Химические материалы для создания искусственных органов. Искусственные органы: человек умеет все. Успехи регенеративной медицины

Содержание

Химические материалы для создания искусственных органов. Создание искусственных органов. Создание искусственных органов и тканей

Химические материалы для создания искусственных органов. Искусственные органы: человек умеет все. Успехи регенеративной медицины

21/06/2017

Искусственное выращивание органов может спасти миллионы человеческих жизней. Регулярно поступающие новости из сферы регенеративной медицины звучат обнадеживающе и многообещающе. Кажется, что уже не за горами тот день, когда биоинженерные ткани и органы будут так же доступны, как запчасти к автомобилям

Успехи регенеративной медицины

Методы терапии с использованием клеточных технологий уже многие годы успешно применяют во врачебной практике. Созданы и успешно используются искусственные органы и ткани, полученные с помощью методов клеточной терапии и тканевой инженерии.

К практическим достижениям в области регенеративной биомедицины относится выращивание хрящевых тканей, мочевого пузыря, уретры, сердечных клапанов, трахеи, роговицы и кожи.

Удалось вырастить искусственный зуб, пока только в организме крысы, но стоматологам стоит задуматься о кардинально новых подходах. Была разработана технология восстановления гортани после операции по ее удалению и уже выполнено много таких операций.

Известны случаи успешной имплантации трахеи, выращенной на донорской матрице из клеток пациента. В течение многих лет осуществляют трансплантацию искусственной роговицы.

Уже налажено серийное производство биопринтеров, которые слой за слоем печатают живые ткани и органы заданной трехмерной формы

Самыми простыми для выращивания оказались хрящевая ткань и кожа. В деле выращивания костей и хрящей на матрицах достигнут большой прогресс. Следующий уровень по сложности занимают кровеносные сосуды. На третьем уровне оказались мочевой пузырь и матка. Но эта ступень уже пройдена в 2000–2005 гг.

, после успешного завершения ряда операций по трансплантации искусственного мочевого пузыря и уретры.

Тканевые имплантаты вагины, выращенные в лаборатории из мышечных и эпителиальных клеток пациенток, не только успешно прижились, сформировав нервы и сосуды, но и нормально функционируют уже около 10 лет.

Самыми сложными органами для биомедицины остаются сердце и почки, которые имеют сложную иннервацию и систему кровеносных сосудов.

До выращивания целой искусственной печени еще далеко, однако фрагменты ткани печени человека уже получены с помощью метода выращивания на матрице из биоразлагаемых полимеров.

И хотя успехи очевидны, замена таких жизненно важных органов, как сердце или печень, их выращенными аналогами – все-таки дело будущего, хотя, возможно, и не очень далекого.

Матрицы для органов

Нетканые губчатые матрицы для органов делают из биоразрушаемых полимеров молочной и гликолевой кислот, полилактона и многих других веществ.

Большие перспективы и у гелеобразных матриц, в которые, кроме питательных веществ, можно вводить факторы роста и другие индукторы дифференцировки клеток в виде трехмерной мозаики, соответствующей структуре будущего органа.

А когда этот орган сформируется, гель бесследно рассасывается. Для создания каркаса также используют полидиметилсилоксан, который можно заселить клетками любой ткани.

Базовая технология выращивания органов, или тканевая инженерия, заключается в использовании эмбриональных стволовых клеток для получения специализированных тканей

Следующий шаг – это выстилание внутренней поверхности полимера незрелыми клетками, которые затем образуют стенки кровеносных сосудов. Далее другие клетки желаемой ткани по мере размножения будут замещать биоразлагаемую матрицу.

Перспективным считается использование донорского каркаса, определяющего форму и структуру органа. В экспериментах сердце крысы помещали в специальный раствор, с помощью которого удаляли клетки мышечной сердечной ткани, оставив другие ткани нетронутыми.

Очищенный каркас засеивали новыми клетками сердечной мышцы и помещали 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.

С помощью этого же метода на донорском каркасе была выращена новая печень, которую затем пересадили в организм крысы.

Базовая технология выращивания органов

Пожалуй, нет ни одной биологической ткани, к попыткам синтезирования которой не приступила бы современная наука.

Базовая технология выращивания органов, или тканевая инженерия, заключается в использовании эмбриональных стволовых клеток для получения специализированных тканей.

Эти клетки затем помещают внутрь структуры соединительной межклеточной ткани, состоящей преимущественно из белка коллагена.

Матрицу из коллагена можно получить путем очистки от клеток донорской биологической ткани или создать ее искусственным путем из биоразрушаемых полимеров либо специальной керамики, если речь идет о костях.

В матрицу помимо клеток вводят питательные вещества и факторы роста, после чего клетки формируют целый орган или его фрагмент. В биореакторе удалось вырастить мышечную ткань с готовой кровеносной системой.

Самыми сложными органами для биомедицины остаются сердце и почки, которые имеют сложную иннервацию и систему кровеносных сосудов

Эмбриональные стволовые клетки человека индуцировали к дифференцировке в миобласты, фибробласты и клетки эндотелия.

