Hort.by — Блог Лизы Хорт

Органы из пробирки

Стволовые клетки

Сегодня остро стоит проблема недостатка органов для трансплантации. За последние 10 лет количество таких пациентов  удвоилось. В то же время число органов для пересадки остается прежним. Каждые 30 секунд в мире умирает человек от болезни, которая может быть излечена регенерацией или заменой тканей. Относительно недавние достижения в области стволовых клеток дают шанс решения этой проблемы, ведь теперь необходимые органы можно будет выращивать в лаборатории.

Итак, что же такое стволовые клетки и каково их назначение? Это клетки-прародительницы всех многоклеточных организмов, обладающие уникальной способностью самообновляться, образовывать в процессе деления новые стволовые клетки и дифференцироваться в специализированные клетки как строительный материал для органов и тканей. Стволовые клетки замещают утраченные клетки поврежденных участков и помогают заживать ранам, то есть регенерировать. Наши кости обновляются каждые 10 лет, а кожа – каждые 2 недели. Однако в отличие от ящериц в случае травмы человеческий организм способен к регенерации лишь на небольших площадях – в пределах 1 сантиметра. С возрастом процессы самоисцеления затрудняются, количество стволовых клеток в организме катастрофически уменьшается: у новорожденного 1 стволовая клетка встречается на 10 тысяч, к 20-25-ти годам – 1 на 100 тысяч, к 30-ти – 1 на 300 тысяч, к 50-ти годам – 1 на 500 тысяч.

Стволовые клетки

 

ПЕРВЫЕ ОПЫТЫ
Впервые термин «стволовые клетки» предложил русский ученый-гистолог Александр Максимов, описав в 1908 году ныне известные гемопоэтические стволовые клетки, формирующие процесс кроветворения. Спустя полвека американские ученые Эрнест Маккаллох и Джеймс Тилл доказали присутствие стволовых клеток в костном мозге, которые также дают начало клеткам крови. Их открытие позволило медикам использоватьтрансплантацию костного мозга в борьбе с раком крови. А в 1978 году был обнаружен еще один важный источник стволовых клеток крови – это пуповинная кровь. Как оказалось, концентрация самообновляемых клеток в ней в 10 раз выше, чем в костном мозге, такие клетки обладают более высокой активностью и производительностью. И уже через десять лет стволовые клетки пуповинной крови трансплантировали в США ребенку, больному анемией. В России же первая подобная операция осуществилась лишь в 1997 году.
Оба источника стволовых клеток до сих пор находят широкое применение. Так по данным Всемирной организации трансплантации крови и костного мозга число пересадок гемопоэтических стволовых клеток из костного мозга, пуповинной и периферической кровив конце декабря 2012 года достигло миллиона.

НЕРВНЫЕ КЛЕТКИ ВСЕ-ТАКИ ВОССТАНАВЛИВАЮТСЯ
Первое научное доказательство нейрогенеза во взрослом организме, постоянной активности стволовых клеток мозга, представили еще в 60-х годах американские ученые Джозеф Олтман и Гопал Д. Дас. В ходе дальнейших экспериментов по всему миру профессор Гейдж подтвердил, что стволовые клетки можно извлечь из мозга и пересадить на другой участок нервной системы. Для этого он трансплантировал стволовые клетки мозга крысы на ее разрушенную сетчатку глаза: пересаженные нейроны превратились в нейроны сетчатки, их отростки достигли зрительного нерва, и крыса прозрела.
В свою очередь японские исследователи под руководством Томоко Кувабары смогли предотвратить диабет I и II типа у крыс, выделив нервные стволовые клетки из обонятельной луковицы грызунов. Клетки снабдили человеческим белком и пересадилимышам на больную поджелудочную железу, тем самым стимулируя ее подавать в кровь гормон инсулин. Уже через неделю, подопытные мыши выздоровели, но когда ученые изъяли имплантат с клетками, мыши вернулись в диабетическое состояние.
А ученые из Эдинбургского и Миланского университетов в 2005 году с помощьюнедифференцированных эмбриональных стволовых клеток научились создавать различные типы клеток нервной системы.
На исследования нервных стволовых клеток медики возлагают большие надежды, ведь это может помочь в лечении таких серьезных нервных расстройств как инсульт, болезнь Паркинсона, болезнь Альцгеймера, боковой амиотрофический склероз.

