В будущем, как говорят фантасты, для излечения от недуга нужно будет всего лишь зайти в аптеку, похожую на склад с запчастями. И выбрать нужную полку. Вот здесь запасные глаза, вот печень, почки, а в этом ящике руки и ноги разных размеров Не отстают от писателей и голливудские фантазеры, они тоже подливают масла в огонь этой темы: эффектно отрастающие новые руки и ноги супергероев впечатляют. Но в жизни, разумеется, все гораздо прозаичнее, нежели на экране. Хотя некоторые предпосылки к тому, чтобы в скором времени человек «примерил» биоискусственные органы, уже есть.
Тканевая инженерия активно развивающаяся отрасль медицины и биологии буквально воплощает фантастику в жизнь. Специалисты, занятые в этой области, изучая строение живых тканей, пытаются вырастить их в лабораторных условиях, чтобы затем использовать искусственно созданную ткань для трансплантации. Такое «производство» откроет очень серьезные перспективы. Стоит только вдуматься в это: заболевший (раненый, покалеченный) человек сможет быстро восстанавливаться, он получит неисчерпаемый источник для замены поврежденных органов. Ведь современные темпы урбанизации и развитие технических средств, как ни странно, подвергают жителей Земли все большим опасностям и болезням, всевозможным травмам в различных катастрофах, так что задача тканевых инженеров действительно широка вырастить кости, хрящи и органы для замены поврежденных.
Как и все разделы медицины, тканевая инженерия имеет собственную терминологию и свои методологические подходы. Любая «тканеинженерная» процедура начинается с получения исходного клеточного материала первого шага. Как правило, для этого проводят биопсию, то есть забирают у пациента, нуждающегося в биоискусственной ткани, клетки нужного типа. Однако не все клетки могут достаточно интенсивно размножаться в искусственной среде. Поэтому другой подход состоит в том, чтобы отобрать недифференцированные клетки-предшественники, так называемые стволовые клетки , которые будут созревать и специализироваться уже в лабораторных условиях. Этим определяется взаимосвязь тканевой инженерии с исследованиями стволовых клеток. Однако не следует отождествлять эти два направления биомедицинских исследований тканевые инженеры работали над своими проектами еще задолго до того, как термин «стволовые клетки» стал знаком широкой публике.
Второй шаг культивирование полученных клеток в лабораторных условиях (in vitro) с целью увеличить во много раз их количество. При этом в случае использования недифференцированных (стволовых) клеток они помещаются в специальную среду, которая индуцирует их превращение в клетки строго заданного вида. Чтобы понять, насколько это сложно, достаточно сказать, что в организме насчитывается более 200 разновидностей клеток. Для достижения нужного результата культивирование проводится в специальных биореакторах. В них не только моделируется состав газовой смеси и набор веществ в питательной среде, но и поддерживаются необходимые для развития клеток и тканей физические параметры освещенность, течение или пульсация жидкости, гравитация и т. п.
Но для выращивания живой ткани мало просто получить достаточное количество нужных клеток, необходимо, чтобы они были надлежащим образом организованы в пространстве. Поэтому следующим шагом становится формирование трехмерного каркаса носителя для искомой ткани, на котором они бы могли нормально развиваться и выполнять свои функции после пересадки в организм.
Наконец, в итоге всех этих сложных манипуляций появляется готовый биоискусственный эквивалент ткани графт, и тогда наступает последний этап его имплантация в тело пациента (графтинг). Использование собственных клеток пациента для изготовления графта основополагающий принцип тканевой инженерии. Забирая аутоклетки, врачи избегают иммунологических проблем отторжения пересаженного материала, благодаря чему шансы на удачный исход операции резко возрастают.
У истоков тканевой инженерии
Если не считать сотворения Евы из ребра Адама, то выращивание клеток и тканей началось на закате XIX века. В 1885 году немецкий эмбриолог Вильгельм Ру в течение нескольких дней смог поддерживать жизнеспособность фрагмента куриного эмбриона в искусственных условиях. Однако настоящих успехов в культивировании тканей вне организма удалось достичь только после экспериментов Р. Гаррисона в 1907 году: он предложил использовать свернувшуюся кровь или лимфу в качестве среды для развития тканей в лабораторной посуде in vitro.
В Россию этот метод пришел в 1913 году, когда сотрудник Императорской Военно-медицинской академии П.П. Авроров и его коллега А.Д. Тимофеевский смогли в течение некоторого времени выращивать клетки лейкозной крови. А годом позже этой проблемой заинтересовался великий российский гистолог Александр Александрович Максимов, профессор той же академии, который не только подтвердил данным методом унитарную теорию кроветворения, то есть доказал, что все клетки крови развиваются из общего предшественника стволовой клетки, но и заложил основу для дальнейших разработок в области культивирования тканей вне организма. На базе его результатов были выполнены сотни работ по выращиванию клеток соединительной ткани и крови, созданию тканеинженерных эквивалентов костной ткани. Его приоритет в этих исследованиях признан всемирно.
Настоящая же эра тканевой инженерии, да и собственно выделение ее как самостоятельной отрасли медицины, началась с дерзких работ К. Ваканти по совмещению в лабораторных условиях живых клеток и искусственных носителей для них, которые он предпринял в 80-х годах прошедшего столетия. На сегодня, пожалуй, не осталось ни одного человеческого органа, развитие и регенерацию которого тканевые инженеры не пытались бы «приручить».
Основа ткани
Выбор носителя для развития искусственной ткани одна из самых серьезных проблем тканевой инженерии. Его материал должен быть безопасным как для тех клеток, которые на нем будут жить, так и в целом для организма, куда потом будет пересаживаться биоискусственная ткань. В идеале материал со временем полностью замещается тканью организма. При этом он должен иметь уникальную, характерную для данного типа ткани трехмерную организацию, которая воспроизводила бы структуру межклеточного матрикса живой ткани. Например, для воссоздания полых трубчатых органов используют лишенные жизнеспособных клеток участки аналогичных органов (кишечника, трахеи, мочеточников и мочевого пузыря), полученных от крупных животных. Но в качестве таких носителей могут быть применены другие, самые разнообразные и подчас весьма неожиданные материалы.
