Хімічні матеріали до створення штучних органів. Штучні органи: людина вміє все. Список використаної літератури

У середині ХХ століття створення штучних органів навряд чи хто міг повірити всерйоз, це було щось із розряду фантастики. В наші дні в зазначеному напрямку органів ведуться активні дослідницькі роботи, результати яких ми вже можемо спостерігати, проте залишається і безліч проблем, пов'язаних із технічною складністю реалізації цієї ідеї. Розглянемо проблематику з прикладу створення штучного серця.

Одне з основних завдань полягає в тому, щоб отримати тривимірну тканину стінки серця завтовшки палець або два. Отримувати моношари клітин та вирощувати такі тканини ми вже можемо. Проблема ж у тому, щоб одночасно з м'язовою тканиною виростити і судинне русло, через яке ця м'язова тканина забезпечуватиметься киснем та поживними речовинами і виводитимуться продукти метаболізму. Без судинного русла, без адекватного постачання клітини у товстому шарі загинуть. У тонкому шарі вони можуть харчуватися завдяки дифузії поживних речовин та кисню, а в товстому шарі дифузії вже недостатньо, і глибокі шари клітин гинуть. Зараз ми можемо робити близько трьох шарів серцевих клітин, які здатні вижити.

Говорячи про перспективні імплантати, слід пам'ятати, що судинне русло імплантату необхідно буде підключити до судинного русла, яке вже є в іншій частині серця реципієнта, тобто потрібно виростити судинне русло певної анатомії. Вирощування цілого серця з безліччю його відділів, клітин та власною провідною системою – це дуже складне багатоклітинне завдання. Точну копію людського серця можна отримати приблизно через 7–10 років у добре оснащених лабораторіях розвинених країн. Серце – це не залізо, яке виробляє гормони, це насос. Нам потрібно, щоб кров прокачувалась і не травмувалася при прокачуванні. Травмування крові - це проблема зовнішніх насосів, які використовуються при операціях на серці. Коли їх тільки розробляли, основною складністю було те, що еритроцити та інші елементи крові цими насосами ушкоджувалися.

Сучасний розвиток матеріалів може призвести до того, що буде створено механічне серце, яке можна буде підшити, щоб воно спокійно виконувало функції біологічного серця, яке дає людині природа.

Якщо в цілому говорити про системи, що імпортуються, то серце тут не найзручніший об'єкт. Розумніше просувати експерименти на печінкових чи ниркових тканинах. Наприклад, смужки печінки легко виживають власними силами і щодо легко приростають. Дати людині, у якої печінка вражена цирозом, нову частину печінки, яка могла б почати регенерувати і рости сама по собі, - це набагато розумніший додаток сил.

У перспективі 5–10 років стане зрозуміло, чи варто витрачати час та сили на те, щоб вирощувати нове серце, чи простіше поставити людині механічне серце, приклади успішного застосування якого вже є на даний момент.

Проблема з існуючими варіантами штучного серця полягає в тому, що для виконання аналогічної роботи вони повинні боротися 100 тис. разів на день і 35 млн. разів на рік, тому швидко зношуються. Якби йшлося про машину, то питання можна було б легко вирішити – поміняти масло та свічки запалювання, але у випадку із серцем все не так просто.

Унікальність нового пристрою, застосованого лікарями з Техаського інституту серця (Texas Heart Institute in Houston) якраз у тому, що він безперервно жене кров і людський пульс промацується. Воно допомагає впоратися з утворенням тромбів та кровотечею, надає більше можливостей людям із тяжкою стадією серцевої недостатності, які раніше мали лише два варіанти: штучне серце чи тривале очікування у черзі на трансплантацію органу. Отриманий апарат пропонує третій варіант для хворих із гострою серцевою недостатністю.

Для оцінки прогресу у розробці та застосуваннях штучних органів можна звернутися також до досвіду західних вчених та медиків.

Вченим із Західного резервного університету Кейза (Case Western Reserve University) вдалося створити штучну легеню, яка, на відміну від інших подібних систем, використовує повітря, а не чистий кисень. Прилад повністю копіює дихальний орган. У його конструкцію включені аналоги кровоносних судин, виконані з силіконової гуми, що дихає. Подібно до справжніх судин, вони розгалужуються і мають різний розмір: діаметр найтонших з них становить приблизно чверть товщини людського волосся.

Хірурги Каролінського університету (Karolinska University Hospital) у Стокгольмі вперше у світі провели операцію з трансплантації синтетичної трахеї, створеної із стовбурових клітин самого пацієнта. Дана технологія дозволяє обійтися без донора та уникнути ризику відторгнення тканин, а виготовлення органу досить швидке та займає від двох днів до тижня.

Успіхи біології та медицини в новітній історії суттєво продовжили середню тривалість життя та позбавили світ від дамоклова меча багатьох смертельних хвороб. Але не всі хвороби переможені, та й життя людини, тим більше активне, все ще здається нам надто коротким. Чи дасть наука шанс зробити наступний ривок?

Нова шкіра Співробітник лабораторії дістає з ванни смужку штучно вирощеного епідермісу. Тканину створили в дерматологічному інституті в італійському місті Помеція, Італія під керівництвом професора Мікеле де Лука.

Олег Макаров

Підстави для оптимізму, звісно, ​​є. У наші дні в науці намітилося кілька напрямків, які, можливо, дозволять у недалекому майбутньому перетворити Homo sapiens на більш довговічну і надійну мислячу конструкцію. Перше - це створення електронно-механічних "підпорок" для недужого тіла. Йдеться про роботизовані біонічні протези кінцівок, що достовірно відтворюють людську локомоторику, або навіть цілі екзоскелети, які зможуть подарувати радість руху паралізованим.

Вирощування нервової тканини - найбільш складне через різноманіття типів складових її клітин та їх складної просторової організації. Однак на сьогодні існує успішний досвід вирощування аденогіпофіза миші зі скупчення стовбурових клітин.

Ці хитромудрі вироби доповнить нейромашинний інтерфейс, який дозволить зчитувати команди прямо з відповідних ділянок головного мозку. Прототипи подібних пристроїв, що діють, вже створені, тепер головне — їх удосконалення і поступове здешевлення.

Другим напрямом вважатимуться дослідження генетичних та інших мікробіологічних процесів, викликають старіння. Пізнання цих процесів, можливо, у майбутньому дасть змогу загальмувати в'янення організму та продовжити активне життя за вікову межу, а можливо, й надалі.

Пошуки ведуться у кількох напрямках. Одне з них – біонічне око: електронна камера плюс чіп, імплантований у сітківку. Є й деякі успіхи у вирощуванні сітківки (поки що миші).

І нарешті, до третього напряму належать дослідження в галузі створення справжніх запчастин до людського тіла — тканин та органів, які структурно та функціонально мало чим відрізнятимуться від природних і дозволять своєчасно «відремонтувати» організм, уражений тяжкою хворобою або віковими змінами. Звістки про нові кроки в цій галузі надходять сьогодні чи не щодня.

Запускаємо друк

Базова технологія вирощування органів, або тканинної інженерії, полягає у використанні ембріональних стовбурових клітин для отримання спеціалізованих клітин тієї чи іншої тканини, наприклад, гепатоцитів - клітин паренхіми (внутрішнього середовища) печінки. Ці клітини потім містяться всередину структури сполучної міжклітинної тканини, що складається переважно з білка колагену.

Поряд із створенням електронно-механічних протезів ведеться пошук більш природного імплантату, що поєднує в собі вирощені тканини серцевої мускулатури з наноелектронною системою контролю.

Таким чином забезпечується заповнення клітинами всього об'єму органу, що вирощується. Матрицю з колагену можна отримати шляхом очищення від клітин донорської біологічної тканини або, що набагато простіше і зручніше, створити її штучним шляхом з біоруйнівних полімерів або спеціальної кераміки, якщо йдеться про кістки. У матрицю крім клітин вводяться поживні речовини та фактори росту, після чого клітини формують єдиний орган або якусь «латку», покликану замістити уражену частину.

Щоправда, вирощування штучної печінки, легені та інших життєво важливих органів для пересадки людині сьогодні поки що недосяжно, у простіших випадках така методика успішно застосовується. Відомий випадок пересадки пацієнтці вирощеної трахеї, здійсненої в РНЦ хірургії ім. Б.В. Петровського під керівництвом італійського професора П. Маккіаріні. В даному випадку як основа була взята донорська трахея, яку ретельно очистили від клітин. На їх місце було введено стовбурові клітини, взяті з кісткового мозку самої пацієнтки. Туди ж були поміщені фактори росту та фрагменти слизової оболонки – їх також запозичили з пошкодженої трахеї жінки, яку треба було врятувати.

Проведено успішні експерименти з імплантації щура легені, вирощеної на очищеній від клітин донорській матриці.

