Еще вчера казалось, что производство запасных органов для нашего хрупкого тела - занятная фантастика, которая, кто знает, может, и реализуется в далеком будущем. А сегодня мы беседуем с человеком, благодаря которому выращивание новых органов стало реальностью и спасением для первых пациентов. Не менее удивительным кажется, что самые новаторские операции по трансплантации созданных в лаборатории органов и самые передовые исследования в области регенеративной медицины проводятся не где-нибудь, а у нас в Краснодаре
Паоло Маккиарини часто произносит слово «фантастика», когда хочет что-нибудь похвалить. Темпераментный, как герой итальянского фильма, он легко переходит от отчаянных восклицаний вроде «Все хотят моей смерти!» (это о коллегах-завистниках) к бурному восхищению перспективами исследований, сулящих спасение новых жизней.
Мы с Паоло ужинаем в одном из ресторанов Олимпийской деревни в Сочи - здесь проходит конференция «Генетика старения и долголетия», на которую со всего мира съехались крупнейшие специалисты в области борьбы со старением.
Несмотря на украинские события, от участия никто не отказался, а что касается Маккиарини, ему и границу пересекать не пришлось. Вообще-то он ученый планетарного масштаба - чуть ли не потенциальный лауреат Нобелевской премии.
Но уже несколько лет Маккиарини руководит Центром регенеративной медицины Кубанского медицинского университета. Переманить профессора в Краснодар сумели с помощью мегагранта правительства РФ в 150 миллионов рублей. На эти деньги и был создан центр.
Здесь мне не надо гоняться за пожертвованиями и можно сосредоточиться на спасении пациентов. Кстати, записывайте - я обращаюсь к мистеру Путину: прошу выдать мне русский паспорт, как Депардье! - смеется Маккиарини.
В обмен на новое сердце для него?
Политику здесь на конференции воспринимают под довольно необычным углом зрения.
У нас есть пациент из Крыма, который ждет трансплантации трахеи с 2011 года, - рассказывает Паоло. - Я несколько раз его смотрел, но прооперировать не мог: ему пришлось бы платить за это, больница не может принять бесплатно иностранного гражданина. Но сейчас Россия захватила… ой, то есть присоединила Крым, и мы сможем сделать ему операцию бесплатно - вот этому я очень рад! В начале июня будем оперировать.
Технология производства трахеи, разработанная Маккиарини, - гордость и главное достижение регенеративной хирургии, новаторского направления медицины, которое занимается выращиванием органов. В 2008 году он первым в мире провел операцию по пересадке пациентке трахеи, выращенной из ее собственных стволовых клеток на донорском каркасе в биореакторе, в 2009-м осуществил другую уникальную операцию: на этот раз орган был сформирован внутри тела пациента без использования биореактора. Наконец, в 2011 году провел первую операцию по трансплантации человеческого органа, целиком выращенного в лаборатории на искусственном каркасе, то есть без использования донорских органов.
В Россию Маккиарини впервые приехал в 2010-м - по приглашению фонда «Наука за продление жизни» провел в Москве мастер-класс по регенеративной медицине. Вскоре он сделал первую в России операцию по трансплантации трахеи девушке, которая после автомобильной катастрофы не могла разговаривать и даже ходить из-за проблем с дыханием. Девушка выздоровела, Маккиарини выиграл мегагрант и стал проводить свои операции у нас в стране, все время добавляя в них что-то новое. Так, недавно он вместе с искусственной трахеей пересадил пациентке часть гортани.
Как можно вырастить орган отдельно от самого человека? - не могу я взять в толк.
Вообще говоря, это невозможно. Из клеток взрослого человека целый орган вырастить не получится. Помимо клеток нужно кое-что еще - донорский орган или искусственный каркас.
Вначале мы делали так: брали орган донора - человека или животного (обычно свиньи) и освобождали его от генетического материала, то есть от клеток. Для этого орган помещали в специальную жидкость, растворяющую мышечные ткани и другие клетки, чтобы остался лишь каркас из соединительной ткани, сетка волокон. У любого органа есть каркас, придающий ему форму, - называется внеклеточный матрикс. Каркас очищенного от клеток органа, взятого у свиньи, не отторгается иммунной системой человека, но там все равно есть проблемы: можно случайно занести вирус, ну, и у многих людей это вызывает неприятие, например у мусульман. Так что лучше всего было использовать каркас человеческого сердца, взятого у погибшего донора.
Но в 2011 году мы освоили технологию, не требующую доноров вообще, - создание синтетического каркаса. Он производится по размерам пациента, это такая трубка из упругого и пластичного нанокомпозитного материала. Это настоящий прорыв: синтетический каркас освобождает нас от доноров - а для детей, например, их чаще всего и не найти, - снимает вопросы биоэтики и делает операцию намного более доступной.
Но как из этой трубки сделать живой работающий орган?
В биореакторе!
Это что-то вроде биопринтера?
Нет, - смеется Маккиарини, - биопринтер позволяет производить простые ткани, сосуды например, но не сложные органы. А биореактор - это устройство, в котором созданы оптимальные условия для роста и размножения клеток. Он обеспечивает им питание, дыхание, отводит продукты обмена. В биореакторе мы засеиваем на каркас мононуклеары - клетки пациента, выделенные из костного мозга. Это такой вид стволовых клеток, способных превратиться в специализированные клетки разных органов. Каркас в течение 48 часов обрастает этими клетками, а мы побуждаем их превратиться в клетки трахеи. И орган готов, его можно пересаживать пациенту. Организм его не отторгает, ведь он выращен из клеток самого пациента.
Вы ведь не собираетесь ограничиваться трахеей?
Следующими будут пищевод и диафрагма. Сейчас мы испытываем их на животных. А потом вырастим первое работающее сердце - видимо, в коллаборации с Техасским институтом сердца.
На Кубани есть питомник обезьян для медицинских исследований - если все получится, мы будем испытывать на них работу выращенного в лаборатории сердца. Вообще говоря, здесь многие такие вещи сделать гораздо проще, чем в Европе или США. Так что через несколько лет эта технология дойдет до клиники. Есть хорошие шансы, что первое человеческое сердце будет выращено в России.
А какие органы требуются чаще всего?
Ко мне часто обращаются со странными запросами. Однажды президент, кажется, Всемирного общества гомосексуалистов попросил сделать ему пенис.
Второй пенис - интересная мысль!
Да нет, единственный, почему-то его не было. Но я не смог ему помочь, ничего в пенисах не понимаю. И матку просили сделать. Люди ведь хотят не только продления жизни, и несчастны они не только из-за болезней - им не дают покоя всякие безумные желания.
Но мы не занимаемся всеми этими модными вещами. Что мы действительно пытались сделать - это вырастить яички, потому что очень много детей страдает раком яичек или их врожденными аномалиями. Но, к сожалению, стволовые клетки не получается превратить в клетки яичек, и мы вынуждены были остановить эти исследования.
