Цього тижня дослідники з Університету Вейк-Форест представили нову, значно вдосконалену модель тривимірного принтера для друку органів. З його допомогою вдалося створити штучну модель кістки черепа, вухо і м'яз. Причому всі органи, пересаджені лабораторною твариною, прижилися. Ми вирішили згадати, які ще органи і тканини вчені вже вміють створювати штучно, і як це робиться сьогодні.
Практично будь-який орган людини складається з трьох тісно пов'язаних структур. По-перше, це сполучний позаклітинний матрикс - розгалужена мережа колагенових волокон, яка надає органу форму і щільність, а також служить каркасом для клітин. По-друге, це клітини, завдяки яким орган виконує свої біологічні функції (у багатьох органах присутні кілька типів клітин). По-третє, це судинна мережа, яка приносить артеріальну кров, насичує тканини киснем і поживними речовинами, забираючи у них вуглекислий газ і продукти обміну. Створення кожної з цих структур представляє окреме складне завдання тканинної інженерії.
Надати форму
Для отримання позаклітинного матриксу використовують два принципово різних підходи. Можна створювати його з нуля - брати відповідний матеріал і, придумуючи інженерні хитрощі, надавати йому потрібну структуру. Альтернативний шлях - взяти «готовий» орган тварини або мертвого донора і очистити її від усього зайвого, залишивши тільки чистий каркас, вільний від клітин і не викликає реакції відторгнення. Кожен з цих методів має гідності і недоліки.
Штучний матрикс синтезують з синтетичних і природних речовин. З перших найчастіше використовують полілактид (полімер молочної кислоти), полігліколеву кислоту і полікапролактон. Всі вони з часом розсмоктуються в організмі без виділення шкідливих речовин, заміщаючись натуральним позаклітинним матриксом. Природні матеріали мають білкову (наприклад, колаген) або вуглеводну (наприклад, гіалуронова кислота) природу. Для надання матеріалам потрібної тривимірної сітчастої структури в експериментах і на практиці використовують безліч способів (самозбірку нановолокон, текстильні технології, часткове розчинення, спініння, електроспінінг, тривимірний друк та інші). Ці методи не відтворюють тонкощів мікроструктури органу і не формують каркас для судинної мережі. Тому вони підходять лише для органів з відносно простою будовою - шкіри, судин, хрящів тощо.
Найбільш перспективна на даний момент технологія отримання позаклітинного каркасу складних органів, наприклад, серця або нирки - це децеллюризація (очищення від клітин) відповідного органу мертвого донора або відповідного за розміром тварини (найчастіше свині). Для цього через судини органу повільно, протягом декількох днів пропускають розчин миючого засобу зростаючої концентрації. Коли всі клітини видалені, матрикс промивають, і він готовий до заселення клітинами нового господаря. Метод хороший і тим, що безклітинний матрикс складається з природного матеріалу, який забезпечує правильне прикріплення і проліферацію клітин. Основний недолік цієї технології полягає в тому, що вона руйнує мікросудинну мережу - капіляри, які фактично складаються з одного шару ендотеліальних клітин, видаляються при промиванні.
Через це до клінічного застосування поки дійшли тільки створені таким методом дихальні шляхи, а менш досконале, на перший погляд, штучне отримання матриксу вже використовується в практичному і експериментальному протезуванні.
Змусити працювати
Функціональну тканину спочатку нарощували на матрикс, занурюючи його в поживний розчин з клітинами і факторами росту. Останнім часом все частіше з цією метою використовують гідрогелі, які, застигаючи, забезпечують рівномірний розподіл клітин, їх краще закріплення і дифузію поживних речовин і газів. При використанні децелюляризованого донорського матриксу розчин клітин і факторів росту пропускають через його судини.
Окрему проблему представляє розмноження і виживання клітин - у диференційованій тканині їх можливість ділитися і розвиватися обмежена довжиною теломер («насадок» на кінцях молекул ДНК, необхідних для її реплікації, які вкорачуються з кожним поділом клітини). Вирішенням цієї проблеми може стати використання індукованих плюрипотентних стовбурових клітин, які за здатністю проліферувати і диференціюватися близькі до ембріональних стовбурових клітин.
Забезпечити повітрям і їжею
Створення судинної мережі, як вже говорилося, являє собою одне з найбільш складних завдань. Жоден з існуючих методів не забезпечує достатньої щільності і функціональності - капіляри або протікають, або їх занадто мало для кровопостачання органу (а частіше і те, і інше). Подолати цю проблему різними способами намагаються багато лабораторій світу. Більш-менш обнадійливі попередні результати отримані при використанні мікрожидкісткових пристроїв з біорастворимих матеріалів, проте повноцінну судинну мережу цілого органу таким способом поки створити не вдалося.
Оригінальне рішення нещодавно запропонували співробітники американського Університету Вандербільта. Вони отримали полімерну мережу з товщиною волокон, близькою до капілярів, за допомогою апарату для виготовлення солодкої вати. Потім цю мережу заливали гідрогелем з клітинами і після його застивання вимивали полімер і пропускали через отримані мікрососуди поживний розчин. Ця методика поки знаходиться на початкових етапах розробки; отриманий гідрогель з живими клітинами і судинами не має позаклітинного матриксу.