Недиференційовані клітини за таких умов дали початок клітинами дихального епітелію. Вирощений орган імплантували пацієнтці, причому було вжито спеціальних заходів для пророщування імплантату кровоносними судинами та відновлення кровообігу.

Втім, існує метод вирощування тканин без застосування матриць штучного чи біологічного походження. Метод знайшов втілення у пристрої, відомому як біопринтер. У наші дні біопринтери «виходять із віку» досвідчених зразків, і з'являються дрібносерійні моделі. Наприклад, апарат компанії Organovo здатний роздрукувати фрагменти тканин, що містять 20 і більше клітинних шарів (причому туди входять клітини різних типів), об'єднаних тканиною між клітинами і мережею кровоносних капілярів.

До вирощування цілої штучної печінки ще далеко, проте фрагменти тканини печінки людини вже отримані методом вирощування на матриці з біорозкладних полімерів. Такі імплантати зможуть допомогти у відновленні уражених ділянок.

Сполучна тканина і клітини збираються воєдино за тією ж технологією, яку використовують при тривимірному друку: головка, що рухається, позиціонується з мікронною точністю в тривимірній мережі координат, «випльовує» в потрібну точку крапельки, що містять або клітини, або колаген та інші речовини. Різні виробники біопринтерів повідомили, що їх пристрої вже здатні надрукувати фрагменти шкіри піддослідних тварин, а також елементи ниркової тканини. Причому в результаті вдалося досягти правильного розташування різних типів клітин один щодо одного. Щоправда, епохи, коли принтери у клініках будуть здатні створювати органи різного призначення та великих обсягів, доведеться ще зачекати.

Мозок під заміну

Розвиток теми запчастин для людини неминуче призводить до теми найпотаємнішого — того, що робить людину людиною. Заміна мозку — мабуть, найфантастичніша ідея щодо потенційного безсмертя. Проблема, як неважко здогадатися, у тому, що мозок — схоже, найскладніший із відомих людству матеріальних об'єктів у Всесвіті. І, можливо, один із найнезрозуміліших. Відомо, з чого він складається, але мало відомо про те, як він працює.

Нова шкіра. Співробітник лабораторії дістає з ванни смужку штучно вирощеного епідермісу. Тканину створили у дерматологічному інституті у м. Помеція, Італія, під керівництвом професора Мікеле де Лука.

Таким чином, якщо мозок вдасться відтворити як сукупність нейронів, що встановлюють один з одним зв'язки, треба ще вигадати, як помістити в нього всю необхідну людині інформацію. Інакше в кращому разі ми отримаємо дорослу людину з «сірою речовиною» немовляти. Незважаючи на всю надфантастичність кінцевої мети, наука активно працює над проблемою регенерації нервової тканини. Зрештою, мета може бути й скромнішою — наприклад, відновлення частини мозку, зруйнованої внаслідок травми чи тяжкого захворювання.

Проблема штучної регенерації мозкової тканини погіршується тим, що мозок має високу гетерогенність: у ньому присутня безліч типів нервових клітин, зокрема гальмівні та збуджуючі нейрони та нейроглія (буквально – «нервовий клей») – сукупність допоміжних клітин нервової системи. Крім того, різні типи клітин певним чином розташовані у тривимірному просторі, і це розташування необхідно відтворити.

Це той самий випадок, коли технології вирощування тканин вже працюють у медицині та рятують життя людей. Відомі випадки успішної імплантації трахеї, вирощеної на донорській матриці із клітин спинного мозку пацієнта.

Нервовий чіп

В одній з лабораторій знаменитого Массачусетського технологічного інституту, відомого своїми розробками у сфері інформаційних технологій, підійшли до створення штучної нервової тканини «комп'ютерно», застосувавши елементи технології виготовлення мікрочіпів.

Дослідники з Бостона взяли суміш нервових клітин, отриманих з первинної кори мозку щура, і нанесли їх на найтонші пластини гідрогелю. Пластини утворили свого роду сендвіч, і тепер завдання полягало в тому, щоб вичленувати з нього окремі блоки із заданою просторовою структурою. Отримавши такі прозорі блоки, вчені мали намір вивчати процеси виникнення нервових зв'язків усередині кожного з них.

Технологія пересадки людині сечового міхура, вирощеного на колагеновій матриці із сечового міхура або тонкої кишки тваринного походження, вже створена і має позитивну практику застосування.

Завдання було вирішено за допомогою фотолітографії. На пласти гідрогелю накладалися пластикові маски, які дозволяли світлу впливати лише певні ділянки, «зварюючи» їх воєдино. Так вдалося отримати різноманітні за розмірами та товщиною композиції клітинного матеріалу. Вивчення цих "цеглинок" з часом може призвести до створення значних фрагментів нервової тканини для використання в імплантах.

Якщо інженери MIT підходять до вивчення та відтворення нервової тканини в інженерному стилі, тобто механічно формуючи необхідні структури, то в Центрі біології розвитку RIKEN в японському місті Кобе вчені під керівництвом професора Йошики Сасаї намацують інший шлях — evo-devo, шлях еволюції розвитку. Якщо плюрипотентні стовбурові клітини ембріона можуть при розподілі створювати структури, що самоорганізуються, спеціалізованих клітин (тобто різноманітні органи і тканини), то чи не можна, осягнувши закони такого розвитку, спрямовувати роботу стовбурових клітин для створення імплантатів вже з природними формами?

У справі вирощування кісток і хрящів на матрицях досягнуто великого прогресу, проте відновлення нервової тканини спинного мозку — справа майбутнього.

І ось головне питання, на яке мали намір знайти відповідь японські біологи: наскільки залежить розвиток конкретних клітин від зовнішніх факторів (наприклад, від контакту з сусідніми тканинами), а якою мірою програма «зашита» всередині самих стовбурових клітин. Дослідження показали, що є можливість виростити з ізольованої групи стовбурових клітин заданий спеціалізований елемент організму, хоча зовнішні чинники відіграють певну роль — наприклад, необхідні певні хімічні сигнали, що індукують, що змушують стовбурові клітини розвиватися, скажімо, саме як нервова тканина. І для цього не знадобиться жодних підтримуючих структур, які доведеться наповнювати клітинами — форми виникнуть самі у процесі розвитку, у ході поділу клітин.

У новому тілі

Питання про пересадку мозку, якщо мозок є вмістилищем інтелекту і самого людського «я», по суті, не має сенсу, тому що якщо мозок знищений, то відтворити особистість неможливо (якщо тільки з часом не навчаться робити «резервні копії» свідомості). Єдине, що могло б мати резон – це пересадка голови, а точніше – пересадка тіла голові, яка має з тілом проблеми. Однак за неможливості на сучасному рівні медицини відновлення спинного мозку, тіло з новою головою залишиться паралізованим. Щоправда, з розвитком тканинної інженерії, можливо, нервову тканину спинного мозку можна буде відновлювати за допомогою стовбурових клітин. На час операції мозок доведеться різко охолоджувати для запобігання смерті нейронів.

За запатентованою Саса методиці японцям вдалося виростити тривимірні структури нервової тканини, першою з яких стала отримана з ембріональних стовбурових клітин мишей сітківка ока (так званий зоровий келих), яка складалася з функціонально різних типів клітин. Вони були розташовані так, як наказує природа. Наступним досягненням став аденогіпофіз, який не просто повторює структуру природного, а й виділяє при пересадці миші необхідні гормони.

Зрозуміло, до повнофункціональних імплантів нервової тканини, а тим більше ділянок людського мозку ще дуже далеко. Однак успіхи штучної регенерації тканин із застосуванням технологій еволюції розвитку вказують шлях, яким піде вся регенеративна медицина: від «розумних» протезів — до композитних імплантатів, у яких готові просторові структури «пророщуються» клітинним матеріалом, і далі — до вирощування запасних частин для людини за тими ж законами, за якими вони розвиваються у природних умовах.

Спецпроект про проблеми старіння ми продовжимо розповіддю про найвидатніших і знаменитих дослідників, які започаткували роботи зі створення штучних органів. Більшість із них і зараз продовжує роботу над новими амбітними проектами.

Цикл статей, задуманих у рамках спецпроекту «Біомолекули» для фонду «Наука за продовження життя».

У цьому циклі розглянемо загальні проблеми старіння клітин та організмів, наукові підходи до довголіття та продовження здорового життя, зв'язок сну та старіння, харчування та тривалості життя (звернемося до нутрігеноміки), розповімо про організми з зневажливим старінням, висвітлимо теми (епі)генетики анабіозу.

Звичайно, феномен старіння настільки складний, що поки що рано говорити про радикальні успіхи в боротьбі з ним і навіть про чітке розуміння його причин і механізмів. Але ми постараємося підібрати найбільш цікаву та серйозну інформацію про намацані зв'язки, модельні об'єкти, розроблювані і вже доступні технології корекції вікових залежних порушень.

