Энтони Атала, биоинженер — о 3D-печати органов, стволовых клетках и микросердце

По данным ООН, от 15 до 30% нездоровых погибают от того, что не могут отыскать донорские органы. Потому ученые отыскивают метод создавать их искусственным методом. один из методов — 3D-печать новейших органов из клеток самого реципиента. Но невзирая на успехи — докторы уже пересаживают написанную кожу и сосуды, в технологии до сего времени есть трудности. У целых органов с системой кровообращения (Кровообращение — важный фактор в жизнедеятельности организма человека и ряда животных) очень непростая структура, а время от времени клиентам требуется орган, который у их отсутствует (к примеру, почка) либо очень на генном уровне поврежден. В этом случае ученые пробуют использовать стволовые клеточки. «Хайтек» побывал на ассамблее «Здоровая Москва» и записал выступление директора Института регенеративной медицины Уэйк-Форест Энтони Аталы о будущем трансплантологии, поисках новейшего типа стволовых клеток и тестировании фармацевтических средств на микроорганах.

Запустить регенерацию

1-ая в мире удачная трансплантация органа произошла в 1954 году — хирург Джо Маррей имплантировал почку пациенту. Благодаря этому потом было спасено много людей. Но как и раньше этих органов не хватает, и, не считая того, происходит реакция отторжения трансплантата. Потому мы смотрим большой недостаток органов: за крайние 10 лет удвоилось количество пациентов, которым нужна трансплантация, при всем этом само количество процедур повысилось наименее чем на 1%.

Раз в год в мире делают в среднем 100 800 пересадок органов. Почаще всего пересаживают почки (69 400 операций), печень (20 200), обеспечивающий ток крови (внутренней средой организма человека и животных) по кровеносным сосудам»>сердечко (5 400), легкие (2 400) и поджелудочную железу (2 400). Донорство быть может схожем и посмертным, когда подходящий орган берут у трупа. При всем этом в Рф, к примеру, средний срок ожидания донорской почки — 1,5-2 года. В НИИ (Научно-исследовательский институт — самостоятельное учреждение, специально созданное для организации научных исследований и проведения опытно-конструкторских разработок) имени Склифосовского раз в год производится около 200 операций, в то время как в листе ожидания стоит приблизительно 500 человек.

Природа так сделала клеточки, что они постоянно знают, что им созодать. У их есть способность регенерировать, любая клеточка имеет таковой потенциал. Клеточки кожи обновляются любые две недельки, клеточки кишечного тракта — в течение 2-ух недель, а клеточки мозга (центральный отдел нервной системы животных и человека) — любые 10 лет. Неувязка состоит в том, что мы не регенерируем ткани (Строение тканей живых организмов изучает наука гистология), когда происходит болезнь, шрам либо повреждение. В этот момент регенерация останавливается, и тут может посодействовать регенеративная медицина. Мы берем у пациента весьма мелкие мышечные ткани (Строение тканей живых организмов изучает наука гистология), потом обрабатываем эти клеточки и помещаем их в зону, где находится покоробленная эластичной ткани (Строение тканей живых организмов изучает наука гистология). Это также можно использовать для пациентов с ожогами: в этом случае мы берем небольшой эталон кожи пациента, потом обрабатываем клеточки и просто при помощи спрея наносим их на покоробленные области. При всем этом если пациент с травмой, нужно поначалу его подлечить, избавиться от инфекции (Термин означает различные виды взаимодействия чужеродных микроорганизмов с организмом человека) и выждать время, чтоб сам он был готов к исцелению.

Вырастить новейший орган

Заместо клеток можно употреблять так именуемую подложку — собственного рода основа строения. Ее материалы весьма похожи на материалы швов. Они растворяются за несколько месяцев, неопасны для человека и клеток. Мы берем небольшой эталон ткани (Строение тканей живых организмов изучает наука гистология) у пациента, потом обрабатываем эти клеточки за пределами тела, культивируем их, используем подложку для того, чтоб они заполучили трубчатую форму, и имплантируем это пациенту. На весь процесс необходимо приблизительно 30 дней. То же самое касается и кровяных сосудов. Мы кладем эти клеточки на материал, позже тренируем этот орган. Когда сжатия станут таковыми, какие нам нужны, сосуды имплантируют людям. Самый непростой орган — это цельный орган с кровообращением (Движение крови по сосудам осуществляется), как <span class="wp-tooltip" title="мышечный полый орган, почка и печень, поэтому что тут разные типы тканей, также они все имеют весьма много сосудов.

«Здоровая Москва»

Легче всего растить обыкновенные ткани (Строение тканей живых организмов изучает наука гистология). В медицинской практике уже употребляется способ регенерации кожи при помощи особых гидрогелей либо клеток самого пациента.

