Искусственные органы и ткани: когда мы сможем купить запчасти для собственного тела
Каждый из нас когда-нибудь задумывался о бренности своего тела. У одних такие мысли появились, когда у них выпал первый молочный зуб, у других — когда они нашли у себя первый седой волос, у третьих — когда кожа стала тонкой и морщинистой, а суставы перестали сгибаться. А что, если можно было бы менять органы, как запчасти в машине? Ожог 80 % поверхности тела — натянем новую кожу, отказал какой-то внутренний орган — не беда, заменим, будет как новенький!
Существует два подхода к замене органов. Первый — протезы и технические устройства вообще. В этой статье мы не будем затрагивать этот способ из-за его очевидных недостатков: любой искусственный элемент со временем изнашивается, и его вряд ли можно починить где-либо еще, кроме как в месте его установки, да и специалистов по биомедицинской технике не так много. Второй — выращивание органов и тканей. Этот подход гораздо удобнее: клетки способны к регенерации, да и «починить» свои запчасти можно у любого врача. Это и называется медициной.
Долгое время такие идеи были прерогативой писателей-фантастов и встречались лишь в мифах — например, согласно Махабхарате (привет, РЕН ТВ!) дети царя Дхритараштры были выращены в «биореакторах» из бесформенных кусков плоти.
Но всё начало меняться в первой половине ХХ века. В это время активно работал ученый-биолог Алексис Каррель, личность крайне интересная: любитель евгеники, лауреат Нобелевской премии по физиологии и медицине 1912 года, член фашистской партии Франции (PPF) и иностранный член-корреспондент АН СССР. Он первым доказал, что можно долгое время поддерживать жизнедеятельность изолированных клеток и тканей вне организма человека. Посмертную оценку его работы провел американский ученый Ян Витковский, который в своей статье «Бессмертные клетки доктора Карреля» изложил почти детективную историю о началах регенеративной медицины и клеточном старении вообще.
В 1970–1980-х годах в исследованиях стволовых клеток произошел бум. Теории о неких «клетках-прародителях», из которых развивается всё разнообразие тканей организма, появлялись в научной среде еще с XIX века, однако экспериментальное подтверждение появилось только в 1963 году для мышей и в 1978 году для людей. Одновременно с этим ученый-цитолог Джуда Фолкман открыл механизмы клеточной дифференцировки — это процесс, во время которого неспециализированные стволовые клетки специализируются и могут превратиться в клетку любой ткани. Фолкман обнаружил, что для этого необходимы химические сигнальные факторы. Именно тогда появились первые проекты так называемых матриксов для изучения роста клеток не на плоском дне культурального флакона, а в объемной трехмерной среде.
Наши ткани состоят не столько из клеток, прижатых вплотную друг к дружке, сколько из того самого внеклеточного матрикса — будь то коллагеновые волокна или апатитная губка, как, например, в костях.
Чтобы вырастить на его основе какую-либо ткань или орган, нужно максимально бережно этот матрикс обесклеточить — обработать его серией растворов, содержащих додецилсульфат натрия (SDS). По сути, мы должны промыть кусок ткани с помощью «клеточного „Фейри“» (и это не шутка, SDS входит в состав большинства моющих средств), при этом жировые мембраны клеток растворяются, а поддерживающий их внеклеточный каркас остается нетронутым.
Дело в том, что даже при удалении клеток мы оставляем белковые гормоны (то есть факторы роста, факторы дифференцировки), которые успели осесть на коллагеновом каркасе, нетронутыми. Поэтому выделенная из организма пациента стволовая клетка, попадая в этот матрикс, сразу «понимает», во что ей дальше превращаться: «Так, я в коллагеновой среде, а вокруг меня много молекул VEGF (фактора роста внутренней поверхности сосудов), значит, я должна превратиться в стенку сосуда». Подробнее о том, как клетки дифференцируются на матриксе из обесклеточенных органов, можно узнать из презентации SENS Foundation:
Эта конференция состоялась еще в 2011 году. Сейчас группа Шая Сокера (докладчика на видео) занимается биосенсорами и платформами скрининга лекарственных веществ на искусственных органах и тканях.
