Інженери людських тіл: Органи на виріст

Перші клінічні експерименти з пересадки штучних органів і тканин вже проведені. Тканинна інженерія дозволить вирішити багато проблем трансплантології.

До «листів очікування» трансплантологів у розвинених країнах світу включено десятки тисяч безнадійних хворих. Сотням тисяч пересадка органів або їх частин необхідна для поліпшення здоров'я і якості життя - наприклад, щоб змінити інвалідний візок на тростину. Відповідного донора встигає дочекатися в кращому випадку кожен десятий. І навіть після вдалої операції решту років пацієнту доведеться боротися з реакцією «трансплантат проти господаря» і приймати препарати, що переважають імунну систему: ідеальним донором може бути тільки однояйцовий близнюк... або сам хворий.

Скажіть «чі-і-з»

У 1996 році 48-річний житель Гамбурга захворів саркомою нижньої щелепи, після чого 8 років жив без підборіддя. Хто на його місці відмовився б від участі в клінічному експерименті?

У 2004 році лікарі відділу щелепно-лицьової хірургії Кільського університету під керівництвом Патріка Варнке провели комп'ютерне моделювання майбутнього 7-см протеза, зробили модель з тефлона, обтягнули її сітчастим титановим каркасом, видалили модель, а каркас заповнили сумішшю з натуральних гранул мінеральної основи бичачої кістки, бичачого колагену, білкових факторів росту і мозкового мозку.

Заготівлю імплантували під найширший м'яз спини пацієнта і підвели до неї м'язово-судинний пучок, з якого в тканину майбутньої кістки проросли кровоносні судини. Переклад уривку статті з журналу Lancet прочитайте в неадаптованому вигляді - щоб глибше відчути велич отриманого результату: "Через 7 тижнів, після рентгенологічного контролю, була виконана реімплантація біокомпозитного комплексу в область кісткового дефекту нижньої щелепи на судинній ніжці, яка була допущена з сонною артерією і веною. Фіксація трансплантату виконувалася титановими гвинтами, краї гілок нижньої щелепи кюретувалися для кращого приживлення. Стан трансплантату контролювався тривимірною комп'ютерною томографією і гамма-сцинтиграфією з технецією-99, які показали достатню мінералізацію і васкуляризацію. Основними технічними проблемами були рубцеві тканини, що утворилися після радіотерапії. Через 4 тижні після імплантації пацієнт зміг вперше за останні 9 років жувати і вживати м'яку їжу, а також був задоволений косметичним результатом ".

Можливо, зараз пацієнт задоволений ще більше - лікарі обіцяли, що через рік після операції, коли протез щелепи остаточно зміцніє, до нього можна буде підігнати зубні протези.

Форма і зміст

Ідеальною сировиною для виготовлення органів можуть стати індивідуальні ембріональні стовбурові клітини, отримані за допомогою терапевтичного клонування. В основі технології лежить «метод Доллі»: ядро людської яйцеклітини замінюють ядром клітини пацієнта і електричним розрядом стимулюють початок ділення. Через 10 − 15 днів бластоцисту - ще навіть не зародок, а кулька з декількох сотень клітин - руйнують і вирощують в культурі її клітини, здатні перетворитися на будь-яку тканину, яка не буде відторгатися організмом.

Колаген - основний білок сполучної тканини - у всіх тварин має однаковий склад і не викликає реакції відторгнення. Позаклітинний матрикс відповідного органу був би оптимальною основою для вирощування органів зі складною формою, що складаються з різних тканин, але очистити від клітин цілу свинячу нирку або теляче легеню, не зруйнувавши найтоншу павутину з колагену та інших білків, - завдання дуже складне. Неткані губчасті матриці роблять з біоруйніваних полімерів молочної і гликолевої кислот (вони давно застосовуються в медицині у вигляді шовного матеріалу або гвинтів для фіксації кісткових відломків), півілактону і багатьох інших речовин. Зокрема, одні з найбільш вивчених в даний час полімерів - це моноангідриди poly- [trimellitylimidoglycine-co-bis (carboxy-phenoxy) -hexane] і poly- [pyromellitylimidoalanine-co-1,6-bis (carbophenoxy) -hexane]. Великі перспективи і у гелрідних матриць - у них, крім поживних речовин, можна вводити фактори росту та інші індуктори диференціювання клітин у вигляді тривимірної мозаїки, відповідної структурі майбутнього органу, а коли цей орган сформується і зміцніє, гель безслідно розсмокчеться.

При вирощуванні тканин і органів важливо забезпечити їх кровопостачання - і для ділення клітин, і для кращого приживлення в організмі протеза або графта (заплатки з тканини). Тривимірні форми для виготовлення майбутньої мережі капілярів роблять за техно-логією мікроелектромеханічних систем (MEMS) у формі з окису кремнію, а найкращий матеріал для системи мікротрубок - полімер себацинату гліцерину.