Слідкуйте за оновленнями!

Лінда Гріффіт та Чарльз Ваканті

Лінда Гріффіт- професор біоінженерії та механічної інженерії. 2006 року отримала стипендію Мак-Артура, також відому як «грант для геніїв». Співавтор піонерської роботи з вирощування хряща у формі людського вуха. На даний момент розвиває технології культивації 3D-культур клітин, а також бере участь у проекті «Людина на чіпі».

Чарльз Ваканті- Професор медичної школи Гарварда. Співавтор піонерських робіт із вирощування хряща у формі людського вуха, а також першої штучної кістки анатомічної форми (для пацієнта з травмою великого пальця). Переконаний у існуванні способу перемикання спеціалізованих клітин стан стовбурових, не використовує генетичні модифікації. Його переконаність не похитнув навіть скандал із його колишньою аспіранткою Харуко Обоката, яка сфабрикувала результати експерименту з отримання стовбурових клітин. Чарльз Ваканті до останнього моменту стверджував, що протоколи Харуко Обоката мають працювати. У вересні минулого року, після того, як фальсифікацію даних японською дослідницею було доведено, пішла в річну академічну відпустку. Зважаючи на все, після його закінчення Чарльз Ваканті планує продовжувати пошуки простого способу отримання стовбурових клітин.

Наприкінці 1990-х років по інтернету розійшлася моторошна картинка - миша з людським вухом на спині (рис. 1). Картинку розсилали в основному електронною поштою, і підписи до неї згодом губилися. Багато людей не вірили, що картинка справжня, а інші починали активно протестувати проти генетичної інженерії, внаслідок якої, на думку цих людей, потворна миша з'явилася на світ. Картинка була справжньою. Людське вухо на спині у миші виростили, зрозуміло, без застосування генетичних модифікацій (вже в ті часи було зрозуміло, що органи формуються при складній взаємодії багатофункціональних генів, і ніякого гена людського вуха існувати не може). А робота, для якої була отримана нещасна миша, була однією з піонерських у галузі інженерії штучних органів людини.

Малюнок 1. Знаменита фотографія із роботи, зробленої у 90-х роках.Тварина, всупереч припущенням багатьох наляканих людей, не зазнавала генетичних модифікацій, а лише служила середовищем, в якому синтетична основа вуха заселялася нанесеними на неї клітинами. Біореакторів, які більше підходять для інкубації штучного органу, на той час просто не існувало.

Вухо, правду кажучи, було людським лише формою, а складові його клітини було взято у теляти. Проте автори роботи, серед яких були Лінда Гріффіт та Чарльз Ваканті, зробили перший крок до створення таких страшно складних структур як людські органи. Донорських органів настільки мало, і з ними так багато проблем (і імунологічних, і психологічних), що боязкість перед створенням штучних частин людського тіла було просто необхідно подолати.

Стратегія, яку застосували Лінда Гріффіт та Чарльз Ваканті, досі популярна у біоінженерії штучних органів зі складною структурою. Спочатку отримують каркас з полімеру, що деградується, а потім заселяють його клітинами, які поступово роз'їдають каркас, діляться і освоюють простір, що звільнився. У менш «чистому» варіанті того ж методу використовують основи органів, отримані від інших тварин або донорів, знищують їх клітини і заселяють отриманий матрикс клітинами реципієнта. Такий орган не можна вважати повністю штучним, та все ж, він кращий за донорський, тому що не містить його клітин і не викликає відторгнення імунною системою. Такий варіант методу застосовують, коли каркас складно отримати штучно через його складну структуру або склад і коли цей каркас повинен увійти до складу органу, що вийшов, а не роз'їдатися в процесі заселення клітинами.

Заселення каркаса має відбуватися в умовах, максимально наближених до умов усередині організму – з правильною температурою та перебігом поживних розчинів через його частини. Наразі для цього використовують спеціальні реактори, які доводиться налаштовувати на форму певного органу. А в перших роботах 90-х років як біореактори використовували мишей і щурів, яким заселені клітинами основи органів просто вживлювали під шкіру. Виглядали такі тварини лякаюче, натомість мети – перших штучних хрящів у формі людського вуха – було досягнуто.

Лінда Гріффіт продовжила роботу в галузі інженерії штучних тканин. Нині під її керівництвом у спеціальному біореакторі підтримують тривимірну культуру клітин печінки. Такій культурі далеко до штучної печінки - вона не схожа на неї за структурою, проте підходить для досліджень ліків і метаболізму гепатоцитів в умовах, близьких до природних. Займається дослідниця та розробкою органів на чіпах, які винайшов у 2010 році Дональд Інгбер (про нього йдеться пізніше).

Чарльз Ваканті зацікавився іншою стороною питання про вирощування штучних органів – дослідженнями стовбурових клітин. Справа в тому, що клітини, необхідні для вирощування нового органу, не завжди зручно (якщо взагалі можливо) брати у донора. Тому, перш ніж вчитися вирощувати з відповідних клітин складні структури, спочатку розумніше навчитися отримувати ці клітини. Чарльза Ваканті цікавило перетворення клітин, які легко взяти у донора (наприклад, із поверхні шкіри), у клітини необхідного типу. Для цього потрібно було навчитися перетворювати спеціалізовані клітини на стовбурні - тобто здатні придбати будь-яку спеціалізацію. І, звичайно, для біоінженерів важливо, щоб спосіб перепрограмування клітин був не надто складним, інакше вигоди від його застосування зникнуть. Чарльз Ваканті був переконаний, що в організму повинен бути спосіб перемикати клітини в стовбуровий стан, якщо це необхідно, - така здатність видавалася йому надто вигідною.

Можливо, рішення криється в ІПСК - індукованих плюрипотентних стовбурових клітин, які можна отримувати з клітин різної спеціалізації. Про проблеми їх отримання та ризики використання читайте у статтях « У пошуках клітин для ІПСК – крок за кроком до медицини майбутнього» та « Запобіжник ІПЗК» , .

Організму можуть знадобитися стовбурові клітини, якщо він відчуває сильний стрес, тому Чарльз Ваканті вважав, що саме стрес може змусити клітини перейти в стовбуровий стан. Переконливих доказів цієї гіпотези вченому знайти не вдавалося. Натомість йому вдалося зацікавити своїми ідеями японську аспірантку Харуко Обоката. Попрацювавши в лабораторії Ваканті в Гарварді, молода дослідниця повернулася до інституту RIKEN, де продовжила шукати той самий тип стресу, який змусить спеціалізовані клітини стати стовбуровими. Через Харуко Обоката історія Чарльза Ваканті переплелася з долею ще одного видатного біоінженера - Йосікі Сасаї.

Йосіки Сасаї

Йосіки Сасаї- видатний біоінженер, піонер у галузі отримання міні-органоїдів методом відтворення перших етапів ембріонального розвитку людини. Відтворив початкові етапи розвитку кори головного мозку, а також очного келиха та гіпофіза зародка. У його лабораторії молода дослідниця Харуко Обоката вела пошуки простого методу перетворення спеціалізованих клітин на стовбурні. Дані про успіх її досліджень Харуко Обоката сфабрикувала. Втомившись від уваги преси та звинувачень наукової громадськості у недостатньому контролі за ходом робіт під його керівництвом, Йосікі Сасаї у серпні 2014 року повісився на перилах сходів свого інституту.

Всі живі організми проходять довгий і важкий шлях розвитку, перш ніж набувають остаточної, дуже складної структури. Якщо ми хочемо отримати копію штучного органу, варто згадати, як саме цей орган утворюється у природі. Відтворення ембріонального розвитку органу – дуже перспективний шлях для біоінженерів. Роботами саме у цій галузі і прославився Йосікі Сасаї. У 2008 році було опубліковано результати роботи з відтворення перших етапів розвитку ні багато ні мало людського мозку. А у 2011 році японські дослідники під керівництвом Сасаї отримали зачатки гіпофіза та очних келихів (рис. 2). «У пробірці» (точніше, на чашці Петрі) вдається виростити лише міні-органоїди, тому що подальші етапи їхнього розвитку вимагають складного тривимірного оточення, яке, у свою чергу, теж має розвиватися зі зростанням органу. Тим не менш, підбір умов, що стимулюють клітини повторювати хоча б перші стадії розвитку органу, вже дає багато корисних даних для ембріології. Крім того, на міні-органоїдах, вирощених із клітин із генетичними мутаціями, можна простежити становлення патології. І, звичайно, міні-органоїди підходять для тестування ліків і особливо для вивчення їх впливу на ранні стадії розвитку організму.

На жаль для Йосіки Сасаї, під його керівництвом йшли роботи і на інші теми. На початку 2014 року у журналі Natureбула опублікована стаття, першим автором якої була Харуко Обоката, а останнім – Йосікі Сасаї. У статті було описано напрочуд простий метод перепрограмування спеціалізованих клітин на стовбурові - за допомогою нетривалої інкубації в розчині лимонної кислоти. Стовбурові клітини, отримані в такий спосіб, назвали STAP (stimulus-triggered acquisition of pluripotency). STAP-клітини могли б викликати справжню революцію в регенеративній медицині - таким простим методом, як описали японські вчені, стовбурові клітини можна було б отримувати у величезних кількостях. На жаль, жодним іншим дослідникам, окрім Харуко Обоката, отримати STAP-клітини не вдалося. На японських вчених посипалися питання від розчарованих колег та преси, і Харуко Обоката довелося повторити експерименти у власній лабораторії, щоб довести, що метод може працювати. Їй це не вдалось. У ході розслідування під егідою інституту RIKEN з'ясувалося, що Харуко Обоката підтасувала дані скандальної публікації, а керівник дослідження – Йосікі Сасаї – про це не знав. У серпні 2014 року вчений, який важко переживав скандал навколо дослідження, покінчив життя самогубством. Харуко Обоката не стала оскаржувати рішення експертної комісії щодо підтасовування результатів.

Цікаво, що під час скандалу Чарльз Ваканті (колишній керівник Харуко Обоката) активно виступав на захист японських вчених. Зрештою йому довелося визнати, що статтю було відкликано обґрунтовано, але, незважаючи на це, він не відмовився від своєї улюбленої ідеї про можливість отримати стовбурові клітини зі спеціалізованих без трудомістких генетичних модифікацій. У вересні минулого року Чарльз Ваканті пішов у річну академічну відпустку, яка наразі закінчилася.

Невідомо, чи одного разу буде знайдено простий спосіб отримання стовбурових клітин. Як би там не було, інший напрямок досліджень Йосікі Сасаї - отримання органоїдів - виявився дуже плідним. У наступні роки вченим різних груп вдалося отримати міні-органоїди кишківника, шлунка та нирок. Останнє досягнення в цій галузі – органоїди серця – належить знаменитому фахівцю зі створення штучних органів Ентоні Атала.

Ентоні Атала

Ентоні Атала- директор. Навчився отримувати зі своїх клітин пацієнтів штучний сечовий міхур, уретру та піхву. Зараз у всьому світі живуть десятки людей із такими штучними органами, створеними під керівництвом Ентоні Атала. Зараз знаменитий біоінженер працює над створенням штучного пеніса, який підійшов би жертвам нещасних випадків та чоловікам із вродженими патологіями репродуктивної системи.

Ентоні Атала – директор цілого інституту регенеративної медицини. Під керівництвом вченого у цій галузі було зроблено багато чудових робіт, дедалі більш складних. В основному Ентоні Атала займається створенням штучних органів сечостатевої системи. Почав він з найпростішого сечового міхура. По суті, сечовий міхур - це просто мішок з клітин, і операції, в яких сечові міхури роблять із тканин кишечника, проводяться вже досить давно. Звичайно, у цих органів дуже різні функції – стінки кишечника всмоктують поживні речовини, а сечовий міхур просто служить резервуаром для сечі перед її виведенням. Тому, звичайно, хотілося навчитися отримувати цей нескладний орган із більш відповідного матеріалу. Ентоні Атала використав для цього вже згаданий метод – вирощування клітин на спеціальному каркасі анатомічної форми. Такі штучні сечові бульбашки вживили кільком хлопчикам із патологіями цього органу 1999 року. Через 5 років спостережень Ентоні Атала з колегами доповіли, що штучні органи прижилися добре і не викликали ускладнень у реципієнтів. Після цього вчений перейшов до складнішого завдання - створення штучних піхв. На відміну від сечових бульбашок ці органи ніколи не намагалися отримати штучно. У той же час пристрій піхви теж не дуже складне - це трубка з клітин. У 2005-2009 роках чотирьом дівчаткам з рідкісними патологіями, при яких статева система розвивається неправильно, було вживлено такі штучні піхви. У 2014 році вчений доповів про успіх усіх операцій, завдяки яким пацієнтки, які підросли, змогли жити нормальним статевим життям. Паралельно вчені під керівництвом Ентоні Атала навчилися отримувати інший орган трубчастої структури – уретру (сечівник). Такі штучні органи вживили п'ятьом хлопчикам, і операції також пройшли успішно і не викликали ускладнень.

На черзі опинився найскладніший орган сечостатевої системи – пеніс. Сучасна хірургія вже дозволяє пришивати пацієнтам, які втратили пеніс через нещасні випадки, орган донора. Перша така операція була проведена ще 2006 року. Однак через два тижні після цієї складної операції пацієнт попросив видалити донорський пеніс. Таке рішення здається дивним лише на перший погляд. Пеніс відноситься до органів, які жертвують лише посмертно, а звикнути до життя з пенісом померлої людини явно складніше, ніж до донорської нирки. Від першої у світі пересадженої руки, наприклад, реципієнт відмовився невдовзі після операції. Отже інженерія зовнішніх органів - питання, у сенсі, навіть термінове, ніж інженерія життєво важливих частин тіла. Адже, поки хірургам як матеріал надають лише донорські органи, багато найскладніших операцій відбуватимуться марно. До того ж, окрім психологічних проблем, з донорськими органами виникають ще й проблеми імунологічної сумісності – пацієнтам часто доводиться приймати препарати, що пригнічують діяльність імунної системи, щоб вона не починала атакувати чужорідну частину тіла.

Пеніс сконструювати набагато важче, ніж просто міхур або трубку з клітин, адже для функціонування цього органу потрібна правильна структура у всьому його обсязі. Цілком необхідно відтворити губчасту тканину печеристих тіл, які розбухають при ерекції, а також структуру судин, якими до цієї тканини надходить кров. І, само собою, потрібно розмістити в ньому уретру, яка не повинна перетискатися під час набухання печеристих тіл. З нуля таку структуру відтворити дуже складно, тому Ентоні Атала використовує для отримання штучних пенісів колагенові основи донорських органів, які очищають від клітин за допомогою ферментів. Потім її заселяють клітинами людини, якій згодом можна буде без проблем пересадити (поки такі операції не проводили). За словами Ентоні Атала, якою б тяжкою не була травма пеніса, завдяки тому, що цей орган продовжується і всередині тазу, у людини завжди можна взяти клітини на вирощування нового.

Людські штучні пеніси поки що у розробці – щоб їх можна було пересаджувати реципієнтам, вони мають пройти багато складних тестів. Зате вже є успішні результати для кроликів – тварини з пенісами, отриманими методом Ентоні Атала, успішно спаровуються та обзаводяться потомством. Однак перейти від кроликів до людей виявилося не так просто – щоб отримати орган більшого розміру, недостатньо просто пропорційно збільшити кількість клітин, час інкубації та інші параметри. До того ж зі збільшенням обсягу органу стають вищими і вимоги до його внутрішньої структури - адже кожна клітина живого організму повинна знаходитися від найближчого капіляра на відстані не більше 200 мікрометрів (що приблизно дорівнює товщині людського волосся). Тому виростити великий об'ємний орган завжди складніше, ніж плоский (як фрагмент шкіри), трубчастий (як штучна уретра) або мішковидний (як сечовий міхур).

Інтереси Ентоні Атала не обмежуються сечостатевою системою. У його лабораторії йдуть роботи з одержання штучних тканин печінки, серця та легень. У 2011 році під час конференції TED знаменитий вчений розбурхав громадськість, продемонструвавши отриманий методом 3D-друку прототип штучної нирки. Ключовим словом, на яке багато хто не звернув уваги, був «прототип» - штучна нирка мала правильну форму, а також доводила, що за допомогою 3D-друку можна отримати щось, хоча б зовні схоже з бажаним об'єктом. Але структура прототипу нирки навіть близько не наближалася до складності цього органу, яка абсолютно необхідна, щоб нирка виконувала свою функцію. Цей орган повинен складатися з найтонших канальців, обплутаних судинами, щоб виділяти з сечею тільки непотрібні речовини, а все корисне повертати в кров. До такої складності біоінженерам досі не вдалося підійти, і, звісно, ​​її неможливо було досягти у 2011 році. Проте, мабуть, саме метод біодруку згодом дозволить вченим отримувати точно ті біологічні структури, які необхідні. Цей метод розробив та активно розвиває ще один знаменитий біоінженер – Габор Форгач.

Габор Форгач

Габор Форгач- знаменитий біоінженер та підприємець від науки. Під його керівництвом було створено перший комерційний 3D-біопринтер, на якому вже надруковано зразки багатьох тканин. Разом зі своїм сином Андрасом заснував компанію Modern Meadow, яка виробляє штучну шкіру та штучне м'ясо для вживання в їжу.

У 1996 році Габор Форгач звернув увагу на факт, що вже давно відомий вченим -клітини, що утворилися в ході поділу зародка, можуть рухатися по ньому, але, потрапивши в остаточне місце призначення, склеюються з іншими клітинами. Це навело його на думку, що клітини можна використовувати як елементарні одиниці для конструювання - якщо підібрати правильні умови, то клітини, укладені в бажані структури, самі склеяться між собою. Однак, ідея про те, що для такого укладання клітин можна застосовувати спеціальний принтер, йому на думку не спала.

Першим додумався друкувати біологічні об'єкти Томас Боланд. Він модифікував звичайний принтер таким чином, що на ньому можна друкувати біологічними матеріалами, наприклад, білками або бактеріями. Для 3D-друку прилад не підходив. Ідея, проте, виявилася здоровою, і згодом призвела до розробки біопринтерів, які здатні друкувати складні об'ємні структури.

Форгачу знадобилося багато часу, щоб розвинути свою ідею про самостійне склеювання клітин у технологію отримання тривимірних штучних тканин. Декілька років знадобилося і на розробку принтера, здатного застосувати цю технологію. Пристрій мав стати досить точним і делікатним по відношенню до чутливих клітинних «чорнил». Такий прилад під назвою Organovo компанії Форгача вдалося створити лише у 2009 році. У 2010 році на цьому першому біопринтері надрукували людську посудину, і що з самого початку було важливо для Форгача, без жодних додаткових каркасів. Завдяки цьому з'являється впевненість, що в органі не буде абсолютно нічого, що викликає імунологічне відторгнення у реципієнта (якщо орган вирощувати з його власних клітин).

Щоб зробити з клітин аналог чорнила принтера, їх поміщають у спеціальний гель, який дозволяє клітинам злипатися раніше часу. Принтер друкує, як правило, не поодинокими клітинами, а їх кулястими скупченнями. сфероїдами(хоча метод дозволяє використовувати для друку та окремі клітини, що необхідно для деяких структур), ідея яких також належить Габору Форгачу. Кожен надрукований шар клітин відокремлюють шаром гелю, а готовий орган відправляють дозрівати в інкубатор. При цьому гель, використаний для друку, розчиняється, а всередині органу розвивається судинна мережа - від судин відростають найтонші капіляри. Це дуже зручно для біоінженерів, тому що отримувати такі дрібні судини вони поки що не вміють. Крім того, якщо орган пересадити реципієнту, то в нову частину тіла обов'язково проникне судинна мережа господаря. Однак така практика скоріше підходить для тварин, а не для людини - у її випадку надто небезпечно покладатися на те, що потрібні судини вростуть до органу самі. До того ж сподіватися на те, що судини самі виростуть як треба, абсолютно точно не можна у разі органів зі складною структурою - таких, як нирки, що вже обговорювалися. Отже, залишається сподіватися на підвищення точності 3D-друку в майбутньому.

3D-біодрук продовжує розвиватися вже в усьому світі: у 2010 році вперше вдалося надрукувати фрагмент шкіри, а у 2014 – серцевий клапан (рис. 3) та фрагмент тканини печінки. Такі тканини чудово підходять для попередніх випробувань прототипів лікарських препаратів, а шкіра - ще й для тестів косметичних засобів (компанія L'Oreal, наприклад, використовує для тестів штучну шкіру, надруковану Organovo). Такі випробування простіше організувати, ніж випробування на тваринах, які вимагають погодження з біоетичними комісіями. Крім того, тести на людських, нехай і вирощених у лабораторії, органах та шкірі, дають більш достовірні результати про вплив продукту на людський організм, ніж дослідження на лабораторних тваринах.

Про те, як у Росії розвивається 3D-друк, розказано у статті Органи з лабораторії» .

Останнє досягнення біодруку на даний момент – фрагмент нервової тканини людини з точно позиціонованими нейронами, отриманий цього року під керівництвом австралійського біоінженера Гордона Велласа (той самий випадок, коли необхідно друкувати тканину окремими клітинами, а не сфероїдами).

Габор Форгач не тільки започаткував 3D-друк органів людини для хворих людей або тих, хто пережив нещасний випадок. Він ще й першим зрозумів, що штучні тканини та органи можуть стати у нагоді всім людям без винятку. Деякі продукти тваринного походження – такі як м'ясо та шкіра – настільки хороші, що їм важко створити повноцінну заміну. Але тепер, завдяки біоінженерії, їх можна буде отримувати етично - без убивств тварин. Габору Форгачу першому спало на думку, що ми вже знаємо достатньо для вирощування штучного біфштексу або шматка шкіри. Отримувати їх значно простіше, ніж багато штучних органів, над розробкою яких б'ються вчені, а потреба у м'ясі та шкірі значно вища, ніж у людських органах. Також перехід на м'ясо та шкіру штучного походження сприятливо позначився б на екологічній ситуації - адже біореактори не витоптують величезні пасовища та не виділяють в атмосферу таку кількість метану, яка може суттєво посилити парниковий ефект.

Тому друга компанія Форгача, яку він заснував разом зі своїм сином Андрасом – Modern Meadow – вирощує м'ясо та шкіру в лабораторних умовах. Важливий аспект діяльності компанії - це оптимізація методик, оскільки нині штучні копії продуктів тваринного походження коштують дорого. Інша проблема полягає в тому, що громадськість з недовірою ставиться до вирощених у лабораторії продуктів. Згідно з опитуванням, проведеним у 2014 році, лише 20% американців готові спробувати отримане лабораторними методами м'ясо. Тому сам Форгач намагається довести людям, що його продукти є безпечними, у тому числі на власному прикладі. Наприклад, у 2011 році на конференції TedMed Форгач приготував власноруч, а потім з'їв вирощене в лабораторії м'ясо. Крім того, біоінженер запевняє, що його лабораторії відкриті для потенційних клієнтів, і кожен може побачити, як робиться сосиска, тоді як «бійні ніколи не запрошують відвідувачів спостерігати за їхньою роботою».

Габор Форгач вловив, що в біотехнологіях не вистачає власне технологічності - багато методів, які використовувалися при спробах відтворити складну структуру органів, були старомодними за своєю суттю. Біологія залишається не дуже точною наукою, але при створенні штучних органів для живих людей, на думку Форгача, неприйнятно розраховувати на те, що правильна структура утворюється якось сама. 3D-біопринтери слідують віянням часу і втілюють у життя мрії про точний контроль над тим, що здається цілком хаотичним та загадковим – життям. І тільки один напрямок біоінженерії, можливо, ще більш технологічно і футуристично - органи на чіпах.

Дональд Інгбер

Дональд Інгбер- біолог, знаменитий своїм інженерним поглядом живі об'єкти, завдяки якому вчений зробив кілька відкриттів у сфері біології клітини (наприклад, про вплив механічних впливів на активність генів). Автор ідеї «органу на чіпі» - найпростішої клітинної системи, розташованої на платівці стандартного розміру і відтворює основні функції органу, що моделюється. Створив безліч органів на чіпах, і зараз працює над об'єднанням десяти таких органів у «людини на чіпі».

До початку двохтисячних Дональд Інгбер досліджував біологію раку - параметри, що впливають на розвиток пухлин та метастазування ракових клітин. При цьому вчений дивився на живу клітку як інженер. На підхід вченого до досліджень клітинної біології вплинула, як не дивно, одна незвичайна скульптура, яку Дональд Інгбер побачив у середині 70-х років. Скульптура була сконструйована за принципом тенсегріті. Такі конструкції складаються із міцних балок, які не торкаються одна одної завдяки системі натягнутих тросів. Уся структура підтримується з допомогою точно збалансованих натягів гнучких елементів. Дональд Інгбер припустив, що структура живої клітини може підтримуватися завдяки тим же принципам. І дійсно, йому вдалося показати, наприклад, що прикладені до поверхні клітини механічні дії можуть вплинути на форму її ядра і навіть експресію генів. Глибоке розуміння того, як механічні сили впливають на структуру та функцію клітин, допомогло вченому просунутися у дослідженні біології раку.

Ймовірно, таке прагнення запровадити дослідження клітини у більш зрозумілу, «механічну» площину, зрештою, і призвело Дональда Інгбера до ідеї органів на чіпах. Орган на чіпі - це платівка розміром трохи більше кредитної картки. У платівці є осередки, заселені клітинами певних типів. Осередки з'єднуються каналами, що імітують кровотік або обмін тканинної рідини між групами клітин органу. Зрозуміло, такий пристрій не відображає форму природного органу, зате в максимально компактній і контрольованій формі моделює саму суть його роботи. Життєдіяльність клітин в органі на чіпі потрібно підтримувати, поміщаючи чіп у спеціальний реактор, який проганяє каналами чіпа живильні розчини під правильним тиском і підтримує певну температуру та вміст розчинених газів у цих рідинах.