Проще всего (если, конечно, тут вообще уместно говорить о простоте) оказалось создать биоискусственные кости. В качестве источников клеток для будущих костей используют стволовые стромальные клетки костного мозга, которые могут развиваться в клетки разных тканей, а также остеогенные (способные образовывать костную ткань) клетки иного происхождения. Настоящее поле для фантазии представляется при выборе носителя для них. В ход идут коллагены различных типов, стеклокристаллические материалы, даже кораллы. Неплохой основой служат безжизненные (трупные) кости человека и животных, а также сложные синтетические конструкции, растворяющиеся за определенный срок в организме. В последнем случае основной проблемой является синхронизация процесса остеогенеза, то есть образования костной ткани в области ее дефицита и растворения привнесенной искусственной конструкции. На сегодняшний день по всему миру выполнено уже несколько тысяч хирургических вмешательств с использованием тканеинженерных эквивалентов костной ткани.
Весьма востребована на рынке медицинских услуг клеточная и тканевая реконструкция суставного хряща. Хрящ особая ткань, которая в естественных условиях не регенерирует. По некоторым экспертным оценкам, рынок этих продуктов только в США может составлять сотни миллионов долларов в год.
Не обошли вниманием тканевые инженеры и кожу самый большой орган на теле человека. Общая площадь кожного покрова взрослого мужчины достигает 2,5 м 2 при весе 1520 кг (с учетом подкожной клетчатки). Кожа устроена достаточно сложно и выполняет ряд жизненно важных функций, вот почему при ее обширных повреждениях, помимо местных расстройств, могут наблюдаться и общие патологические проявления, подчас ставящие жизнь больного под угрозу. При сильных ожогах и длительно не заживающих язвах кожа неспособна сама восстанавливать свою целостность. На помощь приходят специалисты, у которых уже есть не только лабораторные прототипы, но и коммерческие образцы биоискусственной кожи. На сегодняшний день тысячи человек в мире уже успели воспользоваться услугами фирм, предлагающих на рынке медицинских услуг подобные тканевые препараты.Но самых фантастических результатов достигли тканевые инженеры в детской практике. Растущий организм предъявляет особые требования к созданию тканеинженерных конструкций ведь они должны расти вместе с организмом ребенка. Так, недавно немецкими учеными был создан тканеинженерный сердечный клапан. В качестве основы для клеток сосудистой стенки (эндотелия) был взят сердечный клапан взрослой свиньи. А источником клеточного материала стали клетки пуповинной крови ребенка. Между прочим, до недавнего времени пуповинную кровь при родах выбрасывали вместе с плацентой, но теперь все больше данных свидетельствует о том, что сохранение этих клеток в гемабанках в определенных случаях может дать шанс для спасения жизни человека.
Искусственная челюсть
Не так давно группа немецких специалистов из города Киль под руководством Патрика Варнке (Patrick Warnke) сообщила об успешном воссоздании нижней челюсти, которая была практически полностью удалена в связи с опухолевым поражением. Первоначально врачам пришлось создать титановый каркас челюсти, который был заполнен костным матриксом, костным мозгом пациента и факторами роста кости. Однако такой большой фрагмент не мог быть помещен сразу в область повреждения, ведь лишенные собственной сосудистой сети клетки костного мозга, в том числе и стволовые, не только бы не дифференцировались в остеобласты (клетки, продуцирующие костную ткань), но и погибли от кислородного голодания и отсутствия питательных веществ. Поэтому полученную конструкцию внедрили в мышцы спины. Это было сделано для того, чтобы в толще интенсивно снабжаемых кровью мышц сосуды сами проросли в толщу «биологического протеза». Когда это произошло, конструкцию извлекли и пересадили на должное место, предварительно соединив сосуды нижней челюсти и биопротеза микрохирургическим путем.
С каждым годом таких или подобных операций проводится все больше. Они позволяют не только восстановить функцию утраченного органа, но и обеспечить эстетический косметический эффект.
Сосуды тканям!
Одним из факторов, ограничивающих фантазию тканевых инженеров, является невозможность создания относительно больших конструкций в связи с отсутствием их адекватного кровоснабжения и иннервации (связи с центральной нервной системой). Тканеинженерные конструкции, изъятые из искусственной среды, рискуют погибнуть из-за того, что в них нет кровеносных сосудов и в теле пациента они не будут в достаточной мере снабжаться питательными веществами. Частично эту проблему можно решить методом префабрификации временного помещения созданной в лаборатории тканеинженерной конструкции под кожу или между мышц. Через некоторое время, когда сосуды прорастут весь объем графта, его выделяют с сохранением сосудов и переносят в область повреждения. Однако такой подход связан с нанесением пациенту дополнительной операционной травмы, поэтому тканевые инженеры нашли гениальное решение: биоискусственным тканям биоискусственные сосуды! Первые работы были проведены с полимерными микротрубочками, выстланными изнутри эндотелием. Такие трубочки пронизывают всю толщу созданной в лаборатории ткани. Постепенно полимер рассасывается и не мешает обмену газами и питательными веществами между кровью и клетками.
На сегодняшний день уже практически ничто не ограничивает возможностей тканевых инженеров. Созданы не только лабораторные прототипы, но и применены в клинической практике тканеинженерные эквиваленты сосков молочных желез, биоискусственный мочевой пузырь, мочеточники. Определены методические подходы к созданию легких, печени, трахеи, участков кишечника и даже кавернозных тел полового члена.
Конструирование паренхиматозных органов печени, легких и других представляет особую сложность, поскольку все клетки в них находятся в тонкой взаимосвязи и должны строго занимать надлежащее им место в трехмерном пространстве. Неожиданные положительные результаты здесь проявились при выращивании клеток во взвешенном состоянии без прикрепления к поверхности. Группа исследователей под руководством профессора Колина Макгуккина (Colin McGuckin) из Университета Ньюкасла, Великобритания, использовала вращающийся биореактор, разработанный 10 лет назад специально для Международной космической станции. Он позволяет имитировать на Земле условия невесомости и микрогравитации. Оказалось, что при культивировании в нем стволовых клеток пуповинной крови можно добиться не только их превращения в функционально активные клетки печени, но и органогенеза образования аналога печеночной ткани с присущими ей функциями.