Інший підхід використовували вчені з китайського Північнозахідного аграрного та лісівничого університету. Вони почали не з цілого органу, а з його структурної одиниці (в даному випадку - печінкової дольки). Мікрожидкістковий пристрій, що нагадує її за структурою, надрукували методом багатошарової м'якої літографії, після чого зміцнили його колагеном і заселили клітинами. Мережа штучних часток справно функціонувала, але про створення таким способом цілого органу мови поки не йде.
Тканинна друкарня
Принципово інший похід до створення штучних органів - друк їх на 3D-принтері. Саме його використовували співробітники Університету Вейк-Форест, передового світового інституту в цій галузі. Регенеративною медициною в ньому завідує піонер і найбільший експерт з 3D-друку органів Ентоні Атала (Anthony Atala). Суть методу полягає в тому, що створюється повна тривимірна модель макро- і мікроструктури органу, після чого принтер, картриджі якого заповнені гідрогелем з різними типами клітин, друкує функціонуючий орган з матриксом і судинами.
Головний недолік технології полягає в тому, що від перепаду тисків при виході з сопла принтера гине надмірно велика кількість клітин, тому найкраще поки йдуть справи з тканинами, в яких мало клітин і багато сполучної тканини (хрящі, кістки тощо). Однак принтери постійно вдосконалюються, як ми бачимо за недавньою публікацією, і є надія, що незабаром цю перешкоду вдасться обійти.
Перші пацієнти
Незважаючи на велику кількість експериментів у галузі тканинної інженерії і використаних у них технологій, кількість штучних органів, придатних для клінічного застосування, поки дуже невелика, і всі вони не відрізняються складною структурою.
Наприклад, протягом декількох років комерційно виробляється і застосовується штучна шкіра (Celaderm, Alloderm, Dermagraft та інші). Вона не копіює мікроструктуру справжньої тканини з епідермісом і дермою, а являє собою або просто безклітинний матрикс (при приміщенні в рану він заселяється власними клітинами пацієнта і проростає судинами), або натуральний або синтетичний матрикс з живими клітинами. Для закриття не дуже великих дефектів без утворення рубців цього цілком достатньо.
Використовуючи безклітинний матрикс для відновлення шкіри і власні клітини пацієнта, японські дослідники виростили на живильному середовищі і успішно пересадили пацієнтам слизову оболонку ротової порожнини.
Ще одна тканина, порівняно проста для створення методом тканинної інженерії - це хрящ. У дорослої людини він практично не кровопостачається, через що не відновлюється. Однак вкрай низька потреба зрілого хряща в кисні та харчуванні істотно полегшує роботу з ним - не доводиться забезпечувати зростання судин, оскільки хрящова тканина отримує все необхідне шляхом дифузії. У 2006 році співробітники Брістольського університету успішно відновили пошкоджені колінні суглоби за допомогою штучних хрящів, вирощених з клітин пацієнтів на матриксі з гіалуронової кислоти.
Штучно вирощена хрящова тканина застосовувалася ще в одній серії експериментів на людях, і то з сумнівним результатом. Йдеться про роботу хірурга Паоло Маккіаріні, виконану на базі Барселонського університету в Іспанії, Каролінського інституту в Швеції і Кубанського медичного університету в Краснодарі. Він пересаджував трахеї та бронхи, вирощені на децелюляризованому матриксі мертвих донорів з власних мезенхімальних стовбурових та епітеліальних клітин пацієнтів. Після звинувачень у порушенні етики проведення досліджень і на підставі даних про високу смертність реципієнтів Каролінський інститут прийняв рішення звільнити Маккіаріні.
Також слід згадати про роботу Стівена Баділака (Stephen Badylak) з Університету Піттсбурга. Він використовував висушений порошок з децелюляризованого матриксу свинячої сечового міхура, що містить колаген і фактори росту, для усунення травматичних дефектів тканин. Біосумісний матеріал стимулював стовбурові клітини дорослих, завдяки чому вдалося відновити пацієнтам відрізану пропелером авіамоделі фалангу пальця, м'яз, практично втрачену в ході військових дій, та інші пошкоджені тканини.
Мабуть, найбільшого на даний момент успіху в експериментах на людях домігся вже згаданий Атала. Його колектив ще в 2000-х роках використовував 3D-принтер для створення матриксу сечового міхура. Отримані каркаси заселили клітинами, забраними при біопсії, і виростили повноцінні органи, які потім успішно пересадили пацієнтам.
У 2014 році Ясуо Курімото (Yasuo Kurimoto) з Медичного центру Кобе пересадив жінці з віковою макулярною дегенерацією сітківку ока. Її виростили співробітники інституту RIKEN на чолі з Масае Такахасі (Masayo Takahashi) з індукованих плюрипотентних стовбурових клітин (за розробку технології їх отримання співвітчизник вчених Синього Яманака в 2012 році отримав Нобелівську премію). Шляхом довгих експериментів лабораторії RIKEN вдалося направити диференціювання цих клітин в пігментний епітелій сітківки і отримати плоский прямокутник тканини розміром 1,3 на 3,0 міліметра, придатний для трансплантації. Операція пройшла без ускладнень; кровотечі, відторгнення і загального погіршення самопочуття у 70-річної пацієнтки не спостерігалося. Однак про те, чи настало відновлення зору, повідомлень не було.
На сьогоднішній день цими роботами клінічні випробування органів, отриманих методом тканинної інженерії, практично вичерпуються. Негусто, але звістки з лабораторій дозволяють найближчим часом очікувати набагато більш вражаючих результатів. Про них ми розповімо в одному з наступних матеріалів.