Выращивание тканей и органов: мифы и реальность (лекция)

В Москве при поддержке Фонда Росконгресс и телеканала "Доктор" 4-5 октября прошел X форум VESTIFINANCE, который продолжил серию выступлений известных российских экспертов на тему "Следующие 20 лет". Юбилейный Форум был посвящен одной из самых значимых для каждого человека тем – здоровью и развитию медицины будущего. Новые средства лечения рака, будущее фармацевтики, клонирование человека и редактирование ДНК, выращивание органов и тканей - эти и другие вопросы были подняты на форуме. Второй день Форума открыло выступление Петра Тимашева, директора Института регенеративной медицины Сеченовского университета. Спикер рассказал все о выращивании тканей и органов. Проблема нехватки донорских органов для пересадки заставляет искать биомедицинские решения, не требующие использования донорского материала. Технологии регенеративной медицины на сегодняшний день считаются наиболее перспективными. К ним относят генную и клеточную терапию и инжиниринг тканей. Время ожидания донорских органов Бурное развитие получило ещё одно направление регенеративной медицины — биопринтинг, когда ткани и органы создают из конгломератов клеток, подобно конструктору. Биопечать происходит с использованием специально разработанных 3D-биопринтеров подобно тому, как печатают на 3D-принтерах различные детали — послойно, по цифровой трёхмерной модели. Картриджи принтеров при этом заправляют сфероидами — конгломератами клеток, которые наносят на специальную подложку — своеобразную биобумагу. Напечатав один слой из клеточных сфероидов, сверху наносят второй, который «срастается» с первым. Так постепенно получают объёмный живой объект — ткань или орган. Медицина всегда являлась драйвером развития технологий. С древнейших времен люди всё время пытались придумать что-то, чтобы восстановить качество жизни. В Древнем Риме на место выпавшего зуба вставляли протез — такое открытие сделали археологи. Вот и сейчас, когда у нас выпадает зуб, мы идем к стоматологу и получаем примерно такой же протез; только сделан он из титана или керамики, но идея осталась «древнеримской» — взять и заменить какую-то часть человеческого тела искусственной. При этом протезы — зубные, суставные или искусственные сердечные клапаны — со временем требуют замены, а значит, повторной сложной операции. Идея всей регенеративной медицины - попробовать отойти от использования традиционного подхода, когда мы вместо поврежденной ткани, вставляем искусственную, которая со временем изнашивается. Эта область родилась на стыке нескольких направлений - биологии, медицины, физики, химии, инженерии, математики. Задача - запустить процесс восстановления ткани изнутри, поэтому парадигму регенеративной медицины обозначают как «healing from inside» – «излечение изнутри». Это определение наиболее ёмко показывает всю идею этого направления. В биопринтинге есть два больших направления. Первое - это экструзионная печать. Первый принтер, который позволял печатать клеточными сфероидами, был разработан и создан в нашей российской фирме 3D Bioprinting Solutions. Существует также лазерный биопринтер, где лазерный луч индуцирует перенос клеток с донорной на акцепторную пластинку. Пока рано говорить о том, что биопринтеры будут использоваться в клиниках. Пока речь идет о концепции «биофабрики», когда от компьютерной модели, с использованием всех достижений, - клеточных материалов для активных соединений, биореакторов, - мы на выходе получаем ткань, которую можно в дальнейшем пересаживать. Так, команда из Института регенеративной медицины Уэйк-Форест разработала методику, которая позволяет печатать ткань, пронизанную микроканалами подобно губке, благодаря чему в ткани нормально проникают питательные вещества. Печать была осуществлена с помощью Интегрированной печатной системы тканей и органов (Integrated Tissue-Organ Printing System, ITOP. Орган создаётся на основе из биоразлагаемого пластика. Сверху наносится гель на водной основе, который содержит клетки и стимулирует их рост. После того как структуры имплантируются в животных, пластик постепенно замещается естественной структурной матрицей из белков, продуцируемых клетками. Также в имплантаты постепенно внедряются кровеносные сосуды и нервная ткань. Результаты, по мнению ученых, оказались многообещающими. Ушные раковины, подсаженные мышам, спустя два месяца сохранили форму, а также в них на 20 процентов увеличилось содержание гликозоаминогликанов, которые входят в состав клеточного матрикса. Мышечная ткань, вытянутая вдоль опорной конструкции, спустя две недели также сохранила свои механические характеристики. Еще одно направление - бескаркасные подходы с использованием трёхмерных клеточных систем. Это технологии тканевых сфероидов и клеточных пластов, когда без использования материалов мы создаем трехмерную структуру с использованием различных подходов. Главная идея в том, что никаких дополнительных искусственных материалов в эту структуру не вносится. Суть метода биопечати в том, что будущий орган формируется из