Не менее удивительные результаты дали опыты по насыщению культуры клеток металлическими наночастицами посредством липосом, беспрепятственно проникающих через клеточную мембрану. Пребывание таких структур внутри клетки практически не оказывает на нее влияния. Зато ученые получают возможность контролировать рост клеток, воздействуя на них магнитными полями разной направленности. Таким способом удалось создать не только аналоги структур печени, но и такие сложные структуры, как элементы сетчатки глаза. Разработки тканеинженерного глаза еще находятся в самых начальных стадиях, но уже удалось получить эквиваленты отдельных его частей роговицы, склеры, радужки. Правда, проблема интеграции полученных частей пока не решена. Тем не менее в научной литературе можно встретить сведения о трансплантации светочувствительных клеток палочек и колбочек в «святая святых» глаза сетчатку, правда, пока только в экспериментальных условиях.Пожалуй, чтобы окончательно почувствовать себя всемогущими, тканевым инженерам осталось лишь научиться воссоздавать в лабораторных условиях сложные производные нервных зачатков.
В ведущих западных и отечественных лабораториях специалисты пытаются воспроизвести развитие и другого крайне трудного для восстановления органа зуба. Трудности с его созданием вызваны тем, что составляющие зуба развиваются из различных источников: часть из производных нервной системы нервного гребня, а часть из эпителиальной выстилки ротовой полости. Совместить эти источники in vitro длительное время не удавалось. На сегодняшний момент в искусственных условиях частично воспроизведены лишь ранние стадии развития зуба. Как правило, без помощи организма здесь не обойтись и после этапа лабораторной работы прообраз будущего зуба все равно приходится подсаживать в его естественное окружение альвеолу челюсти (зубную лунку) для полного «созревания» тканеинженерной конструкции.
В итоге можно сказать, что минувшее двадцатилетие ознаменовалось становлением новой отрасли биологии и медицины тканевой инженерии. Специалисты, работающие в этой области, обладают поистине уникальными качествами. Они должны быть в равной степени и врачами, и биологами, а также иметь навыки хирурга. Таковых сейчас нигде не готовят, по крайней мере, в нашей стране. Как правило, тканевые инженеры это энтузиасты, которые поставили перед собой цель претворить сказку из детства в реальность. Пока общечеловеческая проблема, которой они занимаются, далека от разрешения. Ежегодно сотни тысяч людей по всему миру погибают от хронических заболеваний, так и не дождавшись спасительной пересадки донорского органа. Сегодня, видимо, уже не найдется ученых, которые стали бы отрицать, что тканевая инженерия это медицина будущего, успехи которой имеют колоссальное значение для всего человечества. Но вместе с тем сложно найти и такого специалиста, который безоговорочно призовет всех лечиться, прибегая к методам тканевой инженерии слишком уж много вопросов и нерешенных проблем стоит перед этой очень перспективной областью знаний.
Сайты по теме
www.celltranspl.ru Сайт «Клеточные технологии в медицине». Здесь же размещается электронный журнал «Клеточная трансплантология и тканевая инженерия».
www.gemabank.ru Сайт банка стволовых клеток «Гемабанк» посвящен теме хранения и использования пуповинной крови.
organprint.missouri.edu Сайт научной группы из Университета штата Миссури, США, посвященный напечатанным на специализированном принтере искусственным органам.
Мезенхимальные стволовые клетки обладают возможностью попадать в пораженные ткани организма, и это уже доказано. Эта способность МСК используется учеными для доставки лечебных генов и лекарств в ткани.
Системно введенная стволовая клетка работает следующим образом. После попадания в ток крови, она движется вместе с кровью, и когда она встречает агенты, которые демонстрируют наличие повреждения, она в 10 раз сильнее прилипает к стенке сосуда. Таким образом, стволовая клетка останавливается именно там, где есть повреждение.
В зоне воспаления она вырабатывает паракринные факторы (то есть оказывает действие на соседние клетки), лечит, а потом умирает. От нее практически ничего не остается.
Если стволовая клетка доходит до зоны повреждения, естественно, возникает вопрос, нельзя ли доставить вместе с ней лекарства или еще что-нибудь. В первую очередь этот вопрос возникает в отношении опухоли. Опухоль тоже распознается как повреждение, поэтому МСК приходят и в строму опухоли. В связи с этим возникла идея вставлять в МСК гены, разрушающие опухоль (а такие гены есть). Таким образом, стволовая клетка используется как средство доставки агента.
Такие эксперименты широко проводились за рубежом. Они достаточно дорогие, требуют соответствующей метки, сложной аппаратуры для наблюдений. В силу данных причин, к сожалению, в России эти опыты проводились мало.
Наноалмазы
В качестве средств доставки лекарств и генов также используются наноалмазы. Наноалмазы из организма уходят достаточно медленно, они попадают к нам не только в кровь, но и в лимфу, тканевую жидкость, а уходят с потом, мочой и калом. Но зато алмаз химически инертен, то есть мы не вносим в организм никакой химии. Поскольку алмаз – это очень маленькая механическая частичка, то он не наносит нам вреда ни с механических, ни с химических позиций. Зато он сможет доставить нам нужные лекарства. Наноалмазы попадают в зону, где находятся взрослые стволовые клетки, при этом даже без всяких лекарств они активируют кроветворную систему.
Это лишь первые эксперименты, но если мы пойдем по этому пути, то мы сможем продукты МСК применять вместо клеток. Культуры клеток, естественно, надо выращивать, хранить, это очень трудоемкий процесс. А вот их продукты будут получаться заодно.
Наноалмазы совместно со стволовыми клетками и их продуктами – очень перспективная возможность снабжения генами, лекарствами проблемных тканей и органов. В этом вопросе еще много неизвестного. Но это направление может получить очень бурное развитие, таким образом, могут быть созданы новые способы лечения, безопасные и эффективные – то, что и требуется от лекарств. В этом отношении стволовые клетки признаются надеждой фармакологии современности.
Тканевая инженерия
Тканевая инженерия - самая молодая, но, несомненно, очень перспективная отрасль медицины. Ее задачей является создание новых материалов для реставрации/замены поврежденных тканей или даже органов.
Тканевая инженерия – нацелена на создание биологических заместителей тканей и органов.
Тканевая инженерия базируется на междисциплинарном подходе. При этом новейшие испытания в сфере стволовых клеток открывают новое будущее для развития этого направления. Стволовые клетки могут использоваться для выращивания из них тканей.