Гордана Вуньяк-Новакович в Колумбийском институте вырастила фрагмент кости черепа, засеяв основа стволовыми клеточками.

В Институте Джона Хопкинса докторы удалили у пациентки ухо и часть черепа, пораженные опухолью (опухоль — патологический процесс, представленный тканью, в которой изменения генетического аппарата клеток приводят к нарушению регуляции их роста и дифференцировки). Взяв хрящевую строением и выполняемыми функциями»>орган на пространство.

Удачные опыты по выращиванию и трансплантации кровеносных сосудов прошли в институтах Готенбурга (Швеция) и Райса (США (Соединённые Штаты Америки — мускул, клеток крови (внутренней средой организма человека и животных), костного мозга (центральный отдел нервной системы животных и человека) и зубов.

Что касается выкармливания сложных органов, опыты пока ведутся в главном на звериных. Но есть и примеры удачных пересадок искусственно выращенных органов людям. Энтони Атала уже несколько лет проводит операции по имплантации мочевого пузыря, выращенного из клеток пациента. Испанские доктора провели трансплантацию трахеи, выращенной на базе донорского каракаса.

Компания Advanced Cell Technology в 2002 году вырастила маленькую почку скотины длиной 5 см при помощи технологий клонирования, взяв клеточки из уха звериного. Почку имплантировали с главными органами, и она начала удачно производить мочу.

Также есть положительный опыт выкармливания и трансплантации печени лабораторным крысам (Массачусетский институт) и легких свиньям (Институт Техаса).

Сосуды пересаженных органов весьма мелкие. Мы 30 годов назад уже начали эту работу, но у нас не было технологии. Стали мыслить о том, чтоб взять органы людей, которые погибли, и употреблять их снова. Изъяли из погибшего пациента печень и вроде бы отмыли изнутри. Через две недельки печень как и раньше смотрелась как печень, но там не было снутри клеток. Но мы смогли сохранить сосудистое дерево, таковой скелет печени. Потом взяли клеточки пациента, вырастили их и расположили на этот скелет. Мы создаем объединённых общим происхождением из тела пациента и таковым образом вылечиваем его. Потому нет иммунного ответа совершенно. Это весьма большенный плюс регенеративной медицины.

«Здоровая Москва»

Даже из весьма отвратительного органа мы при помощи биопсии можем достать отличные клеточки. Но не можем созодать этого при генетических заболеваниях, поэтому что недостаток будет во всей ткани (Строение тканей живых организмов изучает наука гистология). Тут остальные технологии — мы берем клеточки из этого пациента, недостатки исправляем, вроде бы оздоравливаем эти клеточки, а потом работаем по той же стратегии. Пока, к огорчению, это экспериментально, но все равно есть надежда, что и генетические <span class="wp-tooltip" title="нарушения обычной жизнедеятельности можно будет вылечивать.

Мы непременно прослеживаем жизнь наших пациентов хотя бы в течение 5–8 лет опосля пересадки. Мы должны удостовериться, что все будет нормально, лишь позже можно будет гласить, что эта разработка сработала и пересаженные органы нормально работают.

Печать органов и тестирование фармацевтических средств

Можно напечатать маленькое обеспечивающий ток крови (внутренней средой организма человека и животных) по кровеносным сосудам»>сердечко, и через два часа оно уже будет сокращаться. 6 лет вспять мы начали употреблять 3D-печать, поэтому что было нужно масштабировать эти технологии — ранее мы все делали вручную. Но приобретенные при помощи печати органы не имели такую целостность, чтоб их имплантировать в тело. Тогда мы стали разрабатывать наиболее специфичные принтеры, которые могли бы создавать ткань (мед. система клеток и межклеточного вещества, объединённых общим происхождением, строением и выполняемыми функциями) человека. И работали над сиим 14 лет.

1-ые опыты по биопечати проводились на обыденных бытовых 3D-принтерах, которые модернизировали в рабочих критериях. В 2000 году Томас Боланд настроил аппараты Lexmark и HP так, чтоб на их можно было печатать фрагменты ДНК (Дезоксирибонуклеиновая кислота — макромолекула, обеспечивающая хранение, передачу из поколения в поколение и реализацию генетической программы развития и функционирования живых организмов), а в 2003 году запатентовал технологию.

на данный момент печатью органов занимается несколько компаний. Биоинженеры компании Organovo разработали технологию, позволяющую печатать печеночную строением и выполняемыми функциями»>органов.

Русские биоинженеры из 3D Bioprinting Solutions разработали 3D-принтер FABION и провели удачный опыт по печати щитовидной железы и пересадке ее подопытной мыши.

Принтеры Fripp Designs, разработанные в Шеффилдском институте, печатают глазные протезы. Эта же команда разрабатывает технологии 3D-печати носов, ушей и подбородков.