Прорастая вдоль микротрубочек матрицы, эндотелиальные клетки сформировали русла капилляров, вошли в контакт с фибробластами и заставили их переродиться в гладкомышечную ткань.

Фибробласты выделили фактор роста сосудистого эндотелия, который способствовал дальнейшему развитию кровеносных сосудов. При пересадке мышам и крысам такие мышцы приживались намного лучше, чем участки ткани, состоящие из одних мышечных волокон.

Органоиды

Используя трехмерные клеточные культуры, удалось создать простую, но вполне функциональную печень человека.

В совместной культуре эндотелиальных и мезенхимальных клеток при достижении определенного соотношения начинается их самоорганизация и образуются трехмерные шарообразные структуры, представляющие собой зачаток печени.

Через 48 ч после трансплантации этих фрагментов в организм мышей устанавливаются связи с кровеносными сосудами и внедренные части способны выполнять характерные для печени функции. Проведены успешные эксперименты по имплантации крысе легкого, выращенного на очищенной от клеток донорской матрице.

Воздействуя на сигнальные пути индуцированных плюрипотентных стволовых клеток, удалось получить органоиды легких человека, состоящие из эпителиальных и мезенхимальных компартментов со структурными особенностями, характерными для легочных тканей. Биоинженерные зародыши подчелюстных слюнных желез, сконструированные in vitro, после трансплантации способны развиваться в зрелую железу путем формирования гроздьевидных отростков с мышечным эпителием и иннервацией.

Разработаны 3D-органоиды глазного яблока и сетчатки глаза с фоторецепторными клетками: палочками и колбочками.

Из недифференцированных эмбриональных клеток лягушки вырастили глазное яблоко и вживили его в глазную полость головастика.

Через неделю после операции симптомы отторжения отсутствовали, и анализ показал, что новый глаз полностью интегрировался в нервную систему и способен передавать нервные импульсы.

А в 2000 г. опубликованы данные о создании глазных яблок, выращенных из недифференцированных эмбриональных клеток.

Выращивание нервной ткани наиболее сложно из-за многообразия типов составляющих ее клеток и их сложной пространственной организации.

Однако на сегодня существует успешный опыт выращивания аденогипофиза мыши из скопления стволовых клеток. Создана трехмерная культура органоидов клеток головного мозга, полученных из плюрипотентных стволовых клеток.

Напечатанные органы

Уже налажено серийное производство биопринтеров, которые слой за слоем печатают живые ткани и органы заданной трехмерной формы. Принтер способен с высокой скоростью наносить живые клетки на любую подходящую подложку, в качестве которой используют термообратимый гель.

При температуре ниже 20 °С он представляет собой жидкость, а при нагреве выше 32 °С затвердевает. Причем печать осуществляется «из материала заказчика», то есть из растворов живых клеточных культур, выращенных из клеток пациента. Клетки, напыляемые принтером, через некоторое время сами срастаются.

Тончайшие слои геля придают конструкции прочность, а затем гель можно легко удалить с помощью воды. Однако чтобы таким способом можно было сформировать функционирующий орган, содержащий клетки нескольких типов, необходимо преодолеть ряд сложностей. Механизм контроля, за счет которого делящиеся клетки формируют правильные структуры, еще не понятен до конца.

Однако представляется, что несмотря на сложность этих задач, они все же решаемы и у нас есть все основания верить в стремительное развитие медицины нового типа.

Биобезопасность применения плюрипотентных клеток

От регенеративной медицины ждут очень многого и вместе с тем развитие этого направления порождает множество морально-этических, медицинских и нормативно-правовых вопросов. Очень важной проблемой является биобезопасность применения плюрипотентных стволовых клеток.

Уже научились перепрограммировать клетки крови и кожи c помощью факторов транскрипции в индуцированные стволовые плюрипотентные клетки. Полученные культуры стволовых клеток пациента в дальнейшем могут развиваться в нейроны, ткани кожных покровов, клетки крови и печени.

Следует помнить, что во взрослом здоровом организме плюрипотентных клеток нет, но они могут спонтанно возникать при саркоме и тератокарциноме. Соответственно, если ввести в организм плюрипотентные клетки или клетки с индуцированной плюрипотентностью, то они могут спровоцировать развитие злокачественных опухолей.

Поэтому необходима полная уверенность в том, что в трансплантируемом пациенту биоматериале таких клеток не содержится. Сейчас разрабатываются технологии, позволяющие прямо получить клетки тканей определенного типа, минуя состояние плюрипотентности.

В XXI в. с развитием новых технологий медицина обязана перейти на качественно новый уровень, который позволит своевременно «отремонтировать» организм, пораженный тяжелой болезнью или возрастными изменениями.

Хочется верить, что совсем скоро выращивать органы прямо в операционной из клеток пациента будет так же просто, как цветы в оранжереях.

Надежду подкрепляет то, что технологии выращивания тканей уже работают в медицине и спасают жизни людей.