Самым первым направлением в тканевой инженерии было создание эквивалентов кожи. Ведь часто требуется восстановление довольно больших участков кожи после травм, ожогов. Обычно у больного берут кожу в других местах и пересаживают на поврежденный участок. А можно взять МСК этого человека, сделать некий каркас, посадить на него клетки и прикрыть им поврежденную часть. Таким образом, создается полученная искусственным путем кожа. При этом кожа будет не искусственной, а настоящей!
Живые равнозначные фрагменты кожи, в составе которых присутствуют донорские или собственные кожные клетки, в настоящее время широко применяются в США, России, Италии. Эти системы улучшают заживление поверхностей пораженных ожогами. В России этим направлением активно занимаются некоторые клиники в сотрудничестве с НИИ им. Н.В. Склифософского, Федеральный медицинский биофизический центр им. Бурназяна и др.
Разработка графтов ведется в различных направлениях медицины: кардиология (искусственные клапаны сердца, реконструкция крупных сосудов и капиллярных сетей); восстановление органов дыхания (гортань, трахея и бронхи), тонкого кишечника, печени, органов мочевыделительной системы, желез внутренней секреции и нейронов.
Стволовые клетки нашли широкое применение в области тканевой инженерии. Некоторые ученые считают возможным использовать наночастицы металлов для контроля роста клеток, влияя на них магнитными полями разной направленности. Например, таким образом удалось создать такие сложные структуры, как элементы сетчатки глаза.
Создание искусственных тканей и органов позволит улучшить качество жизни, увеличит выживаемость пациентов и даст возможность отказаться от трансплантации донорских органов.
Больших успехов в этой области добилась группа ученых под руководством проф. Энтони Атала в США. За прошедшие десять лет профессору Энтони Атале удалось вырастить и трансплантировать людям несколько десятков мочевых пузырей. Сегодня в лаборатории Аталы выращивают более двух десятков типов тканей – от сердечных клапанов и кровеносных сосудов до мышц пальцев. Перспективной биоинженерной технологией является выращивание из стволовых клеток полноценных коренных зубов. Год от года в этом направлении появляются все новые достижения. Зубы, выращенные при помощи стволовых клеток значительно более органично встраиваются в зубочелюстную систему и не вызывают физического и психологического отторжения. Как показывают предварительные расчеты, стоимость подобного протезирования не будет значительно превышать стоимость обычного искусственного протезирования. Эксперты считают, в перспективе, данная технология будет использоваться в стоматологии лет через 5. Но и этот прогноз, согласитесь, внушает немало надежд! Эта идея затрагивает интересы многих людей. Среднестатистический европеец к пятидесяти годам теряет около четверти собственных зубов.
В стоматологии стволовые клетки возможно использовать для выращивания полностью утраченного зуба, для запуска процесса самовосстановления, самореставрации частично разрушенного зуба или его элементов, для лечения пародонтоза и других заболеваниях десен. Весьма возможное и перспективное применение данной технологии – борьба с такими пороками развития зубочелюстной системы, как волчья пасть или заячья губа.
В области тканевой инженерии есть немало начинаний, которые пока кажутся фантастическими. Например, попытки вырастить в лабораторных условиях нервы, сделать мышцы, протезы органов зрения или слуховой аппарат. Работа в этом направлении интенсивно ведется в научных центрах разных стран. И возможно, многие идеи станут реальностью в ближайшие годы.
Тут можно вспомнить лозунг, который Генри Форд вывешивал на своих заводах для рабочих у поточных линий: «У нас есть запасные части для автомобилей, но помни, что Господь Бог для человека запчастей не создал. Будь осторожен!» Но теперь мы можем возразить, что хотя Господь Бог не создал для нас запчастей, но мы их создаем своим разумом, своими руками.
Тканевая инженерия когда-то классифицировалась как подраздел биологических материалов, но, увеличившись по своим масштабам и важности ее можно рассматривать как раздел в своем собственном праве. Ткани требуют определенных механических и структурных свойств для правильного функционирования. Термин «тканевая инженерия» также относится к коррекции выполнения конкретных биохимических функций с использованием клеток в искусственно созданной системе поддержки (например, искусственная поджелудочная железа, или искусственная печень). Термин «регенеративная медицина» часто используется как синоним тканевой инженерии, хотя в регенеративной медицине уделяется больше внимания использованию стволовых клеток для производства тканей.
Обычно тканевая инженерия, как заявил Лангер и Ваканти, рассматривается как «междисциплинарная область, в которой применяются принципы инженерии и биологии для разработки биологических заменителей, что есть восстановление, сохранение или улучшение функции тканей или целого органа». Тканевая инженерия также была определена как «понимание принципов роста тканей, и их применение для производства функциональных заменителей тканей для клинического использования». В более подробном описании говорится, что «основное предположение о тканевой инженерии является то, что использование природных биологических систем позволит достичь большего успеха в разработке терапевтических методов, направленных на замену, ремонт, обслуживание, и/или расширение функции ткани».
Клетки могут быть получены из жидких тканей, такие как кровь, множеством способов, как правило, это центрифугирование. Из твердых тканей клетки добывать труднее. Обычно ткань превращают в фарш, а затем переваривают с ферментами трипсина или коллагеназа для удаления внеклеточного матрикса, который содержит клетки. После этого клетки пускают в свободное плавание, и извлекают их как из жидких тканей. Скорость реакции с трипсином очень сильно зависит от температуры, а большие температуры наносят большой ущерб клеткам. Для коллагеназа нужны небольшие температуры, и, следовательно, здесь меньше потерь клеток, но реакция при этом занимает больше времени, а сам коллагеназ является дорогим реагентом. Клетки часто имплантируют в искусственные структуры, способные поддержать образование трехмерной ткани. Эти структуры называют строительными лесами.
Для достижения цели реконструкции ткани, строительные леса должны отвечать некоторым специфическим требованиям. Высокой пористостью и определенным размером пор, которые необходимы для содействия посева клеток и диффузии по всей структуре, как клеток, так и питательных веществ. Способность к биологическому разложению является часто существенным фактором, так как леса поглощаются окружающими тканями без необходимости хирургического удаления. Скорость, с которой происходит разложение, должна как можно больше совпадать со скоростью формирования тканей: это означает, что в то время, как изготовленные клетки создадут свою собственную природную матричную структуру вокруг себя, они уже в состоянии обеспечить структурную целостность в теле, и в конечном итоге строительные леса будут сломаны, оставив вновь образованную ткань, которая возьмет на себя механическую нагрузку.