Влітку 2005 року вчені лабораторії професора Роберта Лангера з MIT за допомогою такої матриці виростили в біореакторі м'язову тканину з готовою кровоносною системою. Правда, розмір отриманих зразків тканини був всього 5х5х1 мм, але дослідників найбільше радує те, що розроблена ними методика годиться не тільки для вирощування скелетних м'язів, але і для створення інших складних тканин. У цих дослідах ембріональні стовбурові клітини людини індукували до диференціювання в міобласти - клітини, з яких формується м'язова тканина, а також у клітини ендотелію (внутрішнього шару кровоносних судин) і фібробласти, здатні утворювати клітини сполучної тканини і гладкої мускулатури стінки судин. Проростаючи вздовж мікротрубок матриці, ендотеліальні клітини сформували русла капілярів, увійшли в контакт з фібробластами і змусили їх переродитися в гладку мускулатуру. Перероджені фібробласти виділили фактор зростання судинного ендотелію, який сприяв подальшому розвитку кровоносних судин. При пересадці мишам і щурам (генетично модифікованим, організм яких не здатний відторгати чужі тканини) такі м'язи приживалися набагато краще, ніж ділянки тканини, що складаються з одних м'язових волокон.

А найкращий біореактор для вирощування тканеінженерних конструкцій - сам пацієнт. У штучному середовищі за рахунок дифузії можна «прогодувати» шар тканини не товщою часткою міліметра, а в більш глибоких шарах клітини гинуть або розвиваються не в ті типи тканин, в які повинні диференціюватися під впливом створених в біореакторі умов. В області тіла з хорошим кровопостачанням зростання кровоносних судин випереджає зростання інших тканин, забезпечує їх киснем і поживними речовинами і видаляє продукти метаболізму. Матрицю майбутнього органу або графта можна вживляти безпосередньо на місце, але частіше її спочатку «пророщують» в підшкірно-жировій клітковині, в черевній порожнині або в товщі м'язів, а після «дозрівання» пересаджують на місце звичайними, відпрацьованими в пластичній хірургії методами. Правда, поки все це робиться в основному на тваринах.

Зроблено зі стовбурових клітин

В дослідах на тварин тканинні інженери зробили стільки, що всього і не перерахувати. Наприклад, фахівці з американської компанії Advanced Cell Technology і Гарвардської медичної школи в 2003 році методом терапевтичного клонування отримали ембріональні стовбурові клітини корови, виростили з них на біоруйнівному каркасі кілька 5-см нирок і імплантували їх корові - донору ядра - поруч з основними органами. Штучні нирки виробляли сечу не гірше, ніж справжні. Ще в 2002 році вчені Токійського університету виростили очне яблуко з недифференційованих ембріональних клітин жаби, вживили його пуголовку замість віддаленого ока і показали, що нове око повністю інтегрувалося в нервову систему і здатне передавати нервові імпульси. Тут до практичного застосування в медицині ще далі, ніж у випадку з нирками, але повідомлень про вдалі клінічні (тобто на людях) експерименти з пересадки тканин і простих по будові органів стає з кожним місяцем все більше.

Ближче всіх до вирощування зубів підійшли медики з Лондонського королівського коледжу. У 2004 році вони приступили до клінічних випробувань методики, за якою зі стовбурових клітин кісткового мозку вирощують такий же, як у ембріона, зубний зачаток і вживляють його в десну. За два місяці новий зуб пустить коріння і проріжеться. За розрахунками, випробування займуть близько двох років - можливо, перші результати вже отримані.

Пластика молочних залоз - це проблема не стільки секс-бомб і поп-зірок, скільки сотень тисяч жінок, які щорічно піддаються мастектомії. Можливо, скоро на зміну небезпечним і в багатьох країнах забороненим силіконовим протезам прийдуть натуральні. Клінічні випробування нового методу зміни форми і розміру грудних залоз у 2004 році почали фахівці з пластичної хірургії з Токійського університету. За допомогою ліпосакції вони отримують з жирової тканини пацієнтки жирові клітини і преадіпоцити - стовбурові клітини, здатні диференціюватися, зокрема, в клітини кровоносних судин, і вводять їх суміш у молочні залози.

Сечових бульбашок у США видаляють майже 60 000 на рік. Це одна з тих ситуацій, коли життєвих свідчень для пересадки немає - але уявіть собі якість життя таких пацієнтів. Клінічні випробування методу вирощування біоскусницьких сечових бульбашок прямо в організмі пацієнта ведуться, зокрема, в дитячій лікарні Гарвардської медичної школи (Бостон, США). Там роблять двошарові «сендвічі»: на колагенову матрицю з сечового міхура або тонкої кишки тварин зовні наносять гладкі міоцити або міофібробласти, а зсередини - клітини уротелію (внутрішнього епітелію, характерного для сечостатевої системи). Їхні шведські колеги з Каролінської лікарні в Стокгольмі вирощують тришарові сечові міхури в біореакторі і без матриці: на сферичну форму наносять шар міоцитів, через тиждень - фібробластів, а потім - епітеліальний шар. Через місяць сечовий міхур - майже як справжній - готовий до пересадки.