Наука - Инженеры человеческих тел

В «листы ожидания» трансплантологов в развитых странах мира включены десятки тысяч безнадежных больных. Сотням тысяч пересадка органов или их частей необходима для улучшения здоровья и качества жизни — например, чтобы сменить инвалидную коляску на тросточку. Подходящего донора успевает дождаться в лучшем случае каждый десятый. И даже после удачной операции оставшиеся годы пациенту придется бороться с реакцией «трансплантат против хозяина» и принимать препараты, подавляющие иммунную систему: идеальным донором может быть только однояйцовый близнец… или сам больной.

В 2004 году врачи отдела челюстно-лицевой хирургии Кильского университета под руководством Патрика Варнке провели компьютерное моделирование будущего 7-см протеза, сделали модель из тефлона, обтянули ее сетчатым титановым каркасом, удалили модель, а каркас заполнили смесью из натуральных гранул минеральной основы бычьей кости, бычьего коллагена, белковых факторов роста костей и костного мозга, полученного пункцией из тазовых костей пациента.

Заготовку имплантировали под широчайшую мышцу спины пациента и подвели к ней мышечно-сосудистый пучок, из которого в ткань будущей кости проросли кровеносные сосуды. Перевод отрывка статьи из журнала Lancet прочитайте в неадаптированном виде — чтобы глубже почувствовать величие полученного результата: «Через 7 недель, после рентгенологического контроля, была выполнена реимплантация биокомпозитного комплекса в область костного дефекта нижней челюсти на сосудистой ножке, которая была анастомозирована с сонной артерией и веной. Фиксация трансплантата выполнялась титановыми винтами, края веток нижней челюсти кюретировались для лучшего приживления. Состояние трансплантата контролировалось трехмерной компьютерной томографией и гамма-сцинтиграфией с технецием-99, которые показали достаточную минерализацию и васкуляризацию. Основными техническими проблемами были рубцовые ткани, образовавшиеся после радиотерапии. Спустя 4 недели после имплантации пациент смог впервые за последние 9 лет жевать и употреблять мягкую пищу, а также был доволен косметическим результатом».

Идеальным сырьем для изготовления органов могут стать индивидуальные эмбриональные стволовые клетки, полученные с помощью терапевтического клонирования. В основе технологии лежит «метод Долли»: ядро человеческой яйцеклетки заменяют ядром клетки пациента и электрическим разрядом стимулируют начало деления. Через 10-15 дней бластоцисту — еще даже не зародыш, а шарик из нескольких сотен клеток — разрушают и выращивают в культуре ее клетки, способные превратиться в любую ткань, которая не будет отторгаться организмом.

Коллаген — основной белок соединительной ткани — у всех животных имеет одинаковый состав и не вызывает реакции отторжения. Внеклеточный матрикс соответствующего органа был бы оптимальной основой для выращивания органов со сложной формой, состоящих из разных тканей, но очистить от клеток целую свиную почку или телячье легкое, не разрушив тончайшую паутину из коллагена и других белков, — задача очень сложная. Нетканые губчатые матрицы делают из биоразрушаемых полимеров молочной и гликолевой кислот (они давно применяются в медицине в виде шовного материала или винтов для фиксации костных отломков), полилактона и многих других веществ. В частности, одни из наиболее изучаемых в настоящее время полимеров — это моноангидриды poly-[trimellitylimidoglycine-co-bis(carboxy-phenoxy)-hexane] и poly-[pyromellitylimidoalanine-co-1,6-bis(carbophenoxy)-hexane]. Большие перспективы и у гелеобразных матриц — в них, кроме питательных веществ, можно вводить факторы роста и другие индукторы дифференцировки клеток в виде трехмерной мозаики, соответствующей структуре будущего органа, а когда этот орган сформируется и окрепнет, гель бесследно рассосется.

При выращивании тканей и органов важно обеспечить их кровоснабжение — и для деления клеток, и для лучшего приживления в организме протеза или графта (заплатки из ткани). Трехмерные формы для изготовления будущей сети капилляров делают по техно-логии микроэлектромеханических систем (MEMS) в форме из окиси кремния, а лучший материал для системы микротрубок — полимер себацината глицерина.

Летом 2005 года ученые лаборатории профессора Роберта Лангера из MIT с помощью такой матрицы вырастили в биореакторе мышечную ткань с готовой кровеносной системой. Правда, размер полученных образцов ткани был всего 5х5х1 мм, но исследователей больше всего радует то, что разработанная ими методика годится не только для выращивания скелетных мышц, но и для создания других сложных тканей. В этих опытах эмбриональные стволовые клетки человека индуцировали к дифференцировке в миобласты — клетки, из которых формируется мышечная ткань, а также в клетки эндотелия (внутреннего слоя кровеносных сосудов) и фибробласты, способные образовывать клетки соединительной ткани и гладкой мускулатуры стенки сосудов. Прорастая вдоль микротрубок матрицы, эндотелиальные клетки сформировали русла капилляров, вошли в контакт с фибробластами и заставили их переродиться в гладкую мускулатуру. Перерожденные фибробласты выделили фактор роста сосудистого эндотелия, который способствовал дальнейшему развитию кровеносных сосудов. При пересадке мышам и крысам (генетически модифицированным, организм которых не способен отторгать чужие ткани) такие мышцы приживались намного лучше, чем участки ткани, состоящие из одних мышечных волокон.

А лучший биореактор для выращивания тканеинженерных конструкций — сам пациент. В искусственной среде за счет диффузии можно «прокормить» слой ткани не толще долей миллиметра, а в более глубоких слоях клетки гибнут или развиваются не в те типы тканей, в которые должны дифференцироваться под влиянием созданных в биореакторе условий. В области тела с хорошим кровоснабжением рост кровеносных сосудов опережает рост остальных тканей, обеспечивает их кислородом и питательными веществами и удаляет продукты метаболизма. Матрицу будущего органа или графта можно вживлять непосредственно на место, но чаще ее вначале «проращивают» в подкожно-жировой клетчатке, в брюшной полости или в толще мышц, а после «созревания» пересаживают на место обычными, отработанными в пластической хирургии методами. Правда, пока все это делается в основном на животных.

В опытах на животных тканевые инженеры сделали столько, что всего и не перечислить. Например, специалисты из американской компании Advanced Cell Technology и Гарвардской медицинской школы в 2003 году методом терапевтического клонирования получили эмбриональные стволовые клетки коровы, вырастили из них на биоразрушаемом каркасе несколько 5-см почек и имплантировали их корове — донору ядра — рядом с основными органами. Искусственные почки вырабатывали мочу не хуже, чем настоящие. Еще в 2002 году ученые Токийского университета вырастили глазное яблоко из недифференцированных эмбриональных клеток лягушки, вживили его головастику вместо удаленного глаза и показали, что новый глаз полностью интегрировался в нервную систему и способен передавать нервные импульсы. Здесь до практического применения в медицине еще дальше, чем в случае с почками, но сообщений об удачных клинических (то есть на людях) экспериментах по пересадке тканей и простых по строению органов становится с каждым месяцем все больше.

Ближе всех к выращиванию зубов подошли медики из Лондонского королевского колледжа. В 2004 году они приступили к клиническим испытаниям методики, по которой из стволовых клеток костного мозга выращивают такой же, как у эмбриона, зубной зачаток и вживляют его в десну. За два месяца новый зуб пустит корни и прорежется. По расчетам, испытания займут около двух лет — возможно, первые результаты уже получены.

Пластика молочных желез — это проблема не столько секс-бомб и поп-звезд, сколько сотен тысяч женщин, ежегодно подвергающихся мастэктомии. Возможно, скоро на смену опасным и во многих странах запрещенным силиконовым протезам придут натуральные. Клинические испытания нового метода изменения формы и размера грудных желез в 2004 году начали специалисты по пластической хирургии из Токийского университета. С помощью липосакции они получают из жировой ткани пациентки жировые клетки и преадипоциты — стволовые клетки, способные дифференцироваться, в частности, в клетки кровеносных сосудов, и вводят их смесь в молочные железы.

Мочевых пузырей только в США удаляют почти 60 000 в год. Это одна из тех ситуаций, когда жизненных показаний для пересадки нет — но представьте себе качество жизни таких пациентов. Клинические испытания метода выращивания биоискусственных мочевых пузырей прямо в организме пациента ведутся, в частности, в детской больнице Гарвардской медицинской школы (Бостон, США). Там делают двухслойные «сэндвичи»: на коллагеновую матрицу из мочевого пузыря или тонкой кишки животных снаружи наносят гладкие миоциты или миофибробласты, а изнутри — клетки уротелия (внутреннего эпителия, характерного для мочеполовой системы). Их шведские коллеги из Каролинской больницы в Стокгольме выращивают трехслойные мочевые пузыри в биореакторе и без матрицы: на сферическую форму наносят слой миоцитов, через неделю — фибробластов, а потом — эпителиальный слой. Через месяц мочевой пузырь — почти как настоящий — готов к пересадке.

При гипоспадии, частой врожденной аномалии развития половых органов у мальчиков, мочеиспускательный канал укорочен и открывается не там, где надо, а, в зависимости от тяжести нарушения, от нижней части головки полового члена до промежности. Подробности о качестве жизни таких больных вообразите сами. Операция при этом заболевании проводится в несколько этапов с перерывами в несколько лет, и ни один из примерно 150 разработанных хирургами способов уретропластики не идеален – хотя бы потому, что искусственную уретру выкраивают из кожи пациента и с наступлением переходного периода в ней вырастают волосы. Недавно на кафедре детской хирургии Московского медико-стоматологического университета в первой фазе клинических испытаний трем мальчикам с мошоночной формой гипоспадии пересадили искусственные уретры, выращенные в биореакторе на коллагеновой матрице из их собственных стволовых клеток. Если и дальше все пойдет как задумано, повторная операция не понадобится.

При тетраде Фалло (самом распространенном из пороков сердца) и других врожденных сужениях крупных сосудов искусственные артерии приходится менять раз в несколько лет. В Токийском женском медицинском университете с 2000 по 2004 год сорока двум детям с различными пороками развития крупных сосудов грудной полости пересадили артерии, выращенные из собственных клеток костного мозга на биоразрушаемых нетканых матрицах из полилактида и капролактона, укрепленных поли-L-лактатом.

В 2005 году специалисты американской биотехнологической компании Cytograft Tissue Engineering провели испытания выращенных из клеток пациента кровеносных сосудов. По этой методике, запатентованной под красивым названием Lifeline — «Линия жизни», вначале из выделенных из кожи фибробластов выращивают плоские лоскуты размером с почтовую открытку, сворачивают их в многослойную трубку и заселяют ее изнутри клетками эндотелия, выделенными из капилляров того же кусочка кожи, что и фибробласты. Такие сосуды использовали для подключения к «искусственной почке» пациентов с хронической почечной недостаточностью и для аортокоронарного шунтирования при стенокардии (спустя полгода они работали нормально у всех пациентов).

Планируются или начаты клинические испытания по тканевой инженерии связок и сухожилий, фаланг пальцев, по восстановлению голосовых связок, барабанных перепонок, желчных протоков, участков трахеи и кишечника. В некоторых клиниках мира восстановление кожи, роговицы, кости и хряща тканевым трансплантатом из клеток пациента уже становится рутинной процедурой. Возможно, самые молодые из читателей увидят первых пациентов с искусственно выращенным сердцем или глазом. Сейчас такая перспектива кажется хоть и отдаленной, но вполне реальной.

Теоретически можно ввести получившийся в результате замены ядра эмбрион в матку суррогатной матери и получить клон, почти идентичный донору ядра (доли процента от общего числа генов содержатся в митохондриях яйцеклетки, и донор ядра получит их от своей биологической матери, а клон — от донора яйцеклетки). Правда, на сегодняшний день вероятность успеха такой операции на человеке стремится к нулю (из-за особенностей строения и ранних этапов деления яйцеклетки у приматов), но законы о запрете репродуктивного клонирования на всякий случай уже приняты в десятках стран.

К сожалению, в конце 2005 года выяснилось, что корейский ученый Ву Сук Хван фальсифицировал результаты своих знаменитых опытов и на самом деле для получения одной линии таких клеток по-прежнему необходимо обработать несколько сотен яйцеклеток. Работы в этом направлении продолжаются, но для практического применения надо значительно повысить эффективность метода.

Форму и структуру будущего органа определяет матрица. Для выращивания костей и суставов подходят пористые модели из апатитов — смеси фосфатов и других солей кальция. Из них (но структурно ориентированных и потому намного более прочных) на 2/3 состоит натуральная кость. Хорошая основа для органов помягче — коллагеновые губки из отмытой от клеток соединительной ткани. На таких губках в Массачусетсском технологическом институте (MIT) недавно сделали модель легочной ткани: в пористую матрицу из коллагена и хондроэтинсульфата поместили клетки, полученные из альвеолярных клеток крысиных эмбрионов. Правда, пока получился только комок альвеол без кровеносных сосудов и бронхиол. Но можно надеяться, что лет через 10 можно будет вырастить если не легкое полностью, то хотя бы его сегмент, пригодный для пересадки.

В начале 2004 года две группы американских исследователей — из Пенсильванского университета (Филадельфия) и из университета Рокфеллера (Нью-Йорк) — разными методами сделали одно и то же: выделили из волосяных фолликулов мышей специализированные стволовые клетки и индуцировали их дифференцировку в ткани полноценного волоса со всеми сопутствующими структурами — фолликулами, сальными железами и клетками эпидермиса. Пересаженные другим мышам той же линии волосы приживались как свои. Косметологи, наверное, приплясывают от нетерпения: повторить методику на людях — дело техники и ближайших лет. Тем более что людям не нужно внедрять в клетки ген GFP — зеленого светящегося белка медузы, — как это делали в опытах с мышами, чтобы убедиться, что проросли именно пересаженные фолликулы. Хотя вообще-то желание клиента — закон...