Как выращивают органы из стволовых клеток
Автор: Олег Валентинов
Одной из самых перспективных технологий современной медицины является выращивание органов из стволовых клеток. Эта область объединяет достижения клеточной биологии, тканевой инженерии, биоматериалов и биопринтинга. Основная идея состоит в том, чтобы создать новый орган из собственных клеток пациента, что позволит избежать дефицита доноров и проблем иммунного отторжения.
Сегодня исследователи уже научились выращивать небольшие фрагменты тканей, миниатюрные «органоиды» и даже экспериментальные зачатки органов. В ближайшие десятилетия такие технологии могут стать основой новой формы трансплантологии.
Что такое стволовые клетки
Стволовые клетки — это особые клетки организма, которые обладают двумя важными свойствами:
-
самообновление — способность делиться практически бесконечно
-
дифференцировка — способность превращаться в различные типы клеток.
Именно благодаря этому из них можно формировать ткани различных органов.
Существует несколько типов стволовых клеток.
Эмбриональные стволовые клетки
Embryonic stem cell обладают максимальной пластичностью. Они могут превращаться практически в любые клетки организма.
Преимущества:
-
высокая способность к дифференцировке
-
быстрый рост.
Недостатки:
-
этические вопросы
-
риск опухолевого роста.
Индуцированные плюрипотентные клетки
Большим прорывом стало открытие Shinya Yamanaka, 2012 году он получил совместно с британским биологом Джоном Гёрдоном Нобелевскую премию по физиологии и медицине.
Он показал, что обычные клетки кожи можно «перепрограммировать» в состояние стволовых клеток. Такие клетки называют: Induced pluripotent stem cell.
Это означает, что:
-
можно использовать клетки самого пациента
-
снижается риск отторжения.
Основные этапы выращивания органа
Создание органа из стволовых клеток — сложный процесс, который включает несколько стадий.
Этап 1. Получение клеток пациента
Сначала у пациента берут небольшую пробу ткани:
-
кожу
-
кровь
-
клетки костного мозга.
Из этих клеток получают плюрипотентные стволовые клетки.
Этап 2. Программирование клеток
Далее клетки подвергаются воздействию:
-
генетических факторов
-
сигнальных белков
-
факторов роста.
Эти сигналы заставляют клетки превращаться в нужный тип:
-
нейроны
-
клетки печени
-
кардиомиоциты
-
эпителиальные клетки.
Этот процесс называется дифференцировкой.
Этап 3. Формирование ткани
После получения специализированных клеток их помещают на биоматериальный каркас.
Этот каркас называется: Tissue engineering scaffold.
Каркас выполняет несколько функций:
-
задаёт форму будущего органа
-
обеспечивает поддержку клеток
-
направляет рост тканей.
Материалы каркаса могут быть такими:
-
коллаген
-
полимеры
-
гидрогели.
Этап 4. Рост органа в биореакторе
Следующий этап — выращивание ткани в специальной установке.
Такое устройство называется: Bioreactor.
Биореактор поддерживает оптимальные условия:
-
температуру
-
уровень кислорода
-
питательные вещества
-
механические нагрузки.
Некоторые биореакторы даже имитируют:
-
кровоток
-
дыхательные движения
-
давление.
Использование «каркасов» донорских органов
Одной из интересных технологий является децеллюляризация.
Суть метода:
-
берётся донорский орган
-
из него удаляются все клетки
-
остаётся только белковый каркас.
Этот каркас сохраняет:
-
структуру сосудов
-
форму органа
-
архитектуру тканей.
После этого каркас заселяют клетками пациента.
Пример: выращивание трахеи
Одним из первых клинических применений тканевой инженерии стала реконструкция трахеи.
Такие операции проводились, например, в клиниках Karolinska Institute (Швеция).
Трахея — относительно простой орган, потому что она:
-
имеет трубчатую форму
-
состоит из ограниченного числа типов клеток.
Органоиды — миниатюрные органы
В лабораториях часто выращивают небольшие модели органов.
Они называются: Organoid.
Органоиды могут имитировать:
-
мозг
-
кишечник
-
печень
-
почки.
Например:
Brain organoid используется для изучения развития мозга и заболеваний.
Такие структуры имеют размеры всего несколько миллиметров, но уже обладают:
-
клеточной архитектурой органа
-
функциональной активностью.
Биопечать органов
Одним из самых перспективных направлений является 3D-биопечать.
Она использует специальные принтеры, которые печатают ткани слой за слоем.
Этот метод называется: 3D bioprinting.
Как работает биопечать
Биопринтер использует так называемые биочернила.
Они состоят из:
-
живых клеток
-
гидрогелей
-
факторов роста.
Принтер создаёт структуру будущего органа, размещая клетки в нужных местах.
После печати ткань помещают в биореактор для созревания.
Какие органы уже пытаются выращивать
Сегодня активно ведутся исследования по созданию:
Кожи
Выращивание кожи — одна из самых успешных технологий.
Выращенная кожа используется при Severe burns (в медицине этот термин описывает критические повреждения тканей, вызванные воздействием высоких температур, электричества, химических веществ или радиации. Такие травмы характеризуются глубоким поражением кожи или большой площадью повреждения поверхности тела).
Хрящей
Например:
-
ушная раковина
-
носовые структуры.
Такие ткани относительно просты и хорошо подходят для биопечати.
Кровеносных сосудов
Сосуды необходимы для любого органа.
Печени
Исследователи создают печёночные органоиды, которые могут выполнять некоторые функции настоящей печени.
Почек
Модели почек используются для изучения Kidney disease (это общее название патологий, при которых почки повреждаются и теряют способность эффективно фильтровать кровь, выводить токсины и жидкость).
Главные трудности
Несмотря на огромный прогресс, выращивание полноценных органов остаётся сложной задачей.
Основные проблемы:
1. Кровеносные сосуды
Большой орган требует сложной сети сосудов. Без них клетки погибают из-за недостатка кислорода.
2. Нервная система
Некоторые органы требуют сложной нервной регуляции.
Например:
-
сердце
-
кишечник.
3. Сложная структура
Органы состоят из множества типов клеток.
Например, печень содержит:
-
гепатоциты
-
иммунные клетки
-
клетки сосудов
-
соединительную ткань.
Будущее технологии
По мнению многих исследователей, в ближайшие десятилетия могут появиться:
-
выращенные кожные трансплантаты
-
искусственные сосуды
-
биоинженерные хрящи
-
мини-печени для трансплантации
-
почечные ткани.
Долгосрочная цель — создание полноценных органов для трансплантации.
Такая технология может решить одну из самых серьёзных проблем современной медицины — нехватку донорских органов.
Резюме
Выращивание органов из стволовых клеток представляет собой одну из самых амбициозных задач современной науки. Эта область объединяет:
-
клеточную биологию
-
генную инженерию
-
биоматериалы
-
роботизированную биопечать
-
медицину.
Хотя полноценные искусственные органы пока остаются редкостью, быстрый прогресс в этой области делает возможным сценарий, при котором в будущем органы будут выращиваться индивидуально для каждого пациента.
