Искусственные органы (4 фото)

Ученые выращивают клетки в лаборатории уже на протяжении 50 лет, и до недавнего времени процесс включал только культивирование конкретных типов клеток. Сейчас же происходит переход от выращивания тканей к воссозданию полноценных искусственных органов.

Многие люди слышали о бедственном положении 10-летней Сары Мурнаган, которая болела кистозным фиброзом – неизлечимой болезнью, которая оставила ей всего несколько недель жизни.

Ее единственным спасением был новый набор донорских легких. Случай Сары стал национальной сенсацией, потому что ее родители настаивали на том, чтобы иметь возможность воспользоваться легкими взрослых доноров. Это вызвало споры о процессе донорства. В середине июня очередь на пересадку легких в Штатах насчитывала 1700 человек, 30 из которых – дети до 10 лет. Для Сары и ее семьи, по крайней мере, все закончилось на счастливой ноте. У нее было две пересадки легких на прошлой неделе. По мнению CNN, вторая пара легких, кажется, приживется. Пройдет много лет, прежде чем она столкнется с аналогичной ситуацией снова.

Донорство частично помогает таким людям, но проблему полностью не решает. С одной стороны, все получатели пересаженных органов должны принимать иммунодепрессанты и пожизненно проходить медицинские обследования, чтобы предотвратить отторжение трансплантатов. Эти лекарства могут вызвать проблемы со здоровьем. Вдобавок ко всему, они повышают восприимчивость организма к рутинным инфекциям типа простуды или гриппа. Одним словом, пересадка органов далека от идеала, но нет никакой альтернативы, по крайней мере, пока.

Производство органов, которые не будут отвергнуты иммунной системой

Исследователи работают над созданием таких новых искусственных органов, которые организм пациента не отверг бы без использования иммунодепрессантов. Конечно, одним из решений этой проблемы были бы органы, сделанные из небиологической ткани. Многие уже давно живут с искусственными имплантатами суставов и датчиками, которые не отторгаются организмом, потому что не являются биологическими. Тем не менее, более сложные небиологические ткани пока невозможно изготовить на станке.

Механические объекты плохо интегрируются с организмом. Искусственное сердце может перекачивать кровь по всему телу, но оно не может стать его частью, реагировать на физиологические стимулы, соединяться с нервной системой, производить энергию из кислорода, которым оно обязано обеспечивать все ткани и системы организма. Эти проблемы создают целый комплекс инженерных задач, которые живые системы могут решить намного проще. Хитрость в том, чтобы сделать копию органа, который может быть “подключен” к человеку на клеточном уровне.

Чтобы избежать отторжения, орган должен быть сделан из клеток человека, для которого готовится трансплантат. Хотя получение стволовых клеток сейчас не представляет особых сложностей, заставить клетки вырасти в полноценный орган намного сложнее.

Орган – это биологическая структура, состоящая из различных тканей, которые выполняют определенные функции. А ткани – это группа подобных клеток, объединенных вместе, чтобы выполнять определенные функции. Ткани простых органов в основном состоят из одинаковых клеток. Более сложные органы обычно состоят из нескольких тканей. Для создания сложных органов клетки должны быть выращены в отдельные ткани, которые впоследствии нужно будет соединить вместе в работающую систему.

Выращивание тканей в лаборатории

Ученые выращивают клетки в лаборатории уже на протяжении 50 лет, но до недавнего времени процесс включал только культивирование конкретных типов клеток. Эти клетки походили свойствами на клетки людей, мышей и других организмов.

Заставить простую ткань формироваться в лабораторных условиях не составляет большого труда. Что касается большинства случаев клеток животных, то они делятся в течение нескольких дней, заполняя чашку Петри двухмерным слоем ткани. Такая техника позволяет выращивать однородную ткань кожи толщиной в одну клетку. Хотя ученым и далеко до выращивания трехмерной ткани, но несколько лет назад немецким исследователям удалось вырастить два слоя кожи, состоящих из одного типа клеток.

Каркасные трансплантаты

Выращивание более сложных структур требует чего-то большего, чем набор из клеток. Структурный каркас часто составляет основную часть органа. Одно из основных направлений тканевой инженерии – это разработка заготовок органов, на которых можно было бы в дальнейшем вырастить живые клетки.

Они могут быть сделаны из нескольких типов материалов: природных, как коллаген, и синтетических, как полиэфир. Они могут быть разработаны таким образом, чтобы после того, как основная часть органа восстановлена, раствориться. 3D-принтеры в настоящее время используются для производства многих видов подобных структур – высокого качества, быстро и при низких затратах. Кстати, недавно Бостонским ученым подобным способом удалось воссоздать отдельные участки сердца.

Сердце, созданное в лаборатории

Стволовые клетки для воссоздания искусственных органов

Само собой, важно иметь правильный вид клеток. Хрящи, кожа, сердце и другие органы сделаны из различных типов клеток. Кроме того, большинство клеток в ткани полностью дифференцированы, что дает им способность выполнять множество функций, не имея при этом хороших способностей к размножению, так как они уже достигли зрелого возраста. Тем не менее, у большинства тканей есть резерв клеток, которые сохраняют свою способность к воспроизводству и регенерации новых клеток, которые могут развиться в свою зрелую форму. Эти предшественники, представляющие собой взрослые стволовые клетки, часто используются для тканевой инженерии.

На самом деле, для создания сложных органов не обязательно пользоваться каркасом. Стволовые клетки могут развиться в любой тип клеток в зависимости от того, в какую среду их поместят для роста.

Ханна Уоррен получает новую трахею из ее собственных стволовых клеток

Несмотря на интенсивные исследования в этой области, инженерия органов уже находит практическое применение в лечении пациентов.

Примером может служить недавняя история с двухлетней Ханной Уоррен, которой была пересажена дыхательная гортань, выращенная из ее собственных стволовых клеток. К сожалению, Ханна умерла 7 июля 2012 года от осложнений после операции, спустя два месяца после трансплантации трахеи.

Достижения в области тканевой инженерии были поразительными в последние 10 лет. Тем не менее, этому направлению предстоит долгий путь. Из приведенных выше примеров легко видеть, что значительный прогресс был достигнут в получении отдельных видов клеток и тканей, таких как кожа и хрящи. А что насчет более сложных тканей, таких как глаза, сердечно-сосудистые структуры и нервная система?

Сложные ткани и органы

Как упоминалось выше, клетки выращивали в лаборатории в течение более 50 лет. Производство отдельной простой ткани из однообразных клеток стало рутинной практикой. Этого нельзя сказать о создании сложных структур из стволовых клеток, в которых сочетались бы несколько видов ткани.

Но и в этой сфере наблюдается значительный прогресс. В 2006 году исследователи из института регенеративной медицины в Уэйк Форест воссоздали сложные ткани мочевого пузыря. Это был первый комплекс тканей, успешно выращенных в лаборатории и имплантированных в тело пациента. Ранее в этом году ученые из Больницы общего профиля в штате Массачусетс (Massachusetts General Hospital) впервые вырастили полностью функционирующую почку. Почка была крысиная, но она работала не хуже “оригинала”.

Первая печень из стволовых клеток

Несколько лет назад исследователи вырастили кишечную ткань из взрослых стволовых клеток. Кишечная ткань состоит из нескольких типов клеток с различными секреторными и поглощающими функциями. Совсем недавно японские исследователи успешно создали сетчатку человеческого глаза из эмбриональных стволовых клеток.

Прогресс, безусловно, не стоит на месте. По мнению многих, он происходит не достаточно быстро. Тем не менее, в отличие от биомедицинских исследований, где открытия занимают гораздо более длительное время для их внедрения в лечебную практику, тканевая инженерия имеет очевидные применения в жизни. В ближайшие годы представляется очевидным, что мы будем слышать все чаще о людях, чье качество жизни было значительно улучшено (или спасена сама жизнь) благодаря искусственным органам.