Часть оборудования выпускается для собственных нужд заказчиков и не создана для реализации (FABION, Organovo’s NovoGen MMX). Цены на коммерческие биопринтеры начинаются от $10 тыс. (BioBots) и €5 тыс. (CELLINK Inkredible) до $200 тыс. и выше (EnvisionTEC’s 3D Bioplotter, RegenHU’s 3DDiscovery).

Есть 5 увлекательных критериев 3D-принтера для печати органов. Во-1-х, у их весьма мелкие насадки, они могут доходить до 2 мк — это 2% от поперечника волоса человека. 2-ое — этот принтер дает нам точность, мы можем выкладывать клеточки там, где они по сути необходимы. Третье — это биочернила, таковая жидкость, которая проходит через насадку. А позже, когда это становится желатином, уже работает как обычная объединённых общим происхождением. Последующий аспект — это микроканалы, они дают питание центральной части клеток. На самом деле, это заместители крови (внутренней средой организма человека и животных). И, в конце концов, программное обеспечение, позволяющее иметь трехмерное изображение. Таковым образом, мы осознаем, что происходит в теле, и создаем структуру, нужную для данного органа. Для этого берем цифровые данные от рентгена и используем их так, чтоб создавать структуру конкретно для этого недостатка у определенного пациента.

«Здоровая Москва»

У нас есть две сертифицированные системы для печати человечьих органов. Они одобрены FDA (Управление по санитарному надзору за качеством пищевых товаров и медикаментов в США (Соединённые Штаты Америки — лет мы употребляли принтер, чтоб сделать так именуемую программку тела на чипе. На данный момент это находится на шаге разработки, поэтому что нужно обеспечить жизнестойкость этих органов, но в целом мы можем создать маленькие легкие, обеспечивающий ток крови (внутренней средой организма человека и животных) по кровеносным сосудам»>сердечко, сосуды и соединить всю эту систему на чипах. Мы также можем сделать маленькие органы размером с булавочную головку и поглядеть, как эти органы будут реагировать на лекарства. к примеру, если лечущее средство ускоряет частоту сердечных сокращений, оно убыстрит ЧСС (Частота сердечных сокращений; Частота сокращений сердца) в нашем маленьком <span class="wp-tooltip" title="мышечный полый орган. Таковым образом можно выявить побочные эффекты фармацевтических средств, которые иными тестами не выявляются.

Избежать побочных эффектов

При помощи написанных маленьких органов можно тестировать лекарства. К примеру, продукт «Гисманал» (Hismanal), 11 лет находившийся на рынке по всему миру. Это антипсихотическое средство также использовалось как антигистаминное. Спустя некое время его внедрения сделалось понятно, что у почти всех пациентов появляются побочные эффекты, связанные с нарушением работы сердца. Когда лечущее средство тестировалось на клеточке, никаких заморочек не было, когда оно тестировалось на звериных, никаких заморочек не было. Когда проводились клинические исследования первого, второго и третьего шага, ничего не происходило. Мы взяли это лечущее средство, употребляли его в отношении наших органов на чипах и уже через недельку сделалось понятно, что это лечущее средство токсично для сердца.

Это соединено с тем, что все по-разному реагируют на лекарства, все на генном уровне различаются, одно и тоже лечущее средство будут по-разному перерабатывать. У всех различный режим питания, различные условия жизни, различные трудности со здоровьем. Это действует как помеха для осознания того, что по сути лечущее средство делает с органами. А если мы уберем все эти помехи и поглядим конкретно, как лечущее средство действует на органы, сходу сможем выявить токсичность.

сейчас мы разрабатываем систему, которую называем «тело на чипе». Она а именно поможет уменьшить токсичность фармацевтических средств — к примеру, чтоб работать с онкопациентами. Можем взять маленькую клеточку рака и вырастить его, а потом тестировать химиотерапию на чипе, перед тем как давать эту <span class="wp-tooltip" title="процесс пациенту. У нас был пациент с меланомой, он 6 месяцев был на химиотерапии, было потрачено много средств, а опухоль (патологический процесс, представленный новообразованной тканью) только выросла. Мы протестировали лечущее средство, которое не рассматривалось, и пациент стал его получать. Через две недельки пациент в первый раз произнес, что его состояние улучшается, а доктор отметил, что миниатюризируется представленный новообразованной тканью (Совокупность различных и взаимодействующих тканей образуют органы)«>Стволовые клеточки: сделать то, что нет

Когда необходимо вырастить орган, которого у пациента никогда не было либо он утрачен, можно употреблять стволовые клеточки. Обычно мы для того, чтоб вырастить почку, берем почечную клеточку, чтоб вырастить уретру, мы берем клеточки уретры. Но в случае со стволовыми клеточками можем взять ту, которая может стать клеточкой легкого, почки либо кровеносного сосуда. Есть два главных типа стволовых клеток. один из их — людские эмбриональные. Они весьма массивные, вырастают и могут преобразовываться во что угодно, но также могут сформировывать неоплазма»> — патологический процесс, потому весьма тяжело употреблять их. С иной стороны, если гласить о этих клеточках у взрослого человека, это могут быть клеточки жира либо костного мозга (центральный отдел нервной системы животных и человека), они не будут сформировывать опухоли ( представленный новообразованной тканью»>опухоль (син. новообразование, неоплазия, неоплазма) — патологический процесс, представленный новообразованной тканью), но не так отлично вырастают.

В первый раз термин «стволовая клеточка» употреблял германский ученый Валентин Хаакер в конце XIX века. В 1909 году русский ученый Александр Максимов представил, что в организме есть клеточки, остающиеся постоянными, но в подходящий момент могут поменять программку и перевоплотиться в клеточки другого типа.

Эта теория получила доказательство в 60-х годах прошедшего века. Америкосы Джеймс Тилл и Эрнест Маккалох облучали мышей смертельной дозой радиации, а потом пересаживали им стволовую клеточку крови (внутренней средой организма человека и животных) здоровой особи. Оказалось, что таковым образом можно вернуть образованная водянистой соединительной тканью (Совокупность различных и взаимодействующих тканей образуют органы). Состоит из плазмы и форменных частей: клеток лейкоцитов и постклеточных структур: эритроцитов и тромбоцитов»> образованная жидкой соединительной тканью. Состоит из плазмы и форменных элементов: клеток лейкоцитов и постклеточных структур: эритроцитов и тромбоцитов»>кровь (внутренняя среда организма, образованная жидкой соединительной тканью. Состоит из плазмы и форменных элементов: клеток лейкоцитов и постклеточных структур: эритроцитов и тромбоцитов) и спасти мышей от погибели. С 1964 года этот метод стали употреблять при <span class="wp-tooltip" title="процесс для облегчение рака крови (внутренней средой организма человека и животных): у пациентов поначалу уничтожают собственные кровяные клеточки, а потом трансплантируют здоровые стволовые клеточки от донора. Эффективность такового способа добивается 70–80%.

В 1981 году Мартин Эванс и Мэттью Кауфман наряду с Гейлом Мартином выделили эмбриональные стволовые клеточки из мышиных эмбрионов. Эти клеточки могли неограниченно длительно существовать вне организма без конфигурации параметров, а при попадании в определенные условия, к примеру, назад в организм, перевоплотиться в ткани (Строение тканей живых организмов изучает наука гистология).

В 1999 году журнальчик Science причислил открытие стволовых клеток к трем величайшим открытиям в области биологии, опосля расшифровки ДНК (Дезоксирибонуклеиновая кислота — макромолекула, обеспечивающая хранение, передачу из поколения в поколение и реализацию генетической программы развития и функционирования живых организмов) и программки «Геном человека».

Длительное время числилось, что если стволовая клеточка перевоплотился в клеточку ткани (Строение тканей живых организмов изучает наука гистология), создать ее опять стволовой нереально. Но в 2006 году японец Синъя Яманака открыл метод превращать соматические клеточки назад в стволовые. За это в 2012 году он получил Нобелевскую премию.

«Здоровая Москва»

Приблизительно 17 лет вспять мы начали находить другой источник стволовых клеток. Представили, что еще есть один тип стволовых клеток, присутствующий в амниотической воды и в плаценте, которыми ребенок окружен в матке. И мы отыскали эти весьма массивные стволовые клеточки. Они не будут сформировывать <span class="wp-tooltip" title=" представленный новообразованной тканью»>опухоль (патологический процесс, представленный новообразованной тканью) (син. новообразование и могут преобразовываться в три главные группы ткани (Строение тканей живых организмов изучает наука гистология), которые сформировывают наш организм. Эти клеточки можно стремительно растить до достаточных количеств. Таковым образом мы избегаем всех ограничений клеток костного мозга (центральный отдел нервной системы животных и человека) и остальных типов клеток. На данный момент они являются объектом ряда клинических исследовательских работ и пока что не употребляются весьма обширно.

Я не желаю, чтоб вы поразмыслили, как будто все трудности уже разрешены, и можно просто взять и напечатать на принтере органы. Потребуются десятилетия для того, чтоб эти технологии могли развиваться. Это весьма трудно, и необходимо много времени, чтоб мы смогли создать тот рецепт, который дозволит технологиям работать нормально. Не считая того, это дорогостоящие технологии, их будет тяжело реплицировать, но буквально можно сказать, что в их есть потенциал. И для нас в этом обещание регенеративной медицины — созодать жизнь пациентов лучше.

Источник