Найважливіша перевага органів на чіпах відповідає технологічним трендам: це модульність – можливість складати з таких пристроїв різні комбінації. Чіпи, що зображують різні органи, можна поєднувати між собою, щоб вивчати вплив цих органів один на одного, моделювати пересування хвороботворних мікробів по різних системах організму або вивчати, що відбувається з молекулами ліків, коли воно потрапляє в організм.

Перший пристрій такого типу - легкий на чіпі - Дональд Інгбер із колегами розробили у 2010 році. Канали цього пристрою розділені на дві частини пористою мембраною, з одного боку якої розташовується шар клітин легені, з другого - шар клітин стінки судини. У тій частині каналів, де розташовувалися клітини судини, циркулює кров, а та, де є клітини легені, заповнена повітрям. В обидві частини каналів ведуть спеціальні отвори - туди можна додавати ліки або, наприклад, хвороботворних мікроорганізмів, щоб змоделювати їхнє попадання в легеню з повітря або зі струмом крові.

З того часу на чіпах вдалося відтворити роботу нирки, печінки, а також кишечника з мікробіомом та перистальтикою (рис. 4). Особливо цікавою для клінічних досліджень виявилася розробка чіпа, що відображає пристрій гематоенцефалічного бар'єру. Розробники відтворили і щільні контакти між клітинами судин мозку, і розташування гліальних клітин - особливості, завдяки яким багато молекул з крові не можуть легко проникнути в мозок. При тестуванні прототипів ліків дуже корисно дізнатися, чи вони здатні проникати крізь гематоенцефалічний бар'єр, і якщо так, то з якою ефективністю. Крім цього, на чіпі вдалося відтворити влаштування гематопоетичної ніші кісткового мозку, що вкрай корисно для досліджень хвороб, при яких порушується нормальний розвиток клітин крові.

Малюнок 4. «Кишечник на чіпі». а . Схема устрою. Гнучка пориста мембрана, вистелена епітеліальними клітинами кишечника, розташована горизонтально центром мікроканалу, з боків якого знаходяться вакуумні камери. б . Фотографія «кишкового тракту на чіпі», що складається з прозорого ПДМС-еластомеру (еластомеру з полідиметилсилоксану). У напрямку стрілок насосом заливають червону та синю рідини в нижній та верхній відсіки мікроканалу, відповідно, щоб їх візуалізувати.

Нова, значно вдосконалена модель тривимірного принтера для друку органів. З його допомогою вдалося створити штучну модель кістки черепа, вухо та м'яз. Причому всі органи, пересаджені лабораторною твариною, прижилися. Ми вирішили згадати, які ще органи та тканини вчені вже вміють створювати штучно і як це робиться сьогодні.

Практично будь-який орган людини складається із трьох тісно пов'язаних структур. По-перше, це сполучнотканинний позаклітинний матрикс - розгалужена мережа колагенових волокон, яка надає органу форми і щільності, а також служить каркасом для клітин. По-друге, це клітини, завдяки яким орган виконує свої біологічні функції (у багатьох органах є кілька типів клітин). По-третє, це судинна мережа, яка приносить артеріальну кров, насичує тканини киснем та поживними речовинами, забираючи в них вуглекислий газ та продукти обміну. Створення кожної з цих структур є окремим складним завданням тканинної інженерії.

Надати форму

Для отримання позаклітинного матриксу використовують два принципово різні підходи. Можна створювати його з нуля - брати відповідний матеріал і, вигадуючи інженерні хитрощі, надавати йому потрібну структуру. Альтернативний шлях - взяти «готовий» орган тваринного або мертвого донора і очистити його від усього зайвого, залишивши тільки чистий каркас, вільний від клітин і не викликає реакції відторгнення. Кожен із цих методів має переваги та недоліки.

Штучний матрикс синтезують із синтетичних та природних речовин. З перших найчастіше використовують полілактид (полімер молочної кислоти), полігліколеву кислоту та полікапролактон. Усі вони згодом розсмоктуються в організмі без виділення шкідливих речовин, заміщаючись натуральним позаклітинним матриксом. Природні матеріали мають білкову (наприклад, колаген) або вуглеводну (наприклад, гіалуронова кислота) природу. Для надання матеріалам потрібної тривимірної сітчастої структури в експериментах і на практиці використовують безліч способів (самозбір нановолокон, текстильні технології, часткове розчинення, спінювання, електроспінінг, тривимірний друк та інші). Ці методи не відтворюють тонкощів мікроструктури органу і не формують каркас для судинної мережі. Тому вони підходять лише для органів із відносно простою будовою — шкіри, судин, хрящів тощо.

Найбільш перспективна на даний момент технологія отримання позаклітинного каркасу складних органів, наприклад, серця або нирки - це децелюляризація (очищення від клітин) відповідного органу мертвого донора або відповідного за розміром тварини (найчастіше свині). Для цього через судини органу повільно протягом декількох днів пропускають розчин миючого засобу зростаючої концентрації. Коли всі клітини видалені, матрикс промивають, і готовий до заселення клітинами нового господаря. Метод хороший і тим, що безклітинний матрикс складається з природного матеріалу, який забезпечує правильне прикріплення та проліферацію клітин. Основний недолік цієї технології полягає в тому, що вона руйнує мікросудинну мережу - капіляри, які фактично складаються з одного шару ендотеліальних клітин, видаляються при промиванні.

Через це до клінічного застосування поки що дійшли тільки створені таким методом дихальні шляхи, а менш досконале, на перший погляд, штучне отримання матриксу вже використовується в практичному та експериментальному протезуванні.

Примусити працювати

Функціональну тканину спочатку нарощували на матрикс, занурюючи його в живильний розчин із клітинами та факторами росту. Останнім часом все частіше з цією метою використовують гідрогелі, які, застигаючи, забезпечують рівномірний розподіл клітин, їхнє найкраще закріплення та дифузію поживних речовин і газів. При використанні децелюляризованого донорського матриксу розчин клітин та факторів росту пропускають через його судини.

Окрему проблему представляє розмноження та виживання клітин — у диференційованій тканині їхня можливість ділитися та розвиватися обмежена довжиною теломер («насадок» на кінцях молекул ДНК, необхідних для її реплікації, які коротшають з кожним розподілом клітини). Вирішенням цієї проблеми може стати використання індукованих плюрипотентних стовбурових клітин, які за здатністю проліферувати та диференціюватися близькі до ембріональних стовбурових клітин.

Забезпечити повітрям та їжею

Створення судинної мережі, як говорилося, є однією з найскладніших завдань. Жоден з існуючих методів не забезпечує достатньої щільності та функціональності - капіляри або протікають, або їх занадто мало для кровопостачання органу (а частіше і те, й інше). Подолати цю проблему різними способами намагаються багато лабораторій світу. Більш-менш обнадійливі попередні результати отримані при використанні мікрорідинних пристроїв з біорозчинних матеріалів, проте повноцінну судинну мережу цілого органу в такий спосіб створити не вдалося.

Оригінальне рішення нещодавно запропонували співробітники американського Університету Вандербільта. Вони отримали полімерну мережу з товщиною волокон, близькою до капілярів, за допомогою апарату для виготовлення солодкої вати. Потім цю мережу заливали гідрогелем з клітинами і після його застигання вимивали полімер і пропускали через мікросудини, що вийшли, поживний розчин. Ця методика поки що знаходиться на початкових етапах розробки; отриманий гідрогель з живими клітинами та судинами не має позаклітинного матриксу.

Використовуючи безклітинний матрикс для відновлення шкіри та власні клітини пацієнта, японські дослідники виростили на живильному середовищі та успішно пересадили пацієнтам слизову оболонку ротової порожнини.

Ще одна тканина, порівняно проста для створення методом тканинної інженерії, - це хрящ. У дорослої людини він практично не постачається кров'ю, через що не відновлюється. Проте вкрай низька потреба зрілого хряща у кисні та харчуванні суттєво полегшує роботу з ним — не доводиться забезпечувати зростання судин, оскільки хрящова тканина отримує все необхідне дифузією. У 2006 році співробітники Брістольського університету успішно відновили пошкоджені колінні суглоби за допомогою штучних хрящів, вирощених з клітин пацієнтів на матриксі з гіалуронової кислоти.

Штучно вирощена хрящова тканина застосовувалася ще в одній серії експериментів на людях, та й то з сумнівним результатом. Йдеться про роботу хірурга Паоло Маккіаріні, виконану на базі Барселонського університету в Іспанії, Каролінського інституту в Швеції та Кубанського медичного університету в Краснодарі. Він пересаджував трахеї та бронхи, вирощені на децелюляризованому матриксі мертвих донорів із власних мезенхімальних стовбурових та епітеліальних клітин пацієнтів. Після звинувачень у порушенні етики проведення досліджень та на підставі даних про високу смертність реципієнтів Каролінський інститут ухвалив рішення звільнити МакКіаріні.