НАЙДЕН КОД ДЛЯ ПЕРЕПРОГРАММИРОВАНИЯ КЛЕТКИ
Эксперименты 2001 года обнаружили интересный факт – новые нейроны во взрослом мозге могут формироваться не только из нервных стволовых клеток, но и из стволовых клеток крови. Однако в 2003 году ученые уточнили, что стволовые клетки крови хоть и проникают в мозг, но не превращаются в нейроны, а сливаются с ними в двухъядерные клетки, с развитием которых «старое» ядро отмирает, полностью замещаясь ядром стволовой клетки крови. Таким образом, впервые пошла речь о возможной замене одних дифференцированных стволовых клеток другими.
Размышления на эту тему натолкнуло японского ученого на удивительное открытие. В 2007 году Сюнъя Яманака нашел обратимый способ перепрограммирования дифференцированных стволовых клеток человека в плюрипотентные стволовые клетки (iPS), т.е. клетки до момента их подразделения на клетки органов. Благодаря его открытию стало возможным получать iPS-клетки из клеток кожи, что может решить этический вопрос использования абортивных человеческих эмбрионов в качестве основного источника оных. Для «перекодировки» клетки Яманака определил гены со способностью дифференцироваться в другие типы клеток, затем подобрал своеобразный «ключ» для возврата в плюрипотентное состояние и дальнейшего преобразования в стволовые клетки нужного органа. За свое открытие Сюнъя Яманака в прошлом году удостоился Нобелевской премии.

ТЕПЛИЦЫ ОРГАНОВ
До сих пор мы говорили лишь об открытиях на уровне клетки, однако уже сегодня существуют удивительные лабораторные эксперименты по выращиванию из стволовых клеток цельных органов.
Как правило, при трансплантации стволовых клеток использовалась коллагеновая подложка, своеобразный транспорт клеточного материала. По похожей схеме ученые научились буквально «лепить» человеческие органы. Наиболее простые эксперименты проводились для выращивания кровеносного сосуда. На лист коллагена наносятся клетки выращенной мышцы, которую к тому времени уже натренировали на специальном тренажере на сжатие и растяжение, снизу лист оформляют выстилающими клетками сосуда, далее сворачивают подложку в трубу – и сонная артерия готова. Осталось лишь показать новоиспеченному сосуду, как надо работать, поэтому его помещают в специальную тренажерную камеру, в которой воссоздаются условия человеческого тела (температура 37 градусов, 95% кислорода), и там сосуд «обучают» перекачивать кровь. Так в 2006 году ученые университета Цюриха впервые вырастили человеческие сердечные клапаны, используя стволовые клетки из околоплодной жидкости.
В том же году американские исследователи смогли из родных стволовых клеток пациента вырастить полноценный мочевой пузырь. Технология его создания схожа с выращиванием кровеносного сосуда, только во втором случае подложке придают шарообразную форму. На размножение стволовых клеток и рост мочевого пузыря в инкубаторе ушло около 2 месяцев. А вот для выращивания пальца потребовалось большее число клеток на единицу объема и соответственно больше времени: сначала создается кость, промежутки заполняются хрящом, верхний слой покрывается мышечной тканью. Подобные опыты проводились и для выращивания уха. А год спустя японским ученым даже удалосьсконструировать полноценный зуб, состоящий из дентина, пульпы, сосудов, периодонтальные ткани и эмали, и вырастить роговицу диаметром 2 см из стволовойклетки роговицы глаза за 4 недели.

Мочевой пузырь, выращенный в лабораторных условиях из стволовых клеток.