двух основных компонентов: живых клеток и клеточной матрицы, моделирующей условия межклеточной среды и соединительной ткани. Выбор клеток для 3D-биопечати тканей или органов — важнейшее условие их правильного функционирования в созданном материале. В организме ткани и органы состоят из многочисленных типов клеток с особыми и необходимыми биологическими свойствами, что должны быть воспроизведены и в трансплантируемой ткани. Откуда можно взять клетки? Костный мозг, жировая ткань, пульпа зуба, пуповинная кровь - все эти источники сейчас активно исследуется и сравниваются, какие лучше клетки подойдут для каких подходов. Источников клеток в нашем организме очень много и правильное их использование может привести к тому, что мы сможем воссоздать любую ткань, которую захотим. В настоящее время есть множество методов для формирования трехмерных структур. Возможно создать любой объект, с любой структурой, из любого материала. Дальше уже дело в деталях - скорость разрушения материала, механические свойства и т.д. Источники клеток могут быть превращены в различные типы клеток и тканей под воздействием биологически активных веществ. Прежде всего, используются факторы роста, которые ускоряют, например, образование сосудов, также используются и наночастицы, гормоны, витамины, низкомолекулярные соединения. При том количестве клеток, которое мы можем использовать для регенеративной медицины, при том количестве методов, биологически-активных веществ, необходимо провести множество исследований. С 2000 года множество научных групп пытается сделать такую разработку, которая сначала бы хорошо себя показала в пробирке, потом на животном, и потом, в итоге, нашла клиническое применение. Вокруг регенеративной медицины сформировался миф, что клеточные технологии еще не скоро придут в клиническую практику. Это не так – достаточно посмотреть на количество зарегистрированных клинических исследований. Сейчас Китай становится глобальным лидером не только по проведению и испытаниям на животных, но и по внедрению в клиниках. В Поднебесной счет сотни пациентов лечат с использованием клеточных технологий. Существует также миф, что все стволовые клетки могут вызвать рак. Это не так. Только недифференцированные эмбриональные или индуцированные плюрипотентные стволовые клетки могут являться реальной прямой причиной развития опухоли и рака. Для остальных видов нет научных статей, подтверждающих этот миф. Часто используемые в клеточных технологиях мезенхимные стромальные клетки сами не дают начало опухолевым или раковым клеткам, но они имеют способность к миграции в опухоль, если она уже сформирована в организме. Продолжаются эксперименты с использованием клеток как носителей для доставки какого-то вещества в раковую опухоль. Если вводить клетки системно, то они будут концентрироваться в раковой опухоли, и это может стать направленной доставкой какого-то лекарства в эту опухоль. Разработка и внедрение в клиническую практику новых биотехнологических аналогов тканей и органов, в частности эквивалентов кожи человека, призванных временно или постоянно заменять поврежденные или разрушенные ткани, остается актуальной задачей регенеративной медицины. На данный момент существует несколько коммерческих продуктов, которые позволяют восстанавливать кожу. Вся процедура производства готового продукта стоит порядка $20 тыс. -25 тыс. В течение двух-трех недель клетки пациента культивируются, далее их сажают на мембрану и врачу доставляют уже готовую структуру, которую дальше он может применять для восстановления вашей кожи. Есть еще другой продукт – Apligraf, у которого применение чуть шире. Изделие состоит из живых клеток и структурных белков. Основной – дермальный слой – представлен фибробластами и коллагеном 1 типа, верхний слой – кератиноцитами. В 2006 году группа профессора Энтони Атала опубликовала статью о восстановлении мочевого пузыря. Атала еще в 1999 году пересадил нескольким пациентам мочевой пузырь, выращенный с использованием стволовых клеток, но не опубликовал тогда результаты, дабы убедиться, что операция прошла успешно в отдаленном периоде времени. С тех пор в мире проведено около 30 подобных операций. Сейчас Атала – один из мировых лидеров нового направления в медицине, которое получило название тканевой инженерии. В его лабораториях ведутся работы над искусственным получением множества тканей и органов, не только урологических (несмотря на то, что Атала – автор большой работы Stem Cell in Urology, опубликованной в 2008 году). Здесь выращивают хрящи, кости, сосуды, уретру и многие другие органы, ткани. Пытаются здесь «работать» и над почками, которые вырастить гораздо сложнее, чем мочевой пузырь. Сам профессор Атала возлагает большие надежды на технологию 3D-печати, посредством которой орган можно будет просто напечатать из соответствующих клеточных культур. Впрочем, более простые случаи клеточной недостаточности пытаются лечить, делая инъекции стволовых клеток в начинающую давать сбои почку. Васкуляризацию (формирование новых кровеносных сосудов (обычно капилляров) внутри ткани) считают одной из главных проблем всей регенеративной медицины. Потому что, когда вы разрабатываете что-то маленькое, небольшое, то там проблема доставки питательных веществ не стоит, а когда идёт масштабирование процесса, то доставка и кислорода, и активных субстанций уже проблема, потому что есть диффузионные ограничения. Например, в одной из работ демонстрируется, как в черепе мышки с использованием искусственных материалов и клеток была восстановлена кость, а сосуд, который был проращен в этом материале, снабжал всеми питательными соединениями новообразованную кость. Клетки, которые были внесены на этом искусственном, трёхмерном конструкте в череп мышки, образовали сосуд. А вход в этот сосуд был образован клетками, которые принадлежали самой мышке. Возникает вопрос - почему именно в этом месте начал расти сосуд? Мы открыли совместно с университетом Питтсбурга направление регенеративной липидомики, где исследуются процессы взаимодействия между клетками «хозяина» и клетками «гостя» с использованием технологии липидов. Это фундаментальная наука, которая в дальнейшем нам позволит управляемо создавать, в том числе сосуды, и попробовать перейти ограничение по росту сосудов в материалах и в клетках, которые мы пересаживаем. Если говорить о развитии регенеративной медицины в России, то стоит отметить давнюю проблему – в нашей стране до 2016-го года не было никаких законов, связанных с этой отраслью. Вторая была проблема - направление практически не поддерживалось государством, но сейчас выделяются деньги на эти исследования в рамках проекта национального проекта «Здоровье», в том числе, и наши фонды - Российский фонд фундаментальных исследований, Российский научный фонд. Еще одна проблема – языковой барьер. К сожалению, не очень хорошее знание английского порой мешает должны донести какие-то разработки до мирового сообщества. Важно, чтобы о тех исследованиях, которые мы делаем, знали люди не только в нашей лаборатории или в нашем университете, но и во всем мире. Согласно базам Scopus и Clinicaltrials, за десять лет количество публикаций в области регенеративной медицины увеличилось более чем 6-7 раз, и это здорово. Публикационная активность наблюдается в Томске, Новосибирске, Москве, Питере. Потом мы сравнили это с базами данных клинических исследований и поняли, что где-то исследования так и остаются только публикациями. Однако стало известно, что в Екатеринбурге и Челябинске проводятся интересные исследования и публикуют в международной базе данных. В 2016-ом году в России был принят закон биомедицинских клеточных продуктах, который был призван обеспечить российских учёных и производителей регулированием, конкурентоспособным на международной арене и помогающим привлекать инвестиции в биотехнологические компании, зарегистрированные в России. Закон ввёл очень строгие ограничения, поэтому результатом пока явилось временное снижение количества новых клинических исследований в регенеративной медицине. Но я надеюсь, что это, конечно, временно. Согласно закону, все биомедицинские клеточные продукты должны быть производиться в стандартах GCP (англ. good clinical practice, надлежащая клиническая практика) и GMP (англ. good manufacturing practic надлежащая производственная практика). Это сложное требование, и к настоящему времени, всего одна компания зарегистрировала площадку для производства биомедицинских клеточных продуктов. Это очень важно, что закон регулирует импорт и экспорт биоматериалов (ткани, биологические жидкости и т.д.). Во всем мире это известная практика – законодательно регулировать сдачу биоматериала для создания биомедицинских клеточных продуктов. У нас очень много исследований применения клеток и практически нет исследований по применению материалов и клеток. Это связано с тем, что группы исследователей на настоящий момент разрознены - у нас нет объединения материаловедов, биологов и т.д. Пока 11% посвящено тканеинженерным скаффолдам, есть надежда, что эта цифра будет только расти. Владимир Александрович Миронов – научный руководитель лаборатории 3D Bioprinting Solutions, профессор Университета Вирджинии, кандидат медицинских наук. Тканевый инженер, автор первой публикации о печати органов, он заложил основы развития биопринтинга во всём мире. Он же впервые создал целый орган, щитовидную железу, на принтере, который был разработан в компании 3D Bioprinting Solutions. Первая операция, которая была проведена в конце 2018 года с использованием клеточных сфероидов и коллагеновой мембраны на пациенте у которого была стриктура уретры. Вместо того, чтобы брать материал из щеки, были взяты его клетки и с их использованием была выращена конструкция органа. К слову, возраст пациента – 69 лет. Этот пример развенчивает миф о том, что регенеративная медицина подходит только молодым. В 2018 году было предложено создать новую специальность - регенологию, которой при желании и достаточном спросе будут обучать в медицинских вузах. Врачам новой генерации нужно знать очень много и в сфере биологии, и химии, и физики.