Когда научатся выращивать кожу
Обновлено: 22.04.2024
Лечить тяжелые повреждения кожи, например, сильные ожоги призвана научная разработка Института биологии развития РАН имени Н. К. Кольцова.
Об этом корреспондент НТВ Гарри Княгницкий.
У пациента ожоги 70% тела. 260 дней он пролежал в больнице. Потом мужчине трансплантировали эквиваленты кожи, выращенные в лабораторных условиях. Общая площадь два квадратных метра. Через полтора месяца пациент выписался из клиники: .
Андрей Васильев, директор Института биологии развития РАН имени Н. К. Кольцова: «Верхний слой кожи эпидермис, который мы хорошо знаем. Наверху дифференцированные клетки. Нужно создать условия, чтобы они росли. Они довольно капризны».
Условия для роста создают в лаборатории в Институте биологии развития. недели, и готов целый лоскут. Вообще кожные трансплантаты бывают двух типов. Первый искусственно выращенный из донорской клетки, он нужен как временная защита раны от воспаления и прочих обычно фатальных неприятностей.
Екатерина Воротеляк, заведующая лабораторией клеточной биологии: «Ожоговые больные, например, прежде всего погибают от обезвоживания и инфицирования. И поэтому временное покрытие для них спасающее жизнь».
И пока пациент, что называется, прикрыт, для него выращивают уже постоянную кожу. Причем практически любого размера. По уже обкатанной технологии. В этом и состоит прорыв, которого добились российские врачи.
Андрей Васильев, директор Института биологии развития РАН имени Н. К. Кольцова: «Можно вырастить там 10 квадратных сантиметров, и этим гордиться. Можно провозгласить, что я умею. Но правда заключается в том, что есть пациент, и ему нужен метр. Можете сделать метр с сохранением свойств за три недели? Тогда хорошо».
Над выращиванием клеток кожи у нас начали работать еще 30 лет назад. И вечно не хватало. Сначала нормального оборудования, потом денег, затем юридического статуса. Частные компании и рады были инвестировать в проект, но с точки зрения закона он был вроде как не совсем легальным. Трансплантация и выращивание клеток вопрос тонкий.
Сергей Краевой, заместитель министра здравоохранения РФ: «А здесь очень важно, у кого получают клеточные продукты, как их готовят, как их хранят, как их транспортируют, как их используют. Как их утилизируют. Это целый пласт проблем и требований».
1 января 2017 года вступит в силу закон о биомедицинских клеточных продуктах. Можно будет зарегистрировать технологию и начать клинические исследования. Пересадка искусственно выращенной кожи станет общедоступной, лишь когда будет полная гарантия безопасности процедуры.
Медики из Японии впервые в истории медицины смогли искусственно вырастить и пересадить человеку кожу — спасибо поджигателю студии Kyoto Animation. В пожаре мужчина получил сильные ожоги, но никто из соотечественников не захотел стать донором преступника. Врачам пришлось решиться на эксперимент.
В июле 2019 года в здании № 1 японской аниме-студии Kyoto Animation случился пожар, который унёс жизни 36 человек, ещё 33 сотрудника и посетителя были ранены. Ответственным за происшествие суд признал 41-летнего японца Синдзи Аобу, который, по словам полицейских, пришёл в холл с двумя канистрами бензина и поджёг их с криком: «Умрите!»
По версии следствия, причиной поступка было желание Аобы отомстить бизнесменам за якобы кражу его романа. Сотрудники студии подтвердили, что Синдзи действительно присылал им роман, но ни он целиком, ни его части не были использованы для производства аниме.
В отличие от геймера, которого ошибочно посчитали киллером, мужчина сам признал свою вину, но сразу арестовать его полицейским не удалось из-за сильных ожоговых травм. Во время пожара пострадало около 90 процентов тела Синдзи, и японцу пришлось проходить реабилитацию.
Синдзи Аоба
Как выяснилось 3 сентября на 46-м ежегодном собрании Японского общества ожоговых травм, медики не теряли времени и, зная, что Аобе суждено погибнуть из-за полученных травм, решили испробовать на нём новый вид трансплантации, пишет Sora News.
На протяжении четырёх месяцев эксперты восстанавливали Синдзи с помощью культивированной копии его собственного покрова, то есть, по сути, буквально выращивали ему новую кожу.
Этот процесс позволяет проводить пересадку кожи без донора, что очень полезно в случаях, когда запасы кожных покровов ограничены или доступная ткань отторгается организмом пациента, — объяснили медики.
Обычно в подобных случаях медики используют донорскую кожу, однако в стране не нашлось желающих пожертвовать частичку себя поджигателю. Именно поэтому врачи решили раздвинуть границы процедуры и провели самую крупную самокультуральную трансплантацию кожи в истории медицины.