А вообще, конечно, мы стараемся работать над тем, что больше всего нужно нашим пациентам. Вот Елена Губарева сейчас делает очень важный проект по выращиванию диафрагмы. Если все получится, это спасет тысячи детей, которые рождаются без диафрагмы и умирают из-за этого.
Какие органы сложнее всего будет вырастить?
Сердце, печень, почки. То есть вырастить их нетрудно - сегодня вполне реально создать любые органы и ткани. А вот заставить их нормально функционировать, вырабатывать необходимые организму вещества очень сложно. Выращенные в лаборатории, они перестают работать уже через несколько часов. Проблема в том, что мы недостаточно хорошо понимаем, как они работают.
Но, может, нам и не нужно будет их выращивать - я мечтаю о том, чтобы использовать стволовые клетки для восстановления работоспособности этих органов. Можно ведь стимулировать процессы регенерации в самом организме. Это просто фантастически привлекательное и дешевое решение: любой человек даже в самой бедной стране имеет собственные стволовые клетки, и не нужно никаких операций по трансплантации органов!
Много нужно времени, чтобы вырастить человеческий орган?
Зависит от его сложности. Трахею мы выращиваем за 3-4 дня, для сердца потребуется 3 недели.
А мозг можно вырастить?
Да, я мечтаю поймать некоторых политиков и заменить им мозг. И яйца заодно. Но если серьезно, выращивание мозга входит в мои планы.
Да ведь в мозгу главное - бесчисленные связи между нейронами, как их воссоздать?
Все обычно переусложняют эту проблему, все гораздо проще. Речь, конечно, не о замене всего мозга. Допустим, я подстрелил вас. У вас ранение в голову, вы потеряли часть мозга, но выжили. А если заменить эту нефункционирующую часть субстратом, функция которого - вызывать рост нейронов, притягивая их из других частей мозга? Тогда поврежденная часть со временем восстановится, постепенно вовлекаясь в деятельность мозга и обрастая связями. Это могло бы полностью изменить жизнь тысяч пациентов!
Как к вашим успехам относятся коллеги?
Ох, сложная это тема, - грустнеет Маккиарини. - Когда вы делаете что-то совсем новое, впервые в истории, вас всегда ругают. И пройдет столько времени, прежде чем люди примут то, что вы делаете! Меня до сих пор критикуют, и жестко, ведь я делаю безумные, небывалые вещи. Люди бывают очень ревнивы к успеху коллег: меня много атаковали, пытались максимально осложнить мне работу, иногда очень грязными способами.
Что самое сложное в вашей работе и жизни?
В моей жизни? Да у меня нет частной жизни. Все так запущено! Самое сложное - отнюдь не наука, а эти атаки коллег, их ревность. Если б они хотя бы делали это с уважением! Нет, тотальное неуважение, никаких человеческих отношений, только конкуренция. Я опубликовал десятки статей в ведущих научных журналах, но мне по-прежнему заявляют, что у меня нет доказательств, что наши методы работают. Они готовы критиковать все на свете, даже как я в туалет хожу.
У меня столько проблем из-за этой ревности, на меня все время адски давят. Наверное, это цена, которую должен заплатить каждый первопроходец. Но ведь мы спасем жизни - это так прекрасно, это стоит любых атак… Стойте, я хочу тирамису! Тирамису! Тирамису! И американо, пожалуйста.
О чем вы мечтаете?
В личном плане? Сесть в лодку и уплыть подальше от всех. И больше никаких контактов с этим миром. Только я и моя собака - мне достаточно. А в профессиональном плане мечтаю о том, чтобы спасать людей без трансплантации органов - путем клеточной терапии. Вау! Это было бы фантастически, просто фантастически здорово!
Когда технология выращивания органов станет массово доступной в развитых странах?
Технология выращивания трахеи уже отработана почти до совершенства. Если мы будем продолжать клинические испытания в Краснодаре, года через два накопится достаточно доказательств, что этот метод безопасен и эффективен, и его начнут применять в других местах. Это зависит от числа пациентов прежде всего, ну, и от многих других вещей. А я буду заниматься пищеводом, диафрагмой, сердцем… Думаю, прогресс будет быстрым, особенно в России. Запасайтесь терпением и ждите - сами все увидите.
Интересно, а новое тело для моего мозга можно будет вырастить?
Это еще зачем?
Чтобы продлить жизнь и молодость, конечно.
Не понимаю, зачем вам опять молодое тело, чтобы покорить тысячи девушек? Скучно же жить слишком долго.
Что-то мне пока не становится скучно, скорей наоборот.
Ну не знаю. Меня уже тошнит от этой жизни! Вы, русские, всегда призываете всех бороться со старением. Вы философы и мечтатели, вам кажутся ужасно важными чисто философские проблемы.
Да что ж тут философского, что может быть естественней любви к жизни?
Вы хотите бороться с природой, а я считаю, наши тела уже совершенны. Посмотрите на себя. Нет, лучше не на себя, а на девушек - природа сотворила их совершенными, кто я такой, чтобы бороться с ней?
Вы уже боретесь, делая операции.
Надо же, какой необычный у нас разговор начался. Такие только в России случаются…
Мы спорили еще долго - пока нас не выставили из закрывающегося ресторана.
Цель программы мегагрантов - привлечь ведущих мировых ученых в российские вузы. Уже состоялось четыре таких конкурса. Первый прошел в 2010-м, последний - в 2014 году. В резуль-тате мегагранты получили 163 российских и зарубежных ученых. Среди них немало знаменитостей, есть даже несколько нобелевских лауреатов. «РР» знакомит с некоторыми из них
Сидней Альтман
Лауреат Нобелевской премии по химии 1989 года, профессор Йеля, займется разработкой антибактериальных и антивирусных препаратов в Институте химической биологии и фундаментальной медицины СО РАН в Новосибирске.
Йорн Тиде
Известный немецкий специалист в области морской геологии и глубоководного бурения, возглавил лабораторию «Палеогеография и геоморфология полярных стран и Мирового океана» на факультете географии и геоэкологии СПбГУ, которая занимается изучением изменений климата в Арктике и обоснованием права России на арктический шельф.
Рональд Инглхарт
Политолог и социолог из США, профессор Мичиганского университета, занимается сравнением ценностных ориентиров в разных странах; в России работает в Высшей школе экономики.
Симомура Осаму
Лауреат Нобелевской премии по химии 2008 года, создатель зеленых светящихся кроликов и поросят, исследует биолюминесценцию в красноярском Сибирском федеральном университете.
Антонио Луке Лопес
Физик, изобретатель и миллионер, профессор Мадридского университета, занимается в питерском физтехе разработкой новых типов солнечных батарей.
Марио Биаджоли
Профессор факультета исследований науки и технологий в Калифорнийском университете в Дэвисе, руководит исследованиями социологии научного и технологического предпринимательства в Европейском университете в Санкт-Петербурге.
Павел Певзнер
Директор программы по биоинформатике и системной биологии в Университете Калифорнии (Сан-Диего), директор Национального центра по вычислительной масс-спектрометрии, создает уникальную для России лабораторию алгоритмической биологии, где ученые займутся чтением геномов.
Прежде чем мы перейдем к непосредственному рассказу о выращивание органов, я хотел бы посвятить вас, что такое стволовые клетки.
Стволовые клетки - прародительницы всех без исключения типов клеток в организме. Они способны к самообновлению и, что самое главное, в процессе деления образуют специализированные клетки различных тканей. Стволовые клетки обновляют и замещают клетки, утраченные в результате каких-либо повреждений во всех органах и тканях. Они призваны восстанавливать организм человека с момента его рождения.
С возрастом количество стволовых клеток в организме катастрофически снижается. У новорожденного 1 стволовая клетка встречается на 10 тысяч, к 20-25 годам – 1 на 100 тысяч, к 30 – 1 на 300 тысяч. К 50-летнему возрасту в организме уже остается всего 1 стволовая клетка на 500 тысяч. Истощение запаса стволовых клеток вследствие старения или тяжёлых заболеваний лишает организм возможностей самовосстановления. Из-за этого жизнедеятельность тех или иных органов становится менее эффективной.
Привожу только самые известные примеры научных достижений.
в 2004 году японские ученые впервые в мире вырастили структурно полноценные капиллярные кровеносные сосуды из стволовых клеток
Японские ученые первыми в мире вырастили структурно полноценные капиллярные кровеносные сосуды из стволовых клеток человеческого эмбриона. Об этом 26 марта 2004 года сообщила японская газета Yomiuri.
Как отмечает издание, группа исследователей из медицинской школы Киотского университета под руководством профессора Кадзува Накао использовала капиллярные клетки, генерированные из стволовых клеток, импортированных в 2002 году из Австралии. До сих пор исследователям удавалось регенерировать лишь нервные клетки и мышечную ткань, что недостаточно для "производства" цельного органа. Информация с сайта NewsRu.com
Ученые из Флоридского университета (США) первыми в мире вырастили полностью сформированные и приживающиеся клетки головного мозга. Как сообщил руководитель проекта Бьорн Шеффлер, вырастить клетки удалось путем «копирования» процесса регенерации клеток головного мозга. Теперь ученые надеются выращивать клетки для трансплантации, что может помочь в лечении болезней Альцгеймера и Паркинсона.Шеффлер отметил, что ранее ученым удавалось выращивать нейроны из стволовых клеток, однако именно во Флоридском университете удалось получить полноценные клетки и изучить процесс их роста от начала до конца. Информация с сайта Газета.ру по материалам Independent.
Итальянско-британская группа ученых из эдинбургского и миланского университетов на основе неспециализированных эмбриональных стволовых нервных клеток научилась создавать in vitro различные типы клеток нервной системы.
Ученые применили уже разработанные методы управления эмбриональными стволовыми клетками к полученным ими более специализированным нервным стволовым клеткам. Результаты, которые были достигнуты на клетках мышей, были воспроизведены и на человеческих стволовых клетках. В интервью, данном агентству BBC, Стивен Поллард из Эдинбургского университета пояснил, что разработка его коллег поможет воссоздать болезнь Паркинсона или болезнь Альцгеймера «в пробирке». Это позволит лучше понять механизм их возникновения и развития, а также обеспечит фармакологов мини-полигоном для поиска подходящих средств лечения. Соответствующие переговоры с фармакологическими компаниями уже ведутся.
Осенью 2006 года доктор Саймон Хоерстрап и его коллеги из университета Цюриха впервые вырастили человеческие сердечные клапаны, воспользовавшись стволовыми клетками, взятыми из околоплодной жидкости.
Это достижение может сделать реальным выращивание клапанов сердца специально для ещё не родившегося ребёнка, если у него, ещё в утробе матери, обнаружатся дефекты сердца. А вскоре после рождения младенцу можно будет пересадить новые клапаны.
Вслед за выращиванием в лаборатории из клеток человека мочевого пузыря и кровеносных сосудов - это следующий шаг на пути создания «собственных» органов для конкретного пациента, способных устранить потребность в донорских органах или искусственных механизмах.
Осенью 2006 года британские ученые из университета Ньюкасла объявили о том, что первыми в мире вырастили в лабораторных условиях искусственную печень из стволовых клеток, взятых из пуповинной крови. Техника, которая использовалась при создании «минипечени», размером в 2 см, будет разрабатываться дальше, чтобы создать нормально функционирующую печень стандартного размера.
"Путем биопсии можно взять кусочек ткани, а спустя два месяца ее количество умножится в несколько раз, - объясняет директор института регенеративной медицины Энтони Атала. - Исходный материал и особые вещества мы кладем в специальную форму, оставляем в специальном лабораторном инкубаторе и через несколько недель получаем готовый орган, который уже можно пересаживать". Первую трансплантацию провели еще в конце 90-х. Операцию по пересадке мочевого пузыря сделали семи пациентам. Результаты оправдали ожидания ученых, и сейчас специалисты разрабатывают методы создания еще 20-ти органов - среди них сердце, печень, кровеносные сосуды и поджелудочная железа.
Весной 2007 года группе британских ученых, состоящая из физиков, биологов, инженеров, фармакологов, цитологов и опытных клиницистов, под руководством профессора кардиохирургии Магди Якуба впервые в истории удалось воссоздать одну из разновидностей тканей человеческого сердца при помощи стволовых клеток костного мозга. Эта ткань выполняет роль сердечных клапанов. Если дальнейшие испытания пройдут успешно, разработанную методику можно будет применять для выращивания из стволовых клеток полноценного сердца для трансплантации больным.
Весной 2007 года на симпозиуме по вопросам репродуктивной медицины в городе Иокогама были обнародованы результаты уникального эксперимента специалистов Токийского университета. Исследователи использовали стволовую клетку, взятую из края роговицы. Такие клетки способны развиваться в различные ткани, выполняя в организме восстановительные функции. Выделенная клетка была помещена в питательную среду. Спустя неделю она развилась в группу клеток, а на четвертой неделе преобразовалась в роговицу диаметром 2 см. Таким же образом был получен тонкий защитный слой (конъюнктива), покрывающий роговицу снаружи.
Ученые подчеркивают, что впервые полноценная ткань человеческого организма выращена из единственной клетки. Пересадка органов, полученных новым способом, исключает риск переноса инфекций. Японские ученые намерены приступить к клиническим испытаниям сразу после того, как удостоверяться в безопасности новой технологии.
Японским ученым удалось вырастить зуб из одной клетки. Его вырастили в лабораторных условиях и пересадили мыши. Инъекция клеточного материала была произведена в коллагеновый каркас. После выращивания оказалось, что зуб принял зрелую форму, которая состояла из полноценных частей, таких как дентин, пульпа, сосуды, периодонтальные ткани, и эмаль. По словам исследователей, зуб был идентичен естественному. После трансплантации зуба лабораторной мыши он прижился и функционировал полностью нормально. Данный метод позволит выращивать целые органы из одной-двух клеток, говорят исследователи.