Типы тканей

Эпителиальная ткань

Эпителиальная (покровная) ткань, или эпителий, представляет собой пограничный слой клеток, который выстилает покровы тела, слизистые оболочки всех внутренних органов и полостей, а также составляет основу многих желез.

Эпителий отделяет организм (внутреннюю среду) от внешней среды, но одновременно служит посредником при взаимодействии организма с окружающей средой.

Клетки эпителия плотно соединены друг с другом и образуют механический барьер, препятствующий проникновению микроорганизмов и чужеродных веществ внутрь организма.

Клетки эпителиальной ткани живут непродолжительное время и быстро заменяются новыми (этот процесс именуется регенерацией).

Эпителиальная ткань участвует и во многих других функциях: секреции (железы внешней и внутренней секреции), всасывании (кишечный эпителий), газообмене (эпителий легких).

Главной особенностью Эпителия является то, что он состоит из непрерывного слоя плотно прилегающих клеток.

Эпителий может быть в виде пласта из клеток, выстилающих все поверхности организма, и в виде крупных скоплений клеток – желез: печень, поджелудочная, щитовидная, слюнные железы и др.

В первом случае он лежит на базальной мембране, которая отделяет эпителий от подлежащей соединительной ткани. Однако существуют исключения: эпителиальные клетки в лимфатической ткани чередуются с элементами соединительной ткани, такой эпителий называется атипическим.

Эпителиальные клетки, располагающиеся пластом, могут лежать во много слоев (многослойный эпителий) или в один слой (однослойный эпителий). По высоте клеток различают эпителии плоский, кубический, призматический, цилиндрический.

Соединительная ткань

Источник: https://www.womanizers.ru/himicheskie-materialy-dlya-sozdaniya-iskusstvennyh-organov-sozdanie-iskusstvennyh-organov-sozdanie-is/

Около медицины: искусственные органы уже близко

Химические материалы для создания искусственных органов. Искусственные органы: человек умеет все. Успехи регенеративной медицины

В прошлом году создали эмбрион — помесь свиньи и человека, в этом году — поместили человеческие клетки в эмбрион овцы. Стволовые клетки перепрограммируют в разные другие, делают из кожи сетчатку глаза, мышцы и вообще что угодно, выращивают модели органов на крохотных чипах — зачем все это нужно? Какую пользу такие исследования могут принести обычному пациенту?

Будущее трансплантации

Польза на самом деле огромная. Никто из нас не застрахован от болезней и травм, результатом которых может стать отказ того или иного органа. Люди не саламандры и не черви и даже хвост-то себе отрастить не способны, не говоря уже о новой голове.

Рыбки данио-рерио могут восстановиться после травм сердца, а мы — не они, наша регенерация, увы, заставляет желать лучшего, поэтому для сотен тысяч человек единственный способ сейчас получить работающие сердце, легкие или печень — это пересадка органа от донора.

Реципиентов — сотни тысяч. Доноров — намного меньше, подходящих конкретному человеку — критически мало.

Если в случае с почкой донор может быть живым (и, скажем, родственником, таких случаев полно), то с сердцем, например, такого уже не получится.

Сотни человек ежедневно умирают только потому, что нужного донора не успели найти. Именно поэтому исследования в области выращивания искусственных органов критически важны.

При чем тут эмбрионы животных?

До выращивания новых органов прямо внутри пациентов науке еще очень и очень далеко, а вот модификация эмбрионов животных уже доступна. Первые живые химеры (так называют организмы, в которых сосуществует генетический материал из разных зигот, а зигота — это то, что получается после встречи половых клеток) показали, что в теле животного вполне могут расти человеческие клетки.

У эмбрионов свиней начали формироваться органы, в том числе сердце и печень. Получается, что при точной настройке вырастить человеческий орган внутри животного реально не только теоретически, но и практически, а теперь выяснилось, что и с овцами такое тоже может получиться. Таким образом, искусственные органы — это вопрос времени.

Правда, довольно отдаленного, потому что пока еще специалисты не разобрались, как дирижировать этим клеточным оркестром, да и этические вопросы, возникающие в процессе таких модификаций, довольно сложны. Специалистам приходится думать не только собственно об органах, но и о том, как удержаться на грани и не сделать свинью или овцу слишком человеком.

Разумеется, это не будет гибрид типа Минотавра (такого просто никто не будет выращивать, дураков нет, а если есть — им быстро настучат по рогам), но сейчас концентрация человеческих клеток в эмбрионах (которых, разумеется, после исследования уничтожили как раз во избежание эксцессов) — одна на 10 тысяч, а надо — 1 на 100 или, может быть, даже больше. В общем, непонятно пока, как настроить тонкую механику, но уже ясно, что это в принципе возможно.

Нынешние биотехнологии позволяют очень многое. Известно, например, что одни специалисты создали потенциально полезную для искусственных органов систему сосудов, «обесклетив» лист шпината. Все растительные клетки вычистили, а оставшуюся основу населили человеческими.

Другие исследователи сделали материал, из которого в будущем возможно будет делать, например, заплатки для сердца после инфаркта: искусственная ткань и сокращаться может, и электричество проводит. Здесь уже, наверное, ничего объяснять не надо — и так понятно, зачем нужна такая заплатка.

Новые лекарства

Впрочем, не единой трансплантацией будет жив человек. У искусственных органов или даже их мини-версий — полностью функциональных уменьшенных копий — есть и другая важнейшая функция. На них можно проверять действие новых препаратов и моделировать процесс течения заболеваний, не привлекая к исследованиям людей.

Работа в этом направлении ведется колоссальная — например, из крысиных сердец уже умеют делать уменьшенные модели человеческих, очищая их от животных клеток и заселяя, соответственно, клетками Homo sapiens, создавали мини-желудки, мини-легкие, мини-почки и даже модель женской репродуктивной системы, которую после определенной доработки потенциально можно использовать для персонифицированной медицины — заселять ее клетками конкретной пациентки и смотреть, как будут у нее работать лекарства.

Все это звучит довольно футуристично, но вспомните — всего лет 30 назад нельзя было и помыслить о смартфонах и мощных компьютерах, а сейчас? В начале прошлого века не было антибиотиков — сейчас их множество видов. Да что там говорить, люди уже и на пересадку головы замахнулись — правда, пока безуспешно, но раньше это даже представить нельзя было. Так что будущее уже наступает — сегодня.

Ксения Якушина

Фото istockphoto.com

Источник: https://apteka.ru/info/articles/novosti-zdorovya/iskusstvennye-organy/

Искусственные органы и ткани: когда мы сможем купить запчасти для собственного тела

Химические материалы для создания искусственных органов. Искусственные органы: человек умеет все. Успехи регенеративной медицины

Существует два подхода к замене органов. Первый — протезы и технические устройства вообще.

В этой статье мы не будем затрагивать этот способ из-за его очевидных недостатков: любой искусственный элемент со временем изнашивается, и его вряд ли можно починить где-либо еще, кроме как в месте его установки, да и специалистов по биомедицинской технике не так много.

Второй — выращивание органов и тканей. Этот подход гораздо удобнее: клетки способны к регенерации, да и «починить» свои запчасти можно у любого врача. Это и называется медициной.

Долгое время такие идеи были прерогативой писателей-фантастов и встречались лишь в мифах — например, согласно Махабхарате (привет, РЕН ТВ!) дети царя Дхритараштры были выращены в «биореакторах» из бесформенных кусков плоти.

Но всё начало меняться в первой половине ХХ века. В это время активно работал ученый-биолог Алексис Каррель, личность крайне интересная: любитель евгеники, лауреат Нобелевской премии по физиологии и медицине 1912 года, член фашистской партии Франции (PPF) и иностранный член-корреспондент АН СССР.

Он первым доказал, что можно долгое время поддерживать жизнедеятельность изолированных клеток и тканей вне организма человека.

Посмертную оценку его работы провел американский ученый Ян Витковский, который в своей статье «Бессмертные клетки доктора Карреля» изложил почти детективную историю о началах регенеративной медицины и клеточном старении вообще.

В 1970–1980-х годах в исследованиях стволовых клеток произошел бум. Теории о неких «клетках-прародителях», из которых развивается всё разнообразие тканей организма, появлялись в научной среде еще с XIX века, однако экспериментальное подтверждение появилось только в 1963 году для мышей и в 1978 году для людей.

Одновременно с этим ученый-цитолог Джуда Фолкман открыл механизмы клеточной дифференцировки — это процесс, во время которого неспециализированные стволовые клетки специализируются и могут превратиться в клетку любой ткани. Фолкман обнаружил, что для этого необходимы химические сигнальные факторы.

Именно тогда появились первые проекты так называемых матриксов для изучения роста клеток не на плоском дне культурального флакона, а в объемной трехмерной среде.

Наши ткани состоят не столько из клеток, прижатых вплотную друг к дружке, сколько из того самого внеклеточного матрикса — будь то коллагеновые волокна или апатитная губка, как, например, в костях.

Чтобы вырастить на его основе какую-либо ткань или орган, нужно максимально бережно этот матрикс обесклеточить — обработать его серией растворов, содержащих додецилсульфат натрия (SDS).

По сути, мы должны промыть кусок ткани с помощью «клеточного „Фейри“» (и это не шутка, SDS входит в состав большинства моющих средств), при этом жировые мембраны клеток растворяются, а поддерживающий их внеклеточный каркас остается нетронутым.

Дело в том, что даже при удалении клеток мы оставляем белковые гормоны (то есть факторы роста, факторы дифференцировки), которые успели осесть на коллагеновом каркасе, нетронутыми.

Поэтому выделенная из организма пациента стволовая клетка, попадая в этот матрикс, сразу «понимает», во что ей дальше превращаться: «Так, я в коллагеновой среде, а вокруг меня много молекул VEGF (фактора роста внутренней поверхности сосудов), значит, я должна превратиться в стенку сосуда».

Подробнее о том, как клетки дифференцируются на матриксе из обесклеточенных органов, можно узнать из презентации SENS Foundation:

Эта конференция состоялась еще в 2011 году. Сейчас группа Шая Сокера (докладчика на видео) занимается биосенсорами и платформами скрининга лекарственных веществ на искусственных органах и тканях.

