тканинна інженерія

Малюнок 1. Світова динаміка частоти захворювань. Картинка з [1].

В останні десятиліття стали чітко виявлятися тривожні тенденції старіння населення, зростання кількості захворювань та інвалідизації людей працездатного віку, що настійно вимагає освоєння і впровадження в клінічну практику нових, більш ефективних і доступних методів відновного лікування хворих. На малюнку 1 показано, як змінюється структура захворювань в даний час.

На сьогоднішній день наука і техніка пропонує кілька альтернативних шляхів відновлення або заміни пошкоджених або уражених патологією тканин і органів:

• трансплантацію;
• імплантацію;
• тканинну інженерію.

Тканинна інженерія - сучасна інноваційна технологія

Принципово новий підхід - клітинна і тканинна інженерія - є останнім досягненням в галузі молекулярної і клітинної біології. Цей підхід відкрив широкі перспективи для створення ефективних біомедичних технологій, за допомогою яких стає можливим відновлення пошкоджених тканин і органів і лікування ряду важких метаболічних захворювань людини.

Мета тканинної інженерії - конструювання та вирощування поза організмом людини живих, функціональних тканин або органів для подальшої трансплантації пацієнтові з метою заміни або стимуляції регенерації пошкоджених органу або тканини. Іншими словами, на місці дефекту повинна бути відновлена ​​тривимірна структура тканини.

Важливо відзначити, що звичайні імплантати з інертних матеріалів можуть усунути тільки фізичні і механічні недоліки пошкоджених тканин, - на відміну від тканин, отриманих методом інженерії, які відновлюють, в тому числі, і біологічні (метаболічні) функції. Тобто, відбувається регенерація тканини, а не просте заміщення її синтетичним матеріалом.

Однак для розвитку і вдосконалення методів реконструктивної медицини на базі тканинної інженерії необхідно освоєння нових функціональних матеріалів. Ці матеріали, що застосовуються для створення біоімплантатів, повинні надавати тканеінженерной конструкцій характеристики, властиві живим тканинам:

1. здатність до самовідновлення;
2. здатність підтримувати кровопостачання;
3. здатність змінювати будову і властивості у відповідь на фактори навколишнього середовища, включаючи механічну навантаження.

Малюнок 2. Первинна клітина людини. Картинка: бібліотека Федерації Кіокушинкай р Южноуральська.

Клітини і матриксу - основа основ для тканинної інженерії

Найбільш важливим елементом успіху є наявність необхідної кількості функціонально активних клітин, здатних диференціюватися, підтримувати відповідний фенотип і виконувати конкретні біологічні функції. Джерелом клітин можуть бути тканини організму і внутрішні органи. Можливе використання відповідних клітин від пацієнта, що потребує реконструктивної терапії, або від близького родича (аутогенних клітин). Можуть бути використані клітини різного походження, в тому числі первинні (рис. 2) і стовбурові клітини (рис. 3).

Малюнок 3. Стовбурові клітини людини. Картинка: «Жива планета».

Первинні клітини - це зрілі клітини певної тканини, які можуть бути взяті безпосередньо від організму-донора (ex vivo) хірургічним шляхом. Якщо первинні клітини взяті у певного організму-донора, і згодом необхідно імплантувати ці клітини йому ж в якості реципієнта, то ймовірність відторгнення імплантованою тканини виключається, оскільки присутній максимально можлива імунологічна сумісність первинних клітин і реципієнта. Однак первинні клітини, як правило, не здатні ділитися - їх потенціал до розмноження і росту низький. При культивуванні таких клітин in vitro (за допомогою тканинної інженерії) для деяких типів клітин можлива дедифференцировка, тобто втрата специфічних, індивідуальних властивостей. Так, наприклад, хондроцити, що вводяться в культуру поза організмом, часто продукують фіброзний, а не прозорий хрящ.

Оскільки первинні клітини не здатні ділитися і можуть втратити свої специфічні властивості, виникла необхідність альтернативних джерел клітин для розвитку технологій клітинної інженерії. Такий альтернативою стали стовбурові клітини.

Малюнок 4. Біокерамічні вироби з ортофосфатов кальцію. Картинка з порталу про хірургії кісткової тканини.

З метою надання організації, підтримки зростання і диференціювання клітин в процесі реконструкції пошкодженої тканини необхідний спеціальний носій клітин - матрикс. вдає із себе тривимірну мережу, схожу на губку або пемзу (рис. 4). Для їх створення застосовують біологічно інертні матеріали із синтетичного волокна, матеріали на основі природних полімерів (хітозан, альгінат, колаген) і біокомпозіти. Так, наприклад, еквіваленти кісткової тканини отримують шляхом спрямованої диференціювання стовбурових клітин кісткового мозку, пуповинної крові або жирової тканини в остеобласти, які потім наносять на різні матеріали, що підтримують їх розподіл (наприклад, донорську кістка, колагенові матриці та ін.).

«Фірмова» стратегія тканинної інженерії

На сьогоднішній день одна з стратегій тканинної інженерії така:

1. відбір і культивування власних або донорських стовбурових клітин;
2. розробка спеціального носія для клітин (матриці) на основі біосумісних матеріалів;
3. нанесення культури клітин на матрицю і розмноження клітин в біореакторі зі спеціальними умовами культивування;
4. безпосереднє впровадження тканеінженерной конструкції в область ураженого органу або попереднє розміщення в області, добре снабжаемой кров'ю, для дозрівання і формування мікроциркуляції всередині конструкції (префабрікація).

Матрикс через деякий час після імплантації в організм господаря повністю зникають (в залежності від швидкості росту тканини), а в місці дефекту залишиться тільки нова тканина. Також можливе впровадження матриксу з уже частково сформованої нової тканиною ( «біокомпозіт»). Безумовно, після імплантації тканеінженерной конструкція повинна зберегти свої структуру і функції протягом періоду часу, достатнього для відновлення нормально функціонуючої тканини в місці дефекту, і інтегруватися з навколишніми тканинами. Але, на жаль, ідеальні матриксу, що задовольняють всім необхідним умовам, поки не створені.

Кровоносні судини з принтера

Перспективні тканеінженерной технології відкрили можливість лабораторного створення живих тканин і органів, але перед створенням складних органів наука поки безсила. Однак порівняно недавно вчені під керівництвом доктора Гунтера Товару (Gunter Tovar) з Товариства Фраунгофера в Німеччині зробили величезний прорив у сфері тканинної інженерії - вони розробили технологію створення кровоносних судин. Адже здавалося, що капілярні структури створити штучно неможливо, оскільки вони повинні бути гнучкими, еластичними, малої форми і при цьому взаємодіяти з природними тканинами. Як не дивно, але на допомогу прийшли виробничі технології - метод швидкого прототипування (іншими словами, 3D-друк). Мається на увазі, що складна тривимірна модель (в нашому випадку кровоносну судину) друкується на тривимірному принтері з використанням спеціальних «чорнила» (рис. 5).

Малюнок 5. Технологія «друку» штучного кровоносної судини. Картинка з [6].

Принтер завдає матеріал пошарово, і в певних місцях шари з'єднуються хімічно. Однак зауважимо, що для найдрібніших капілярів тривимірні принтери поки недостатньо точні. У зв'язку з цим був застосований метод многофотонной полімеризації, який використовується в полімерній промисловості. Короткі інтенсивні лазерні імпульси, обробні матеріал, так сильно збуджують молекули, що вони взаємодіють один з одним, з'єднуючись в довгі ланцюжки. Таким чином, матеріал полімеризується і стає твердим, але еластичним, як природні матеріали. Ці реакції настільки керовані, що з їх допомогою можна створювати дрібні структури по тривимірному «кресленням».

А для того, щоб створені кровоносні судини могли зістикуватися з клітинами організму, при виготовленні судин в них інтегрують модифіковані біологічні структури (наприклад, гепарин) і «якірні» білки. На наступному етапі в системі створених «трубочок» закріплюються клітини ендотелію (одношаровий пласт плоских клітин, що вистилає внутрішню поверхню кровоносних судин) - для того, щоб компоненти крові не приклеювалися до стінок судинної системи, а вільно транспортувалися по ній.