Дорис Тейлор (Doris Taylor) и её коллеги из университета Миннесоты (University of Minnesota) создали живое сердце крысы, используя необычную технику. Ученые взяли взрослое сердце крысы и поместили его в специальный раствор, который удалил из сердца все клетки мышечной сердечной ткани, оставив другие ткани нетронутыми. Этот очищенный каркас был засеян клетками сердечной мышцы, взятыми у новорождённой крысы, и помещён в среду, имитирующую условия в организме.
Всего через четыре дня клетки размножились настолько, что начались сокращения новой ткани, а через восемь дней реконструированное сердце уже могло качать кровь, хотя и всего на 2-процентном уровне мощности (считая от здорового взрослого сердца). Таким образом, учёные получили работоспособный орган из клеток второго животного. Этим путём в будущем можно было бы обрабатывать сердца, взятые для пересадки, для исключения отторжения органа. "Так вы можете сделать любой орган: почку, печень, лёгкое, поджелудочную железу", - говорит Тейлор. Донорский каркас, определяющий форму и структуру органа, будет наполняться родными для больного специализированными клетками, сделанными из стволовых.
Любопытно, что в случае с сердцем в качестве основы можно попробовать взять сердце свиньи, анатомически близкое к человеческому. Удалив только мышечную ткань, прочие ткани такого органа можно будет уже дополнить культивированными человеческими клетками сердечной мышцы, получив гибридный орган, который, по идее, должен хорошо прижиться. А новые клетки будут сразу хорошо снабжаться кислородом - благодаря старым сосудам и капиллярам, оставшимся от сердца донора.
Я привел наиболее интересные факты, если вас заинтересовала эта информация то вы можете углубиться в нее подробней, информация была взята с сайта
Уже сегодня технологии выращивания новых органов широко используются в медицине и позволяют осваивать новые методы изучения иммунной системы и различных заболеваний, а также снижают потребность в трансплантатах. Пациенты, которым сделали пересадку каких-либо органов, нуждаются в большом количестве токсических препаратов для того, чтобы подавлять свою иммунную систему; иначе их организм может отвергнуть пересаженный орган. Однако, благодаря развитию тканевой инженерии, пересадка органов может остаться в прошлом. Используя клетки самих пациентов в качестве материала для выращивания в лаборатории новых видов ткани, ученые открывают все новые технологии создания человеческих органов.
Выращивание органов -- перспективная биоинженерная технология, целью которой является создание различных полноценных жизнеспособных биологических органов для человека. Пока технология не применяется на людях.
Создание органов стало возможным чуть более 10 лет назад благодаря развитию биоинженерных технологий. Для выращивания используют стволовые клетки, взятые у пациента. Разработанная недавно технология ИПК (индуцированные плюрипотентные клетки) позволяет перепрограммировать стволовые клетки взрослого человека так, чтобы из них мог получиться любой орган.
Выращивание органов или тканей человека может быть, как внутренним, так и наружным (в пробирках).
Самый известный ученый в этой области - Энтони Атала, признанный Врачом года-2011, глава лаборатории в Институте регенеративной медицины Вейк Сити (США). Именно под его руководством 12 лет назад был создан первый искусственный орган - мочевой пузырь. Вначале Атала с коллегами создали искусственную матрицу из биосовместимых материалов. Затем взяли у пациента здоровые стволовые клетки мочевого пузыря и перенесли на каркас: одни изнутри, другие снаружи. Через 6-8 недель орган был готов к пересадке.
«Меня учили, что нервные клетки не восстанавливаются, - вспоминал позже Атала. - Как же мы были поражены, когда наблюдали, как пересаженный нами мочевой пузырь покрывается сеткой нервных клеток! Это значило, что он будет, как и должно, общаться с мозгом и функционировать как у всех здоровых людей. Удивительно, как много истин, которые еще 20 лет назад казались незыблемыми, опровергнуто, и теперь нам открыты ворота в будущее».
Для создания матрикса применяют донорские или искусственные ткани, даже углеродные нанотрубки и нити ДНК. Например, кожа, выращенная на каркасе из углеродных нанотрубок, в десятки раз прочнее стали - неуязвима, как у супермена. Только непонятно, как с таким человеком потом работать, например, хирургу. Кожу на каркасе из паучьего шелка (тоже прочнее стали) уже вырастили. Правда, человеку пока не пересаживали.
А самая, пожалуй, передовая технология - печатание органов. Придумал ее все тот же Атала. Метод годится для сплошных органов и особенно хорош для трубчатых. Для первых экспериментов использовали обычный струйный принтер. Позже, конечно, изобрели специальный.
Принцип прост, как все гениальное. Вместо чернил разного цвета картриджи заправлены суспензиями разных типов стволовых клеток. Компьютер вычисляет структуру органа и задает режим печати. Он, конечно, сложнее обычной печати на бумаге, в нем много-много слоев. За счет них и создается объем. Потом все это должно срастись. Уже удалось «напечатать» кровеносные сосуды, в том числе сложно ветвящиеся.
Кожа и хрящи. Их вырастить проще всего: достаточно было научиться размножать кожные и хрящевые клетки вне организма. Хрящи пересаживают уже около 16 лет, это достаточно распространенная операция.
Кровеносные сосуды. Вырастить их несколько сложнее, чем кожу. Ведь это трубчатый орган, который состоит из двух типов клеток: одни выстилают внутреннюю поверхность, а другие формируют наружные стенки. Первыми вырастили сосуды японцы под руководством профессора Кадзува Накао из Медицинской школы Киотского университета еще в 2004 году. Чуть позже, в 2006 году, директор Института стволовой клетки университета Миннесоты в Миннеаполисе (США) Катрин Верфэйл продемонстрировала выращенные клетки мышц.
Сердце. Шестнадцати детям в Германии уже пересажены клапаны сердца, выращенные на каркасе от свиного сердца. Двое детей живут с такими клапанами уже 8 лет, и клапаны растут вместе с сердцем! Американо-гонконгская группа ученых обещает начать пересадку «заплаток» для сердца после инфаркта через 5 лет, а английская команда биоинженеров через 10 лет планирует пересаживать целое новенькое сердце.
Почки, печень, поджелудочная железа. Как и сердце, это так называемые сплошные органы. В них самая высокая плотность клеток, поэтому вырастить их труднее всего. Уже решен главный вопрос: как сделать так, чтобы выращенные клетки составили форму печени или почки? Для этого берут матрицу в форме органа, помещают в биореактор и заполняют клетками.
Мочевой пузырь. Самый первый «орган из пробирки». Сегодня операции по выращиванию и пересадке собственного «нового» мочевого пузыря уже сделаны нескольким десяткам американцев.
Верхняя челюсть. Специалисты из Института регенеративной медицины при университете Тампере (Финляндия) умудрились вырастить верхнюю челюсть человека… в его собственной брюшной полости. Они перенесли стволовые клетки на искусственную матрицу из фосфата кальция и зашили мужчине в живот. Через 9 месяцев челюсть извлекли и поставили на место родной, удаленной из-за опухоли.
Сетчатка глаза, нервная ткань мозга. Достигнуты серьезные успехи, но пока о весомых результатах говорить рано.
Успехи биологии и медицины в новейшей истории существенно продлили среднюю продолжительность жизни и избавили мир от дамоклова меча многих смертельных болезней. Но не все болезни побеждены, да и жизнь человека, тем более активная, все еще кажется нам слишком короткой. Даст ли наука шанс сделать следующий рывок?
Новая кожа Сотрудник лаборатории достает из ванночки полоску искусственно выращенного эпидермиса. Ткань создали в дерматологическом институте в итальянском городе Помеция, Италия, под руководством профессора Микеле де Лука.
Основания для оптимизма, конечно же, есть. В наши дни в науке наметилось несколько направлений, которые, возможно, позволят в близком или дальнем будущем превратить Homo sapiens в более долговечную и надежную мыслящую конструкцию. Первое — это создание электронно-механических «подпорок» для недужного тела. Речь идет о роботизированных бионических протезах конечностей, достоверно воспроизводящих человеческую локомоторику, или даже целых экзоскелетах, которые смогут подарить радость движения парализованным.
Выращивание нервной ткани — наиболее сложно из-за многообразия типов составляющих ее клеток и их сложной пространственной организации. Однако на сегодня существует успешный опыт выращивания аденогипофиза мыши из скопления стволовых клеток.
Эти хитроумные изделия дополнит нейромашинный интерфейс, который позволит считывать команды прямо с соответствующих участков головного мозга. Действующие прототипы подобных устройств уже созданы, теперь главное — их совершенствование и постепенное удешевление.
Вторым направлением можно считать исследования генетических и прочих микробиологических процессов, вызывающих старение. Познание этих процессов, возможно, в будущем даст возможность затормозить увядание организма и продлить активную жизнь за вековой предел, а возможно, и далее.
Поиски ведутся в нескольких направлениях. Одно из них — бионический глаз: электронная камера плюс чип, имплантированный в сетчатку. Есть и некоторые успехи в выращивании сетчатки (пока у мышей).
И наконец, к третьему направлению относятся исследования в области создания подлинных запчастей к человеческому телу — тканей и органов, которые структурно и функционально будут мало чем отличаться от природных и позволят своевременно «отремонтировать» организм, пораженный тяжелой болезнью или возрастными изменениями. Известия о новых шагах в этой области приходят сегодня едва ли не ежедневно.
Базовая технология выращивания органов, или тканевой инженерии, заключается в использовании эмбриональных стволовых клеток для получения специализированных клеток той или иной ткани, например гепатоцитов — клеток паренхимы (внутренней среды) печени. Эти клетки затем помещаются внутрь структуры соединительной межклеточной ткани, состоящей преимущественно из белка коллагена.
Наряду с созданием электронно-механических протезов ведется поиск более естественного имплантата, объединяющего в себе выращенные ткани сердечной мускулатуры с наноэлектронной системой контроля.
Таким образом обеспечивается заполнение клетками всего объема выращиваемого органа. Матрицу из коллагена можно получить путем очистки от клеток донорской биологической ткани или, что гораздо проще и удобнее, создать ее искусственным путем из биоразрушаемых полимеров или специальной керамики, если речь идет о кости. В матрицу помимо клеток вводятся питательные вещества и факторы роста, после чего клетки формируют единый орган или некую «заплатку», призванную заместить собой пораженную часть.
Правда, выращивание искусственной печени, легкого и других жизненно важных органов для пересадки человеку сегодня пока недостижимо, в более простых случаях такая методика успешно применяется. Известен случай пересадки пациентке выращенной трахеи, осуществленной в РНЦ хирургии им. Б.В. Петровского под руководством итальянского профессора П. Маккиарини. В данном случае в качестве основы была взята донорская трахея, которую тщательно очистили от клеток. На их место были введены стволовые клетки, взятые из костного мозга самой пациентки. Туда же были помещены факторы роста и фрагменты слизистой оболочки — их также позаимствовали из поврежденной трахеи женщины, которую предстояло спасти.
Проведены успешные эксперименты по имплантации крысе легкого, выращенного на очищенной от клеток донорской матрице.
Недифференцированные клетки в таких условиях дали начало клетками дыхательного эпителия. Выращенный орган имплантировали пациентке, причем были приняты специальные меры для проращивания имплантата кровеносными сосудами и восстановления кровообращения.
Впрочем, уже существует метод выращивания тканей без применения матриц искусственного или биологического происхождения. Метод нашел воплощение в устройстве, известном как биопринтер. В наши дни биопринтеры «выходят из возраста» опытных образцов, и появляются мелкосерийные модели. Например, аппарат компании Organovo способен распечатать фрагменты тканей, содержащих 20 и более клеточных слоев (причем туда входят клетки разных типов), объединенных межклеточной тканью и сетью кровеносных капилляров.
До выращивания целой искусственной печени еще далеко, однако фрагменты ткани печени человека уже получены методом выращивания на матрице из биоразлагаемых полимеров. Такие имплантаты смогут помочь в восстановлении пораженных участков.
Соединительная ткань и клетки собираются воедино по той же технологии, которую используют при трехмерной печати: движущаяся головка, позиционирующаяся с микронной точностью в трехмерной сети координат, «выплевывает» в нужную точку капельки, содержащие либо клетки, либо коллаген и другие вещества. Разные производители биопринтеров сообщили, что их устройства уже способны распечатывать фрагменты кожи подопытных животных, а также элементы почечной ткани. Причем в результате удалось достичь правильного расположения клеток разных типов друг относительно друга. Правда, эпохи, когда принтеры в клиниках будут способны создавать органы разного назначения и больших объемов, придется еще подождать.
Развитие темы запчастей для человека неизбежно приводит нас к теме самого сокровенного — того, что делает человека человеком. Замена мозга — пожалуй, самая фантастическая идея, касающаяся потенциального бессмертия. Проблема, как нетрудно догадаться, в том, что мозг — похоже, самый сложный из известных человечеству материальных объектов во Вселенной. И, возможно, один из самых непонятных. Известно, из чего он состоит, но очень мало известно о том, как он работает.
Новая кожа. Сотрудник лаборатории достает из ванночки полоску искусственно выращенного эпидермиса. Ткань создали в дерматологическом институте в г. Помеция, Италия, под руководством профессора Микеле де Лука.
Таким образом, если мозг удастся воссоздать как совокупность нейронов, устанавливающих друг с другом связи, надо еще придумать, как поместить в него всю необходимую человеку информацию. Иначе в лучшем случае мы получим взрослого человека с «серым веществом» младенца. Несмотря на всю сверхфантастичность конечной цели, наука активно работает над проблемой регенерации нервной ткани. В конце концов, цель может быть и скромнее — например, восстановление части мозга, разрушенной в результате травмы или тяжелого заболевания.
