Рецепт искусственного органа

За последние сорок лет мы научились ремонтировать гены человека и создавать биомеханические протезы, контролируемые силой мысли. А ведь это даже не вершина айсберга. Ученые намерены создавать запчасти к человеческим органам, отсюда и возникает в медицине отдельная дисциплина — тканевая инженерия. О том, как продвигаются исследования в этой области, какие методы используются и чего нам ждать в будущем, корреспондент NewTone узнал в Институте молекулярной биологии и генетики СЗФМИЦ им. В. А. Алмазова.
 

Представьте, что живете в восьмидесятых, и вам сказали, что вскоре с помощью компьютера вы сможете заниматься всем: от проектирования самолетов до сделок на фондовом рынке; что миллиарды людей будут связаны одной сетью. Тогда это показалось бы абсурдным, но научная фантастика 1980-х стала частью нашей обыденной жизни. Сегодня подобное происходит и в медицине. Так возникла новая и активно развивающаяся область — тканевая инженерия. Главная ее цель — создание органов или тканей и их использование в клиничес­кой медицине. 

Ученые уже сегодня могут получать искусственные сосуды человека. Вы спросите: зачем это нужно? Например, при аортокоронарном шунтировании требуется заменить много сосудов. Обычно новые берут с сухожилий ноги. Но если человек пожилой, то сосуды часто поражены атеросклерозом и находятся в таком состоянии, что их невозможно использовать. И тут возникает вопрос: «Как вылечить старые сосуды и откуда взять новые?» Именно здесь на помощь приходят достижения тканевой инженерии, которые позволяют конструировать и выращивать необходимые органы из клеток пациента, не вызывая отторжения трансплантата. Поиском решения таких проблем занимается лаборатория Института молекулярной биологии и генетики под руководством Анны Александровны Костаревой. К сожалению, науке пока неизвестен идеальный метод для создания искусственного органа. Сегодня для решения этой задачи существуют несколько способов.

Рецепт № 1. Трансформер

Нам понадобится:
1 орган от животного, 1 биореактор, питательная среда и реципиент

Для начала создаем межклеточную матрицу на основе органа какого-нибудь животного, например свиньи. Далее путем специфических химических реакций тщательно удаляем все собственные клетки свиньи, чтобы осталась только бесклеточная матрица — каркас. Затем помещаем (или, как говорят специалисты, «заселяем») туда новые, стволовые клетки, из которых впоследствии будет создан нужный орган. Переносим все это в специальную питательную среду и ждем, когда вырастет орган. И только после успешного роста можно будет пересадить его реципиенту. Готово!
Главный недостаток метода заключается в том, что это очень трудоемкий процесс. Для создания необходимого органа требуется выполнить немалый объем лабораторных работ. При этом сохраняется большой риск того, что организм отторгнет трансплантат, так как невозможно убрать абсолютно все исходные клетки донора матрицы.

Рецепт № 2. Скаффолд-технологии (scaffold-technology)

Нам понадобится:
1 полимерный каркас, имплантированный материал, 1 биореактор

Скаффолд-технологии — это создание каркасов на основе химических полимеров. Процесс происходит в два этапа. Для начала синтезируем материалы, к которым можно прикрепить клетки, затем создаем из них конструкции подходящей формы и структуры. Важно помнить: на полимерные каркасы помещаем клетки, которые в дальнейшем самоорганизуются, образуя новую ткань или орган. Кроме того, полимерные материалы должны быть максимально близки по свойствам тем тканям, которые они призваны заместить. Нужно учитывать растяжение, напряжение, прочность при нагрузках и воссоздавать эти свойства в искусственных материалах. Только после нахождения идеального полимерного материала возможно «заселять» клетки на искусственный каркас, а потом уже транспортировать такой фрагмент пациенту. Альтернативный подход заключается в том, чтобы вживить полимерный материал в организм и ждать, пока клетки там заселятся самостоятельно. Правда, результат зависит от случая, так как эти процессы могут происходить по-разному.

Рецепт № 3. Типография органов

Нам понадобится:
1 3D-принтер, «биочернила», 1 подложка (биобумага), 1 биореактор

Существует еще более интригующий и, возможно, самый перспективный метод. Помните, как в телесериале Star Trek («Звездный путь») герои подходили к некоему устройству и доставали из него все, что им нужно? Сегодня ученые пытаются изобрести нечто подобное. Это и есть третий метод — метод биологического быстрого прототипирования (другими словами, 3D-биопечать). Биоинженеры и врачи активно ищут способ производить органы из взрослых стволовых клеток, задача которых заключается в восстановлении поврежденных тканей. Этот подход позволит печатать функционирующие человеческие органы с помощью 3D-принтера.
Как же происходит приготовление нового органа? Самое трудное сделает за нас чудо-принтер. Сложная трехмерная модель, например кровеносный сосуд, печатается на трехмерном струйном принтере с использованием специальных «биочернил». Для изготовления чернил берем полимерные материалы, обладающие различными свойствами (эластичность, растяжимость, прочность). Печать идет послойно, затем модель органа покрываем слоями внешней оболочки, состоящей из другого разлагаемого полимера. Эта оболочка помогает держать органам и тканям форму, образуя полимерный каркас. Затем в условиях лабораторного культивирования в каркас доставляют различные клетки. Клетки начинают самостоятельно выделять специальное вещество (матрикс), которое обеспечивает их механическую поддержку, и, в конечном итоге, необходимость во вспомогательном материале отпадает. В ходе культивирования полимерный материал биологически разлагается. Вуаля! Созданный орган можно внедрять или вживлять в организм.
Конечно же, процесс печати проходит гораздо сложнее и много дольше, чем это описано здесь. Но и поиски идеального донора — тоже довольно продолжительный процесс. Иногда, чтобы найти естественный орган для трансплантации, уходит несколько месяцев, а то и год, а состояние пациента ухудшается. Благодаря биопринтингу в ближайшее время возможно будет ускорить процесс по замене нужного органа. Напечатанный орган будет состоять из клеток пациента и точно не будет отторгнут. Достижения в направлении печати органов смогут помочь многим людям.

Не стоит забывать, что для «приготовления» идеального искусственного органа нужно учитывать определенные параметры. Во-первых, он должен быть биосовместимым, то есть не вызывающим иммунные реакции. Именно поэтому, если берутся биологические донорские органы, они тщательно проходят обработку: удаляется все, что может вызвать иммунный ответ реципиента. Во-вторых, по физическим характеристикам искусственный орган должен совпадать с той тканью, которую замещает. Следует учитывать силу растяжения, эластичность, жесткость, плотность органов, так как искусственно созданные сосуды тканей должны быть максимально приближены к натуральным. 

— Стремительный прогресс в создании и восстановлении поврежденных органов в скором времени приведет к широкому применению технологий тканевой инженерии в клинической практике и поможет продлить жизнь многим пациентам.

Анна Александровна Костарева

С помощью тканевой инженерии уже возможно создавать кожу, кости, хрящи, поджелудочную железу и некоторые элементы сердечно-сосудис­той системы. Разрабатываются тканеинженерные кровеносные сосуды, необходимые для проведения операций при заболеваниях, в результате которых у пациента нарушена проходимость сосудов, и невозможно использовать синтетические протезы.

Материал опубликован в журнале NewTone