британского госпиталя Хэафилд под руководством Мегди Якуба впервые в истории вырастили часть сердца, использовав в качестве "строительного материала" стволовые клетки. Врачи вырастили ткань, которая работала в точности как сердечные клапаны, ответственные за кровоток в организме людей. 27

Ученые из University of Rostock (Германия) использовали технологию лазерного переноса-печатания клеток (Laser-Induced-Forward-Transfer (LIFT) cellprinting) для изготовления “заплатки”, предназначенной для регенерации сердца. 28

Легкие

Американские ученые из Йельского университета (Yale University) под руководством Лауры Никласон (Laura Niklason) вырастили в лаборатории легкие (на донорском внеклеточном матриксе).

Матрикс был заполнен клетками эпителия легких и внутренней оболочки кровеносных сосудов, взятых у других особей. С помощью культивации в биореакторе исследователям удалось вырастить новые легкие, которые затем пересадили нескольким крысам.

Орган нормально функционировал у разных особей от 45 минут до двух часов после трансплантации. Однако после этого в сосудах легких начали образовываться тромбы. Кроме того, исследователи зафиксировали утечку небольшого количества крови в просвет органа. Тем не менее, исследователям впервые удалось продемонстрировать потенциал регенеративной медицины для трансплантации лёгких. 29

Кишечник

Группе японских исследователей из Медицинского университета Нара (Nara Medical University ) под руководством Есиюки Накадзимы (Yoshiyuki Nakajima ) удалось создать фрагмент кишечника мыши из индуцированных плюрипотентных стволовых клеток.

Его функциональные особенности, структура мышц, нервных клеток соответствуют обычному кишечнику. Например, он мог сокращаться для перемещения пищи. 30

Поджелудочная железа

Исследователи израильского института Technion, работающие под руководством профессора Шуламит Левенберг (Shulamit Levenberg), разработали метод выращивания ткани поджелудочной железы, содержащей секреторные клетки, окруженные трехмерной сетью кровеносных сосудов.

Трансплантация такой ткани мышам с диабетом приводила к значительному снижению уровней глюкозы в крови животных. 31

Тимус

Ученые из University of Connecticut Health Center (США) разработали метод направленной дифференцировки invitro мышиных эмбриональных стволовых клеток (ЭСК) в клетки-предшественники эпителия тимуса (ПЭТ), которые invivo дифференцировались в клетки тимуса, и восстанавливали его нормальное строение. 32

Предстательная железа

Ученые Пру Кауин, профессор Гейл Рисбриджер и доктор Рения Тейлор из Мельбурнского института медицинских исследований Monash, стали первыми, кому с помощью стволовых эмбриональных клеток удалось вырастить человеческую простату в теле мыши. 33

Яичник

Группе специалистов под руководством Сандры Карсон (Sandra Carson ) из университета Брауна удалось вырастить первые яйцеклетки в органе, созданном в лаборатории: пройден путь от стадии «молодого граафова пузырька» до полного взросления. 34

Пенис, уретра

Исследователям из Института регенеративной медицины Уэйк-Фореста (Северная Каролина, США) под руководством Энтони Атала (Anthony Atala) удалось вырастить и успешно пересадить пенисы кроликам. После операции функции пенисов восстановились, кролики оплодотворили самок, у них родилось потомство. 35

Ученые из Университета Уэйк-Форест в Уинстон-Сейлеме, штат Северная Каролина, вырастили мочеиспускательные каналы из собственных тканей больных. В эксперименте они помогли пятерым подросткам восстановить целостность поврежденных каналов. 36

Глаза, роговицы, сетчатки

Биологи из Токийского университета имплантировали в глазницу лягушки, из которой было удалено глазное яблоко, эмбриональные стволовые клетки. Затем глазницу заполнили специальной питательной средой, обеспечивавшей питание клеток. Через несколько недель эмбриональные клетки переросли в новое глазное яблоко. Причем восстановился не только глаз, но и зрение. Новое глазное яблоко срослось со зрительным нервом и питающими артериями, полностью заместив прежний орган зрения. 37

Учeные из Caлгрeнcкoй Aкaдeмии в Швeции (The Sahlgrenska Academy) впeрвыe уcпeшно культивирoвaли из cтвoлoвых клeтoк чeлoвeчecкую рoгoвицу. Этo в будущeм пoмoжeт избeжaть дoлгoго oжидaния дoнoрcкoй роговицы. 38

Исследователи университета Калифорнии в Ирвине, работающие под руководством Ганса Кайрштеда (Hans Keirstead ), вырастили из стволовых клеток в лабораторных условиях восьмислойную сетчатку, что поможет в разработке готовых к трансплантации сетчаток для лечения таких ведущих к слепоте заболеваний, как пигментный ретинит и макулярная дегенерация. Сейчас они проверяют возможность трансплантации такой сетчатки на животных моделях. 39

Нервные ткани

Исследователи Центра биологии развития RIKEN, Кобе, Япония под руководством Йошики Сасаи разработали методику выращивания гипофиза из стволовых клеток, который успешно имплантировали мышам. Проблему создания двух типов тканей ученые решили воздействуя на мышиные эмбриональные стволовые клетки веществами, создающими среду, похожую на ту, в которой формируется гипофиз развивающегося эмбриона, и обеспечили обильное снабжение клеток кислородом. В результате клетки сформировали трехмерную структуру, внешне сходную с гипофизом, содержащую комплекс эндокринных клеток, секретирующих гипофизарные гормоны. 40

Ученые лаборатории клеточных технологий Нижегородской государственной медицинской академии сумели вырастить нейронную сеть, фактически фрагмент мозга. 41

Вырастили они нейронную сеть на специальных матрицах – многоэлектродных подложках, которые позволяют снимать электрическую активность этих нейронов на всех этапах роста.

З А К Л Ю Ч Е Н И Е

Приведённый обзор публикаций показывает, что уже имеются существенные достижения в использовании выращивания органов для лечения людей не только простейших тканей, таких, как кожа и кости, но и достаточно сложных органов, таких, как мочевой пузырь, или трахея. Технологии выращивания ещё более сложных органов (сердце, печень, глаз и др.) пока отрабатываются на животных. Кроме применения в трансплантологии, такие органы могут послужить, например, для экспериментов, заменяющих некоторые эксперименты на лабораторных животных, или же для нужд искусства (как это сделал вышеупомянутый Дж. Ваканти). Ежегодно в области выращивания органов появляются новые результаты. По прогнозам учёных разработка и внедрение техники выращивания сложных органов – вопрос времени и велика вероятность, что уже в ближайшие десятилетия техника будет отработана настолько, что выращивание сложных органов будет широко использоваться в медицине, вытеснив наиболее распространённый сейчас метод трансплантации от доноров.

Источники информации.

1Биоинженерная модель биопластического материала «гиаматрикс» Рахматуллин Р.Р., Барышева Е.С., Рахматуллина Л.Р. // Успехи современного естествознания. 2010. № 9. С. 245-246.

2Система «биокол» для регенерации ран. Гаврилюк Б.К., Гаврилюк В.Б.// Технологии живых систем. 2011. № 8. С. 79-82.

3 Sun, G., Zhang, X., Shen, Y., Sebastian, R., Dickinson, L. E., Fox-Talbot, K., et al. Dextran hydrogel scaffolds enhance angiogenic responses and promote complete skin regeneration during burn wound healing. // Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 108(52), 20976-20981.

7Grayson WL, Frohlich M, Yeager K, Bhumiratana S, Chan ME, Cannizzaro C, Wan LQ, Liu XS, Guo XE, Vunjak-Novakovic G: Engineering anatomically shaped human bone grafts. // Proc Natl Acad Sci U S A 2010, 107:3299-3304.

9Ferro F, etal. Adipose tissue-derived stem cell in vitro differentiation in a three-dimensional dental bud structure.Am J Pathol. 2011 May;178(5):2299-310.

10Oshima M, Mizuno M, Imamura A, Ogawa M, Yasukawa M, et al. (2011) Functional Tooth Regeneration Using a Bioengineered Tooth Unit as a Mature Organ Replacement Regenerative Therapy. // PLoS ONE 6(7): e21531.

11Chang H Lee, James L Cook, Avital Mendelson, Eduardo K Moioli, Hai Yao, Jeremy J Mao Regeneration of the articular surface of the rabbit synovial joint by cell homing: a proof of concept study // The Lancet, Volume 376, Issue 9739, Pages 440 - 448, 7 August 2010

16Saik, Jennifer E. and Gould, Daniel J. and Watkins, Emily M. and Dickinson, Mary E. and West, Jennifer L., Covalently immobilized platelet-derived growth factor-BB promotes antiogenesis in biomirnetic poly(ethylene glycol) hydrogels, ACTA BIOMATERIALIA, vol 7 no. 1 (2011), pp. 133--143

17Michael Olausson, Pradeep B Patil, Vijay Kumar Kuna, Priti Chougule, Nidia Hernandez, Ketaki Methe, Carola Kullberg-Lindh, Helena Borg, Hasse Ejnell, Prof Suchitra Sumitran-Holgersson. Transplantation of an allogeneic vein bioengineered with autologous stem cells: a proof-of-concept study. // The Lancet, Volume 380, Issue 9838, Pages 230 - 237, 21 July 2012

18Megan K. Proulx, Shawn P. Carey, Lisa M. DiTroia, Craig M. Jones, Michael Fakharzadeh, Jacques P. Guyette, Amanda L. Clement, Robert G. Orr, Marsha W. Rolle, George D. Pins, Glenn R. Gaudette. Fibrin microthreads support mesenchymal stem cell growth while maintaining differentiation potential. // Journal of Biomedical Materials Research Part A Volume 96A, Issue 2, pages 301–312, February 2011

19KofflerJ, etal. Improved vascular organization enhances functional integration of engineered skeletal muscle grafts.Proc Natl Acad Sci U S A.2011 Sep 6;108(36):14789-94. Epub 2011 Aug 30.

20Giarratana, et al. Proof of principle for transfusion of in vitro-generated red blood cells. // Blood 2011, 118: 5071-5079;

21Joan E. Nichols, Joaquin Cortiella, Jungwoo Lee, Jean A. Niles, Meghan Cuddihy, Shaopeng Wang, Joseph Bielitzki, Andrea Cantu, Ron Mlcak, Esther Valdivia, Ryan Yancy, Matthew L. McClure, Nicholas A. Kotov. In vitro analog of human bone marrow from 3D scaffolds with biomimetic inverted colloidal crystal geometry. // Biomaterials, Volume 30, Issue 6, February 2009, Pages 1071-1079 Organ reengineering through development of a transplantable recellularized liver graft using decellularized liver matrix. // Nature Medicine 16, 814–820 (2010)

27Philosophical Transactions of the Royal Society. Bioengineering the Heart issue. Eds Magdi Yacoub and Robert Nerem. 2007 vol 362(1484): 1251-1518.

28GaebelR, etal. Patterning human stem cells and endothelial cells with laser printing for cardiac regeneration.Biomaterials. 2011 Sep 10.

29Thomas H. Petersen, Elizabeth A. Calle, Liping Zhao, Eun Jung Lee, Liqiong Gui, MichaSam B. Raredon, Kseniya Gavrilov, Tai Yi, Zhen W. Zhuang, Christopher Breuer, Erica Herzog, Laura E. Niklason. Tissue-Engineered Lungs for in Vivo Implantation. // Science 30 July 2010: Vol. 329 no. 5991 pp. 538-541

30Takatsugu Yamada, Hiromichi Kanehiro, Takeshi Ueda, Daisuke Hokuto, Fumikazu Koyama, Yoshiyuki Nakajima. Generation of Functional Gut ("iGut") From Mouse Induced Pluripotent Stem Cells. // SBE"s 2nd International Conference on Stem Cell Engineering (2-5 May 2010) in Boston (MA), USA.

31Keren Kaufman-Francis, Jacob Koffler, Noa Weinberg, Yuval Dor, Shulamit Levenberg. Engineered Vascular Beds Provide Key Signals to Pancreatic Hormone-Producing Cells. // PLoS ONE 7(7): e40741.

32Lai L, etal. Mouse embryonic stem cell-derived thymic epithelial cell progenitors enhance T-cell reconstitution after allogeneic bone marrow transplantation.Blood.2011 Jul 26.

33Renea A Taylor, Prue A Cowin, Gerald R Cunha, Martin Pera, Alan O Trounson, + et al. Formation of human prostate tissue from embryonic stem cells. // Nature Methods 3, 179-181

34Stephan P. Krotz, Jared C. Robins, Toni-Marie Ferruccio, Richard Moore, Margaret M. Steinhoff, Jeffrey R. Morgan and Sandra Carson. In vitro maturation of oocytes via the pre-fabricated self-assembled artificial human ovary. // JOURNAL OF ASSISTED REPRODUCTION AND GENETICS Volume 27, Number 12 (2010), 743-750.

36Atlantida Raya-Rivera MD, Diego R Esquiliano MD, James J Yoo MD, Prof Esther Lopez-Bayghen PhD, Shay Soker PhD, Prof Anthony Atala MD Tissue-engineered autologous urethras for patients who need reconstruction: an observational study // The Lancet, Vol. 377 No. 9772 pp 1175-1182

38Charles Hanson, Thorir Hardarson, Catharina Ellerström, Markus Nordberg, Gunilla Caisander, Mahendra Rao, Johan Hyllner, Ulf Stenevi, Transplantation of human embryonic stem cells onto a partially wounded human cornea in vitro // Acta Ophthalmologica, Acta Ophthalmologica on 27 January 2012, DOI: 10.1111/j.1755-3768.2011.02358.x

39Gabriel Nistor, Magdalene J. Seiler, Fengrong Yan, David Ferguson, Hans S. Keirstead. Three-dimensional early retinal progenitor 3D tissue constructs derived from human embryonic stem cells. // Journal of Neuroscience Methods, Volume 190, Issue 1, 30 June 2010, Pages 63–70

40Hidetaka Suga, Taisuke Kadoshima, Maki Minaguchi, Masatoshi Ohgushi, Mika Soen, Tokushige Nakano, Nozomu Takata, Takafumi Wataya, Keiko Muguruma, Hiroyuki Miyoshi, Shigenobu Yonemura, Yutaka Oiso & Yoshiki Sasai. Self-formation of functional adenohypophysis in three-dimensional culture. // Nature 480, 57–62 (01 December 2011)

41Мухина И.В., Хаспеков Л.Г. Новые технологии в экспериментальной нейробиологии: нейронные сети на мультиэлектродной матрице. Анналы клинической и экспериментальной неврологии. 2010. №2. С. 44-51.