Справедливости ради нужно отметить, что иногда клетки сажают и на биосовместимый полимер. Одним из первых успешных опытов было создание новой легочной артерии: ученые взяли кусок периферической вены и выделили из него клетки, которые могут стать стенкой сосуда.

Эти клетки были «засеяны» на полимерную трубку, которую после небольшого периода культивирования вживили на место пораженной артерии.

Трубка-матрикс была сделана из материала, который постепенно растворялся в организме, а полимер заменялся на коллаген по мере дальнейшего роста клеток и регенерации сосуда.

В этом эксперименте всё прошло более или менее успешно, однако нужно делать скидку на то, что пациенту было всего 4 года — у молодого организма все-таки гораздо больший потенциал к регенерации, чем у старого.

В случаях с более объемными органами на помощь приходит техника обесклеточивания (децеллюляризации). Здесь и всплывает имя скандально известного хирурга Паоло Маккиарини.

Он первым пересадил человеку донорскую трахею, взятую из трупного материала, но пациентка умерла после операции. Есть мнение, что всему виной был обычный бактериальный сепсис, который закончился фатально.

Маккиарини провел несколько таких экспериментальных операций, часть из которых прошла без серьезных осложнений, хотя некоторые коллеги называли его деятельность этическим Чернобылем.

Для большинства пациентов искусственная трахея была единственным способом продлить жизнь. При этом они страдали множеством сопутствующих заболеваний, которые сами по себе могли стать фактором, ухудшившим их состояние после трансплантации.

Кроме того, одной из претензий этических комитетов к Маккиарини было то, что при каждой операции он применял новую экспериментальную методику: якобы смена способов и материалов для трахеи свидетельствовала о том, что хирург не знал, что делает.

Комиссия в своем отчете заявила, что использовать непроверенные методики даже тогда, когда человек мог умереть с высокой степенью вероятности и при любом другом лечении, недопустимо.

Тем не менее при пересадке органов и тканей, полученных при помощи обесклеточивания, небольшие воспаления — нормальное явление. Каждый день в нашем организме образуется множество потенциально раковых и сенесцентных (старых) клеток, которые могут либо начать бесконтрольно делиться, либо выделять малоизученные пока «факторы старения».

Наши иммунные клетки, циркулируя по кровеносным сосудам, каждый день эффективно находят и убивают эти клетки. Но если ткани выращиваются «в биореакторе», такой отбраковки не происходит, и, когда новый орган подключается к кровеносной системе, иммунные клетки буквально сходят с ума от обилия «некачественных» клеток в пересаженных тканях.

К счастью, модели тканей и органов, выращенные на коллагеновом каркасе из донорского материала, можно успешно использовать в доклинических испытаниях лекарственных веществ. Теоретически это даже может дать более точные результаты, чем испытание на клеточной монокультуре.

Что же касается прикладных успехов биотрансплантации, то стоит начать с козырей — бьющегося мышиного сердца. Его вырастили с помощью обесклеточивания с последующим засевом стволовыми клетками:

Конечно, оно пока не способно эффективно качать кровь и сокращается не очень ритмично, но сам принцип выращивания в пробирке сложных органов, состоящих из нескольких типов тканей, уже работает.

В чем же подвох? Почему бы просто не пересадить сердце от здорового донора? Дело в том, что тканевую несовместимость еще никто не отменял: провести всю оставшуюся жизнь на иммуносупрессивных препаратах для профилактики отторжения — так себе вариант.

Более того, препараты, угнетающие иммунитет, делают больного более восприимчивым к инфекциям, которые здоровому человеку не страшны, и уязвимым перед условно-патогенными микроорганизмами.

Если пациент не в критическом состоянии и у него есть еще минимум месяц жизни, то новая технология выращивания органов не только спасет его, но и полностью уберет риск осложнений — ведь для этой процедуры подойдет сердце практически любого донора.

Причем этот вариант устроит не только клиницистов (поддерживать «жизнь» донора со смертью мозга непросто), но и биоэтиков: орган можно взять у донора, уже направляющегося в морг, без введения дополнительных шатких критериев биологической смерти.

В начале статьи мы упоминали механические протезы и их недостатки. Если откажет, например, искусственный клапан сердца, пациенту смогут помочь только в узкоспециализированной клинике — в медицинской литературе описано много случаев заедания створок механического клапана. А вот донорский или искусственно выращенный орган больного сможет спасти любой квалифицированный врач.

А вот большая часть разработок, которые уже используются, пока имеет лишь статус экспериментального лечения.

Еще с 1990-х годов в комбустиологии (раздел медицины, занимающийся изучением ожоговых травм) известна методика «кожного спрея»: врач берет кусочек кожи, растворяет его до однородной клеточной суспензии, а потом наносит ее на пораженные поверхности. Сейчас ее используют в западных странах.