Самая большая проблема — это время, необходимое для выращивания достаточного количества новой кожи, чтобы покрыть такую большую часть тела. Живые образцы достаточно скудны, но всё равно. Этот метод поможет нам в дальнейшем спасти большое количество людей, — уверены врачи.
В ходе процедуры персоналу больницы пришлось снять 90 процентов пострадавшей кожи мужчины за пять отдельных операций.
Помимо ужаса, что вся его плоть постепенно отслаивается, он испытывает ужасную боль от процесса соединения его нервов с новой кожей, — рассказали на конференции.
По словам журналистов, в случае с Синдзи обычных японцев и медиков смущает только один факт: на опыты над Аобой было потрачено порядка девяти миллионов долларов из государственного бюджета, но врачи уточняют, что это было сделано ради блага всего человечества.
Науке предстоит пройти ещё долгий путь, чтобы облегчить человеческую жизнь, но многие достижения уже меняют существование пациентов к лучшему. Исследования в области болезни Паркинсона принесли свои плоды, и парень, который смог донести ложку до рта, — лучшее тому доказательство.
Теперь медикам осталось добиться главного — научиться диагностировать и лечить депрессию, которая иногда так умело скрывается под плохим настроением, что не справится и Шерлок Холмс.
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.
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 ухо человека на спине крысы. 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 васкуляризованные островки поджелудочной железы, 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.
Печень. Биологи сразу нескольких стран заявили о том, что смогли вырастить полноценный аналог печени, способный очищать кровь от токсинов и выполнять другие функции этого органа. Для этого ученые использовали стволовые клетки и «заготовки» из стволовых клеток. Эти разработки параллельно велись в Японии, Америке и России.
Мочевой пузырь. Группа американских ученых под руководством Энтони Аталы (Anthony Atala) вырастила в лаборатории человеческие мочевые пузыри, полностью готовые к пересадке, из образцов собственных тканей пациентов. Те же ученые вырастили мочеиспускательные каналы для пациентов, у которых они были повреждены.
Кроме того, ученые уже научились выращивать хрящевые ткани, ткани скелетных мышц и костей, ткани гипофиза, тимуса, а также ткани, функционирующие аналогично тканям человеческого мозга.
Михаил Левин, американец русского происхождения, считает, что программируют тело не только гены, но и электрические сигналы, которыми обмениваются клетки. Специалисту уже удалось с помощью биоэлектрики вырастить новые конечности лягушкам и переместить у головастиков глаза с головы в живот.
Принято считать, что то, как выглядит живое существо, определяют его гены. Они «подсказывают» телу, где должны быть руки, ноги, лапы, какой формы должен быть нос и будет ли у конкретной особи расти хвост. Генной терапией сейчас занимаются многие исследователи. Однако ученый из Университета Тафтса (Tufts University) работает в совершенно ином направлении. Михаил Левин, американец русского происхождения, считает, что программируют тело не только гены, но и электрические сигналы, которыми обмениваются клетки. Специалисту уже удалось с помощью биоэлектрики вырастить новые конечности лягушкам и переместить у головастиков глаза с головы в живот. Исследователь рассказал, что, возможно, с помощью его метода в будущем появится возможность выращивать новые конечности и у людей — например, у солдат, потерявших их на войне.
Михаил Левин заинтересовался биоэлектричеством еще в 2000 году. Он задался вопросом, каким образом тело «узнает», с какой стороны нужно вырастить сердце, печень, где должен быть желчный пузырь. Ученый пронаблюдал за формированием 6 зародышей цыплят и заметил, что между клетками эмбрионов проходят электрические сигналы. Он предположил, что именно таким образом клетки подсказывают друг другу, в каком направлении им расти. Электричество, по его мнению, запускало процесс экспрессии генов в нужном месте.
Вне зависимости от того, преуспевали ли люди в физике в вузе, их в любом случае можно назвать настоящими мастерами этой науки — когда дело доходит до понимания и предсказывания того, каким образом поведут себя объекты в реальном мире. Ученые из Университета Джонса Хопкинса (Johns Hopkins University) нашли источник этой интуиции, «физический движок» мозга.
Следующие годы исследователь посвятил экспериментам. Так появились шестиногие лягушки, головастики с глазами в районе кишечника и двухголовые черви, головы у которых регенерировали наподобие хвостов у ящериц. Ученый работал на клеточном уровне: на поверхности клеток расположены особые белки, ионные каналы, которые определяют заряд клетки, и Михаил Левин, меняя этот заряд, добивался роста клеток там, где это было необходимо. Для того, чтобы вырастить новый хвост у подопытного существа, требовалось 8 дней и час непосредственной работы. Новая функциональная конечность вырастала за полгода после 24 часов работы.
