биомолекула.ру. Взгляд изнутри.
 

Логин:
Пароль:


Тканевая инженерия: мы живем в матрице

[2 ноября, 2013 г.]

Статья на конкурс «био/мол/текст»: Тканевая инженерия — активно развивающаяся область науки и медицины, в задачи которой входит создание конструкций для восстановления поврежденных, утраченных и даже отсутствующих с рождения тканей/органов человека. В данной статье в популярной форме (в виде отсылки к научно-фантастическому произведению) описано, как создается биологически активный имплантат, составляющий основу тканевой инженерии.

Обратите внимание!

Эта статья представлена на конкурс научно-популярных работ «био/мол/текст»-2013 в номинации «Лучший обзор».


Спонсор конкурса — дальновидная компания Life Technologies. Спонсор приза зрительских симпатий — фирма Helicon.

Регенерация

Разрезанный пополам дождевой червь продолжает существовать и дальше в двух экземплярах (хотя и есть сведения, что полноценная особь получится только из передней половины); для тритона не представляет сложности отрастить новую лапу или даже глаз, не говоря уж о хвосте; ящерице приходится ограничиваться хвостом, в то время как регенеративный потенциал млекопитающих, включая человека, исчезающе мал. На нашу долю осталась регенерация кожи (но при обширных повреждениях остаются рубцы), срастание костей и восстановление тканей печени; однако два последних случая требуют специального лечения, как, впрочем, зачастую и в случае обширного повреждения кожи, — например, при ожоге.

Существует множество экспериментальных работ и обзорных статей по теме восстановления поврежденных и утраченных тканей и даже органов. Возможно даже устранить врожденные дефекты. Или сделать человека красивее.

Так полагали фантасты

В начале прошлого века фантасты (С. Лем, А. Беляев) много писали как о возможности почти полностью восстановить организм человека, так и придать ему новые функции, — например, способность жить под водой или видеть электрические токи. Увы, описанная в романе «Человек-амфибия» операция по ксенотрансплантологии (пересадка органов и тканей от других биологических видов) оказалась невозможна не по причине несовершенной хирургической техники, а из-за антигенной несовместимости, преодолеть которую возможно только с помощью сильных иммуносупрессантов.

А вообще говоря, зачем искать пути преодоления отторжения чужеродных тканей, когда можно создать свои собственные? Именно этим и занимается тканевая инженерия.

Биологически активный имплантат

Типичный биоактивный имплантат, лежащий в основе тканевой инженерии, состоит из клеток (часто стволовых), полимерной матрицы, поддерживающей их пролиферацию и дифференциацию, а также формирующую в целом очертания восстанавливаемой ткани (органа), и различных составляющих, например, белков и пептидов, которые способствуют созданию максимально благоприятной среды для клеток восстанавливаемой ткани (рис. 1) [1].

Рисунок 1. Состав биологически активного имплантата.

Как получают такой имплантат? Поставим себя на место доктора Сальватора (А. Беляев, «Человек-амфибия»). От сложных ксенотрансплантатов придется отказаться, потому что поддержание их деятельности в организме требует постоянного приема дорогостоящих лекарств, которые его не слишком обеспеченным пациентам недоступны. Применение донорских тканей связано с рядом этических проблем и той же антигенной несовместимостью, хотя и в меньшей степени.

А не взять ли собственные ткани пациента? Известно, что в организме человека имеется пул стволовых клеток, — например, в костном мозге или жировой ткани. С возрастом их количество падает, но в крайнем случае можно использовать донорские. Следует помнить, что в организме взрослого человека нет тотипотентных стволовых клеток (тотипотентность у высших позвоночных — прерогатива зиготы и клеток раннего эмбриона), которые могут дифференцироваться в любом направлении и даже сформировать целый организм [13]. Поэтому придется выбирать те, которые могут «превратиться» в клетки искомой ткани. Например, мезенхимальные стволовые клетки дают начало гладкомышечной, соединительной ткани или тканям сосудов [4].

Бесклеточная матрица

Предположим, для каждой ткани уже разработан свой набор соединений, в том числе ростовых факторов, которые позволят стволовым клеткам дифференцироваться в нужном направлении. Но как быть с формой вводимой в организм конструкции? Наивно полагать, что клетки сами поймут, куда им становиться и в каком направлении дифференцироваться. Придется посадить их на матрицу. Для этой цели все же можно использовать межклеточную матрицу какого-нибудь органа животного, — например, свиньи. Однако в этом случае нужно будет тщательно удалить из этого органа все собственные клетки, чтобы осталась только бесклеточная матрица, — иначе иммунная система опознает конструкцию как чужую и «благополучно» ее отторгнет [6]. Затем нужно «заселить» матрицу стволовыми клетками, поместить в питательную среду и ждать, когда вырастет, например, сердце* (рис. 2). Готово! Можно приступать к операции по пересадке.

* — Если с пересадкой «инженерного» сердца до сих пор могут быть различные непредсказуемые ситуации, «выращивание» и использование в хирургии искусственных кровеносных сосудов постепенно становится рутиной: «Кровеносные сосуды XXI века» [5]. — Ред.

Рисунок 2. Формирование сердца de novo на основе бесклеточной матрицы. Картинка из [7].

В коллаборации с коллегами

Подбираем матрицу

Посмотрим, что имеется в лаборатории у коллег-химиков. Например, здесь занимаются металлами. Авторы некоторых фантастических произведений наделяют своих героев металлическим скелетом, причем не обязательно наружным. Кто-то из фантастов предложил делать кости более прочными с помощью металлических нитей. Лучше бы предложил способ ускоренной регенерации! Металлический или металлизированный скелет приведет к существенному возрастанию веса тела за счет веса костей. Кроме того, металл не должен вступать в химические реакции с окружающими тканями (быть химически инертным). Можно попробовать титановые сплавы, однако они плотнее и тяжелее кости, из-за чего контактирующая с ними костная ткань начинает разрушаться. (Поэтому металлические имплантаты используют главным образом как скобы или штифты в зубах.)

Идеальный вариант — это постепенное замещение имплантата собственными тканями пациента. Попробуем взять производные гидроксиапатитов [8], — например, сополимер наногидроксиапатита, коллагена и поли-L-лактата, керамические материалы и т.д. [9]. Из них получают заготовку по форме кости. Главное, чтобы отсутствовали иммунные реакции и поддерживался рост клеток. Для восстановления мягких тканей (например, кожи) возьмем что-то эластичное, но прочное. Можно взять, например, полимеры на основе поливинилового спирта (что-то подобное продают в отделе канцелярских товаров) в качестве прочной механической основы — шелк, хирургические нитки из кетгута [10]. Конечно, поливиниловый спирт не идеален. В зависимости от состава его сополимеров он может либо вовсе не распадаться в организме, либо выделять в окружающую микросреду чужеродные соединения.

А вот в колбе густая мутноватая субстанция, напоминающая клей. Это коллаген — белок межклеточного матрикса (собственно, по-гречески это и означает «клей»). Кажется, эта партия выделена из сухожилий хвостов крыс. Однако этот белок высококонсервативен и почти не отличается от такового у человека. Предположим, что крысы выращивались в стерильных условиях и не контактировали с вирусами и прочими болезнетворными микроорганизмами. Со временем коллаген имплантата заместится собственным коллагеном пациента.

Врачебная этика требует говорить пациенту правду, поэтому есть вероятность, что одно только упоминание о крысах вызовет брезгливую гримасу и отказ от лечения. Но это не единственная сложность: коллаген может «развалиться» до того, как будет замещен на собственный. Значит, его нужно стабилизировать. На столе у гистолога стоят емкости с глутаровым альдегидом и карбодиимидом. Они образуют поперечные сшивки между отдельными молекулами коллагена и тем самым замедляют разрушение конструкции коллагеназами. Да вот незадача: оба эти соединения очень ядовиты и при расщеплении коллагеновых фибрилл коллагеназами неизбежно попадут в кровь. Можно одолжить у коллеги-ботаника немного природных полифенолов — например, кверцетина и дигидрокверцетина. Эти соединения выделяют из различных частей растений, вплоть до древесины; они менее токсичны и тоже образуют поперечные сшивки молекул белка, а кроме того, являются антиоксидантами, противостоящими окислительному стрессу, повреждающему клеточную мембрану, митохондрии, белки и ДНК. Ведь если клетка не справятся с окислительным стрессом — это верная гибель!

Впрочем, лучшее — враг хорошего. Итак, мы выбрали материалы. Теперь подумаем о форме и внутренней структуре. Это может быть пленка, если речь идет о коже, но лучше остановиться на пористой матрице, которую можно заселить клетками, собрав трехмерную конструкцию [1].

А вот клетки заселяться не хотят. Может быть, поверхность слишком гладкая? Или их не устраивает заряд или соотношение гидрофильных и гидрофобных групп на поверхности? Варьируем состав компонентов, затем отправляемся к коллеге-физику из лаборатории материалов и просим сделать несколько вариантов поверхности с разной шероховатостью.

Включаем в матрицу все необходимое

Ура! К некоторым матрицам клетки успешно приклеились (адгезировали). Но как-то вяло и почти не делятся — видимо, им чего-то не хватает. А не хватает им, например, пептида RGD, который опознается рецепторами клеток как сигнал к прикреплению. На всякий случай вводим в матрицу другие белки и пептиды, — например, фибриноген. Каким образом? Их можно включить непосредственно в толщу матрицы на стадии ее получения, а можно прикрепить к поверхности. Белок может самопроизвольно связаться с матрицей, адсорбируясь на ней из раствора, в том числе за счет электростатических взаимодействий, но иногда (в особенности для коротких пептидов) лучше использовать ковалентное «пришивание» (рис. 3). Самое главное, чтобы белок минимально изменил свою структуру, а функциональный конец пептида не оказался пришитым.

Рисунок 3. Включение пептидов (на примере дельта-сон индуци-рующего пептида, ДСИП) в матрицу на основе поливинилового спирта (ПВС).

Итак, клетки благополучно адгезировали к матрице и делятся. А что, если немного ускорить их деление? Инъекция ростовых факторов? Где гарантия, что все они попадут по назначению и не приведут к избыточному росту других тканей? Может быть, включить их непосредственно в матрицу?

Любая ткань состоит из нескольких типов клеток. Распределяем ростовые факторы по матрице и получаем нужное расположение клеток в ткани. Вот здесь эпителиальные, здесь мышечные, здесь пройдут кровеносные сосуды и нервы. Добавим немного нейропротекторов, потому что иннервация имплантата — очень важная задача.

Впрочем, что мелочиться? Мы ввели в матрицы компоненты, нужные для формирования имплантата. Может быть, использовать этот объем еще и как депо лекарственных препаратов? Добавим аскорбиновую кислоту в качестве антиоксиданта (ох уж этот окислительный стресс!), антибиотики (сколько веков хирургия стояла на месте из-за зловредности микроорганизмов!), и пусть они свободно диффундируют из толщи матрицы или с ее поверхности, формируя максимально благоприятные условия для роста клеток (рис. 4).

Рисунок 4. Выход биологически активных веществ из матриц (в данном случае, сферических частиц).

Главное, чтобы скорость их выделения в организм была именно той, какая необходима. Таким образом, препарат действует именно по месту назначения, не нанося вреда другим системам (прежде всего, печени и почкам). Однако материал матрицы может не поддерживать такой функции как контролируемая скорость выхода молекул, быть чересчур гидрофильным или гидрофобным, слишком рыхлым или плотным. Не страшно. Что мешает нам включить лекарственные препараты в микро- и наночастицы, отвечающие нужным требованиям? Чаще всего для этой цели используется сополимер гликолевой и молочной кислот (PLGA — Plylactide-Co-Glycolide), при распаде которого образуются вполне усваиваемые организмом компоненты [11]. Конечно, есть сведения, что вокруг вышеупомянутых частиц отмечается небольшое подкисление тканевой жидкости, но это «терпимо», да и для чего мы добавляли аскорбиновую кислоту? Включаем эти частицы в матрицу, сеем клетки, помещаем в питательную среду и ждем.

Со временем, уже в организме пациента, матрица частично или полностью заместится его собственными тканями. Увы, придать сверхспособности пока не получается. Неземную красоту можно, но за этим — к другому специалисту.

От автора

Разумеется, в реальной жизни не все так просто. В статье опущены этапы экспериментов на лабораторных животных и добровольцах, вопросы безопасности использования стволовых клеток, склонных к неуправляемой, в том числе онкогенной, дифференциации. Вместе с этим остаются многочисленные этические проблемы, в том числе проблема «черной трансплантологии», и, что бывает чаще, смерти пациентов в очереди за донорскими органами. Остается надеяться, что научно-технический прогресс... Впрочем, каждый закончит эту фразу по-своему.

Литература

  1. биомолекула: «Тканевая инженерия — окно в современную медицину»;
  2. биомолекула: «Была клетка простая, стала стволовая»;
  3. Explore Stem Cells: I. Murnaghan. Totipotent Stem Cells;
  4. Лозовская Е. (2005). Стволовые клетки про запас. Наука и Жизнь № 2 (2005);
  5. биомолекула: «Кровеносные сосуды XXI века»;
  6. Knight R.L., Wilcox H.E., Korossis S.A., Fisher J., Ingham E. (2008). The use of acellular matrices for the tissue engineering of cardiac valves. Proc. Inst. Mech. Eng. H. 222, 129–143;
  7. Gálvez-Montón C, Prat-Vidal C, Roura S, Soler-Botija C, Bayes-Genis A. (2013). Cardiac tissue engineering and the bioartificial heart. Rev. Esp. Cardiol. 66, 391–399;
  8. биомолекула: «Гидроксилапатит — самый главный из фосфатов кальция»;
  9. Li J., Hong J., Zheng Q., Guo X., Lan S., Cui F., Pan H., Zou Z., Chen C. (2011). Repair of Rat Cranial Bone Defects with nHAC/PLLA and BMP-2-Related Peptide or rhBMP-2. J. Orthop. Res. 29, 1741–1752;
  10. Tan J.Y., Chua C.K., Leong K.F., Chian K.S., Leong W.S., Tan L.P. (2012). Esophageal Tissue Engineering: An In-Depth Review on Scaffold Design. Biotechnol Bioeng. 109, 1–15;
  11. Liu J., Zhang S.M., Chen P.P., Cheng L., Zhou W., Tang W.X., Chen Z.W., Ke C.M. (2007). Controlled release of insulin from PLGA nanoparticles embedded within PVA hydrogels. J. Mater. Sci. Mater. Med. 18, 2205–2210.

Автор: Суханова Татьяна.

Число просмотров: 1194.

Creative Commons License — условия использования и распространения материалов сайта.
Вернуться в раздел «Медицина»

Комментарии

(Оставить комментарий) (показывать сначала старые комментарии)

Яндекс.Метрика

© 2007–2015 «биомолекула.ру»
Электропочта: info@biomolecula.ru
О проекте · RSS · Сослаться на нас

Дизайн и программирование —
Batch2k15.

Сопровождение сайта — НТК «Биотекст».

Условия использования сайта
Об ошибках сообщайте вебмастеру.