Мочевой пузырь, выращенный в лабораторных условиях из стволовых клеток.

Но гораздо труднее воссоздать полые органы, такие как сердце, печень, почки, ведь они пронизаны множеством кровеносным сосудов. Ученые умы всего мира усердно работают над этим вопросом и результаты уже не заставили себя долго ждать. Еще в 2006 годубританские исследователи объявили о том, что первыми вырастили из стволовых клеток пуповинной крови в лабораторных условиях искусственную печень размером 2 см. А в следующем году им удалось воссоздать один из типов тканей человеческого сердца при помощи стволовых клеток костного мозга, что в перспективе можно будет применять для выращивания полноценного сердца.

Созданное из стволовых клеток сердце обрастает мышечной тканью

Созданное из стволовых клеток сердце обрастает мышечной тканью

Огромный успех в выращивании органов имеет Институт регенеративной медицины в Северной Каролине США во главе с Энтони Атала. Его лаборатория применяет две стратегии выращивания органов. Первая предусматривает использование поврежденного органа пациента, из которого извлекают все клетки, размножают стволовые клетки этого органа в условиях лаборатории и заново заселяют ими каркас органа. Таким образом, получается обновленный орган, готовый на полноценную работу. Другая стратегия базируется на разработке данного института – технологии 3D-печати органов на устройстве, напоминающем струйный принтер. Цельный орган выходит из-под печати слой за слоем. Это устройство, используя клетки  вместо чернил, способно напечатать небольшое двухкамерное сердце за 40 минут, а человеческую почку за 6-7 часов. По словам Атала, институт старается использовать в основном родные клетки пациентов, чтобы избежать образования злокачественных опухолей, к которым в 30-40% случаев приводит безудержное размножение стволовых клеток.

Трехмерный биопринтер, печатающий цельные органы, компактных размеров и вполне может разместиться на столе.

Трехмерный биопринтер, печатающий цельные органы, компактных размеров и вполне может разместиться на столе.

Последние открытия возможностей стволовых клеток имеют радужные перспективы.  В 2012 году группа японских исследователей во главе с профессором Митинори Сайто впервые в истории науки смогла вырастить яйцеклетки из стволовых клеток, оплодотворить их и добиться рождения здорового потомства у лабораторных мышей. А в январе этого года те же ученые вырастили из стволовых клеток сперматозоиды, а также ткани почек и надпочечников. Подробные испытания этой технологии помогут решить проблему бесплодия.

ЧТО НА ДЕЛЕ? 
В настоящие дни во всем мире широко применяется терапия стволовыми клетками. Их используют для скорейшего восстановления пациентов после операций по пересадке органов, для лечения рака, восстановления поврежденных органов и просто для омоложения. Инъекции стволовыми клетками возымели небывалую популярность у знаменитостей в погоне за «вечной молодостью». В некоторых клиниках США сформированы «библиотеки» нейрональных стволовых клеток, полученных из зародышевой ткани, и проводятся их пересадки пациентам. В России уже существуют банки пуповинной крови, которую используют для лечения лейкемии.
Что же касается выращивания цельных органов из стволовых клеток, то на сегодняшний день таких операций немного. Так 12 лет назад благодаря технологии «печати» органов Института регенеративной медицины Люку Масселла трансплантировали мочевой пузырь.В июне 2008 года в Барселоне была проведена пересадка донорской трахеи, наполненная стволовыми клетками, источником которых стал костный мозг самой пациентки.
А вот следующей операции по пересадке органа, выращенного из индуцированныхплюрипотентных стволовых клеток, мировое медицинское сообщество ожидает с нетерпением.  Трансплантация уже запланирована в Японии. Медики собираютсявырастить из iPS-клеток сетчатку глаза и пересадить ее человеку.

ОТЕЧЕСТВЕННЫЙ ОПЫТ
В Беларуси трансплантация клеток костного мозга была внедрена в медицинскую практику еще в 1994 году, а стволовые клетки стали применять с 2009 года для лечения рака крови, дегенеративно-воспалительных заболеваний, устранения дефектов кожи и мягких тканей. Изучением стволовой клетки в стране занимаются БелМАПО, медицинские университеты Минска, Гродно и Гомеля, Республиканский центр трансплантации органов и тканей, республиканские научно-практические центры детской онкологии и гематологии, гематологии и трансфузиологии, эпидемиологии и микробиологии, кардиологии, онкологии и медицинской радиологии имени Н.Н. Александрова.
Уже имеются положительные результаты. В прошлом году в 9-й клинической больнице Минска коллектив ученых под руководством профессора Анатолия Усса осуществил около полусотни операций по пересадке гемопоэтических стволовых клеток. Там же за год с помощью трансплантации стволовых клеток были пролечены 9 человек от рассеянного склероза. А в 2011 году 4-ая клиническая больница совместно с БелМАПО, БГМУ и Минским городским центром герниологии и бариатрической хирургии провела первую пересадку стволовых клеток жировой ткани в составе сложного многокомпонентного биотрансплантата для восстановления обширного дефекта брюшной стенки у больного с послеоперационной грыжей живота.
По словам проректора по научной работе Белорусской медицинской академии последипломного образования профессора Юрия Гаина, белорусские ученые сумели выделить из кожи клетки, которые в результате выращивания в специальной среде на 7-10-е сутки сформировали прототип мышечной ткани. Профессор надеется, что исследования в этом направлении принесут плоды в разработке технологии выращивания мышцы.
В отличие от России, где инъекции стволовыми клетками предлагает масса частных клиник, в Беларуси все манипуляции со стволовыми клетками согласно Закону «О трансплантации органов и тканей человека» осуществляются только государственными организациями здравоохранения. Однако опыт содружественного государства отнюдь немаловажен. Потому уже в 2013 году Беларусь и Россия планируют организовать лечение стволовыми клетками в зданиях поликлиники НАН Беларуси и 9-й городской клинической больницы Минска. В клинике будут лечить пациентов с трофическими язвами, сахарным диабетом и инфарктом миокарда. Сотрудничество обоих стран в этой области предусмотрено союзной программой «Стволовые клетки», утвержденной 29 ноября 2010 года.

ЦЕНА ВОПРОСА
Трансплантации костного мозга и стволовых клеток – это самые дорогостоящие операции в мире. В США ее цена доходит до 370 тыс. евро за одну, в Западной Европе – 250 тыс. евро, в Беларуси – около 100 тыс. евро. Однако важным достижением белорусской трансплантологии является то, что для граждан республики операции по пересадке органов выполняются бесплатно. А вот стоимость одной инъекции стволовыми клетками в Россииобходится около 13 тыс. евро, в то время как в Швеции и Германии доходит до 50 тыс. евро.

ФАКТЫ И ПРОГНОЗЫ
Современные опыты со стволовыми клетками позволяют оптимистично смотреть в будущее, предоставляя шанс побороть тяжелые болезни. Только в 2005 году, по данным Всемирной организации здравоохранения, по всему миру от сердечно-сосудистых заболеваний умерло 15 млн. человек, а в 2010 году более 600 тыс. больных нуждались в пересадке сердца. В Беларуси в настоящее время операций по трансплантации органов ожидает порядка 800 пациентов. Возможность вырастить необходимый орган из стволовых клеток позволит уменьшить эти цифры, а в будущем может даже обнулить. Сегодня уже видно, что при успешном результате изучения стволовых клеток врачи будут в силе не просто излечить человека от болезней, но и значительно продлить ему жизнь. Вероятно, в далекой перспективе фантастический роман Айзека Азимова «Двухсотлетний человек» окажется ничем иным, как отображением реальности. А там, глядишь, и до бессмертия недалеко.

Для журнала «Директор», рубрика «Научные технологии»

Оставить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *