По данным ООН, от 15 до 30% больных умирают от того, что не могут найти донорские органы. Поэтому ученые ищут способ создавать их искусственным путем. Один из способов — 3D-печать новых органов из клеток самого реципиента. Но несмотря на успехи — врачи уже пересаживают напечатанную кожу и сосуды, в технологии до сих пор существуют проблемы. У целых органов с системой кровообращения слишком сложная структура, а иногда пациентам требуется орган, который у них отсутствует (например, почка) или сильно генетически поврежден. В этом случае ученые пробуют применять стволовые клетки. «Хайтек» побывал на ассамблее «Здоровая Москва» и записал выступление директора Института регенеративной медицины Уэйк-Форест Энтони Аталы о будущем трансплантологии, поисках нового типа стволовых клеток и тестировании лекарств на микроорганах.
Энтони Атала — директор Института регенеративной медицины Уэйк-Форест, заведующий кафедрой урологии Медицинской школы в Северной Каролине. Знаменитый биоинженер, уже около 20 лет занимающийся регенеративной медициной. На его счету успешное создание таких тканей человеческого организма, как хрящи, кожа и сосуды, а также некоторых полых органов. Ведет работу по созданию искусственных тканей печени, сердца и легких, планирует создавать органы, которые подошли бы жертвам несчастных случаев и людям с врожденными патологиями репродуктивной системы.
Запустить регенерацию
Первая в мире успешная трансплантация органа произошла в 1954 году — хирург Джо Маррей имплантировал почку пациенту. Благодаря этому впоследствии было спасено много людей. Но по-прежнему этих органов не хватает, и, кроме того, происходит реакция отторжения трансплантата. Поэтому мы наблюдаем огромный дефицит органов: за последние 10 лет удвоилось количество пациентов, которым нужна трансплантация, при этом само количество процедур повысилось менее чем на 1%.
Ежегодно в мире делают в среднем 100 800 пересадок органов. Чаще всего пересаживают почки (69 400 операций), печень (20 200), сердце (5 400), легкие (2 400) и поджелудочную железу (2 400). Донорство может быть родственным и посмертным, когда нужный орган берут у трупа. При этом в России, например, средний срок ожидания донорской почки — 1,5-2 года. В НИИ имени Склифосовского ежегодно выполняется около 200 операций, в то время как в листе ожидания стоит примерно 500 человек.
Природа так создала клетки, что они всегда знают, что им делать. У них есть способность регенерировать, каждая клетка имеет такой потенциал. Клетки кожи обновляются каждые две недели, клетки кишечника — в течение двух недель, а клетки мозга — каждые десять лет. Проблема заключается в том, что мы не регенерируем ткани, когда происходит болезнь, шрам или повреждение. В этот момент регенерация останавливается, и здесь может помочь регенеративная медицина. Мы берем у пациента очень маленькие мышечные ткани, затем обрабатываем эти клетки и помещаем их в зону, где находится поврежденная мышца. Это также можно применять для пациентов с ожогами: в этом случае мы берем маленький образец кожи пациента, затем обрабатываем клетки и просто с помощью спрея наносим их на поврежденные области. При этом если пациент с травмой, необходимо сначала его подлечить, избавиться от инфекции и выждать время, чтобы сам он был готов к лечению.
Вырастить новый орган
Вместо клеток можно использовать так называемую подложку — своего рода каркас здания. Ее материалы очень похожи на материалы швов. Они растворяются за несколько месяцев, безопасны для человека и клеток. Мы берем маленький образец ткани у пациента, затем обрабатываем эти клетки за пределами тела, культивируем их, используем подложку для того, чтобы они приобрели трубчатую форму, и имплантируем это пациенту. На весь процесс нужно примерно 30 дней. То же самое касается и кровяных сосудов. Мы кладем эти клетки на материал, потом тренируем этот орган. Когда сжатия станут такими, какие нам необходимы, сосуды имплантируют людям. Самый сложный орган — это цельный орган с кровообращением, как сердце, почка и печень, потому что здесь различные типы тканей, а также все они имеют очень много сосудов.
Легче всего выращивать простые ткани. В клинической практике уже используется метод регенерации кожи с помощью специальных гидрогелей или клеток самого пациента.
Гордана Вуньяк-Новакович в Колумбийском университете вырастила фрагмент кости черепа, засеяв каркас стволовыми клетками.
В Университете Джона Хопкинса врачи удалили у пациентки ухо и часть черепа, пораженные опухолью. Взяв хрящевую ткань из грудной клетки, сосуды и кожу, они вырастили ей на руке новое ухо, а затем пересадили искусственный орган на место.
Успешные опыты по выращиванию и трансплантации кровеносных сосудов прошли в университетах Готенбурга (Швеция) и Райса (США). Также есть примеры выращивания мышц, клеток крови, костного мозга и зубов.
Что касается выращивания сложных органов, эксперименты пока ведутся в основном на животных. Однако есть и примеры успешных пересадок искусственно выращенных органов людям. Энтони Атала уже несколько лет проводит операции по имплантации мочевого пузыря, выращенного из клеток пациента. В 2008 году итальянский хирург Паоло Маккиарини провел трансплантацию трахеи, выращенной на основе донорского каркаса. Правда, спустя несколько лет Маккиарини оказался в центре скандала — шестеро из его пациентов умерли, а свои достижения, согласно научным отчетам, он приукрасил. Опубликованные в мае 2015 года результаты независимой экспертизы, которую провёл главный хирург Уппсальского университета Бенгт Гердин, подтвердили, что Маккиарини сфальсифицировал результаты своих исследований и совершил научное мошенничество.
Компания Advanced Cell Technology в 2002 году вырастила миниатюрную почку коровы длиной 5 см с помощью технологий клонирования, взяв клетки из уха животного. Почку имплантировали рядом с основными органами, и она начала успешно вырабатывать мочу.
Также есть положительный опыт выращивания и трансплантации печени лабораторным крысам (Массачусетский университет) и легких свиньям (Университет Техаса).
Сосуды пересаженных органов очень маленькие. Мы 30 лет назад уже начали эту работу, но у нас не было технологии. Стали думать о том, чтобы взять органы людей, которые умерли, и использовать их еще раз. Изъяли из умершего пациента печень и как бы отмыли изнутри. Через две недели печень по-прежнему выглядела как печень, но там не было внутри клеток. Однако мы смогли сохранить сосудистое дерево, такой скелет печени. Затем взяли клетки пациента, вырастили их и поместили на этот скелет. Мы создаем ткань из тела пациента и таким образом лечим его. Поэтому нет иммунного ответа вообще. Это очень большой плюс регенеративной медицины.
Даже из очень плохого органа мы с помощью биопсии можем достать хорошие клетки. Но не можем делать этого при генетических заболеваниях, потому что дефект будет во всей ткани. Здесь другие технологии — мы берем клетки из этого пациента, дефекты исправляем, как бы оздоравливаем эти клетки, а затем работаем по той же стратегии. Пока, к сожалению, это экспериментально, но все равно есть надежда, что и генетические заболевания можно будет лечить.
Мы обязательно прослеживаем жизнь наших пациентов хотя бы в течение 5–8 лет после пересадки. Мы должны удостовериться, что все будет нормально, только потом можно будет говорить, что эта технология сработала и пересаженные органы нормально функционируют.
Печать органов и тестирование лекарств
Можно напечатать миниатюрное сердце, и через два часа оно уже будет сокращаться. Шесть лет назад мы начали использовать 3D-печать, потому что было необходимо масштабировать эти технологии — до этого мы все делали вручную. Но полученные с помощью печати органы не имели такую целостность, чтобы их имплантировать в тело. Тогда мы стали разрабатывать более специфичные принтеры, которые могли бы создавать ткань человека. И работали над этим 14 лет.
Первые эксперименты по биопечати проводились на обычных бытовых 3D-принтерах, которые модернизировали в рабочих условиях. В 2000 году Томас Боланд настроил аппараты Lexmark и HP так, чтобы на них можно было печатать фрагменты ДНК, а в 2003 году запатентовал технологию.
Сейчас печатью органов занимается несколько компаний. Биоинженеры компании Organovo разработали технологию, позволяющую печатать печеночную ткань. Также они напечатали почки, сохраняющие работоспособность в течение двух недель. Пока такие органы используются только для тестирования медицинских препаратов, но создатели не исключают, что скоро приступят к разработке оборудования для печати донорских органов.
Российские биоинженеры из 3D Bioprinting Solutions разработали 3D-принтер FABION и провели успешный эксперимент по печати щитовидной железы и пересадке ее подопытной мыши.
Принтеры Fripp Designs, разработанные в Шеффилдском университете, печатают глазные протезы. Эта же команда разрабатывает технологии 3D-печати носов, ушей и подбородков.
Часть оборудования выпускается для собственных нужд заказчиков и не предназначена для продажи (FABION, Organovo’s NovoGen MMX). Цены на коммерческие биопринтеры начинаются от $10 тыс. (BioBots) и €5 тыс. (CELLINK Inkredible) до $200 тыс. и выше (EnvisionTEC’s 3D Bioplotter, RegenHU’s 3DDiscovery).
Есть пять интересных критериев 3D-принтера для печати органов. Во-первых, у них очень маленькие насадки, они могут доходить до 2 мк — это 2% от диаметра волоса человека. Второе — этот принтер дает нам точность, мы можем выкладывать клетки там, где они на самом деле нужны. Третье — это биочернила, такая жидкость, которая проходит через насадку. А потом, когда это становится желатином, уже функционирует как нормальная ткань. Следующий критерий — это микроканалы, они дают питание центральной части клеток. По сути, это заместители крови. И, наконец, программное обеспечение, позволяющее иметь трехмерное изображение. Таким образом, мы понимаем, что происходит в теле, и создаем структуру, необходимую для заданного органа. Для этого берем цифровые данные от рентгена и используем их так, чтобы создавать структуру именно для этого дефекта у конкретного пациента.
У нас есть две сертифицированные системы для печати человеческих органов. Они одобрены FDA (Управление по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов в США — «Хайтек»). За последние шесть лет мы использовали принтер, чтобы создать так называемую программу тела на чипе. Сейчас это находится на этапе разработки, потому что необходимо обеспечить жизнестойкость этих органов, но в целом мы можем сделать миниатюрные легкие, сердце, сосуды и соединить всю эту систему на чипах. Мы также можем создать миниатюрные органы размером с булавочную головку и посмотреть, как эти органы будут реагировать на лекарства. Например, если лекарство ускоряет частоту сердечных сокращений, оно ускорит ЧСС в нашем миниатюрном сердце. Таким образом можно выявить побочные эффекты лекарств, которые другими тестами не выявляются.
Избежать побочных эффектов
С помощью напечатанных миниатюрных органов можно тестировать лекарства. Например, препарат «Гисманал» (Hismanal), 11 лет находившийся на рынке по всему миру. Это антипсихотическое средство также использовалось как антигистаминное. Спустя некоторое время его применения стало понятно, что у многих пациентов возникают побочные эффекты, связанные с нарушением работы сердца. Когда лекарство тестировалось на клетке, никаких проблем не было, когда оно тестировалось на животных, никаких проблем не было. Когда проводились клинические исследования первого, второго и третьего этапа, ничего не происходило. Мы взяли это лекарство, использовали его в отношении наших органов на чипах и уже через неделю стало понятно, что это лекарство токсично для сердца.
Это связано с тем, что все по-разному реагируют на лекарства, все генетически отличаются, одно и тоже лекарство будут по-разному перерабатывать. У всех разный режим питания, разные условия жизни, разные трудности со здоровьем. Это действует как помеха для понимания того, что на самом деле лекарство делает с органами. А если мы уберем все эти помехи и посмотрим непосредственно, как лекарство действует на органы, сразу сможем выявить токсичность.
Сегодня мы разрабатываем систему, которую называем «тело на чипе». Она в частности поможет сократить токсичность лекарств — например, чтобы работать с онкопациентами. Можем взять небольшую клетку рака и вырастить его, а затем тестировать химиотерапию на чипе, перед тем как давать эту терапию пациенту. У нас был пациент с меланомой, он шесть месяцев был на химиотерапии, было потрачено много денег, а опухоль лишь выросла. Мы протестировали лекарство, которое не рассматривалось, и пациент стал его получать. Через две недели пациент впервые сказал, что его состояние улучшается, а доктор отметил, что уменьшается опухоль. Таким образом, очень полезно тестировать лекарство прежде, чем давать его пациенту.
Стволовые клетки: создать то, чего нет
Когда нужно вырастить орган, которого у пациента никогда не было или он утрачен, можно использовать стволовые клетки. Обычно мы для того, чтобы вырастить почку, берем почечную клетку, чтобы вырастить уретру, мы берем клетки уретры. Но в случае со стволовыми клетками можем взять ту, которая может стать клеткой легкого, почки или кровеносного сосуда. Есть два основных типа стволовых клеток. Один из них — человеческие эмбриональные. Они очень мощные, растут и могут превращаться во что угодно, но также могут формировать опухоли, поэтому очень трудно использовать их. С другой стороны, если говорить об этих клетках у взрослого человека, это могут быть клетки жира или костного мозга, они не будут формировать опухоли, но не так хорошо растут.
Впервые термин «стволовая клетка» использовал немецкий ученый Валентин Хаакер в конце XIX века. В 1909 году российский ученый Александр Максимов предположил, что в организме существуют клетки, остающиеся неизменными, но в нужный момент могут изменить программу и превратиться в клетки другого типа.
Эта теория получила подтверждение в 60-х годах прошлого века. Американцы Джеймс Тилл и Эрнест Маккалох облучали мышей смертельной дозой радиации, а затем пересаживали им стволовую клетку крови здоровой особи. Оказалось, что таким образом можно восстановить кровь и спасти мышей от смерти. С 1964 года этот способ стали использовать при лечении рака крови: у пациентов сначала уничтожают собственные кровяные клетки, а затем трансплантируют здоровые стволовые клетки от донора. Эффективность такого метода достигает 70–80%.
В 1981 году Мартин Эванс и Мэттью Кауфман параллельно с Гейлом Мартином выделили эмбриональные стволовые клетки из мышиных зародышей. Эти клетки могли неограниченно долго существовать вне организма без изменения свойств, а при попадании в определенные условия, например, обратно в организм, превратиться в ткани.
В 1999 году журнал Science причислил открытие стволовых клеток к трем величайшим открытиям в области биологии, после расшифровки ДНК и программы «Геном человека».
Долгое время считалось, что если стволовая клетка превратилась в клетку ткани, сделать ее снова стволовой невозможно. Однако в 2006 году японец Синъя Яманака открыл способ превращать соматические клетки обратно в стволовые. За это в 2012 году он получил Нобелевскую премию.
Примерно 17 лет назад мы начали искать альтернативный источник стволовых клеток. Предположили, что есть еще один тип стволовых клеток, присутствующий в амниотической жидкости и в плаценте, которыми ребенок окружен в матке. И мы нашли эти очень мощные стволовые клетки. Они не будут формировать опухоли и могут превращаться в три основные категории ткани, которые формируют наш организм. Эти клетки можно быстро выращивать до достаточных количеств. Таким образом мы избегаем всех ограничений клеток костного мозга и других типов клеток. Сейчас они являются объектом ряда клинических исследований и пока что не используются очень широко.
Я не хочу, чтобы вы подумали, будто все проблемы уже разрешены, и можно просто взять и напечатать на принтере органы. Потребуются десятилетия для того, чтобы эти технологии могли развиваться. Это очень сложно, и нужно много времени, чтобы мы смогли разработать тот самый рецепт, который позволит технологиям работать оптимально. Кроме того, это дорогостоящие технологии, их будет трудно реплицировать, но точно можно сказать, что в них есть потенциал. И для нас в этом обещание регенеративной медицины — делать жизнь пациентов лучше.
Кристина Рудич. Контрибьютор
По теме:
Энтони Атала, биоинженер — о 3D-печати органов, стволовых клетках и микросердцеhttps://luckyea77.livejournal.com/3293546.html
Энтони Атала, биоинженер — о 3D-печати органов, стволовых клетках и микросердце
https://us-patent.ru/news-and-events/allnews/jentoni-atala-bioinzhener-o-3d-pechati-organov-stvolovy...