Существует также технология «ксенокожи»: новые кожные покровы выращиваются на матриксе из кожи мутантных свиней, у которых отсутствует галактозилтрансфераза — фермент, провоцирующий иммунный ответ у человека. Существует также несколько других коммерчески доступных методик производства кожи из клеток пациента: Epicel (EPIBASE, EpiDex), MySkin, Laserskin (Vivo-derm), Bioseed-S и CellSpray.

Сейчас проходят клинические испытания новые способы лечения небольших структурных дефектов внутренних органов с помощью стволовых клеток. Уже коммерчески доступны ECM-материалы на основе обесклеточенных матриксов мочевых пузырей свиней.

А вот с сердцем, легкими, почками и другими востребованным органами пока что не очень, увы.

Большая часть современных разработок в области регенеративной медицины пока что находится лишь на стадии клинических испытаний.

И к большому сожалению, если кому-то необходима такая помощь, остается лишь постоянно мониторить сайты крупных западных медцентров, специализирующихся на такого рода вещах.

Источник: https://knife.media/body-maintenance/

Регенеративные и замещающие технологии в медицине и биологии

Химические материалы для создания искусственных органов. Искусственные органы: человек умеет все. Успехи регенеративной медицины

Регенеративная медицина создана на стыке биологии, медицины и генной инженерии. Она способна коренным образом продлить жизнь человеку путём регенерации функций органов и тканей при использовании методов терапевтического клонирования, 3D-биопринтинга и клеточной терапии.


Клеточные технологии главным образом нацелены на восстановление тканей, терапию онкологии, регенерацию поврежденных органов и тканей, терапию генетических и наследственных заболеваний.

Главными инструментами являются манипуляции со стволовыми клетками и клетками-предшественниками, которые могут превращаться в специализированные клетки с разными функциями, редактирование и перепрограммирование клеток, применение гормонов, секреторных клеток и др. 

Из стволовых клеток уже получены ткани печени, мышц, роговицы глаза, сердца и других органов. Наиболее значимым стало перепрограммирование соматических клеток человека в плюрипотентные эмбриональные стволовые клетки.

Очень перспективны исследования с мультипотентными мезенхимальными стромальными клетками (ММСК), которые находятся практически во всех тканях организма.

Кроме того, ученые ведут исследования по созданию биомедицинских клеточных продуктов на основе стволовых клеток, например, вакцины из генно-модифицированных стволовых клеток.

Интерес представляют мультипотентные мезенхимальные стволовые клетки (ММСК), получаемые из жировой, костной и хрящевой тканей.

Одна из важных работ последних лет в клеточной терапии – выращивания костных тканей человека из стволовых клеток.
Появляются и новые технологии например, митохондриальные технологии, которые могут влиять на регенерацию тканей. 

Стоит отметить Т-клеточную терапия CAR, которая показала большие перспективы для лечения некоторых видов рака. Она включает забор Т-клеток у пациента, их генетическое перепрограммирование in-vitro и обратное введение пациенту. Но перепрограммированные Т-клетки не всегда хорошо функционируют или могут не выжить, лечение стоит дорого, потому что оно адаптировано для каждого пациента.

Но технологии постоянно развиваются. Так ученые из Гарвардского университета предлагают новую и более эффективную процедуру – редактирование стволовых клеток прямо в организме. Этот метод позволит разработать более надежные виды терапии и новые лекарства против различных генетических заболеваний.

Некоторые последние достижения в области клеточных технологий:

Ученые создали ткань мозга человека в лаборатории.
Впервые человеческие ткани пищевода выращены в лаборатории.  Клеточная терапия восстанавливает тяжелые переломы костей
Ученые вырастили сетчатку человеческого глаза в пробирке.
Плазма молодой крови восстанавливает стареющую печень.

Польские ученые напечатали первую в мире бионическую поджелудочную железу с сосудами на биопринтере.
Известно, что технология редактирования генов – CRISPR постоянно улучшается, например улучшенный редактор CRISPR/Cas9 был изобретен гарвардскими биологами в 2013 году.

Но с ее помощью можно модифицировать только один ген за раз. Ученые из научно-технического университета ETH Zurich (Швейцария) улучшили технологию, и теперь можно модифицировать десятки генов одновременно, а это позволяет проводить масштабное перепрограммирование клеток.

Ученые из Института исследований в области биомедицины в Барселоне (IRB Barcelona) установили, что ингибирование белка р38 в мезенхимальных стволовых клетках, стимулирует образование новых кровеносных сосудов как при опухолях, так и при восстановлении поврежденных тканей.

Внеклеточные везикулы все чаще рассматриваются как следующее поколение регенеративных нанотерапевтических средств наряду со стволовыми клетками. Группа ученых из Франции впервые использовала внеклеточные везикулы для лечения послеоперационных кишечных свищей у свиней.

А ученые из Китая в экспериментах над животными показали, что внеклеточные везикулы выделенные из мезенхимальных стволовых клеток имеют иммуномодулирующее, заживляющее и минерализирующее действие в регенерации кости.