Ученый планирует перейти к экспериментам с теплокровными животными. Здесь, по его словам, возникнут сложности, так как кровяное давление у теплокровных существ выше, чем, например, у рептилий, то есть появляется риск кровотечения. Кроме того, конечности у теплокровных растут медленнее, и все это время существует вероятность попадания инфекции в организм. Воспалительные процессы замедлят рост нужных клеток. Третья проблема заключается в том, что для работы биоэлектрика рана должна быть влажной и защищенной от воздействия воздуха. Для решения этого вопроса Михаил Левин и его коллеги разработали специальное покрытие из силикона, каучука и шелка, которое уже успешно испытали на лягушках.
Специалист заявил, что он уверен — уже при его жизни люди научатся выращивать конечности, которые они по каким-либо причинам потеряли. В худшем случае, рассказал он, пациент, потерявший руку в 25 лет, к 35 годам обзаведется новой рукой подросткового размера, которая при этом будет полностью функциональна. Возможно, с помощью биоэлектричества можно будет лечить и рак, поворачивая процесс перерождения раковой клетки вспять. Исследователь отметил, что в опухолях «электрическая схема» нарушена, и если ее восстановить — есть вероятность, что опухоль исчезнет. Аналогично с пороками развития плода — в будущем их тоже могут начать лечить электрическими воздействиями.
Михаил Левин подчеркнул, что сейчас биоэлектрика находится на начальных этапах развития. Он пояснил, что ситуация с биоэлектрикой подобна работе по изучению мозга — ученые знают, что воспоминания записываются в мозг, но не знают, как на них воздействовать с целью изменения. Аналогично в биоэлектрике — науке известно, что в организме существуют «электрические схемы», но какие формулы определяют их работу — пока неясно.
One morning in spring 2000, Michael Levin flopped in his chair and clicked on his desktop computer. A newly minted assistant professor at Harvard, Levin, then 30, was looking to solve a riddle that had baffled science for centuries: How do our dividing embryonic cells know on which side of our bodies to grow our hearts, our livers, our gall bladders? Countless people throughout history have been born with some, even all, of their organs transposed, and yet functioning. Levin suspected DNA alone was not to blame; there had to be some other trigger. Days earlier, he had ordered an imaging test on a half dozen chick embryos at the verge of organized development. As he pulled up the results, he stared, amazed. Electrical charges, rendered in yellows and reds, lay across the cells in patches, left to right, as clearly as a neon “This Way” arrow. Levin sat back and blinked. He was witnessing, for the first time in history, embryo cells telling each other left from right via electricity.
Как «выращивают» полноценные биологические органы человека в лабораторных условиях, смогут ли они заменить донорские, когда такие технологии станут массово доступными и для чего нужны мини-органы – в интервью директора Института молекулярной медицины Первого МГМУ им. И.М. Сеченова, профессора Андрея Замятнина.
Как «выращивают» полноценные биологические органы человека в лабораторных условиях, смогут ли они заменить донорские, когда такие технологии станут массово доступными и для чего нужны мини-органы в ликбезе от директора Института молекулярной медицины Первого МГМУ им. И.М. Сеченова, профессора Андрея Замятнина.
Андрей Замятнин. Фото: пресс-служба Первого МГМУ им. И.М. Сеченова
Андрей Александрович, действительно ли выращивание органов человека уже поставлено на поток? Какие из них вырастить легче, а с какими возникают проблемы?
— Увы, про поток говорить еще очень рано. Создание жизнеспособных человеческих органов — очень сложная биоинженерная технология. А проведение подобных процедур даже с теми органами, выращивание которых принципиально возможно и перспективно, осложнено дороговизной и трудоемкостью процесса. Наиболее проблемными в этом смысле являются печень, поджелудочная железа. Естественно, возникают проблемы с органами нервной системы, которые в силу своей специфики качественно отличаются от других органов. В этих случаях задействовано слишком много межклеточных связей, и пока не очень понятно, как эти связи можно установить с использованием биоинженерных технологий.
Что касается печени, то проблема заключается в том, что есть некие ограничения, определяющие возможности регенерации органа. Замечено, что регенерировать печень до полновесного органа можно лишь при наличии как минимум четверти ее части. До сих пор не совсем понятны механизмы таких ограничений. По мнению мирового лидера по регенеративной медицине профессора Энтони Атала из Wake Forest University, вероятно, существует некая регуляция на уровне организма, определяющая состояние органа и степень его жизнеспособности, то есть потенциал к регенерации.
На сегодняшний день наибольший успех достигнут в создании органов с наименее сложным строением (кожи, костей, хрящей), а также полых органов (мочевого пузыря, трахеи). Тем не менее, процесс создания органов не до конца изучен, в связи с чем существует ряд проблем, которые постепенно находят свое решение. Так же неизвестно (так как не изучено), насколько безопасно использование искусственных органов, и какие последствия могут возникать при их пересадке, включая побочные эффекты.
И все-таки, как скоро эти технологии станут массово доступны? Сегодня тысячи людей ждут трансплантации почки. Есть надежда, что в ближайшем будущем для этого не потребуется донорский орган, его просто вырастят?
— Надежда есть, но не стоит забывать о дороговизне технологии. Как и любой новый продукт, новая технология изначально имеет высокую стоимость, даже если не рассматривать вопросы этики. Пока же донорская почка стоит меньше, чем почка выращенная. Будем надеяться, что в скором времени технология, а значит, и выращенные по ней искуственные органы станут более доступными.
За рубежом есть единичные случаи трансплантации «выращенной» почки. Однако неизбежно возникают вопросы, находящиеся в компетенции законодательств таких стран, например, связанные с разрешениями на операции и этическими нормами. Речь идет, в первую очередь, о выборе источника исходного материала (клеток) для выращивания органов, а также о проблемах, связанных с установлением границ между экспериментом и лечением.
А в чем, если кратко, заключается суть технологии? Как вообще можно вырастить орган отдельно от самого человека?
— Любой орган состоит из внеклеточного матрикса (ВМ), выполняющего функцию каркаса соединительной ткани, который придает органу форму и плотность, а также заполняющих его определенных клеточных компонентов (в основном, фибриллярных белков и протеогликанов), специфичных для каждого типа тканей. В ходе развития организма, начиная со стадии эмбрионального периода, внеклеточный матрикс создается собственными клетками за счет обмена клеточных компонентов с внешней средой. Соответственно, биоинженерные технологии «выращивания» органов должны воспроизводить этот процесс максимально приближенным к естественному. А разработчики должны решить две основные задачи: каким образом стимулировать клетки к формированию внеклеточного матрикса, и, собственно, как сохранить жизнеспособность таких клеток в составе матрикса.
Внеклеточный матрикс может быть создан как из искусственных, так и из биологических материалов. Главное, чтобы клеточные компоненты матрикса были жизнеспособными, функциональными и при необходимости способными к модифицированию в целях разработчика. Например, используется биодеградируемый искусственный матрикс, который со временем должен рассасываться, замещаясь натуральным.
Для выращивания органов также используют стволовые клетки, способные к самообновлению и дифференциации (превращению) в специализированные типы клеток. В живом организме стволовые клетки участвуют в процессах регенерации и восстановления поврежденных органов и тканей. Наибольшее количество этих клеток содержатся в костном мозге и жировой ткани, меньше — в коже, кровеносных сосудах, мышечной ткани. Основным источником аллогенных (неродственных) стволовых клеток является пуповинная кровь новорожденных, поэтому так активно развиваются программы по созданию банков стволовых клеток пуповинной крови практически во всех странах мира.
Уже получило развитие новое направление технологий регенеративной медицины — 3D-биопринтинг (3D-bioprinting), который использует технологии трёхмерной биопечати органов из аутологичных (собственных) стволовых клеток пациента. Технология состоит в разработке трехмерной модели органа и получения групп клеток, контактирующих друг с другом с образованием трехмерной структуры. Такие группы клеток и являются печатным материалом для 3D-биопринтинга органов.
Кроме искусственных органов, необходимых для замены поврежденных, выращивают еще и мини-органы для лабораторных целей.
— Да. И это очень перспективное научное направление. В частности, мини-органы используют для тестирования лекарств (как альтернативу опытам на животных), а также в случаях, для которых не существует животных моделей (например, при заболеванниях, связанных с иммунной системой). Также такой подход мог бы помочь решить этические проблемы, связанные с негуманным отношением к животным. Например, ученые уже научились «выращивать мясо» животных, то есть, по сути, это и есть выращивание в пробирке мышц из стволовых клеток.
Что касается технологий, то для лабораторной практики четкой границы между органами и клетками практически нет. Различные клетки (модельные клеточные линии) используются уже десятки лет, а сейчас на их основе начинают «собирать» органоподобные модели.
А есть своя специфика в случаях, когда органы выращивают для трансплантации человеку, и когда их создают для опытов?
— И в том и в другом случае преследуется главная цель — добиться максимальной идентичности. Если эта цель не будет достигнута, то в случае трансплантации выращенный орган будет отторгаться организмом. В случае же использования органа в экспериментальных целях будет невозможно оценить достоверность полученных результатов, а значит, и экстраполировать выявленные эффекты на организм человека.
Андрей Замятнин является также руководителем Стратегической академической единицы (САЕ) «Мультидисциплинарный центр клинических и медицинских исследований», занимающейся помимо подготовки высококвалифицированных кадров, разработкой биомедицинских продуктов. Центр помимо Института молекулярной медицины включает в себя Институт регенеративной медицины (директор Бутнару Д.В.) и Институт фармации и трансляционной медицины (директор Тарасов В.В.).
Читайте также: