Стволовые клетки - свойства, классификация, получение, выращивание и использование. Общие принципы лечения стволовыми клетками. Искусственные органы: человек умеет все

) технология не применяется на людях, однако идут активные разработки и эксперименты в этой области. По словам директора Федерального научного центра трансплантологии и искусственных органов имени Шумакова профессора Сергея Готье выращивание органов станет доступным через 10-15 лет .

Ситуация

Идея о искусственном выращивании человеческих органов не покидает учёных уже больше полувека, с того момента, как людям начали пересаживать органы доноров. Даже при возможности пересаживать большинство органов пациентам, в настоящее время очень остро стоит вопрос донорства. Многие пациенты умирают, не дождавшись своего органа. Искусственное выращивание органов может спасти миллионы человеческих жизней. Некоторые достижения в этом направлении уже достигнуты с помощью методов регенеративной медицины .

См. также

Примечания

Wikimedia Foundation . 2010 .

Смотреть что такое "Выращивание органов" в других словарях:

Окрашенная культура клеток эпителия. На фото кератин (красный) и ДНК (зеленая) Культивирование клеток представляет собой процесс, посредством которого in vitro отдельные клетки (или единственная клет … Википедия

Содержит некоторые из самых выдающихся текущих событий, достижений и инноваций в различных областях современной технологии. Новые технологии это те технические нововведения, которые представляют прогрессивные изменения в рамках области… … Википедия

Подготовка к крионированию Крионика (от греч. κρύος холод, мороз) практика сохранения тела или головы/мозга человека в состоянии глубокого … Википедия

2007 – 2008 2009 2010 – 2011 См. также: Другие события в 2009 году 2009 Международный год астрономии (ЮНЕСКО). Содержание … Википедия

Большой медицинский словарь

Выращивание с. х. культур в условиях орошения. Один из наиболее интенсивных видов земледелия, сложившийся в пустынных, полупустынных и засушливых зонах, а также в районах, недостаточно обеспеченных влагой в отдельные периоды вегетации. В… …

Выращивание растений при отсутствии микроорганизмов в среде, окружающей всё растение или (чаще) только его корни (стерильность всего растения может быть обеспечена только в замкнутом сосуде, где трудно поддерживать необходимые для… … Большая советская энциклопедия

Выращивание микроорганизмов, животных и растительных клеток, тканей или органов в искусственных условиях … Медицинская энциклопедия

Пшеница - (Wheat) Пшеница это широко распространенная зерновая культура Понятие, классификация, ценность и питательные свойства сортов пшеницы Содержание >>>>>>>>>>>>>>> … Энциклопедия инвестора

Европа - (Europe) Европа – это плотнонаселенная высокоурбанизированная часть света названная в честь мифологической богини, образующая вместе с Азией континент Евразия и имеющая площадь около 10,5 миллионов км² (примерно 2 % от общей площади Земли) и … Энциклопедия инвестора

Книги

Болезни домашних и сельскохозяйственных птиц. В 3-х томах , . Книга "Болезни домашних и сельскохозяйственных птиц" представляет собой перевод десятого, дополненного и переработанного издания руководства по болезням птиц, в подготовке которого приняли…
Болезни домашних и сельскохозяйственных птиц (количество томов: 3) , Кэлнек Б.У.. Книга "Болезни домашних и сельскохозяйственных птиц" представляет собой перевод десятого, дополненного и переработанного издания руководства по болезням птиц, в подготовке которого приняли…

Спасибо

Стволовые клетки в настоящее время представляют собой тему весьма оживленной дискуссии, ведущейся в обществе. Наверное, нет ни одного человека, который хотя бы не слышал термина "стволовые клетки". К сожалению, помимо знания этого термина, человек, как правило ничего не может сказать о том, что же такое стволовые клетки, каковы их свойства, как их получают и почему их можно использовать для лечения ряда заболеваний.

Данная ситуация сложилась потому, что подробной и емкой информации о предмете многочисленные телевизионные передачи, форумы и рекламы не предоставляют. Чаще всего информация о стволовых клетках представляется либо по типу рекламного ролика с восхвалением и возведением их в роль панацеи от всех заболеваний, либо же в передачах рассказывают о скандалах, которые, порой невероятными способами связываются все с теми же стволовыми клетками.

То есть, ситуация со стволовыми клетками подобна неким циркулирующим слухам о чем-то таинственном, но очень сильном, что может приносить огромное благо или не менее жуткое зло. Безусловно, это неправильно, и отражает только полное отсутствие объективной и комплексной информации у людей. Рассмотрим, что же такое стволовые клетки, зачем они нужны, как их получают, какими свойствами обладают и другие вопросы, так или иначе связанные с данными биологическими объектами.

Что такое стволовые клетки?

В общем виде можно сказать, что стволовые клетки – это структуры, обладающие способностью трансформироваться во взрослые и функционально активные клетки различных органов. Из стволовых клеток может вырасти и сформироваться и клетка печени (гепатоцит), и почки (нефроцит), и сердца (кардиомиоцит), и сосуда, и кости, и хряща, и матки , и яичника и т.д. То есть, по своей сути, стволовые клетки – это своеобразные резервные запасы, из которых по мере необходимости будут формироваться новые клетки различных органов взамен погибших или поврежденных.

Однако такое определение стволовых клеток очень общее, поскольку отражает только главную характерную черту данного типа клеток, помимо которой имеется множество других свойств, определяющих их разновидности. Чтобы ориентироваться в вопросе стволовых клеток и иметь о них относительно полное представление, необходимо знать эти их характерные свойства и разновидности.

Свойства и разновидности стволовых клеток

Основным свойством любой стволовой клетки является ее потентность, определяемая степенью дифференцировки и пролиферации. Рассмотрим, что означают данные термины.

Потентность

Потентность – это строго ограниченная способность стволовой клетки превращаться в определенные виды клеток различных органов. Чем большее количество видов клеток может образоваться из стволовой, тем выше ее потентность. Например, из фибробласта (стволовая клетка соединительной ткани) могут образовываться сосуды, жировые клетки, клетки кожи, хрящей, волос и ногтей, а из мезенхимальной стволовой клетки способны сформироваться кардиомиоциты, мышечные волокна и т.д. То есть, каждая стволовая клетка, на самом деле, имеет возможность превращаться только в ограниченный спектр клеток, которые обладают некоторыми общими свойствами и функциями. Например, мезенхимальная стволовая клетка не сможет превратиться в клетку кожи или волос.

В связи с такими ограничениями потентности выделены следующие виды стволовых клеток:

Тотипотентные – способны превращаться в клетки всех без исключения органов и тканей;
Полипотентные (мультипотентные) – способны превращаться в клетки нескольких видов органов или тканей, имеющих общее эмбриональное происхождение;
Монопотентные – способны превращаться только в разновидности клеток какого-либо одного органа.

Тотипотентные или эмбриональные стволовые клетки

Тотипотентностью обладают только стволовые клетки эмбриона человека вплоть до 8-ого деления. То есть, зигота (оплодотворенная яйцеклетка) и формирующийся из нее эмбрион вплоть до того момента, пока он не будет состоять из 256 клеток. Все клетки эмбриона, пока он достигнет размера 256 клеток, и зигота, по сути, являются стволовыми. В обычных условиях получить эмбриональные клетки, обладающие тотипотентностью, очень сложно, поскольку зигота начинает делиться еще в маточной трубе , а после трансплантации в матку она уже больше 256 клеток. То есть, когда женщина узнает о беременности , зародыш уже больше 256 клеток, и, следовательно, они не обладают тотипотентностью.

В настоящее время тотипотентные стволовые клетки получают только в лабораторных условиях, производя оплодотворение яйцеклетки сперматозоидом и выращивая эмбрион до нужного размера. Эмбриональные тотипотентные клетки используются в основном для экспериментов на животных и для выращивания искусственных органов.