Биотехнологическая компания CRISPR Therapeutics впервые применила технологию CRISPR/Cas9 для лечения человека. Первый пациент с бета-талассемией прошел терапию в фазе 1/2 клинического исследования. Ожидается, что это поможет излечить заболевание. Однако эффективность применения CRISPR/Cas9 будет известна после окончания терапии.

Биопринтинг органов 

Это одно из самых молодых направление регенеративной медицины. История биопринтинга органов началась в 2006 году когда калифорнийская компания Organovo создала 3D-биопринтер. С его помощью стало возможным создание органов и тканей.

Сейчас 3D-печать органов является быстроразвивающимся и очень динамичным направлением регенеративной медицины. За последние несколько лет произошел огромный скачок в этом направлении.

 
Для 3D-печати обычно используют биопринтеры, которые позволяют выращивать из стволовых клеток различные ткани и органы при этом используют вспомогательные биокаркасы для “вызревания” органа. 

Но теперь это можно сделать и без биокаркаса. Ученые из университета Иллинойса в Чикаго, разработала метод 3D-печати биологических тканей без каркасов, а биочернила состоят только из стволовых клеток. 

Однако способность создавать целые органы для терапевтического использования еще остается сложной задачей, требующей быстрой организации миллиардов клеток в действующие ткани, которым нужны сосудистые каналы для снабжения питательными веществами. Но и эта проблема уже решается.

Опубликованное в сентябре 2019 года исследование ученых из Института биологических инженерных технологий Вайсса и Гарвардского университета создали инновационную технологию под названием SWIFT (sacrificial writing into functional tissue) которая обеспечивает возможность 3D-печати сосудов в матриксе из стволовых клеток. В результате можно получить ткани, специфичные для разных органов, с необходимыми функциями, высокой плотностью клеток и встроенными сосудистыми каналами. В качестве примера команда создала перфузируемую сердечную ткань, которая синхронно сливается и бьется в течение 7 дней.

Некоторые достижения в 3D-печати на сегодняшний день:

Создан имплантат со стволовыми клетками для лечения травм спинного мозга.
Разработан биоразлагаемый имплантат для адресной доставки лекарств при лечения рака и других заболеваний.

Первое в мире трехмёрное мини-сердце с кровеносными сосудами, желудочками и камерами создали ученые из Тель-Авивского Университета.
Создан проект по 3D-печати имплантатов легких на основе рекомбинантного человеческого коллагена – rhCollagen из генетически модифицированного растения табака с пятью генами человека.

А исследователи из Института регенеративной медицины университета имени Сеченова в Москве создали первую искусственную барабанную перепонку. 

Выращивание органоидов и “органы на чипе”

Органоиды – это “заготовки” искусственно выращенных органов т.е это небольшие фрагменты органов или их мини-варианты. Не следует путать органоиды с внутриклеточными структурами – органеллами.

“Органы на чипе” моделируют определенный орган человека in vitro максимально приближенный к настоящему – органоид. “Органы на чипе” помогут повысить скорость доклинических исследований различных препаратов и клеточных технологий, и быстро проверить их эффективность.

Благодаря разработкам ученых в области исследований стволовых клеток на чипах уже смоделированы функции многих органов и тканей — печени, мини-кишечника, почек, легкого, жировой ткани, мышц и даже структура гематоэнцефалического барьера.
Создано тело или орган на чипе имитирующее 5 органов.

Но уже есть и более сложные разработки – ученые из США разработали чип содержащий функциональные ткани 10 органов человека и моделирующий их метаболические процессы.
Появились микрожидкостные устройства имитирующие поджелудочную железу на чипе и хрящ на чипе.
Созданы органоиды почек из стволовых клеток полученных из мочи.

Моргающий «глаз-на-чипе» поможет учёным лучше понять заболевание синдрома сухого глаза и усовершенствовать его лечение. 

Ксенотрансплантация

Ксенотрансплантация – это трансплантация живых клеток, тканей или органов от одного биологического вида другому.

Ксенотрансплантация – является важнейшим перспективным направлением не только в терапии старения, но и практически во всех направлениях медицины, где необходима трансплантация или восстановление органов.

Однако ксенотрансплантация связана с рисками отторжения органа и риском передачи известных или еще неизвестных ксеногенных инфекционных патогенов от животных к человеку и от реципиентов к другим людям.

Главным идеологом и гуру технологий ксенотрансплантации является генетик Джордж Черч из Гарвардского университета  известный своими радикальными взглядами даже среди ученых. 

Трансплантация органов от свиней, которые лучше всего подойдут людям, может стать решением проблемы нехватки человеческих органов. Но эндогенные ретровирусы свиней могут передаваться людям. Американским генетикам из Гарвардского университета удалось сделать свиные органы безопасными для человека, удалив из них все опасные ретровирусы с помощью геномного редактора CRISPR/Cas9. 

Некоторые новости исследований в ксенотрансплантации:

В конце 2018 компания XenoTherapeutics получила одобрение FDA на проведение клинических исследований продукта ксенотрансплантации для лечения тяжелых ожогов – Xeno-Skin™ (ксено-кожи), которая состоит из слоев дермальной и эпидермальной ткани, содержащей клетки генетически выращенных свиней. Ксено-кожа полностью эквивалентна коже аллотрансплантата человека.
Опыты по ксенотрансплантации сердец свиней бабуинам дают надежду на успех и приближают клинические испытания. Так после пересадки два бабуина прожили три месяца, а два других более полугода.
Ученые вырастили почки мышей в теле крыс.
Япония одобрила первые эксперименты на эмбрионах человека и животных. Исследование будут проводиться для решения проблем трансплантации органов. 

Регенерация органов

Самым регенерирующимся органом человека является печень, но к сожалению, это не относится к другим органам человека при их повреждении. Поэтому ученые работают над технологиями которые помогут регенерации органов. В этом направлении могут быть задействованы и стволовые клетки и редактирование генов, и различные медицинские препараты. 

Мелатонин постепенно становится привлекательным агентом для регенерации различных органов или тканей.
А стволовые клетки менструальной крови имеют большой потенциал для восстановления поврежденных тканей. Их терапевтический эффект уже признан в доклинических исследованиях при различных заболеваниях.

В настоящий момент имеются данные о проведении 10 клинических испытаний с их применением.
Проведена первая в мире операция с генной терапией для восстановления зрения при возрастной макулярной дегенераций (ВМД).

Но исследователям предстоит провести другие эксперименты и доказать безопасность и эффективность.
В настоящее время единственным успешным методом лечения цирроза печени на конечной стадии является пересадка органа.

Одно из последних клинических исследований проведенное в Центра регенеративной медицины Университета Эдинбурга (Шотландия) дает обнадеживающие результаты клеточной терапии цирроза печени. 

Технологии донорства органов 

Важнейшее направление медицины, связанное с пересадкой органов. Главной проблемой донорства органов является их нехватка, а также скорость доставки и время хранения.

Последние новости исследований этого направления:

Ученые втрое продлили срок хранения донорской печени.
Трансплантация почек от доноров с гепатитом С безопасна при последующей терапии.
Оказывается почки от умерших доноров с острой почечной недостаточностью могут быть пригодные для пересадки.
Впервые в мире орган для трансплантации доставили дроном.

Технологии протезирования 

Эти технологии связаны с установкой протезов при травмах, потере и ампутации конечностей, а также заболеванием костей и других органов. Появляются все более новые и совершенные протезы и имплантаты. 3D-биопечать поможет в лечении травм и заболеваний костей и суставов, таких как остеопороз, остеоартроз, переломы и повреждения мягких тканей.

Уже сейчас производится печать имплантатов на 3D-принтерах для регенерации частей опорно-двигательного аппарата, такие имплантаты начинают входить в клиническую практику.
Создана тактильная перчатка для людей с протезами рук.
Роботизированный персонализированный экзоскелет поможет пожилым и страдающим нейродегенеративными расстройствами людям.

Кортикальный протез поможет слепым видеть силуэты предметов.
Искусственный сустав восстанавливает запястные движения людям с ампутированным предплечьем.
Созданы универсальные имплантаты, не отторгающиеся организмом.
Удивительно, но есть надежда, что может быть создан имплантат обоняния.

Напечатанный на 3D-принтере имплантат впервые срастил поврежденный спинной мозг животных.
Установлен первый тактильный имплантат протеза руки.
Французская компания Pixium Vision провела испытания бионического глаза на 5 слепых добровольцах у которых была «сухая» макулодистрофия.

Пациенты смогли обнаруживать свет в своем центральном поле зрения и паттерны и буквы. Pixium планирует провести станет исследование с участием примерно 50 пациентов. 

В середине 2019 года компания Zion Market Research опубликовала новое отраслевое исследование “Рынок регенеративной медицины”, в котором указаны статистические данные по технологиям, материалам и направлениям применения в медицине. В исследовании приводятся данные с 2016 по 2018 год, а также прогноз с 2019 по 2025 год. Так по прогнозу мировой рынок регенеративной медицины вырастет до $ 48,97 млрд. к 2025 году.

Глобальный отчет об исследовании рынка регенеративной медицины охватывает основные факторы, ответственные за развитие глобального рынка регенеративной медицины и его всесторонний анализ.
Некоторые из основных игроков рынка регенеративной медицины:

Zimmer Biomet, Stryker Corporation, Athersys, Medtronic, U.S. Stem Cell, Integra Lifesciences, Organogenesis, Acelity Holdings, CryoLife.

Перспективные регионы и страны упомянутые в отчете:
Северная Америка (Соединенные Штаты)
Европа (Германия, Франция, Великобритания)
Азиатско-Тихоокеанский регион (Китай, Япония, Индия)
Латинская Америка (Бразилия)
Ближний Восток и Африка 

Автор обзора Эдуард Ефименко

Перепечатка разрешается при сохранении ссылок на источник публикации.

Источник: https://rlegroup.net/2019/10/22/regenerativnye-i-zameshhajushhie-tehnologii-v-medicine-i-biologii/

Поделиться:
Нет комментариев

    Добавить комментарий

    Ваш e-mail не будет опубликован. Все поля обязательны для заполнения.