Проблема искусственной регенерации мозговой ткани усугубляется тем, что мозг обладает высокой гетерогенностью: в нем присутствует множество типов нервных клеток, в частности тормозные и возбуждающие нейроны и нейроглия (буквально — «нервный клей») — совокупность вспомогательных клеток нервной системы. Кроме того, разные типы клеток определенным образом расположены в трехмерном пространстве, и это расположение необходимо воспроизвести.
Это тот самый случай, когда технологии выращивания тканей уже работают в медицине и спасают жизни людей. Известны случаи успешной имплантации трахеи, выращенной на донорской матрице из клеток спинного мозга пациента.
В одной из лабораторий знаменитого Массачусетского технологического института, известного своими разработками в сфере информационных технологий, подошли к созданию искусственной нервной ткани «по-компьютерному», применив элементы технологии изготовления микрочипов.
Исследователи из Бостона взяли смесь нервных клеток, полученных из первичной коры мозга крысы, и нанесли их на тончайшие пластины гидрогеля. Пластины образовали своего рода сэндвич, и теперь задача состояла в том, чтобы вычленить из него отдельные блоки с заданной пространственной структурой. Получив такие прозрачные блоки, ученые намеревались изучать процессы возникновения нервных связей внутри каждого из них.
Технология пересадки человеку мочевого пузыря, выращенного на коллагеновой матрицы из мочевого пузыря или тонкой кишки животного происхождения, уже создана и имеет положительную практику применения.
Задача была решена с помощью фотолитографии. На пласты гидрогеля накладывались пластиковые маски, которые позволяли свету воздействовать лишь на определенные участки, «сваривая» их воедино. Так удалось получить разнообразные по размерам и толщине композиции клеточного материала. Изучение этих «кирпичиков» со временем может привести к созданию значимых фрагментов нервной ткани для использования в имплантах.
Если инженеры MIT подходят к изучению и воссозданию нервной ткани в инженерном стиле, то есть механически формируя нужные структуры, то в Центре биологии развития RIKEN в японском городе Кобе ученые под руководством профессора Йошики Сасаи нащупывают другой путь — evo-devo, путь эволюции развития. Если плюрипотентные стволовые клетки эмбриона могут при делении создавать самоорганизующиеся структуры специализированных клеток (то есть разнообразные органы и ткани), то нельзя ли, постигнув законы такого развития, направлять работу стволовых клеток для создания имплантатов уже с природными формами?
В деле выращивания костей и хрящей на матрицах достигнут большой прогресс, однако восстановление нервной ткани спинного мозга — дело будущего.
И вот главный вопрос, на который намеревались найти ответ японские биологи: насколько зависит развитие конкретных клеток от внешних факторов (например, от контакта с соседними тканями), а в какой степени программа «зашита» внутри самих стволовых клеток. Исследования показали, что есть возможность вырастить из изолированной группы стволовых клеток заданный специализированный элемент организма, хотя внешние факторы играют определенную роль — например, необходимы определенные химические индуцирующие сигналы, заставляющие стволовые клетки развиваться, скажем, именно как нервная ткань. И для этого не понадобится никаких поддерживающих структур, которые придется наполнять клетками — формы возникнут сами в процессе развития, в ходе деления клеток.
Вопрос о пересадке мозга, коль скоро мозг является вместилищем интеллекта и самого человеческого «я», по сути, не имеет смысла, так как если мозг уничтожен, то воссоздать личность невозможно (если только со временем не научатся делать «резервные копии» сознания). Единственное, что могло бы иметь резон - это пересадка головы, а точнее — пересадка тела голове, у которой с телом проблемы. Однако при невозможности на современном уровне медицины восстановления спинного мозга, тело с новой головой останется парализованным. Правда, по мере развития тканевой инженерии, возможно, нервную ткань спинного мозга можно будет восстанавливать с помощью стволовых клеток. На время операции мозг придется резко охлаждать для предотвращения смерти нейронов.
По запатентованной Сасаи методике японцам удалось вырастить трехмерные структуры нервной ткани, первой из которых стала полученная из эмбриональных стволовых клеток мышей сетчатка глаза (так называемый зрительный бокал), которая состояла из функционально различных типов клеток. Они были расположены так, как предписывает природа. Следующим достижением стал аденогипофиз, не просто повторяющий структуру природного, но и выделяющий при пересадке мыши необходимые гормоны.
Разумеется, до полнофункциональных имплантов нервной ткани, а тем более участков человеческого мозга еще очень и очень далеко. Однако успехи искусственной регенерации тканей с применением технологий эволюции развития указывают путь, по которому пойдет вся регенеративная медицина: от «умных» протезов — к композитным имплантатам, в которых готовые пространственные структуры «проращиваются» клеточным материалом, и далее — к выращиванию запасных частей для человека по тем же законам, по которым они развиваются в естественных условиях.
Биопринтер -- биологическая вариация технологии reprap, устройство, способное из клеток создавать любой орган, нанося клетки слой за слоем, уже создано. В декабре 2009 года американской кампанией Organovo и австралийской кампанией Invetech было разработан биопринтер, рассчитанный на мелкосерийный промышленный выпуск. Вместо того, чтобы вырастить нужный орган в пробирке, гораздо легче его напечатать -- так считают разработчики концепции.
Разработки технологии начались ещё несколько лет назад. До сих пор над данной технологией работают исследователи сразу в нескольких институтах и университетах. Но больше преуспели на этой ниве профессор Габор Форгач (Gabor Forgacs) и сотрудники его лаборатории Forgacslab в университете Миссури в рамках проекта Organ Printing, раскрывшие новые тонкости биопечати ещё в 2007 году. Для коммерциализации своих разработок профессор и сотрудники основали кампанию Organovo. Кампанией была создана технология NovoGen, которая включала в себя все необходимые детали биопечати как в биологической части, так и в части "железа".
Была разработана лазерная калибровочная система и роботизированная система позиционирования головок, точность которой составляет несколько микрометров. Это очень важно для размещения клеток в правильном положении. Первые экспериментальные принтеры для Organovo (и по её "эскизам") строила компания nScrypt (рисунок 2). Но те устройства были ещё не приспособлены для практического использования, и применялись для шлифовки технологии.
В мае 2009 года кампания Organovo выбрала в качестве промышленного партнёра медицинскую кампанию Invetech. Эта кампания обладает более чем 30-летним опытом производства лабораторного и медицинского оборудования, в том числе и компьютеризированного. В начале декабря первый экземпляр 3D-биопринтера, воплощающего в себе технологию NovoGen, был отправлен из Invetech в Organovo. Новинку отличают компактные размеры, интуитивно понятный компьютерный интерфейс, высокая степень интеграции узлов и высокая надёжность. В ближайшее время Invetech намерена поставить ещё несколько таких же аппаратов для Organovo, а она уже займётся распространением новинки в научном сообществе. Новый аппарат имеет настолько скромные габариты, что его можно будет поставить в биологический шкаф, который необходим для того, чтобы обеспечить стерильную среду в процессе печати
Надо сказать, что биопечать -- не единственный способ искусственно создавать органы. Однако, классический способ выращивания требует прежде всего изготовить каркас, задающий форму будущего органа. При этом сам каркас несёт опасность стать инициатором воспаления органа.
Преимущество биопринтера в том, что он не требует такого каркаса. Форму органа задаёт само печатающее устройство, располагая клетки в требуемом порядке. Сам биопринтер имеет две головки, наполняемые двумя типами чернил. В роли чернил в первой используются клетки различных типов, а во второй -- вспомогательные материалы (поддерживающий гидрогель, коллаген, факторы роста). «Цветов» у принтера может быть больше двух -- если требуется использовать разные клетки или вспомогательные материалы разного вида.
Особенностью технологии NovoGen является то, что печать ведётся не отдельными клетками. Принтер наносит сразу конгломерат из нескольких десятков тысяч клеток. Это есть основное отличие технологии NovoGen от других технологий биопечати.
Схема работы принтера представлена на рисунке 4.
Итак, сначала выращиваются требуемые ткани. Затем выращенная ткань нарезается цилиндрами в соотношении диаметра к длине 1:1 (пункт a). Далее -- пункт b -- эти цилиндрики на время помещаются в специальную питательную среду, где они приобретают форму маленьких шаров. Диаметр такого шара -- 500 микрометров (пол миллиметра). Оранжевый цвет ткани придаётся с помощью специального красителя. Далее, шарики загружаются в картридж (пункт c) -- который содержит пипетки, наполняемые шариками в порядке один-за-другим. Сам трёхмерный биопринтер (пункт d) должен наносить эти сфероиды с микрометровой точностью (то есть ошибка должна быть меньше тысячной доли миллиметра). Принтер также оборудуется камерами, которые способны наблюдать в реальном времени процесс печати.
Созданный образец принтера работает сразу с тремя «цветами» - два вида клеток (в последних опытах Форгача это были клетки сердечной мышцы и эпителиальные клетки) -- а третий -- это смесь, включающая в себя скрепляющий гель, содержащий коллаген, фактор роста и ряд других веществ. Эта смесь позволяет органу сохранять форму, прежде чем клетки срастутся между собой (пункт d).
По словам Габора, принтер не воспроизводит структуру органа в точности. Однако, этого и не требуется. Природная программа клеток сама корректирует структуру органа.
Схема собирания органа и срастания шаров в орган показана на рисунке 5.
В ходе экспериментов биопринтер из клеток эндотелия и клеток сердечной мышцы цыпленка напечатал «сердце» (рисунок 6). Через 70 часов шарики срослись в единую систему, а через 90 часов - «сердце» начало сокращаться. Причём клетки эндотелия сформировали структуры, подобные капиллярам. Также мышечные клетки, первоначально сокращавшиеся хаотично, с течением времени самостоятельно синхронизировались и стали сокращаться одновременно. Впрочем, к практическому использованию этот прототип сердца пока что не пригодно -- даже если вместо куриных клеток использовать человеческие -- технология биопечати должна быть ещё улучшена.
Гораздо лучше принтер справляется с созданием более простых органов -- например, кусков человеческой кожи или кровеносных сосудов. При печати кровеносных сосудов коллагеновый клей наносится не только на края сосуда, но и в середину. А затем, когда клетки сростутся, клей с лёгкостью удаляется. Стенки сосуда состоят из трех слоёв клеток -- эндотелий, гладкие мышцы и фибробласты. Но исследования показали, что в печати можно воспроизводить только один слой, состоящий из смеси этих клеток -- клетки сами мигрируют и выстраиваются в три однородных слоя. Этот факт может облегчить процесс печати многих органов. Таким образом команда Форгача уже может создавать очень тонкие и ветвящиеся сосуды любой формы. Сейчас исследователи работают над наращиванием слоя мышц на сосудах, что сделает сосуды применимыми для имплантации. Особый интерес представляют сосуды толщиной менее 6 миллиметров -- так как для больших существуют подходящие синтетические материалы.
Иллюстрация с другими экспериментами биопечати -- на рисунке 7.
Пункт a -- кольцо из двух видов биочернил. Они специально окрашены разными флуоресцирующими веществами. Ниже -- это же кольцо через 60 часов. Клетки самостоятельно срастаются. Пункт b - развитие трубки, набранной из колец, показанных на картинке. Пункт c сверху - 12-слойная трубка, составленная из клеток гладких мышечных волокон пуповины; пункт c, внизу - разветвлённая трубка прообраз сосудов для трансплантации. Пункт d - построение сокращающейся сердечной ткани. Слева показана решётка (6 на 6) из сфероидов с клетками сердечной мышцы (без эндотелия), распечатанных на коллагеновой "биобумаге". Если в те же "чернила" добавляются клетки эндотелия (второй рисунок -- красный цвет, кардиомиоциты же тут показаны зелёным), они заполняют сначала пространство между сфероидами, а через 70 часов (пункт d, справа) вся ткань становится единым целым. Внизу: график сокращения клеток полученной ткани. Как видно, амплитуда (отмерена по вертикали) сокращений составляет примерно 2 микрона, а период -- около двух секунд (время отмечено по горизонтали) (фото и иллюстрации Forgacs et al).
На рисунке 8 также приведены структура распечатанных тканей сердца (фотографии Forgacs etal).
Первые образцы 3D-биопринтера от Organovo и Invetech будут доступны для исследовательских и медицинских организаций в 2011 году.
Следует отметить, что Organovo не является единственным игроком на данном рынке. Некоторое время назад западная биотехнологическая компания Tengion представила свою технологию воссоздания органов. Между подходами Tengion и Organovo есть некоторые различия. К примеру две технологии по-разному подходят к организации живых клеток в группы для создания тканей, кроме того принтеры компаний по-разному подходят к проблеме получения образцов и генного анализа. В обеих компания отмечают, что сталкиваются с одними и теми же трудностями - довольно сложно воспроизводить сложные ткани, оба принтера очень долго настраиваются на один тип трехмерной печати. Также разработка самого принтера -- это лишь часть задачи. Также требуется создать специальное программное обеспечение, которое поможет моделировать ткань перед печатью и быстро перенастроить принтер. Сам принтер должен справится с созданием сложнейшего органа за несколько часов. По тонким капиллярам следует как можно скорее подавать питательные вещества, иначе орган погибнет. Тем не менее, обе компании имеют одинаковую конечную цель - «печать» органов человека.
Поначалу оборудование будет использоваться в исследовательских целях. Например, напечатанные фрагменты печени можно будет использовать в токсикологических экспериментах. Позже искусственные фрагменты кожи и мышц, капилляры, кости можно будет использовать для лечения тяжёлых травм и для пластических операций. Как Organovo, так и Tengion сходятся в том, что оборудование, способное быстро и качественно печатать органы целиком появится примерно в 2025-2030 году. Внедрение биопечати позволит сильно удешевить создание новых органов. Новые органы можно будет использовать для замены устаревших частей тела человека и как результат - радикального продления жизни (иммортализма). В перспективе биопечать позволит изобретать новые биологические органы для усовершенствования человека и животных и изобретения искусственых живых существ.
Технологии биопечати.
Этот пост о биопринтерах - изобретении, которое поможет человеку выращивать новые органы взамен износившихся от старости и таким образом значительно продлить ему жизнь.
О технологии биопечати, разработанной Габором Форгачем в кампании Organovo, я уже рассказывал в одном из своих прошлых постов. Однако, это не единственная технология создания искусственного создания органов из клеток. Справедливости ради стоит рассмотреть другие. Пока что до массового применения они все далеки, но то, что такие работы ведутся, радует и вселяет надежду, что по крайней мере одна линия искусственных органов достигнет успеха.
Первое -- это разработки американских учёных Владимира Миронова (Vladimir Mironov) из медицинского университета Южной Каролины (Medical University of South Carolina) и Томаса Боланда (Thomas Boland) из университета Клемсона (Clemson University). Первым исследования начал доктор Боланд, который придумал идею и начал исследования в своей лаборатории, и увлёк ею своего коллегу.
Вместе они с помощью принтера смогли реализовать технологию нанесения клеток слой за слоем. Для опыта были взяты старые принтеры Hewlett-Packard - старые модели использовались потому что у их картриджей достаточно крупные отверстия, чтобы не повредить клетки. Картриджи были тщательно очищены от чернил, и вместо чернил в них была залита клеточная масса. Также пришлось несколько переделать конструкцию принтера, создать программное обеспечение для контроля над температурой, электрическим сопротивлением и вязкостью "живых чернил".
Наносить клетки на плоскость слой-за-слоем ранее пытались и другие учёные, но эти впервые смогли это сделать с помощью струйного принтера.
На нанесении клеток на плоскость учёные останавливаться не собираются.
Чтоб напечатать трёхмерный орган, в качестве клея для соединения клеток предполагается использовать экзотический термообратимый (или "термореверсируемый") гель, созданный недавно Анной Гатовска (Anna Gutowska) из тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории (Pacific Northwest National Laboratory) .
Этот гель является жидким при 20 градусах по Цельсию и затвердевает при температуре выше, чем 32 градуса. И, к счастью, он не вреден для биологических тканей.
При печати на стеклянную подложку наносятся через один слои клеток и слои геля (см. рисунок 1). Если слои достаточно тонкие, то клетки потом сростаются. Гель не мешает сростанию клеток, и в то же самое время придаёт конструкции прочность до того момента, когда клетки сростутся. После чего гель может быть легко удалён с помощью воды.
Команда уже провела несколько экспериментов, используя легко доступные клеточные культуры, типа клеток яичника хомяка.
По мнению авторов, трёхмерная печать может решить проблему создания новых органов для медицины взамен повреждённых или выращивание органов для биологических опытов. Скорее всего, первой будет пущено в массовое использование технология выращивания больших участков кожи для лечения людей, поражённых ожогами. Поскольку исходные клетки для культивирования "живых чернил" будут взяты от самого пациента, так что проблемы с отторжением быть не должно.
Заметим также, что традиционное выращивание органов может занять несколько недель -- так что пациент может не дождаться нужного органа. При пересадке органа от другого человека обычно только каждому десятому удаётся дождаться своей очереди на орган, остальные погибают. Но технология биопечати при наличии достаточно количества клеток может потребовать всего несколько часов для построения органа.
Во время печати потребуется решать такие проблемы, как питание искусственного органа. Очевидно, принтер должен печатать орган со всеми сосудами и капиллярами, через которые уже в процессе печати следует подавать питательные вещества (впрочем, как показали опыты Габора Форгача, по крайней мере некоторые органы способны формировать капилляры самостоятельно). Также орган должен быть напечатан не более чем за несколько часов -- поэтому для повышения прочности креплений клеток предполагается добавлять в скрепляющий раствор белок коллаген.
По прогнозу учёных, уже через несколько лет биопринтеры появятся в клиниках. Перспективы, которые при этом открываются, огромны.
Для печати по этой технологии сложного органа, состоящего из большого количества клеток, требуются картриджи с большим разнообразием чернил. Однако, доктор Фил Кэмпбелл (Phil Campbell) и его коллеги из американского университета Карнеги-Меллона (Carnegie Mellon University), в частности, профессор роботехники Ли Вейсс (Lee Weiss) -- которые тоже проводят эксперименты с биопечатью -- придумали способ, как уменьшить количество видов чернил без вреда для результирующего органа.
Для этого в качестве одного из биоцветов он предложил использовать раствор, содержащий фактор роста BMP-2. В качестве другого биоцвета стволовые использовались клетки, полученные из мышц ног мышей.
Далее, принтером были нанесены на стекло четыре квадрата со сторонами по 750 микрометров -- в каждом из них концентрация гормона роста была различна. Стволовые клетки, оказавшиеся на участках с фактором роста, начали превращаться в клетки костной ткани. И чем большей была концентрация BMP-2, тем выше "урожай" дифференцированных клеток. Стволовые же клетки, которые оказались на чистых участках, превратились в мышечные клетки, так как этот путь развития стволовая клетка выбирает по умолчанию.
Ранее клетки различных видов выращивались отдельно. Но, по словам учёного, совместное выращивание клеток делает эту технику более близкой к природной. "Вы можете создать такую структуру подложки, в которой один конец будет развивать кость, ещё один край -- сухожилие, а третий -- мускулы. Это обеспечивает вам больший контроль над регенерацией ткани", -- говорит автор работы. И при этом будет использоваться только два вида чернил -- что упрощает конструкцию биопринтера.
Проблемой управляемого изменения клеточных структур заинтересовались и учёные из России. «На сегодняшний день ведется очень много разработок, связанных с выращиванием тканей из стволовых клеток, -- комментирует учёный Николай Адреанов. -- Наилучших результатов ученые достигли при выращивании эпителиальной ткани, так как ее клетки очень быстро делятся. А теперь исследователи пытаются с помощью стволовых клеток создать нервные волокна, клетки которых в естественных условиях очень медленно восстанавливаются».
Также по словам Ли Вейсса, занимавшегося разработкой принтера, их технология ещё далека от промышленного внедрения. Кроме того, не помешало бы расширение знания о биологии. "Я могу напечатать довольно сложные вещи. Но, вероятно, один из самых серьёзных ограничивающих факторов (для данной технологии) - это понимание биологии. Нужно точно знать, что именно печатать". На другую проблему указывает кандидат биологических наук, старший научный сотрудник Института биологии развития РАН Александр Ревищин. «В принципе печать тканей “клеточными чернилами” возможна, однако технология пока еще несовершенна, -- отметил он -- Например, если пересадить стволовые клетки в непривычные условия, эти клетки потеряют нить естественного развития и связь с окружающими клетками, что может привести к их перерождению в опухоль». стволовой клеточный биопринтер орган
Но, будем надеется, что в ближайшие годы технология будет отработана.