Однак перш ніж дійсно можна буде імплантувати вирощені в лабораторії органи з власними кровоносними судинами, пройде ще якийсь час.

Давай, Україна, давай вперед!

Без удаваної скромності скажемо, що і вУкаіни створена наукова основа для практичного застосування біомедичних матеріалів нового покоління. Цікаву розробку запропонувала молодий учений з Горловкаа Катерина Ігорівна Шишацька (рис. 6) - розчинний біосумісний полімер біопластотан [7]. Суть своєї розробки вона пояснює просто: «в даний час практичні медики відчувають великий дефіцит матеріалів, здатних замінити сегменти людського організму. Нам вдалося синтезувати унікальний матеріал, який в змозі замінити елементи органів і тканин людини ». Розробка Катерини Ігорівни знайде застосування, перш за все, в хірургії. «Найпростіше - це, наприклад, шовні нитки, зроблені з нашого полімеру, які розчиняються після того, як заростає рана». - каже Шишацька. - «Також можна робити спеціальні вставки в судини - стенти. Це маленькі порожнисті трубки, які використовують, щоб розширити судину. Через деякий час після операції посудину відновлюється, а полімерний замінник розчиняється »[8].

Малюнок 6. Лауреат премії Президента України Катерина Ігорівна Шишацька. Картинка: «КП» [9].

Перший досвід трансплантації тканеінженерной конструкції в клініці

Як матриксу майбутнього трансплантата був узятий сегмент трупної трахеї довжиною 7 см. Щоб отримати природну матрицю, за властивостями перевершує все те, що можна зробити з полімерних трубок, трахею очистили від навколишньої сполучної тканини, клітин донора і антигенів гістосумісності. Очищення полягало в 25 циклах девіталізациі із застосуванням 4% -деоксіхолата натрію і дезоксирибонуклеази I (процес зайняв 6 тижнів). Після кожного циклу девіталізациі проводили гістологічне дослідження тканини для виявлення кількості залишилися ядерні клітин, а також імуногістохімічне дослідження на наявність в тканини антигенів гістосумісності HLA-ABC, HLA-DR, HLA-DP і HLA-DQ. Завдяки біореактори власної розробки (див. Рис. 9) вчені на поверхню повільно обертається відрізка трахеї рівномірно нанесли шприцом суспензію клітин. Потім трансплантат, наполовину занурений в середу для культивування, обертався навколо своєї осі з метою почергового контакту клітин з середовищем і повітрям.

Малюнок 8. Операція з пересадки пацієнтці трахеї. Картинка з [10].

Еквівалент трахеї знаходився в біореакторі 96 годин; потім його трансплантували пацієнтці. При операції забезпечити повне відокремлення головний лівий бронх і ділянку трахеї, до якого він примикав. У утворився проміжок вшили трансплантат, а деяка невідповідність діаметрів просвітів тканеінженерной еквівалента і бронха реципієнта було подолано завдяки еластичності донорської тканини.

Малюнок 9. Биореактор для створення тканеінженерной еквівалента трахеї. А - схема біореактора, вид збоку. Б - герметизація біореактора. В - біореактор з тканеінженерной еквівалентом трахеї in situ. Г - біореактор після видалення еквівалента трахеї. Д - вид еквівалента трахеї безпосередньо перед операцією. Картинка з [11].

Після закінчення десяти діб після операції пацієнтка була виписана з клініки без ознак дихальної недостатності і імунної реакції відторгнення трансплантата. За даними комп'ютерної томографії, за допомогою яких була зроблена віртуальна 3D реконструкція дихальних шляхів, тканеінженерной еквівалент був практично не відрізняється від власних бронхів пацієнтки (рис. 10).

Малюнок 10. Віртуальна 3D-реконструкція дихальних шляхів за даними комп'ютерної томографії та бронхоскопії перед операцією (А, Б) і через 1 місяць і після заміни стенозного ділянки лівого головного бронха тканеінженерной еквівалентом (В, Г). Стрілкою вказано стеноз. Картинка з [11].

література