Было исследовано множество материалов для строительных лесов (натуральных и синтетических, биоразлагаемых и постоянных). Большинство из этих материалов были известны в области медицины еще до появления в тканевой инженерии в качестве темы исследования, и уже использовались, например, в хирургии для наложения швов. Чтобы разработать строительные леса с идеальными свойствами (биосовместимость, не иммуногенность, прозрачность, и т.д.), для них были спроектированы новые материалы.
Леса также могут быть построены из натуральных материалов: в частности, были изучены различные производные от внеклеточного матрикса и их способность поддерживать рост клеток. Белковые материалы, такие, как коллаген или фибрин, и полисахариды, такие, как хитозан или гликозаминогликан (ГАГ), подходящие с точки зрения совместимости, но некоторые вопросы все еще остаются открытыми. Функциональные группы лесов могут быть полезны в доставке малых молекул (лекарств) для конкретных тканей.
Углеродные нанотрубки
Углеродные нанотрубки - это протяжённые цилиндрические структуры диаметром от одного до нескольких десятков нанометров и длиной до нескольких сантиметров, состоящие из одной или нескольких свернутых в трубку гексагональных графитовых плоскостей и заканчивающиеся обычно полусферической головкой, которая может рассматриваться как половина молекулы фуллерена.
Как известно, фуллерен (C60) был открыт группой Смолли, Крото и Кёрла в 1985 г., за что в 1996 г. эти исследователи были удостоены Нобелевской премии по химии. Что касается углеродных нанотрубок, то здесь нельзя назвать точную дату их открытия. Хотя общеизвестным является факт наблюдения структуры многостенных нанотрубок Ииджимой в 1991 г. Существуют более ранние свидетельства открытия углеродных нанотрубок. Так, например в 1974 - 1975 гг. Эндо и др. опубликовали ряд работ с описанием тонких трубок с диаметром менее 100 нм, приготовленных методом конденсации из паров, однако более детального исследования структуры не было проведено.
Группа ученых Института катализа СО АН СССР в 1977 году при изучении зауглероживания железохромовых катализаторов дегидрирования под микроскопом зарегистрировали образование "пустотелых углеродных дендритов", при этом был предложен механизм образования и описано строение стенок. В 1992 в Nature была опубликована статья, в которой утверждалось, что нанотрубки наблюдали в 1953 г. Годом ранее, в 1952, в статье советских учёных Радушкевича и Лукьяновича сообщалось об электронно-микроскопическом наблюдении волокон с диаметром порядка 100 нм, полученных при термическом разложении окиси углерода на железном катализаторе. Эти исследования также не были продолжены.
Существует множество теоретических работ по предсказанию данной аллотропной формы углерода. В работе химик Джонс (Дедалус) размышлял о свёрнутых трубах графита. В работе Л. А. Чернозатонского и другой, вышедшую в тот же год, что и работа Ииджимы, были получены и описаны углеродные нанотрубы, а М. Ю. Корнилов не только предсказал существование одностенных углеродных нанотруб в 1986 г, но и высказал предположение об их большой упругости.
Структура нанотрубок
Идеальная нанотрубка представляет собой свёрнутую в цилиндр графитовую плоскость, то есть поверхность, выложенную правильными шестиугольниками, в вершинах которых расположены атомы углерода. Результат такой операции зависит от угла ориентации графитовой плоскости относительно оси нанотрубки. Угол ориентации, в свою очередь, задаёт хиральность нанотрубки, которая определяет, в частности, её электрические характеристики.
Рис.1. Сворачивание графитовой плоскости для получения (n, m) нанотрубки
Для получения нанотрубки хиральности (n, m), графитовую плоскость надо разрезать по направлениям пунктирных линий и свернуть вдоль направления вектора R
Упорядоченная пара (n, m), указывающих координаты шестиугольника, который в результате сворачивания плоскости должен совпадать с шестиугольником, находящимся в начале координат называется хиральностью нанотрубки и обозначается. Другой способ обозначения хиральности состоит в указании угла α между направлением сворачивания нанотрубки и направлением, в котором соседние шестиугольники имеют общую сторону. Однако в этом случае для полного описания геометрии нанотрубки необходимо указать её диаметр. Индексы хиральности однослойной нанотрубки (m, n) однозначным образом определяют её диаметр D. Указанная связь имеет следующий вид:
где d 0 = 0,142 нм - расстояние между соседними атомами углерода в графитовой плоскости.
Связь между индексами хиральности (m, n) и углом α даётся соотношением:
Среди различных возможных направлений сворачивания нанотрубок выделяются те, для которых совмещение шестиугольника (n, m) с началом координат не требует искажения его структуры. Этим направлениям соответствуют, в частности, углы α = 0 (armchair конфигурация) и α = 30° (zigzag конфигурация). Указанные конфигурации отвечают хиральностям (n, 0) и (2m, m) соответственно.
Одностенные нанотрубки
Структура одностенных нанотрубок, наблюдаемых экспериментально, во многих отношениях отличается от представленной выше идеализированной картины. Прежде всего это касается вершин нанотрубки, форма которых, как следует из наблюдений, далека от идеальной полусферы. Особое место среди одностенных нанотрубок занимают так называемые armchair-нанотрубки или нанотрубки с хиральностью (10, 10). В нанотрубках такого типа две из С–С связей, входящих в состав каждого шестичленного кольца, ориентированы параллельно продольной оси трубки. Нанотрубки с подобной структурой должны обладать чисто металлической структурой.
Многостенные нанотрубки
Многостенные (multi-walled) нанотрубки отличаются от одностенных значительно более широким разнообразием форм и конфигураций. Разнообразие структур проявляется как в продольном, так и в поперечном направлении. Структура типа «русской матрёшки» (russian dolls) представляет собой совокупность коаксиально вложенных друг в друга цилиндрических трубок. Другая разновидность этой структуры представляет собой совокупность вложенных друг в друга коаксиальных призм. Наконец, последняя из приведённых структур напоминает свиток (scroll). Для всех структур характерно значение расстояния между соседними графитовыми слоями, близкое к величине 0,34 нм, присущей расстоянию между соседними плоскостями кристаллического графита.
Реализация той или иной структуры многостенных нанотрубок в конкретной экспериментальной ситуации зависит от условий синтеза. Анализ имеющихся экспериментальных данных указывает, что наиболее типичной структурой многостенных нанотрубок является структура с попеременно расположенными по длине участками типа «русской матрёшки» и «папье-маше». При этом «трубки» меньшего размера последовательно вложены в трубки большего размера.
Получение углеродных нанотрубок
Развитие методов синтеза углеродных нанотрубок (УНТ) шло по пути снижения температур синтеза. После создания технологии получения фуллеренов было обнаружено, что при электродуговом испарении графитовых электродов наряду с образованием фуллеренов образуются протяженные цилиндрические структуры. Микроскопист Сумио Ииджима, используя просвечивающий электронный микроскоп (ПЭМ) первым идентифицировал эти структуры, как нанотрубки. К высокотемпературным методам получения УНТ относятся электродуговой метод. Если испарить графитовый стержень (анод) в электрической дуге, то на противоположном электроде (катоде) образуется жесткий углеродный нарост (депозит) в мягкой сердцевине которого содержатся многостенные УНТ с диаметром 15-20 нм и длиной более 1 мкм. Формирование УНТ из фуллереновой сажи при высокотемпературном тепловом воздействии на сажу впервые наблюдали Оксфордская и Швейцарская группа. Установка для электродугового синтеза металлоемка, энергозатратна, но универсальна для получения различных типов углеродных наноматериалов. При этом существенной проблемой является неравновесность процесса при горении дуги. Электродуговой метод в свое время пришел на смену метода лазерного испарения (абляции) лучем лазера. Установка для абляции представляет собой обычную печь с резистивным нагревом, дающую температуру 1200С. Чтобы получить в ней более высокие температуры, достаточно поместить в печь мишень из углерода и направить на нее лазерный луч, попеременно сканируя всю поверхность мишени.
Таким образом, группа Смолли, используя дорогостоящие установки с короткоимпульсным лазером, получила в 1995 г. нанотрубки, "значительно упростив" технологию их синтеза. Однако, выход УНТ оставался низким. Введение в графит небольших добавок никеля и кобальта позволило увеличить выход УНТ до 70-90%. С этого момента начался новый этап в представлении о механизме образования нанотрубок. Стало очевидным, что металл является катализатором роста. Так появились первые работы по получению нанотрубок низкотемпературным методом - методом каталитического пиролиза углеводородов (CVD), где в качестве катализатора использовались частицы металла группы железа. Один из варианов установки по получению нанотрубок и нановолокон CVD методом представляет собой реактор, в который подается инертный газ-носитель, уносящий катализатор и углеводород в зону высоких температур. Упрощенно механизм роста УНТ заключается в следующем. Углерод, образующийся при термическом разложении углеводорода, растворяется в наночастице металла.
При достижении высокой концентрации углерода в частице на одной из граней частицы-катализатора происходит энергетически выгодное "выделение" избыточного углерода в виде искаженной полуфулереновой шапочки. Так зарождается нанотрубка. Разложившийся углерод продолжает поступать в частицу катализатора, и для сброса избытка его концентрации в расплаве нужно постоянно избавляться от него. Поднимающаяся полусфера (полуфуллерен) с поверхности расплава, увлекает за собой растворенный избыточный углерод, атомы которого вне расплава образуют связь С–С представляющую собой цилиндрический каркас-нанотрубку. Температура плавления частицы в наноразмерном состоянии зависит от ее радиуса. Чем меньше радиус, тем ниже температура плавления. Поэтому, наночастицы железа, с размером порядка 10 нм находятся в расплавленном состоянии ниже 600С. На данный момент осуществлен низкотемпературный синтез УНТ методом каталитического пиролиза ацетилена в присутствии частиц Fe при 550С. Снижение температуры синтеза имеет и негативные последствия. При более низких температурах получаются УНТ с большим диаметром (около 100 нм) и сильно дефектной структурой типа "бамбук" или вложенные наноконусы. Полученные материалы только состоят из углерода, но к экстраординарным характеристикам (например, модуль Юнга) наблюдаемым у одностенных углеродных нанотрубок, получаемых методом лазерной абляции или электродуговым синтезом, они даже близко не приближаются.
) — создание новых тканей и органов для терапевтической реконструкции поврежденного органа посредством доставки в нужную область опорных структур, молекулярных и механических сигналов для регенерации.
Описание
Обычные имплантаты из инертных материалов могут устранить только физические и механические недостатки поврежденных тканей. Целью тканевой инженерии является восстановление биологических (метаболических) функций, т. е. регенерация ткани, а не простое замещение ее синтетическим материалом.
Создание тканеинженерного имплантата (графта) включает несколько этапов:
- отбор и культивирование собственного или донорского клеточного материала;
- разработка специального носителя для клеток (матрицы) на основе биосовместимых материалов;
- нанесение культуры клеток на матрицу и размножение клеток в биореакторе со специальными условиями культивирования;
- непосредственное внедрение графта в область пораженного органа или предварительное размещение в области, хорошо снабжаемой кровью, для дозревания и формирования микроциркуляции внутри графта (префабрикация).
Клеточный материал может быть представлен клетками регенерируемой ткани или стволовыми клетками. Для создания матриц графтов применяют биологически инертные синтетические материалы, материалы на основе природных полимеров (хитозан, альгинат, коллаген), а также биокомпозитные материалы. Например, эквиваленты костной ткани получают путем направленного дифференцирования стволовых клеток костного мозга, пуповинной крови или жировой ткани. Затем полученные остеобласты (молодые клетки кости, отвечающие за ее рост) наносят на различные материалы, поддерживающие их деление, - донорскую кость, коллагеновые матрицы, пористый гидроксиапатит и др. Живые эквиваленты кожи, содержащие донорские или собственные кожные клетки, в настоящее время широко применяются в США, России, Италии. Эти конструкции позволяют улучшить заживление обширных ожоговых . Разработка графтов ведется также в кардиологии (искусственные клапаны сердца, реконструкция крупных сосудов и капиллярных сетей); для восстановления органов дыхания (гортань, трахея и бронхи), тонкого кишечника, печени, органов мочевыделительной системы, желез внутренней секреции и нейронов. металлов в тканевой инженерии используются для контроля роста клеток через воздействие на них магнитными полями разной направленности. Например, таким способом удалось создать не только аналоги структур печени, но и такие сложные структуры, как элементы сетчатки глаза. Также материалы, созданные с помощью метода (electron beam lithography, EBL), обеспечивают наноразмерную поверхности матриц для эффективного формирования костных имплантантов. Создание искусственных тканей и органов позволит отказаться от трансплантации большей части донорских органов, улучшит качество жизни и выживаемость пациентов.
Авторы
- Народицкий Борис Савельевич
- Нестеренко Людмила Николаевна
Источники
- Нанотехнологии в тканевой инженерии // Нанометр. -www.nanometer.ru/2007/10/16/tkanevaa_inzheneria_4860.html
- Стволовая клетка // Википедия, свободная энциклопедия.www.ru.wikipedia.org/wiki/Стволовые_клетки (дата обращения: 12.10.2009).
Статья на конкурс «био/мол/текст»: Петр I мечтал «прорубить окно в Европу», а ученые нашего времени - окно в современную медицину. Сочетание «медицина + биотехнология» нашло свое отражение в тканевой инженерии - технологии, открывающей возможность восстановления утраченных органов без трансплантации. Методы и результаты тканевой инженерии поражают: это получение живых (а не искусственных!) органов и тканей; регенерация тканей; печать кровеносных сосудов на 3D-принтере; использование «тающих» в организме хирургических шовных нитей и многое другое.
В последние десятилетия стали отчетливо проявляться тревожные тенденции старения населения, роста количества заболеваний и инвалидизации людей трудоспособного возраста, что настоятельно требует освоения и внедрения в клиническую практику новых, более эффективных и доступных методов восстановительного лечения больных. На рисунке 1 показано, как изменяется структура заболеваний в настоящее время.
На сегодняшний день наука и техника предлагает несколько альтернативных путей восстановления или замены поврежденных или пораженных патологией тканей и органов:
- трансплантацию;
- имплантацию;
- тканевую инженерию.
В рамках данной статьи мы подробнее остановимся на возможностях и перспективах тканевой инженерии.
Тканевая инженерия - современная инновационная технология
Принципиально новый подход - клеточная и тканевая инженерия - является последним достижением в области молекулярной и клеточной биологии. Этот подход открыл широкие перспективы для создания эффективных биомедицинских технологий, с помощью которых становится возможным восстановление поврежденных тканей и органов и лечение ряда тяжелых метаболических заболеваний человека.
Цель тканевой инженерии - конструирование и выращивание вне организма человека живых, функциональных тканей или органов для последующей трансплантации пациенту с целью замены или стимуляции регенерации поврежденных органа или ткани. Иными словами, на месте дефекта должна быть восстановлена трехмерная структура ткани.
Важно отметить, что обычные имплантаты из инертных материалов могут устранить только физические и механические недостатки поврежденных тканей, - в отличие от тканей, полученных методом инженерии, которые восстанавливают, в том числе, и биологические (метаболические) функции. То есть, происходит регенерация ткани, а не простое замещение ее синтетическим материалом.
Однако для развития и совершенствования методов реконструктивной медицины на базе тканевой инженерии необходимо освоение новых высокофункциональных материалов. Эти материалы, применяемые для создания биоимплантатов, должны придавать тканеинженерным конструкциям характеристики, присущие живым тканям:
- способность к самовосстановлению;
- способность поддерживать кровоснабжение;
- способность изменять строение и свойства в ответ на факторы окружающей среды, включая механическую нагрузку.
Клетки и матриксы - основа основ для тканевой инженерии
Наиболее важным элементом успеха является наличие необходимого количества функционально активных клеток, способных дифференцироваться, поддерживать соответствующий фенотип и выполнять конкретные биологические функции. Источником клеток могут быть ткани организма и внутренние органы. Возможно использование соответствующих клеток от пациента, нуждающегося в реконструктивной терапии, или от близкого родственника (аутогенных клеток). Могут быть использованы клетки различного происхождения, в том числе первичные (рис. 2) и стволовые клетки (рис. 3).
Рисунок 2. Первичная клетка человека.
библиотека Федерации Киокушинкай г. Южноуральска
Первичные клетки - это зрелые клетки определенной ткани, которые могут быть взяты непосредственно от организма-донора (ex vivo ) хирургическим путем. Если первичные клетки взяты у определенного организма-донора, и впоследствии необходимо имплантировать эти клетки ему же в качестве реципиента, то вероятность отторжения имплантированной ткани исключается, поскольку присутствует максимально возможная иммунологическая совместимость первичных клеток и реципиента. Однако первичные клетки, как правило, не способны делиться - их потенциал к размножению и росту низок. При культивировании таких клеток in vitro (посредством тканевой инженерии) для некоторых типов клеток возможна дедифференцировка, то есть потеря специфических, индивидуальных свойств. Так, например, хондроциты, вводимые в культуру вне организма, часто продуцируют фиброзный, а не прозрачный хрящ.
Поскольку первичные клетки не способны делиться и могут потерять свои специфичные свойства, возникла необходимость альтернативных источников клеток для развития технологий клеточной инженерии. Таковой альтернативой стали стволовые клетки.
Для направления организации, поддержания роста и дифференцировки клеток в процессе реконструкции поврежденной ткани необходим специальный носитель клеток - матрикс , представляющий из себя трехмерную сеть, похожую на губку или пемзу (рис. 4). Для их создания применяют биологически инертные синтетические материалы, материалы на основе природных полимеров (хитозан, альгинат, коллаген) и биокомпозиты. Так, например, эквиваленты костной ткани получают путем направленной дифференцировки стволовых клеток костного мозга, пуповинной крови или жировой ткани в остеобласты, которые затем наносят на различные материалы, поддерживающие их деление (например, донорскую кость, коллагеновые матрицы и др.).
«Фирменная» стратегия тканевой инженерии
На сегодняшний день одна из стратегий тканевой инженерии такова:
- Отбор и культивирование собственных или донорских стволовых клеток.
- Разработка специального носителя для клеток (матрицы) на основе биосовместимых материалов.
- Нанесение культуры клеток на матрицу и размножение клеток в биореакторе со специальными условиями культивирования.
- Непосредственное внедрение тканеинженерной конструкции в область пораженного органа или предварительное размещение в области, хорошо снабжаемой кровью, для дозревания и формирования микроциркуляции внутри конструкции (префабрикация).
Матриксы через некоторое время после имплантации в организм хозяина полностью исчезают (в зависимости от скорости роста ткани), а в месте дефекта останется только новая ткань. Также возможно внедрение матрикса с уже частично сформированной новой тканью («биокомпозит»). Безусловно, после имплантации тканеинженерная конструкция должна сохранить свои структуру и функции в течение периода времени, достаточного для восстановления нормально функционирующей ткани в месте дефекта, и интегрироваться с окружающими тканями. Но, к сожалению, идеальные матриксы, удовлетворяющие всем необходимым условиям, пока не созданы.
Кровеносные сосуды из принтера
Перспективные тканеинженерные технологии открыли возможность лабораторного создания живых тканей и органов, но перед созданием сложных органов наука пока бессильна. Однако сравнительно недавно ученые под руководством доктора Гунтера Товара (Gunter Tovar ) из Общества Фраунгофера в Германии сделали огромнейший прорыв в сфере тканевой инженерии - они разработали технологию создания кровеносных сосудов. А ведь казалось, что капиллярные структуры создать искусственно невозможно, поскольку они должны быть гибкими, эластичными, малой формы и при этом взаимодействовать с естественными тканями. Как ни странно, но на помощь пришли производственные технологии - метод быстрого прототипирования (другими словами, 3D-печать). Подразумевается, что сложная трехмерная модель (в нашем случае кровеносный сосуд) печатается на трехмерном струйном принтере с использованием специальных «чернил» (рис. 5).
Принтер наносит материал послойно, и в определенных местах слои соединяются химически. Однако заметим, что для мельчайших капилляров трехмерные принтеры пока недостаточно точны. В связи с этим был применен метод многофотонной полимеризации, используемый в полимерной промышленности. Короткие интенсивные лазерные импульсы, обрабатывающие материал, так сильно возбуждают молекулы, что они взаимодействуют друг с другом, соединяясь в длинные цепочки. Таким образом, материал полимеризуется и становится твердым, но эластичным, как естественные материалы. Эти реакции настолько управляемы, что с их помощью можно создавать мельчайшие структуры по трехмерному «чертежу».
А для того, чтобы созданные кровеносные сосуды могли состыковаться с клетками организма, при изготовлении сосудов в них интегрируют модифицированные биологические структуры (например, гепарин) и «якорные» белки. На следующем этапе в системе созданных «трубочек» закрепляются клетки эндотелия (однослойный пласт плоских клеток, выстилающий внутреннюю поверхность кровеносных сосудов) - для того, чтобы компоненты крови не приклеивались к стенкам сосудистой системы, а свободно транспортировались по ней.
Однако прежде чем действительно можно будет имплантировать выращенные в лаборатории органы с собственными кровеносными сосудами, пройдет еще какое-то время.
Давай, Россия, давай вперед!
Без ложной скромности скажем, что и в России создана научная основа для практического применения биомедицинских материалов нового поколения. Интересную разработку предложила молодой учёный из Красноярска Екатерина Игоревна Шишацкая (рис. 6) - растворимый биосовместимый полимер биопластотан . Суть своей разработки она объясняет просто: «в настоящее время практические медики испытывают большой дефицит материалов, способных заменить сегменты человеческого организма. Нам удалось синтезировать уникальный материал, который в состоянии заменить элементы органов и тканей человека» . Разработка Екатерины Игоревны найдет применение, прежде всего, в хирургии. «Самое простое - это, например, шовные нити, сделанные из нашего полимера, которые растворяются после того, как зарастает рана , - говорит Шишацкая. - Также можно делать специальные вставки в сосуды - стенты. Это маленькие полые трубки, которые используют, чтобы расширить сосуд. Через некоторое время после операции сосуд восстанавливается, а полимерный заменитель растворяется» .
Первый опыт трансплантации тканеинженерной конструкции в клинике
Рисунок 7. Паоло Маккиарини , мастер-класс которого «Клеточные технологии для тканевой инженерии и выращивания органов» прошел в Москве в 2010 году.
Осенью 2008 года руководитель клиники Университета Барселоны (Испания) и Медицинской школы Ганновера (Германия) профессор Паоло Маккиарини (Paolo Macchiarini ; рис. 7) провел первую успешную операцию по трансплантации биоинженерного эквивалента трахеи пациентке со стенозом главного левого бронха на протяжении 3 см (рис. 8) .
В качестве матрикса будущего трансплантата был взят сегмент трупной трахеи длиной 7 см. Чтобы получить природную матрицу, по свойствам превосходящую все то, что можно сделать из полимерных трубок, трахею очистили от окружающей соединительной ткани, клеток донора и антигенов гистосовместимости. Очищение заключалось в 25 циклах девитализации с применением 4%-деоксихолата натрия и дезоксирибонуклеазы I (процесс занял 6 недель). После каждого цикла девитализации проводили гистологическое исследование ткани для выявления количества оставшихся ядросодержащих клеток, а также иммуногистохимическое исследование на наличие в ткани антигенов гистосовместимости HLA-ABC, HLA-DR, HLA-DP и HLA-DQ. Благодаря биореактору собственной разработки (рис. 9) ученые на поверхность медленно вращающегося отрезка трахеи равномерно нанесли шприцем суспензию клеток. Затем трансплантат, наполовину погруженный в среду для культивирования, вращался вокруг своей оси с целью попеременного контакта клеток со средой и воздухом.
Рисунок 9. Биореактор для создания тканеинженерного эквивалента трахеи. А - схема биореактора, вид с боку. Б - герметизация биореактора. В - биореактор с тканеинженерным эквивалентом трахеи in situ . Г - биореактор после удаления эквивалента трахеи. Д - вид эквивалента трахеи непосредственно перед операцией.
Эквивалент трахеи находился в биореакторе 96 часов; затем его трансплантировали пациентке. При операции был полностью удален главный левый бронх и участок трахеи, к которому он примыкал. В образовавшийся промежуток вшили трансплантат, а некоторое несоответствие диаметров просветов тканеинженерного эквивалента и бронха реципиента было преодолено благодаря эластичности донорской ткани.
По истечении десяти суток после операции пациентка была выписана из клиники без признаков дыхательной недостаточности и иммунной реакции отторжения трансплантата. По данным компьютерной томографии, с помощью которых была сделана виртуальная 3D реконструкция дыхательных путей, тканеинженерный эквивалент был практически неотличим от собственных бронхов пациентки (рис. 10).
;. DailyMail ;