Також слід згадати про роботу Стівена Баділака (Stephen Badylak) з Університету Піттсбурга. Він використовував висушений порошок з децелюляризованого матриксу свинячого сечового міхура, що містить колаген та фактори росту, для усунення травматичних дефектів тканин. Біосумісний матеріал стимулював стовбурові клітини дорослих, завдяки чому вдалося відновити пацієнтам відрізаний пропелером авіамоделі фалангу пальця, м'яз, практично втрачений під час військових дій, та інші пошкоджені тканини.

Мабуть, найбільшого на даний момент успіху в експериментах на людях досяг вже згаданий Атала. Його колектив ще у 2000-х роках використав 3D-принтер для створення матриксу сечового міхура.

Отримані каркаси заселили клітинами, забраними при біопсії, і виростили повноцінні органи, які успішно пересадили пацієнтам.

У 2014 році Ясуо Курімото (Yasuo Kurimoto) з Медичного центру Кобе пересадив жінці з віковою макулярною дегенерацією сітківку ока. Її виростили співробітники інституту RIKEN на чолі з Масайо Такахасі (Masayo Takahashi) з індукованих плюрипотентних стовбурових клітин (за розробку технології їх отримання співвітчизник учених Сінья Яманака у 2012 році отримав Нобелівську премію). Шляхом довгих експериментів лабораторії RIKEN вдалося направити диференціювання цих клітин пігментний епітелій сітківки і отримати плоский прямокутник тканини розміром 1,3 на 3,0 міліметра, придатний для трансплантації. Операція пройшла без ускладнень; кровотечі, відторгнення та загального погіршення самопочуття у 70-річної пацієнтки не спостерігалося. Однак про те, чи настала відбудова зору, повідомлень не було.

На сьогодні цими роботами клінічні випробування органів, отриманих методом тканинної інженерії, практично вичерпуються. Негусто, але звістки з лабораторій дозволяють найближчим часом чекати набагато вражаючих результатів. Про них ми розповімо в одному з таких матеріалів.

Типи тканин

Епітеліальна тканина

Епітеліальна (покривна) тканина, або епітелій, являє собою прикордонний шар клітин, який вистилає покриви тіла, слизові оболонки всіх внутрішніх органів та порожнин, а також становить основу багатьох залоз.

Епітелій відокремлює організм (внутрішнє середовище) від зовнішнього середовища, але одночасно служить посередником при взаємодії організму з навколишнім середовищем. Клітини епітелію щільно з'єднані один з одним і утворюють механічний бар'єр, що перешкоджає проникненню мікроорганізмів та чужорідних речовин усередину організму. Клітини епітеліальної тканини живуть нетривалий час і швидко замінюються новими (цей процес називається регенерацією).

Епітеліальна тканина бере участь і в багатьох інших функціях: секреції (залізи зовнішньої та внутрішньої секреції), всмоктуванні (кишковий епітелій), газообміні (епітелій легень).

Головною особливістю епітелію є те, що він складається з безперервного шару щільно прилеглих клітин. Епітелій може бути у вигляді пласта з клітин, що вистилають всі поверхні організму, і у вигляді великих скупчень клітин - залоз: печінка, підшлункова, щитовидна, слинні залози та ін. У першому випадку він лежить на базальній мембрані, яка відокремлює епітелій від сполучної тканини, що підлягає . Однак є винятки: епітеліальні клітини в лімфатичній тканині чергуються з елементами сполучної тканини, такий епітелій називається атипічним.

Епітеліальні клітини, що розташовуються пластом, можуть лежати у багато шарів (багатошаровий епітелій) або в один шар (одношаровий епітелій). По висоті клітин розрізняють епітелії плаский, кубічний, призматичний, циліндричний.

Сполучна тканина

<<<назад

Складається з клітин, міжклітинної речовини та сполучнотканинних волокон. З неї складаються кістки, хрящі, сухожилля, зв'язки, кров, жир, вона є у всіх органах (пухка сполучна тканина) у вигляді так званої строми (каркаса) органів.

На противагу епітеліальній тканині у всіх типах сполучної тканини (крім жирової) міжклітинна речовина переважає над клітинами за обсягом, тобто міжклітинна речовина дуже добре виражена. Хімічний склад та фізичні властивості міжклітинної речовини дуже різноманітні у різних типах сполучної тканини. Наприклад, кров – клітини у ній «плавають» і пересуваються вільно, оскільки міжклітинна речовина добре розвинена.

В цілому, сполучна тканинастановить те, що називають внутрішнім середовищем організму. Вона дуже різноманітна і представлена ​​різними видами – від щільних та пухких форм до крові та лімфи, клітини яких перебувають у рідині. Принципові відмінності типів сполучної тканини визначаються співвідношеннями клітинних компонентів та характером міжклітинної речовини.

У щільнийволокнистої сполучної тканини (сухожилля м'язів, зв'язки суглобів) переважають волокнисті структури, вона відчуває суттєві механічні навантаження.

Пухкаволокниста сполучна тканина надзвичайно поширена в організмі. Вона дуже багата, навпаки, клітинними формами різних типів. Одні з них беруть участь в утворенні волокон тканини (фібробласти), інші, що особливо важливо, забезпечують насамперед захисні та регулюючі процеси, у тому числі через імунні механізми (макрофаги, лімфоцити, базофіли тканини, плазмоцити).

Кісткова тканина

<<<назад

Кісткова тканина, що утворює кістки кістяка, відрізняється великою міцністю. Вона підтримує форму тіла (конституцію) та захищає органи, розташовані в черепній коробці, грудній та тазовій порожнинах, бере участь у мінеральному обміні. Тканина складається з клітин (остеоцитів) та міжклітинної речовини, в якій розташовані живильні канали з судинами. У міжклітинній речовині міститься до 70% мінеральних солей (кальцій, фосфор та магній).

У своєму розвитку кісткова тканина проходить волокнисту та пластинчасту стадії. На різних ділянках кістки вона організується у вигляді компактної або губчастої кісткової речовини.

Хрящова тканина

<<<назад

Хрящова тканинаскладається з клітин (хондроцитів) та міжклітинної речовини (хрящового матриксу), що характеризується підвищеною пружністю. Вона виконує опорну функцію, оскільки утворює основну масу хрящів.

Розрізняють три різновиди хрящової тканини: гіалінову, що входить до складу хрящової трахеї, бронхів, кінців ребер, суглобових поверхонь кісток; еластичну, що утворює вушну раковину та надгортанник; волокнисту, що розташовується в міжхребцевих дисках та з'єднаннях лобкових кісток.

Жирова тканина

<<<назад

Жирова тканинасхожа на пухку сполучну тканину. Клітини великі, заповнені жиром. Жирова тканина виконує живильну, формоутворюючу та терморегулювальну функції. Жирова тканина поділяється на два типи: білу та буру. У людини переважає біла жирова тканина, частина її оточує органи, зберігаючи їхнє положення в тілі людини та інші функції. Кількість бурої жирової тканини у людини невелика (вона є головним чином у новонародженої дитини). Головна функція бурої жирової тканини – теплопродукція. Бура жирова тканина підтримує температуру тіла тварин під час сплячки та температуру новонароджених дітей.

М'язова тканина

<<<назад

М'язові клітини називають м'язовими волокнами, оскільки вони постійно витягнуті щодо одного напрямі.

Класифікація м'язових тканин проводиться на підставі будови тканини (гістологічно): за наявності або відсутності поперечної смугастість, і на підставі механізму скорочення – довільного (як у скелетному м'язі) або мимовільного (гладкий або серцевий м'яз).

М'язова тканинамає збудливість і здатність до активного скорочення під впливом нервової системи та деяких речовин. Мікроскопічні відмінності дозволяють виділити два типи цієї тканини - гладку (несчерченную) і поперечносмугасту (смугастий).

Гладка м'язова тканинамає клітинну будову. Вона утворює м'язові оболонки стінок внутрішніх органів (кишкового тракту, матки, сечового міхура та ін.), кровоносних та лімфатичних судин; скорочення її відбувається мимоволі.

Поперечносмугаста м'язова тканина.складається з м'язових волокон, кожне з яких представлено багатьма тисячами клітин, що злилися, крім ядер, в одну структуру. Вона утворює скелетні м'язи. Їх ми можемо скорочувати за власним бажанням.

Різновидом поперечносмугастої м'язової тканини є серцевий м'яз, що володіє унікальними здібностями. Протягом життя (близько 70 років) серцевий м'яз скорочується понад 2,5 млн. разів. Жодна інша тканина не має такого потенціалу міцності. Серцева м'язова тканина має поперечну смугастість. Однак на відміну від кістякового м'яза тут є спеціальні ділянки, де м'язові волокна стуляються. Завдяки такій будові скорочення одного волокна швидко передається сусіднім. Це забезпечує одночасність скорочення великих ділянок серцевого м'яза.

Нервова тканина

<<<назад

Нервова тканинаскладається з двох різновидів клітин: нервових (нейронів) та гліальних. Гліальні клітини впритул прилягають до нейрона, виконуючи опорну, поживну, секреторну і захисну функції.

Нейрон – основна структурна та функціональна одиниця нервової тканини. Головна його особливість – здатність генерувати нервові імпульси та передавати збудження іншим нейронам або м'язовим та залізистим клітинам робочих органів. Нейрони можуть складатися з тіла та відростків. Нервові клітини призначені щодо нервових імпульсів. Отримавши інформацію на одній ділянці поверхні, нейрон дуже швидко передає її на іншу ділянку поверхні. Оскільки відростки нейрона дуже довгі, то інформація передається великі відстані. Більшість нейронів мають відростки двох видів: короткі, товсті, розгалужені поблизу тіла. дендритиі довгі (до 1.5 м), тонкі і розгалужені тільки на самому кінці – аксони. Аксони утворюють нервові волокна.

Нервовий імпульс - це електрична хвиля, що біжить з великою швидкістю по нервовому волокну.

Залежно від виконуваних функцій та особливостей будови всі нервові клітини поділяються на три типи: чутливі, рухові (виконавчі) та вставні. Двигуни, що йдуть у складі нервів, передають сигнали м'язам і залозам, чутливі волокна передають інформацію про стан органів у центральну нервову систему.

Тепер усю отриману інформацію ми можемо поєднати в таблицю.
<<<назад

Типи тканин

Органи- Це частини організму, що виконують певні функції. Вони мають певну форму та місце розташування.

Будова.

Зазвичай орган складається з декількох видів тканин, але якась із них може переважати: головна тканина залоз – епітеліальна, а м'яз – м'язова. Так, наприклад, у печінці, легенях, нирках, залозах основною, «робочою» тканиною є епітеліальна, у кістки – сполучна, у мозку – нервова. Орган має свою, тільки йому властиву форму та становище в організмі. Залежно від виконуваних функцій різним і будова органу.

Органи анатомічно та функціонально об'єднуються в системи органів, тобто у групи органів, пов'язаних один з одним анатомічно, що мають загальний план будови, єдність походження та виконують одну загальну функцію.

Функція

В організмі людини виділяють такі системи органів: травну, покривну, дихальну, сечовидільну, статеву, нервову, кровоносну, лімфатичнуі імунну. Деякі органи об'єднуються за функціональним принципом апарати. В апаратах органи мають різну будову та походження, але їх поєднує участь у виконанні загальної функції, наприклад, опорно-руховий, ендокринний апарат.

У покривну системувходять шкіра та слизові оболонки, що вистилають порожнину рота, дихальних шляхів, органів травлення. Покривна система оберігає організм від висихання, температурних коливань, ушкодження, проникнення в організм отруйних речовин і хвороботворних мікроорганізмів.

Система опори та рухувключає кістки і м'язи. Кістки, об'єднані в кістяк, створюють опору всім частин тіла. Кістки захищають внутрішні органи і разом із м'язами забезпечують рухливість тіла.

ВидільнаСистема забезпечує видалення з організму рідких продуктів обміну.

Дихальна системаскладається з цілого ряду порожнин і трубок і забезпечує обмін газів між кров'ю та зовнішнім середовищем.

Травна системавключає органи, що забезпечують перетравлення їжі і всмоктування в кров поживних в-в.

Функція статевої системи- Розмноження. У її органах формуються статеві клітини, а жіночих статевих органах, ще, відбувається розвиток плода.

Ендокринна системавключає в себе цілий ряд залоз внутрішньої секреції, що виробляють і виділяють у кров біологічно активні в-ва (горомони), що беруть участь у регуляції функцій всіх клітин та тканин організму.

Кровоносна системаскладається з серця і судин, а кров, що циркулює в них, забезпечує обмін в-в.

Нервова системапоєднує всі вищеперелічені системи, регулює та узгоджує їхню діяльність, а за допомогою рецепторів (органів почуттів) здійснює зв'язок організму з навколишнім середовищем. Психічна діяльність формується нервовою системою. Завдяки діяльності нервової та ендокринної систем організм функціонує як єдине ціле.

Орган або система органів поза організмом функціонувати не може, а організм не може функціонувати без будь-якої зі своїх систем.

Це цікаво!

Створення штучних органів та тканин

М.В.Плетніков
переклад з англійської Science, 1995,
Vol. 270, N 5234, pp. 230-232.

Створення штучних органів прокуратури та тканин оформилося у самостійну галузь науки близько десяти років тому. Перші досягнення цього напряму – створення штучної шкіри та хрящової тканини, зразки яких вже проходять перші клінічні випробування у центрах трансплантації. Одне з останніх досягнень полягає у конструюванні хрящової тканини, здатної до активної регенерації.

Це справді величезний успіх, оскільки пошкоджена суглобова тканина не регенерує в організмі. У клініках США щороку оперують понад 500 тис. хворих із пошкодженнями суглобового хряща, але подібне хірургічне втручання лише на короткий час полегшує біль та покращує рухи у суглобі.

В даний час робляться спроби вирощування в лабораторних умовах печінки. Але печінка – складно влаштований орган, що складається з різних типів клітин, що забезпечують очищення крові від токсинів, перетворення надійшли ззовні поживних речовин у форму, що засвоюється організмом і виконують цілий ряд інших функцій. Тому створення штучної печінки вимагає набагато більш складної технології: всі ці різноманітні типи клітин повинні бути розміщені строго певним чином, тобто основа, на якій вони базуються, повинна мати високу вибірковість.

Серед органів і тканин, які в даний час інтенсивно досліджуються з метою їхнього біотехнологічного відтворення, можна відзначити також кісткову тканину, сухожилля, кишечник, серцеві клапани, кістковий мозок і трахею. Крім робіт зі створення штучних органів і тканин людського організму вчені продовжують розробляти і методи вживлення в організм хворих на діабет людей клітин, що продукують інсулін, а людям, які страждають на хворобу Паркінсона, - нервових клітин, що синтезують нейромедіатор дофамін, що дозволить позбавити пацієнтів від щоденних втомливих.

Кожна клітина організму виконує певну роботу і тому потребує постійного притоку кисню та поживних речовин, а також безперервного видалення продуктів обміну. Кисень та поживні речовини можуть проникати крізь мембрану клітини лише тоді, коли вони перебувають у розчиненому стані. Кожну клітину омиває рідина, що містить все необхідне її життєдіяльності. Це – тканинна рідина. З нього клітини отримують O 2 і поживні речовини, а нього віддають вуглекислий газ і відпрацьовані продукти обміну.

Безбарвна прозора тканинна рідиназаповнює в організмі проміжки між клітинами. Вона утворюється з рідкої частини крові - плазми, що проникає в міжклітинні щілини через стінки кровоносних судин, та з продуктів обміну, що постійно надходять з клітин. Її об'єм у дорослої людини становить приблизно 20 л.

Кровоносні капіляри не підходять до кожної клітини, тому поживні речовини та кисень із капілярів за законами дифузії спочатку надходять у тканинну рідину, а з неї поглинаються клітинами. Отже, через тканинну рідину здійснюється зв'язок між капілярами та клітинами. Діоксид вуглецю, вода та інші продукти обміну, що утворюються в клітинах, також за рахунок різниці концентрацій виділяються з клітин спочатку в тканинну рідину, а потім надходять до капілярів. Кров з артеріальної стає венозною і доставляє продукти розпаду до нирок, легень, шкіри, через які вони видаляються з організму.

Поживні речовини надходять до організму через органи травлення, а продукти розпаду виводяться з нього через органи виділення. Зв'язок між цими органами та клітинами тіла здійснюється через внутрішнє середовище організму, що складається з крові, тканинної рідини та лімфи.

1-клітини крові, 2-капіляр, 3-клітини тканин, 4-тканинна рідина,
5-початок лімфатичних капілярів

Кисень та поживні речовини надходять у міжклітинну речовину з крові, що циркулює по замкнутій системі кровоносних судин. Найдрібніші кровоносні судини – капілярипронизують усі тканини організму. Через стінки капілярів у міжклітинну річ - у постійно надходять містяться в крові різні хімічні сполуки і вода і поглинаються продукти обміну, що виділяються клітинами.

У міжклітинниках сліпо починаються лімфатичні капіляри, у яких надходить тканинна рідина, що у лімфатичних судинах стає лімфою. Колір лімфи жовтувато-солом'яний. Вона на 95% складається із води, містить білки, мінеральні солі, жири, глюкозу, а також лімфоцити (різновид лейкоцитів). Склад лімфи нагадує склад плазмиАле білків тут менше, і в різних ділянках тіла – вона має свої особливості. Наприклад, в області кишечника в ній багато жирових крапель, що надає їй білуватий колір.