Полипотентные стволовые клетки

Полипотентностью обладают стволовые клетки человеческого эмбриона, начиная с 8 деления и до 22 недели беременности. Каждая полипотентная стволовая клетка может превратиться только в несколько видов тканей или органов. Это связано с тем, что на стадии 256 клеток в человеческом эмбрионе начинают выделяться первичные органы и ткани. Именно эти первичные структуры в последующем дадут начало всем без исключения органам и тканям организма человека. Так, у эмбриона появляются мезенхимальные, нервные, кровяные и соединительно-тканные полипотентные стволовые клетки.

Мезенхимальные стволовые клетки

Из мезенхимальных стволовых клеток формируются внутренние органы, такие, как печень, селезенка, почки, сердце, легкие , желчный пузырь, поджелудочная железа , желудок и другие, а также скелетные мышцы. Это означает, что из одной и той же мезенхимальной стволовой клетки могут сформироваться и кардиомиоциты, и гепатоциты, и клетки желудка и т.д.

Нервные стволовые клетки

Из них, соответственно формируются все структуры нервной системы. Из полипотентной стволовой клетки крови образуются все без исключения кровяные форменные элементы, такие, как моноциты , лейкоциты , лимфоциты, тромбоциты и эритроциты . А из соединительно-тканной стволовой клетки формируются все сосуды, хрящи, кости, кожа, подкожная жировая клетчатка, связки и суставы.

Гемопоэтические стволовые клетки

Из них образуются абсолютно все клетки крови. Причем поскольку клетки крови живут довольно мало – от 90 до 120 дней, то они постоянно обновляются и заменяются в течение всей жизни человека. Замена умерших кровяных элементов происходит за счет постоянного формирования новых из гемопоэтических стволовых клеток, находящихся в костном мозгу . Такие гемопоэтические стволовые клетки сохраняются в течение всей жизни человека, а при нарушении их нормального развития у человека появляются заболевания крови, такие, как лейкоз , анемия , лимфомы и т.д.

В настоящее время полипотентные стволовые клетки используются в практической медицине довольно часто, как с целью лечения тяжелых заболевания (например, сахарного диабета , рассеянного склероза , болезни Альцгеймера и т.д.), так и омоложения. Получают полипотентные стволовые клетки из органов абортированных эмбрионов не старше 22 недели гестации. При этом стволовые клетки разделяют в зависимости от того органа, из которого они получены, например, печеночные, мозговые, кровяные и др. Наиболее часто используются клетки фетальной (эмбриональной) печени, поскольку они обладают наиболее универсальной потентностью, необходимой для лечения заболеваний различных органов, например, циррозов печени , инфаркта миокарда и т.д. Мультипотентные стволовые клетки, полученные из органов эмбрионов, также часто называют фетальными. Это название образовано от слова "фетус", которое в переводи с латинского означает плод, эмбрион.

Монопотентные стволовые клетки

После 22 недели гестации все стволовые клетки плода становятся монопотентными и закрепляются за органами и тканями. Монопотентность означает, что клетка может превратиться только в специализированные клетки того органа, в котором она находится. Например, стволовая клетка печени может превратиться только в клетки печеночных протоков или в клетки, образующие желчь, обезвреживающие токсины и т.д. Но весь ее спектр возможных превращений ограничивается только разновидностями клеток печени. Такая монопотентная клетка печени уже не сможет превратиться в клетку селезенки, сердца или любого другого органа в отличие от полипотентной. А закрепленность клеток означает, что они находятся только в этом органе и уже никогда не смогут перейти в другой.

Ребенок рождается уже именно с такими монопотентными стволовыми клетками, которые имеются в каждом органе и ткани без исключения, составляя своеобразный резерв. Из этого резерва в течение жизни образуются новые клетки каждого органа и ткани взамен поврежденных и умерших. В течение всей жизни такие стволовые клетки постепенно расходуются, но даже к моменту смерти человека от старости они еще имеются во всех органах и тканях.

Это означает, что теоретически из органов и тканей ребенка или взрослого человека можно получить только монопотентные стволовые клетки. Такие клетки обычно называют по органу, из которого они были получены, например, нервные, печеночные, желудочные, жировые, костные и т.д. Однако в костном мозгу даже взрослого человека имеется два вида полипотентных стволовых клеток – кровяная и мезенхимальная, которые в настоящее время достаточно просто получить рутинными лабораторными методиками. Для лечения различных заболеваний и омоложения чаще всего используются именно эти кровяные и мезенхимальные полипотентные стволовые клетки, полученные из костного мозга.

Пролиферация и дифференцировка стволовых клеток

Помимо перечисленного свойства потентности, каждая стволовая клетка характеризуется степенью дифференцировки и способностью к пролиферации. Рассмотрим, что означают термины пролиферация и дифференцировка.

Пролиферацией называется способность клетки делиться, то есть, размножаться. Дело в том, что каждая стволовая клетка в процессе превращения в специализированные клеточные структуры каких-либо органов и тканей проходит не только процесс созревания, но и несколько раз делится. Причем деление происходит на каждом очередном этапе созревания. То есть, из одной стволовой клетки получается от нескольких штук до нескольких сотен готовых зрелых клеток какого-либо органа или ткани.

Дифференциация – это степень узкой специализированности клетки, то есть, наличие у нее строго определенной функции, для выполнения которой они созданы. Например, узкоспециализированные клетки сердечной мышцы (кардиомиоциты) созданы только для выполнения сокращений, при помощи которых производится выталкивание крови и обеспечение ее циркуляции по организму. Соответственно, клетки, имеющие свои специализированные функции, называются высокодифференцированными. А относительно универсальные клетки, не имеющие специфических функций, являются низкодифференцированными. В норме в организме человека все клетки органов и тканей являются высокодифференцированными, а к низкодифференцированным относят только монопотентные стволовые клетки. Данные клетки не имеют специфических функций, и потому являются низкодифференцированными.

Процесс превращения стволовой клетки в специализированную, обладающую четкими и определенными функциями, называется дифференцировкой, в ходе которой она превращается из низкодифференцированной в высокодифференцированную. В процессе дифференцировки стволовая клетка проходит многочисленные этапы, на каждом из которых она делится. Соответственно, чем ниже дифференциация стволовой клетки, тем большее количество этапов ей придется пройти в процессе дифференцировки, и тем большее количество раз она будет делиться.

Исходя из этого можно сформулировать следующее простое правило: чем выше потентность клетки, то есть, чем ниже степень дифференцировки, тем сильнее ее способность к пролиферации. Значит, самые низкодифференцированные тотипотентные стволовые клетки обладают наибольшей способностью к пролиферации. И поэтому из одной тотипотентной стволовой клетки образуется несколько тысяч специализированные и высокодифференцированных клеток различных органов и тканей. А самые высокодифференцированные монопотентные стволовые клетки обладают минимальной способностью к пролиферации. Поэтому из одной монопотентой клетки образуется всего несколько высокодифференцированных клеток какого-либо органа или ткани.

Типы стволовых клеток различных органов

В настоящее время у взрослого человека или ребенка стволовые клетки получают из пуповинной крови или костного мозга. Также стволовые клетки для клинических и исследовательских нужд получают из абортивного материала плодов не более 23 недель гестации. Рассмотрим, какие типы стволовых клеток получают из указанных потенциальных источников.

Стволовые клетки мозга

Данный вид клеток получают из мозга абортированных плодов на сроках 18 – 22 недели беременности. Получить мозговые стволовые клетки у менее зрелых эмбрионов технически практически невозможно ввиду их очень маленького размера.

Стволовые клетки мозга относят к нервным полипотентным, то есть, из них могут сформироваться и образоваться любые клеточные структуры нервной системы любого органа или ткани. Например, из стволовых клеток мозга могут образоваться нейроны извилин, структуры спинного мозга, нервные волокна, чувствительные и двигательные рецепторы, проводящая система сердца и т.д. В общем любая нервная клетка в любой части тела человека может сформироваться из мозговой полипотентной стволовой клетки.

Данный вид клеток обычно используют для лечения нейродегенеративных заболеваний и травматических повреждений нервов, таких, как например инсульты, рассеянный склероз, болезнь Альцгеймера, размозжение тканей, парезы , параличи , ДЦП и т.д.

Стволовые клетки печени

Стволовые клетки печени получают из соответствующего органа плодов на сроках 18 – 22 недели беременности. Данный вид стволовых клеток также называется фетальным. Получить печеночные стволовые клетки у менее зрелых эмбрионов технически практически невозможно ввиду их очень маленького размера и отсутствия у них сформировавшейся печени.

Из печени плодов получают два вида полипотентных стволовых клеток – гемопоэтические и мезенхимальные. На первом этапе получают смесь обоих видов полипотентных стволовых клеток, а затем при необходимости их разделяют. Наибольшей ценностью обладают именно мезенхимальные фетальные клетки, поскольку из них можно вырастить полноценные и функционально активные клетки различных внутренних органов, таких, как легкие, сердце, печень, селезенка, почки, матка, мочевой пузырь , желудок и т.д. В настоящее время в пробирках успешно выращивают клетки практически всех органов, добавляя в питательную среду специальные вещества, заставляющие их дифференцироваться в заданном направлении. Например, для выращивания кардиомиоцита (клетка сердца) в питательную среду добавляют 5-азацитидин, а для получения всех остальных специализированных видов клеток органов – необходимы другие химические вещества. Причем для образования клетки каждого конкретного органа необходимо добавлять в питательные среды строго определенное соединение.

Фетальные печеночные стволовые клетки используются для лечения различных тяжелых, хронических заболеваний внутренних органов, таких, как циррозы, инфаркты, недержание мочи , туберкулез легких, сахарный диабет и т.д.

Стволовые клетки из пуповинной крови

Как понятно из названия, стволовые клетки данного вида получают из пуповинной крови новорожденного младенца . В этом случае также, как и из фетальной печени, получают два вида полипотентных стволовых клеток – гемопоэтические и мезенхимальные. Причем большая часть стволовых клеток, выделенных из пуповинной крови, является гемопоэтическими.

Гемопоэтические клетки могут превращаться в любые клеточные кровяные элементы (тромбоциты, лейкоциты, эритроциты, моноциты и лимфоциты) и способствовать росту сосудов. Небольшой процент гемопоэтических стволовых клеток может превращаться в клетки кровеносных и лимфатических сосудов.

В настоящее время стволовые клетки пуповинной крови чаще всего используются для омоложения или лечения различных тяжелых, хронических заболеваний. Кроме того, многие женщины принимают решение о сборе пуповинной крови и выделении стволовых клеток для дальнейшего хранения в криобанке, чтобы можно было воспользоваться готовым материалом при необходимости.

Наиболее часто применяемая классификация стволовых клеток

В зависимости от потентности выделяют следующие разновидности стволовых клеток:

Эмбриональные стволовые клетки (обладают тотипотентностью и получаются из искусственно оплодотворенных яйцеклеток, выращенных в пробирках до необходимого срока);
Фетальные стволовые клетки (обладают мультипотентностью и получаются из абортивного материала);
Взрослые стволовые клетки (обладают мультипотентностью и получаются из пуповинной крови или костного мозга взрослого человека или ребенка).

Полипотентные стволовые клетки в зависимости от вида их дифференцировки подразделяются на следующие разновидности:

Гемопоэтические стволовые клетки (являются предшественниками абсолютно всех клеток крови сосудов);
Мезенхимальные стволовые клетки (являются предшественниками всех клеток внутренних органов и скелетных мышц);
Соединительно-тканные стволовые клетки (являются предшественниками клеток кожи, костей, жира, хрящей, связок, суставов и сосудов);
Нейрогенные стволовые клетки (являются предшественниками абсолютно всех клеток, относящихся к нервной системе).

Получение стволовых клеток

Источниками для получения стволовых клеток являются следующие биологические субстраты:

Пуповинная кровь новорожденного младенца;
Костный мозг ребенка или взрослого человека;
Периферическая кровь (из вены) после специальной стимуляции;
Абортивный материал, полученный от женщин на 2 – 12 неделях беременности;
Плоды на сроках 18 – 22 недели беременности, которые умерли в результате преждевременных родов , позднего выкидыша или аборта по социальным показаниям;
Ткани недавно умерших здоровых людей (например, смерть наступила в результате травмы и т.д.);
Жировая ткань взрослого человека или ребенка;
Оплодотворение в пробирке яйцеклетки сперматозоидом с образованием зиготы.

Наиболее часто стволовые клетки получают из пуповинной крови, костного мозга или абортивного материала. Остальные способы получения стволовых клеток используются исключительно для исследовательских целей.

Получение стволовых клеток из пуповинной и периферической крови, а также костного мозга производится при помощи одних и тех же методов. Для их получения, во-первых, забирают костный мозг (от 20 до 200 мл) в ходе пункции подвздошной кости у взрослых людей или грудины у детей. Периферическую кровь забирают из вены так же, как для переливания . А пуповинную кровь просто собирают в стерильную пробирку прямо в родильном доме, подставив ее под перерезанную пуповину младенца.

Затем кровь или костный мозг транспортируют в лабораторию, где из них выделяют стволовые клетки одним из двух возможных методов. Чаще всего применяют разделение в градиенте плотности фиколл-урографина. Для этого в пробирку наливают слой фиколла, затем поверх него аккуратно наливают урографин так, чтобы растворы не перемешались. И наконец на поверхность урографина также аккуратно наслаивают кровь или костный мозг, стараясь, чтобы он минимально смешался с двумя предыдущими растворами. Затем пробирку откручивают в центрифуге на высокой скорости не менее 8 000 оборотов в минуту, в результате чего на границе раздела фаз фиколла и урографина уплотняется и концентрируется тонкое кольцо стволовых клеток. Это кольцо аккуратно собирают пипеткой в другую стерильную пробирку. Затем в нее наливают питательную среду и еще несколько раз откручивают на центрифуге, чтобы удалить все случайно попавшие в кольцо нестволовые клетки. Готовые стволовые клетки или помещают в питательную среду для дальнейшего выращивания (культивирования), или замораживают в жидком азоте для длительного хранения, или разбалтывают в физиологическом растворе и вводят в виде инъекции человеку, проходящему курс клеточной терапии.

Вторым, менее распространенным методом получения стволовых клеток является обработка крови или костного мозга лизирующим буфером. Лизирующий буфер – это специальный раствор со строго подобранными концентрациями солей, которые вызывают гибель всех клеток, кроме стволовых. Для выделения стволовых клеток кровь или костный мозг смешивают с лизирующим буфером и оставляют на 15 – 30 минут, после чего откручивают на центрифуге. Собравшийся на дне пробирки шарик и есть стволовые клетки. Всю жидкость, находящуюся над шариком клеток сливают, в пробирку заливают питательную среду и еще несколько раз откручивают на центрифуге, чтобы удалить все случайно попавшие ненужные клетки. Готовые стволовые клетки используют так же, как и полученные методом разделения на градиенте плотности фиколл-урографина.

Получение стволовых клеток из абортивного материала, тканей умерших людей или жира живых взрослых или детей является более трудоемкой процедурой, которую используют только хорошо оснащенные лаборатории или научные учреждения. В ходе выделения клеток производится обработка материала специальными ферментами, которые разрушают целостность тканей и превращают их в одну аморфную массу. Данную массу по частям обрабатывают лизирующим буфером и далее выделяют стволовые клетки так же, как и из крови или костного мозга.

Стволовые клетки из плодов 18 – 22 недель беременности получить так же просто, как и из крови или костного мозга. Дело в том, что стволовые клетки в данном случае получают не из всего плода, а только из печени, селезенки или головного мозга. Ткани органов измельчают механически, после чего разбалтывают в физиологическом растворе или питательной среде. Затем получают стволовые клетки либо при помощи лизирующего буфера, либо разделением на градиенте плотности фиколл-урографина.

Получение стволовых клеток методом оплодотворения яйцеклетки используется только в научных учреждениях. Этот метод доступен только высококвалифицированным ученым - клеточным биологам. Обычно таким образом получают эмбриональные стволовые клетки для экспериментальных исследований. А яйцеклетки и сперматозоиды забирают у здоровых женщин и мужчин, согласившихся стать донорами. За такое донорство научные учреждения выплачивают весьма ощутимое вознаграждение – не менее 3 – 4 тысяч долларов за порцию спермы мужчины и несколько яйцеклеток женщины, которые удастся забрать в ходе одной пункции яичника .

Выращивание стволовых клеток

Термин "выращивание" стволовых клеток не совсем правильный, однако его вполне можно использовать для обиходной речи. Ученые обычно для описания данной процедуры используют термин "культивирование стволовых клеток". Культивация или выращивание стволовых клеток – это процесс поддержания их жизни в специальных растворах, содержащих питательные вещества (питательных средах).

В ходе культивации количество стволовых клеток постепенно увеличивается, вследствие чего каждые 3 недели содержимое одного флакона с питательной средой разделяют на 2 или 3. Такая культивация стволовых клеток может производиться сколько угодно долго, если имеется необходимое оборудование и питательные среды. Однако на практике стволовые клетки не удается размножить до большого количества, поскольку очень часто происходит их заражение различными патогенными микробами, попавшими случайно в воздух лабораторного помещения. Такие зараженные стволовые клетки использовать и культивировать уже нельзя, и их просто выбрасывают.

Следует помнить, что выращивание стволовых клеток – это всего лишь увеличение их количества. Невозможно вырастить стволовые клетки из нестволовых.

Обычно стволовые клетки культивируют до тех пор, пока их число не окажется достаточным для выполнения лечебной инъекции или постановки эксперимента. Также клетки могут культивировать перед замораживанием в жидком азоте, чтобы запас был побольше.

Отдельно стоит сказать о специальной культивации стволовых клеток, когда в питательную среду добавляют различные соединения, которые способствуют дифференцировке в определенный тип клеток, например, кардиомиоциты или гепатоциты и т.д.

Использование стволовых клеток

В настоящее время использование стволовых клеток делится на три сферы – это экспериментальные исследования, лечение различных заболеваний и омоложение. Причем сфера экспериментальных исследований занимает не менее 90% общего пула использования стволовых клеток. В ходе экспериментов врачи-биологи изучают возможность перепрограммирования и расширения потентности клеток, способы их превращения в различные специализированные клетки различных органов, методы выращивания целых органов и т.д. В экспериментальной сфере использования стволовых клеток прогресс идет буквально семимильными шагами, поскольку каждый день ученые сообщают о новых достижениях. Так, уже были выращены нормально функционирующие сердце и печень из стволовых клеток. Правда эти органы не пробовали кому-либо пересаживать, но это произойдет уже в обозримом будущем. Соответственно, решится проблема донорских органов для людей, которым требуется трансплантация. Уже реальностью является использование клапанов сосудов и сердца, выращенных из стволовых клеток, для протезирования .

Использование стволовых клеток для лечения различных заболеваний проводится в рамках ограниченных клинических испытаний, когда больному предлагается данный вариант и объясняется, какие положительные моменты и риски это может повлечь. Обычно стволовые клетки применяют только для терапии тяжелых, хронических и неизлечимых другими методами заболеваний, когда шансов на выживание и хоть небольшое улучшение состояния практически нет. Благодаря таким клиническим испытаниям врачи получают возможность видеть, каковы эффекты стволовых клеток, и какие побочные действия может вызывать их использование. На основании результатов наблюдений разрабатываются наиболее безопасные и эффективные клинические протоколы, в которых прописываются рекомендованные дозировки стволовых клеток (общее вводимое количество в штуках), места и способы введения, а также оптимальные сроки терапии и ожидаемые эффекты.

С целью омоложения стволовые клетки могут вводить в подкожную клетчатку или в структуры кожи, а также внутривенно. Такое применения стволовых клеток позволяет уменьшить видимые признаки возрастных изменений на некоторый промежуток времени. Для поддержания длительного эффекта стволовые клетки придется вводить периодически через индивидуально подобранные интервалы. В принципе, данная манипуляция при правильном выполнении является безопасной.

Лечение стволовыми клетками различных заболеваний – общие принципы и эффекты

Для лечения различных заболеваний чаще всего используют стволовые клетки, полученные из костного мозга самого пациента. Для этого сначала в ходе пункции забирают необходимый объем костного мозга (от 20 мл до 200 мл), из которого в специализированной лаборатории выделяют стволовые клетки. Если их недостаточно, то производится культивирование до тех пор, пока клетки не размножатся до необходимого количества. Также поступают, если планируют сделать несколько введений стволовых клеток на курс лечения. Культивация позволяет получить необходимое количество стволовых клеток без повторных пункций костного мозга.

Кроме того, достаточно часто применяют стволовые клетки из костного мозга донора, в качестве которого обычно выступают кровные родственники. В таком случае для устранения риска отторжения перед введением клеток их культивируют на питательной среде минимум 21 день. Такая длительная культивация приводит к потере индивидуальных антигенов, и клетки уже не будут вызывать реакции отторжения.

Реже используют стволовые клетки печени, поскольку их необходимо покупать. Чаще всего данный вид клеток используют для омоложения.

Готовые стволовые клетки вводят в организм различными способами. Причем введение стволовых клеток называется трансплантацией, которая производится различными путями в зависимости от заболевания. Так, при болезни Альцгеймера стволовые клетки трансплантируют в спинномозговую жидкость при помощи люмбальной пункции. При заболеваниях внутренних органов клетки трансплантируются следующими основными способами:

Внутривенное введение стволовых клеток, разболтанных в стерильном физиологическом растворе;
Введение стволовых клеток в сосуды пораженного органа при помощи специального оборудования;
Введение стволовых клеток непосредственно в пораженный орган в ходе оперативного вмешательства;
Введение стволовых клеток внутримышечно в непосредственной близости от пораженного органа;
Введение стволовых клеток подкожно или внутрикожно.

Чаще всего клетки вводят внутривенно. Но в каждом конкретном случае метод выбирается врачом, исходя из общего состояния человека и желаемого эффекта.

Клеточная терапия (лечение стволовыми клетками) во всех случаях приводит к улучшению состояния человека, частично восстанавливает утраченные функции, повышает качество жизни, уменьшает скорость прогрессирования заболевания и развития осложнений.

Однако следует помнить, что лечение стволовыми клетками не является панацеей, оно не сможет исцелить полностью или отменить традиционной терапии. На современном этапе развития науки стволовые клетки могут использоваться только в качестве дополнения к традиционной терапии. Когда-нибудь, возможно, будут разработаны способы лечения только при помощи стволовых клеток, но сегодня это мечта. Поэтому принимая решение об использовании стволовых клеток, помните, что отменять всю остальную терапию тяжелого хронического заболевания нельзя. Трансплантация клеток только улучшит состояние и повысит эффективность традиционной терапии.

Лечение стволовыми клетками: основные проблемы - видео

Стволовые клетки: история открытия, виды, роль в организме, получение и особенности лечения - видео

Банк стволовых клеток

Банк стволовых клеток – это специализированная лаборатория, оснащенная оборудованием для их получения и длительного хранения в жидком азоте. В банках стволовых клеток можно хранить пуповинную кровь или собственные клетки, оставшиеся от какой-либо манипуляции. Каждый банк стволовых клеток имеет свои расценки на услуги, которые могут существенно отличаться. Однако рекомендуется выбирать такую организацию не по прайс-листу, а по профессионализму сотрудников и степени оснащенности оборудованием.

В настоящее время практически во всех крупных городах России имеются подобные банки, которые предлагают свои услуги физическим и юридическим лицам.

Перед применением необходимо проконсультироваться со специалистом.

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.

Улучшение состояние здоровья человека, спасение жизни, увеличение ее продолжительности — эти вопросы были, есть и будут самыми актуальными для человечества. Именно поэтому тема выращивания искусственных органов в России в 2018 году занимает умы российских ученых, стоит на повестке дня Министерства здравоохранения и широко обсуждается в СМИ.

Дает большие надежды, что отрасль научной медицины — биоинженерные технологии, будет, наконец, иметь полноценную законодательную основу. Это позволит заниматься разработками, проводить доклинические и клинические исследования, практически использовать клеточные продукты, руководствуясь и опираясь на нормативно-правовую базу.

Закон о биомедицинских клеточных продуктах

Главная для ученых и медиков — в России с января 2017 года вступил в силу закон «О биомедицинских клеточных продуктах».

Он разработан в рамках реализации стратегии развития науки в Российской Федерации до 2025 года и направлен на регулирование отношений в связи с разработкой, исследованиями, регистрацией, производством и контролем качества, применением в лечебной практике биологических медицинских клеточных продуктов (БМКП).

Также это закон обеспечит законодательный базис для создания в сфере здравоохранения новой индустрии, которая производством и использованием клеточного продукта решит проблемы восстановления функций и структур тканей тела человека поврежденных заболеваниями, травмами, нарушениями при внутриутробном развитии.

Основной целью федерального закона является закрепление обособленного урегулирования деятельности по обращению БМКП, которая до недавнего времени была разрозненной, неполной и в основном незаконной.

Теперь организации и предприятия, которые занимались биопродуктами нелегально, парализованы. Именно поэтому принятию закона было оказано сопротивление и создавалось множество препятствий. Негативные последствия от принятия закона ощутят только те, кто осуществлял деятельность в области применения клеточного материала нелегально, то есть, нарушали закон.

Для отрасли в целом, закон обеспечивает цивилизованные пути развития, расширение возможностей, а для пациентов гарантирует получение качественного, безопасного продукта.

Новая эпоха в медицине

Вместе с поиском и разработкой эффективных методов лечения и восстановления организма человека, российская медицина ведет активную работу над созданием искусственных органов. Этой темой стали заниматься более пятидесяти лет назад, с того времени, когда методика пересадки донорских органов из теории перешла в практику.

Донорство спасло много жизней, но этот метод имеет значительный ряд проблем — нехватка донорских органов, несовместимость, отторжение иммунной системой. Поэтому идея выращивания искусственных органов с энтузиазмом была подхвачена учеными медиками всего мира.

Методика замещения поврежденных тканей искусственным клеточным продуктом, введенным извне, или путем активизирования собственных клеток основывается на жизнеспособности БМКТ и способности постоянно находиться в организме пациента. Это дает большие возможности для результативного лечения болезней и спасения многих жизней.

На сегодняшний день применение биоинженерных технологий в медицине достигло значительных результатов. Уже апробированы методики выращивания некоторых органов непосредственно в организме человека, так и вне тела. Есть возможность вырастить орган из клеток того человека, которому он впоследствии будет вживлен.

Применение искусственно созданных простых тканей уже имеют место в клинической практике. По словам Юрия Суханова, исполнительного директора Объединения экспертов по биомедицинским клеточным технологиям и регенеративной медицине, российскими учеными подготовлены к испытаниям ряд важных и необходимых продуктов.

«Это противораковые вакцины на основе живых клеток человека, препараты для лечения диабета с помощью инсулинпродуцирующих клеток, которые будут имплантироваться пациенту. Разумеется кожа – ожоги, раны, диабетическая стопа. Выращивание из клеток хряща, кожи, роговицы, уретры. И, конечно, клеточные вакцины – самое интересное и эффективное, что сейчас есть» — отметил Юрий Суханов.

Российские ученые создали искусственную печень и провели доклинические испытания продукта на животных, которые показали очень хорошие результаты. Элемент выращенного органа был имплантирован в поврежденные ткани печени животных.

В результате клетки искусственной печени способствовали регенерации тканей, и через время поврежденный орган полностью восстановился. При этом не произошло отрицательного влияния на продолжительность жизни подопытного животного.

Регенеративная медицина — это наше будущее, которое закладывается уже сегодня. Возможности у нее колоссальные. Тем более что традиционная медицина достигла определенного уровня, и сейчас не может предложить результативных методов лечения многих опасных болезней, уносящих миллионы жизней.

Медицинской науке необходима революция, мощный прорыв, которым станет приход клеточных технологий. Победить неизлечимые заболевания, снизить продолжительность и стоимость лечения, сделать доступным замену утраченного или нежизнеспособного органа и таким образом спасти и продлить жизнь — все это нам дает новая перспективная отрасль медицинской науки — тканевая инженерия.

Закон «О биомедицинских клеточных продуктах» принятый в 2017 году, начал полноценно работать. И теперь ученые имеют гораздо больше возможностей для новых исследований и открытий в области клеточных технологий и выращивания искусственных органов в России.

В В Е Д Е Н И Е

Выращивание органов и его альтернативы

Многие болезни, в том числе, угрожающие жизни человека, связаны с нарушениями в деятельности конкретного органа (например, почечная недостаточность, сердечная недостаточность, сахарный диабет и др.). Далеко не во всех случаях эти нарушения можно исправить с помощью традиционных фармакологических или хирургических воздействий.

Существует ряд альтернативных способов того, как восстановить функции органов пациентам в случае серьёзного поражения:

1) Стимуляция процессов регенерации в организме. Кроме фармакологических воздействий в практике применяется процедура введения в организм стволовых клеток, которые имеют способность к превращению в полноценные функциональные клетки организма. Уже получены положительные результаты при лечении с помощью стволовых клеток самых разных заболеваний, в том числе, наиболее распространенных в обществе заболеваний, таких, как инфаркты, инсульты, нейродегенеративные заболевания, диабет и другие. Однако ясно, что такой способ лечения применим лишь для устранения относительно небольших повреждений органов.

2) Восполнение функций органов с помощью аппаратов не биологического происхождения. Это могут быть крупных размеров аппараты, к которым больные подключаются на определенное время (например, аппараты для гемодиализа при почечной недостаточности). Также имеются модели носимых устройств, или устройств, имплантируемых внутрь организма (существуют варианты сделать это, оставив собственный орган пациента, однако, иногда его удаляют, и аппарат полностью берёт на себя его функции, как в случае использования искусственного сердца AbioCor ). Подобные приспособления в ряде случаев используют на время ожидания появления необходимого донорского органа. Пока не биологические аналоги значительно уступают по совершенству естественным органам.

3) Использование донорских органов. Донорские органы, пересаживаемые от одного человека к другому, уже широко и порою успешно применяются в клинической практике. Однако это направление сталкивается с рядом проблем, таких, как серьёзный дефицит донорских органов, проблема реакции отторжения чужого органа иммунной системой и др. Уже были попытки пересаживать человеку органы животных (это называется ксенотрансплантацией), но пока успехи в применении такого способа скромные и в регулярную практику он не внедрён. Однако ведутся исследования с целью повысить эффективность ксенотрансплантации, например, посредством генетической модификации.

4) Выращивание органов. Органы могут выращиваться искусственно как в теле человека, так и вне организма. В ряде случаев имеется возможность выращивать орган из клеток того человека, которому его собираются трансплантировать. Разработан ряд методов выращивания биологических органов, например, с помощью специальных приборов, работающих по принципу 3D принтера. К рассматриваемому направлению можно отнести предложение о возможности выращивания, для замены повреждённого тела человека с сохранившимся мозгом, самостоятельно развивающегося организма, клона - “растения” (с отключенной способностью мыслить).

Среди перечисленных четырёх вариантов решения проблемы недостаточности функций органов именно их выращивание может быть наиболее естественным для организма способом восстановления при крупных повреждениях.

В настоящем тексте приводится информация о существующих достижениях в выращивании биологических органов.

Д О С Т И Ж Е Н И Я И П Е Р С П Е К Т И В Ы В В Ы Р А Щ И В А Н И И О Т Д Е Л Ь Н Ы Х О Р Г А Н О В

Д Л Я Н У Ж Д М Е Д И Ц И Н Ы

Выращивание тканей

Выращивание простых тканей – уже существующая и использующаяся в практике технология.

Кожа

Восстановление повреждённых участков кожи уже является частью клинической практики. В ряде случаев используются методы регенерации кожи самого человека, например, пострадавшего от ожога посредством специальных воздействий. Это например разработанный Р.Р. Рахматуллиным биопластический материал гиаматрикс 1 , или биокол 2 , разработанный коллективом под руководством Б.К. Гаврилюка. Для выращивания кожи на месте ожога также используются специальные гидрогели 3 .

Также развиваются методы распечатки фрагментов ткани кожи с помощью специальных принтеров. Созданием таких технологий занимаются, например, разработчики из американских центров регенерационной медицины AFIRM 4 и WFIRM 5 .

Доктор Герлах (Jorg Gerlach) с коллегами из Института регенеративной медицины при Университете Питсбурга (Institute for Regenerative Medicine at the University of Pittsburg) изобрели устройство для пересадки кожи, которое поможет людям быстрее излечиться от ожогов различной степени тяжести. Skin Gun распыляет на поврежденную кожу пострадавшего раствор с его же стволовыми клетками. На данный момент новый метод лечения находится на экспериментальной стадии, но результаты уже впечатляют: тяжелые ожоги заживают буквально за пару дней. 6

Кости

Группа сотрудников Колумбийского университета под руководством Горданы Вуньяк-Новакович (Gordana Vunjak-Novakovic) получила из стволовых клеток, засеянных на каркас, фрагмент кости, аналогичный части височно-нижнечелюстного сустава. 7

Учёные израильской компании Bonus Biogroup 8 (основатель и исполнительный директор - Шай Мерецки, Shai Meretzki ) разрабатывают методы выращивания человеческой кости из жировой ткани пациента, полученной посредством липосакции. Выращенную таким образом кость уже удалось успешно пересадить в лапу крысы.

Зубы

Итальянским ученым из University of Udine удалось показать, что полученная из единственной клетки жировой ткани популяция мезенхимальных стволовых клеток invitro даже в отсутствие специфического структурного матрикса или подложки может быть дифференцирована в структуру, напоминающую зубной зачаток. 9

В Токийском университете учёные вырастили из стволовых клеток мышей полноценные зубы, имеющие зубные кости и соединительные волокна, и успешно трансплантировали их в челюсти животных. 10

Хрящи

Специалистам из Медицинского центра Колумбийского университета (Columbia University Medical Center) под руководством Джереми Мао (Jeremy Mao) удалось добиться восстановления суставных хрящей кроликов.

Сначала исследователи удалили животным хрящевую ткань плечевого сустава, а также находящийся под ней слой костной ткани. Затем на место удаленных тканей им были помещены коллагеновые каркасы.

У тех животных, у которых каркасы содержали трансформирующий фактор роста - белок, который контролирует дифференцировку и рост клеток, вновь сформировалась костная и хрящевая ткань на плечевых костях, а движения в суставе полностью восстановились. 11

Группе американских ученых из The University of Texasat Austin удалось продвинуться в создании хрящевой ткани с меняющимися в разных участках механическими свойствами и составом внеклеточного матрикса. 12

В 1997 году, Хирургу Джею Ваканти (Jay Vscanti) из Главной больницы Массачусетса в Бостоне удалось вырастить на спине у мыши человеческое ухо, используя клетки хряща. 13

Медики Университета Джона Хопкинса удалили пораженное опухолью ухо и часть черепной кости у 42-летней женщины, страдающей раком. Используя хрящевую ткань из грудной клетки, кожу и сосуды из других частей тела пациентки, они вырастили ей искусственное ухо на руке и затем пересадили в нужное место. 14

Сосуды

Исследователи из группы профессора Ин Чжэн (Ying Zheng) вырастили в лаборатории полноценные сосуды, научившись управлять их ростом и формировать из них сложные структуры. Сосуды формируют ветвления, нормальным образом реагируют на суживающие вещества, транспортируя кровь даже через острые углы. 15

Ученые во главе с заведующим кафедрой в Университете Райса Дженнифер Вест (Jennifer West) и молекулярным физиологом из Медицинского колледжа Бэйлора (Baylor College of Medicine - BCM) Мэри Дикинсон (Mary Dickinson) нашли свой способ выращивать кровеносные сосуды, в том числе капилляры с использованием в качестве базового материала полиэтиленгликоля (PEG) – нетоксичного пластика. Ученые модифицировали PEG, имитируя экстрацеллюлярный матрикс организма.

Затем они соединили его с двумя видами клеток, необходимыми для образования кровеносных сосудов. Используя свет, превращающий полимерные нити PEG в трехмерный гель, они получили мягкий гидрогель, содержащий живые клетки и ростовые факторы. В результате ученые смогли наблюдать за тем, как клетки медленно образуют капилляры во всей массе геля.

Чтобы протестировать новые сети кровеносных сосудов, ученые имплантировали гидрогели в роговицу глаза мышей, где отсутствует естественное кровоснабжение. Введение красителя в кровь животных подтвердило существование нормального кровотока во вновь образовавшихся капиллярах. 16

Шведские врачи из университета Готенбурга под руководством профессора Сухитры Сумитран-Хольгешон (Suchitra Sumitran-Holgersson) впервые в мире провели операцию по пересадке вены, выращенной из стволовых клеток пациента. 17

Участок подвздошной вены длиной около 9 сантиметров, полученный от умершего донора, был очищен от донорских клеток. Внутрь оставшегося белкового каркаса поместили стволовые клетки девочки. Через две недели была проведена операция по пересадке вены с выросшей в ней гладкой мускулатурой и эндотелием.

Прошло больше года с момента операции, антител к трансплантату в крови пациентки обнаружено не было и самочувствие ребёнка улучшилось.

Мышцы

Сотрудники Вустерского политехнического института (США) успешно ликвидировали большую рану в мышечной ткани у мышей путём выращивания и вживления состоящих из белкового полимера фибрина микронитей, покрытых слоем человеческих мышечных клеток. 18

Израильские ученые из Technion-Israel Institute of Technology исследуют необходимую степень васкуляризации и организации ткани invitro, позволяющую улучшить приживаемость и интеграцию тканеинженерного васкуляризированного мышечного импланта в организме реципиента. 19

Кровь

Исследователи из Университета Пьера и Марии Кюри в Париже под руководством Люка Дуая (Luc Douay) впервые в мировой практике успешно испытали на людях-добровольцах искусственную кровь, выращенную из стволовых клеток.

Каждый из участников эксперимента получил по 10 миллиардов эритроцитов, что эквивалентно примерно двум миллилитрам крови. Уровни выживаемости полученных клеток оказались сопоставимы с аналогичными показателями обычных эритроцитов. 20

Костный мозг

Искусственный костный мозг, предназначенный для производства in vitro клеток крови, впервые успешно был создан исследователями в лаборатории химической инженерии Мичиганского Университета (University of Michigan ) под руководством Николая Котова (Nicholas Kotov ). С его помощью уже можно получать гемопоэтические стволовые клетки и В-лимфоциты – клетки иммунной системы, продуцирующие антитела. 21

Выращивание сложных органов

Мочевой пузырь.

Доктор Энтони Атала (Anthony Atala) и его коллеги из американского университета Вэйк Форест (Wake Forest University) занимаются выращиванием мочевых пузырей из собственных клеток пациентов и их трансплантацией пациентам. 22 Они отобрали нескольких пациентов и взяли у них биопсию пузыря - образцы мышечных волокон и уротелиальных клеток. Эти клетки размножались семь-восемь недель в чашках Петри на имеющем форму пузыря основании. Затем выращенные таким способом органы были вшиты в организмы пациентов. Наблюдения за пациентами в течении нескольких лет показали, что органы функционировали благополучно, без негативных эффектов, характерных для более старых методов лечения. Фактически это первый случай, когда достаточно сложный орган, а не простые ткани, такие, как кожа и кости, был искусственно выращен in vitro и пересажен в человеческий организм. Так же этот коллектив разрабатывает методы выращивания других тканей и органов.

Трахея.

Испанские хирурги провели первую в мире трансплантацию трахеи, выращенной из стволовых клеток пациентки - 30-летней Клаудии Кастильо (Claudia Castillo). Орган был выращен в университете Бристоля (University of Bristol) на основе донорского каркаса из коллагеновых волокон. Операцию провёл профессор Паоло Маккиарини (Paolo Macchiarini) из госпиталя Барселоны (Hospital Clínic de Barcelona). 23

Профессор Маккиарини активно сотрудничает с Российскими исследователями, что позволило сделать первые операции по пересадке выращенной трахеи в России. 24

Почки

Компания Advanced Cell Technology в 2002 г. сообщила об успешном выращивании полноценной почки из одной клетки, взятой из уха коровы с использованием технологии клонирования для получения стволовых клеток. Применяя специальное вещество, стволовые клетки превратили в почечные.

Ткань вырастили на каркасе из саморазрушающегося материала, созданного в Гарвардской медицинской школе и имеющего форму обычной почки.

Полученные в результате почки около 5 см в длину были имплантированы корове рядом с основными органами. В результате искусственная почка успешно начала вырабатывать мочу. 25

Печень

Американские специалисты из Массачусетской больницы общего профиля (Massachusetts General Hospital) под руководством Коркута Югуна (Korkut Uygun) успешно пересадили нескольким крысам печень, выращенную в лаборатории из их собственных клеток.

Исследователи удалили печени у пяти лабораторных крыс, очистили их от клеток хозяина, получив, таким образом, соединительнотканные каркасы органов. Затем в каждый из пяти полученных каркасов исследователи ввели примерно по 50 миллионов клеток печени, взятых у крыс-реципиентов. В течение двух недель на каждом из заселенных клетками каркасов сформировалась полностью функционирующая печень. После чего выращенные в лаборатории органы были успешно пересажены пяти крысам. 26

Сердце

Ученые из британского госпиталя Хэафилд под руководством Мегди Якуба впервые в истории вырастили часть сердца, использовав в качестве "строительного материала" стволовые клетки. Врачи вырастили ткань, которая работала в точности как сердечные клапаны, ответственные за кровоток в организме людей. 27

Ученые из University of Rostock (Германия) использовали технологию лазерного переноса-печатания клеток (Laser-Induced-Forward-Transfer (LIFT) cellprinting) для изготовления “заплатки”, предназначенной для регенерации сердца. 28

Легкие

Американские ученые из Йельского университета (Yale University) под руководством Лауры Никласон (Laura Niklason) вырастили в лаборатории легкие (на донорском внеклеточном матриксе).

Матрикс был заполнен клетками эпителия легких и внутренней оболочки кровеносных сосудов, взятых у других особей. С помощью культивации в биореакторе исследователям удалось вырастить новые легкие, которые затем пересадили нескольким крысам.

Орган нормально функционировал у разных особей от 45 минут до двух часов после трансплантации. Однако после этого в сосудах легких начали образовываться тромбы. Кроме того, исследователи зафиксировали утечку небольшого количества крови в просвет органа. Тем не менее, исследователям впервые удалось продемонстрировать потенциал регенеративной медицины для трансплантации лёгких. 29

Кишечник

Группе японских исследователей из Медицинского университета Нара (Nara Medical University ) под руководством Есиюки Накадзимы (Yoshiyuki Nakajima ) удалось создать фрагмент кишечника мыши из индуцированных плюрипотентных стволовых клеток.

Его функциональные особенности, структура мышц, нервных клеток соответствуют обычному кишечнику. Например, он мог сокращаться для перемещения пищи. 30

Поджелудочная железа

Исследователи израильского института Technion, работающие под руководством профессора Шуламит Левенберг (Shulamit Levenberg), разработали метод выращивания ткани поджелудочной железы, содержащей секреторные клетки, окруженные трехмерной сетью кровеносных сосудов.

Трансплантация такой ткани мышам с диабетом приводила к значительному снижению уровней глюкозы в крови животных. 31

Тимус

Ученые из University of Connecticut Health Center (США) разработали метод направленной дифференцировки invitro мышиных эмбриональных стволовых клеток (ЭСК) в клетки-предшественники эпителия тимуса (ПЭТ), которые invivo дифференцировались в клетки тимуса, и восстанавливали его нормальное строение. 32

Предстательная железа

Ученые Пру Кауин, профессор Гейл Рисбриджер и доктор Рения Тейлор из Мельбурнского института медицинских исследований Monash, стали первыми, кому с помощью стволовых эмбриональных клеток удалось вырастить человеческую простату в теле мыши. 33

Яичник

Группе специалистов под руководством Сандры Карсон (Sandra Carson ) из университета Брауна удалось вырастить первые яйцеклетки в органе, созданном в лаборатории: пройден путь от стадии «молодого граафова пузырька» до полного взросления. 34

Пенис, уретра

Исследователям из Института регенеративной медицины Уэйк-Фореста (Северная Каролина, США) под руководством Энтони Атала (Anthony Atala) удалось вырастить и успешно пересадить пенисы кроликам. После операции функции пенисов восстановились, кролики оплодотворили самок, у них родилось потомство. 35

Ученые из Университета Уэйк-Форест в Уинстон-Сейлеме, штат Северная Каролина, вырастили мочеиспускательные каналы из собственных тканей больных. В эксперименте они помогли пятерым подросткам восстановить целостность поврежденных каналов. 36

Глаза, роговицы, сетчатки

Биологи из Токийского университета имплантировали в глазницу лягушки, из которой было удалено глазное яблоко, эмбриональные стволовые клетки. Затем глазницу заполнили специальной питательной средой, обеспечивавшей питание клеток. Через несколько недель эмбриональные клетки переросли в новое глазное яблоко. Причем восстановился не только глаз, но и зрение. Новое глазное яблоко срослось со зрительным нервом и питающими артериями, полностью заместив прежний орган зрения. 37

Учeные из Caлгрeнcкoй Aкaдeмии в Швeции (The Sahlgrenska Academy) впeрвыe уcпeшно культивирoвaли из cтвoлoвых клeтoк чeлoвeчecкую рoгoвицу. Этo в будущeм пoмoжeт избeжaть дoлгoго oжидaния дoнoрcкoй роговицы. 38

Исследователи университета Калифорнии в Ирвине, работающие под руководством Ганса Кайрштеда (Hans Keirstead ), вырастили из стволовых клеток в лабораторных условиях восьмислойную сетчатку, что поможет в разработке готовых к трансплантации сетчаток для лечения таких ведущих к слепоте заболеваний, как пигментный ретинит и макулярная дегенерация. Сейчас они проверяют возможность трансплантации такой сетчатки на животных моделях. 39

Нервные ткани

Исследователи Центра биологии развития RIKEN, Кобе, Япония под руководством Йошики Сасаи разработали методику выращивания гипофиза из стволовых клеток, который успешно имплантировали мышам. Проблему создания двух типов тканей ученые решили воздействуя на мышиные эмбриональные стволовые клетки веществами, создающими среду, похожую на ту, в которой формируется гипофиз развивающегося эмбриона, и обеспечили обильное снабжение клеток кислородом. В результате клетки сформировали трехмерную структуру, внешне сходную с гипофизом, содержащую комплекс эндокринных клеток, секретирующих гипофизарные гормоны. 40

Ученые лаборатории клеточных технологий Нижегородской государственной медицинской академии сумели вырастить нейронную сеть, фактически фрагмент мозга. 41

Вырастили они нейронную сеть на специальных матрицах – многоэлектродных подложках, которые позволяют снимать электрическую активность этих нейронов на всех этапах роста.

З А К Л Ю Ч Е Н И Е

Приведённый обзор публикаций показывает, что уже имеются существенные достижения в использовании выращивания органов для лечения людей не только простейших тканей, таких, как кожа и кости, но и достаточно сложных органов, таких, как мочевой пузырь, или трахея. Технологии выращивания ещё более сложных органов (сердце, печень, глаз и др.) пока отрабатываются на животных. Кроме применения в трансплантологии, такие органы могут послужить, например, для экспериментов, заменяющих некоторые эксперименты на лабораторных животных, или же для нужд искусства (как это сделал вышеупомянутый Дж. Ваканти). Ежегодно в области выращивания органов появляются новые результаты. По прогнозам учёных разработка и внедрение техники выращивания сложных органов – вопрос времени и велика вероятность, что уже в ближайшие десятилетия техника будет отработана настолько, что выращивание сложных органов будет широко использоваться в медицине, вытеснив наиболее распространённый сейчас метод трансплантации от доноров.

Источники информации.

1Биоинженерная модель биопластического материала «гиаматрикс» Рахматуллин Р.Р., Барышева Е.С., Рахматуллина Л.Р. // Успехи современного естествознания. 2010. № 9. С. 245-246.

2Система «биокол» для регенерации ран. Гаврилюк Б.К., Гаврилюк В.Б.// Технологии живых систем. 2011. № 8. С. 79-82.

3 Sun, G., Zhang, X., Shen, Y., Sebastian, R., Dickinson, L. E., Fox-Talbot, K., et al. Dextran hydrogel scaffolds enhance angiogenic responses and promote complete skin regeneration during burn wound healing. // Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 108(52), 20976-20981.

7Grayson WL, Frohlich M, Yeager K, Bhumiratana S, Chan ME, Cannizzaro C, Wan LQ, Liu XS, Guo XE, Vunjak-Novakovic G: Engineering anatomically shaped human bone grafts. // Proc Natl Acad Sci U S A 2010, 107:3299-3304.

9Ferro F, etal. Adipose tissue-derived stem cell in vitro differentiation in a three-dimensional dental bud structure.Am J Pathol. 2011 May;178(5):2299-310.

10Oshima M, Mizuno M, Imamura A, Ogawa M, Yasukawa M, et al. (2011) Functional Tooth Regeneration Using a Bioengineered Tooth Unit as a Mature Organ Replacement Regenerative Therapy. // PLoS ONE 6(7): e21531.

11Chang H Lee, James L Cook, Avital Mendelson, Eduardo K Moioli, Hai Yao, Jeremy J Mao Regeneration of the articular surface of the rabbit synovial joint by cell homing: a proof of concept study // The Lancet, Volume 376, Issue 9739, Pages 440 - 448, 7 August 2010

16Saik, Jennifer E. and Gould, Daniel J. and Watkins, Emily M. and Dickinson, Mary E. and West, Jennifer L., Covalently immobilized platelet-derived growth factor-BB promotes antiogenesis in biomirnetic poly(ethylene glycol) hydrogels, ACTA BIOMATERIALIA, vol 7 no. 1 (2011), pp. 133--143

17Michael Olausson, Pradeep B Patil, Vijay Kumar Kuna, Priti Chougule, Nidia Hernandez, Ketaki Methe, Carola Kullberg-Lindh, Helena Borg, Hasse Ejnell, Prof Suchitra Sumitran-Holgersson. Transplantation of an allogeneic vein bioengineered with autologous stem cells: a proof-of-concept study. // The Lancet, Volume 380, Issue 9838, Pages 230 - 237, 21 July 2012

18Megan K. Proulx, Shawn P. Carey, Lisa M. DiTroia, Craig M. Jones, Michael Fakharzadeh, Jacques P. Guyette, Amanda L. Clement, Robert G. Orr, Marsha W. Rolle, George D. Pins, Glenn R. Gaudette. Fibrin microthreads support mesenchymal stem cell growth while maintaining differentiation potential. // Journal of Biomedical Materials Research Part A Volume 96A, Issue 2, pages 301–312, February 2011

19KofflerJ, etal. Improved vascular organization enhances functional integration of engineered skeletal muscle grafts.Proc Natl Acad Sci U S A.2011 Sep 6;108(36):14789-94. Epub 2011 Aug 30.

20Giarratana, et al. Proof of principle for transfusion of in vitro-generated red blood cells. // Blood 2011, 118: 5071-5079;

21Joan E. Nichols, Joaquin Cortiella, Jungwoo Lee, Jean A. Niles, Meghan Cuddihy, Shaopeng Wang, Joseph Bielitzki, Andrea Cantu, Ron Mlcak, Esther Valdivia, Ryan Yancy, Matthew L. McClure, Nicholas A. Kotov. In vitro analog of human bone marrow from 3D scaffolds with biomimetic inverted colloidal crystal geometry. // Biomaterials, Volume 30, Issue 6, February 2009, Pages 1071-1079 Organ reengineering through development of a transplantable recellularized liver graft using decellularized liver matrix. // Nature Medicine 16, 814–820 (2010)

27Philosophical Transactions of the Royal Society. Bioengineering the Heart issue. Eds Magdi Yacoub and Robert Nerem. 2007 vol 362(1484): 1251-1518.

28GaebelR, etal. Patterning human stem cells and endothelial cells with laser printing for cardiac regeneration.Biomaterials. 2011 Sep 10.

29Thomas H. Petersen, Elizabeth A. Calle, Liping Zhao, Eun Jung Lee, Liqiong Gui, MichaSam B. Raredon, Kseniya Gavrilov, Tai Yi, Zhen W. Zhuang, Christopher Breuer, Erica Herzog, Laura E. Niklason. Tissue-Engineered Lungs for in Vivo Implantation. // Science 30 July 2010: Vol. 329 no. 5991 pp. 538-541

30Takatsugu Yamada, Hiromichi Kanehiro, Takeshi Ueda, Daisuke Hokuto, Fumikazu Koyama, Yoshiyuki Nakajima. Generation of Functional Gut ("iGut") From Mouse Induced Pluripotent Stem Cells. // SBE"s 2nd International Conference on Stem Cell Engineering (2-5 May 2010) in Boston (MA), USA.

31Keren Kaufman-Francis, Jacob Koffler, Noa Weinberg, Yuval Dor, Shulamit Levenberg. Engineered Vascular Beds Provide Key Signals to Pancreatic Hormone-Producing Cells. // PLoS ONE 7(7): e40741.

32Lai L, etal. Mouse embryonic stem cell-derived thymic epithelial cell progenitors enhance T-cell reconstitution after allogeneic bone marrow transplantation.Blood.2011 Jul 26.

33Renea A Taylor, Prue A Cowin, Gerald R Cunha, Martin Pera, Alan O Trounson, + et al. Formation of human prostate tissue from embryonic stem cells. // Nature Methods 3, 179-181

34Stephan P. Krotz, Jared C. Robins, Toni-Marie Ferruccio, Richard Moore, Margaret M. Steinhoff, Jeffrey R. Morgan and Sandra Carson. In vitro maturation of oocytes via the pre-fabricated self-assembled artificial human ovary. // JOURNAL OF ASSISTED REPRODUCTION AND GENETICS Volume 27, Number 12 (2010), 743-750.

36Atlantida Raya-Rivera MD, Diego R Esquiliano MD, James J Yoo MD, Prof Esther Lopez-Bayghen PhD, Shay Soker PhD, Prof Anthony Atala MD Tissue-engineered autologous urethras for patients who need reconstruction: an observational study // The Lancet, Vol. 377 No. 9772 pp 1175-1182

38Charles Hanson, Thorir Hardarson, Catharina Ellerström, Markus Nordberg, Gunilla Caisander, Mahendra Rao, Johan Hyllner, Ulf Stenevi, Transplantation of human embryonic stem cells onto a partially wounded human cornea in vitro // Acta Ophthalmologica, Acta Ophthalmologica on 27 January 2012, DOI: 10.1111/j.1755-3768.2011.02358.x

39Gabriel Nistor, Magdalene J. Seiler, Fengrong Yan, David Ferguson, Hans S. Keirstead. Three-dimensional early retinal progenitor 3D tissue constructs derived from human embryonic stem cells. // Journal of Neuroscience Methods, Volume 190, Issue 1, 30 June 2010, Pages 63–70

40Hidetaka Suga, Taisuke Kadoshima, Maki Minaguchi, Masatoshi Ohgushi, Mika Soen, Tokushige Nakano, Nozomu Takata, Takafumi Wataya, Keiko Muguruma, Hiroyuki Miyoshi, Shigenobu Yonemura, Yutaka Oiso & Yoshiki Sasai. Self-formation of functional adenohypophysis in three-dimensional culture. // Nature 480, 57–62 (01 December 2011)

41Мухина И.В., Хаспеков Л.Г. Новые технологии в экспериментальной нейробиологии: нейронные сети на мультиэлектродной матрице. Анналы клинической и экспериментальной неврологии. 2010. №2. С. 44-51.