Справедливости ради нужно отметить, что иногда клетки сажают и на биосовместимый полимер. Одним из первых успешных опытов было создание новой легочной артерии: ученые взяли кусок периферической вены и выделили из него клетки, которые могут стать стенкой сосуда.
Эти клетки были «засеяны» на полимерную трубку, которую после небольшого периода культивирования вживили на место пораженной артерии. Трубка-матрикс была сделана из материала, который постепенно растворялся в организме, а полимер заменялся на коллаген по мере дальнейшего роста клеток и регенерации сосуда. В этом эксперименте всё прошло более или менее успешно, однако нужно делать скидку на то, что пациенту было всего 4 года — у молодого организма все-таки гораздо больший потенциал к регенерации, чем у старого.
В случаях с более объемными органами на помощь приходит техника обесклеточивания (децеллюляризации). Здесь и всплывает имя скандально известного хирурга Паоло Маккиарини. Он первым пересадил человеку донорскую трахею, взятую из трупного материала, но пациентка умерла после операции. Есть мнение, что всему виной был обычный бактериальный сепсис, который закончился фатально. Маккиарини провел несколько таких экспериментальных операций, часть из которых прошла без серьезных осложнений, хотя некоторые коллеги называли его деятельность этическим Чернобылем.
Для большинства пациентов искусственная трахея была единственным способом продлить жизнь. При этом они страдали множеством сопутствующих заболеваний, которые сами по себе могли стать фактором, ухудшившим их состояние после трансплантации. Кроме того, одной из претензий этических комитетов к Маккиарини было то, что при каждой операции он применял новую экспериментальную методику: якобы смена способов и материалов для трахеи свидетельствовала о том, что хирург не знал, что делает. Комиссия в своем отчете заявила, что использовать непроверенные методики даже тогда, когда человек мог умереть с высокой степенью вероятности и при любом другом лечении, недопустимо.
Тем не менее при пересадке органов и тканей, полученных при помощи обесклеточивания, небольшие воспаления — нормальное явление. Каждый день в нашем организме образуется множество потенциально раковых и сенесцентных (старых) клеток, которые могут либо начать бесконтрольно делиться, либо выделять малоизученные пока «факторы старения». Наши иммунные клетки, циркулируя по кровеносным сосудам, каждый день эффективно находят и убивают эти клетки. Но если ткани выращиваются «в биореакторе», такой отбраковки не происходит, и, когда новый орган подключается к кровеносной системе, иммунные клетки буквально сходят с ума от обилия «некачественных» клеток в пересаженных тканях.
К счастью, модели тканей и органов, выращенные на коллагеновом каркасе из донорского материала, можно успешно использовать в доклинических испытаниях лекарственных веществ. Теоретически это даже может дать более точные результаты, чем испытание на клеточной монокультуре.
Что же касается прикладных успехов биотрансплантации, то стоит начать с козырей — бьющегося мышиного сердца. Его вырастили с помощью обесклеточивания с последующим засевом стволовыми клетками:
Конечно, оно пока не способно эффективно качать кровь и сокращается не очень ритмично, но сам принцип выращивания в пробирке сложных органов, состоящих из нескольких типов тканей, уже работает.
В чем же подвох? Почему бы просто не пересадить сердце от здорового донора? Дело в том, что тканевую несовместимость еще никто не отменял: провести всю оставшуюся жизнь на иммуносупрессивных препаратах для профилактики отторжения — так себе вариант. Более того, препараты, угнетающие иммунитет, делают больного более восприимчивым к инфекциям, которые здоровому человеку не страшны, и уязвимым перед условно-патогенными микроорганизмами. Если пациент не в критическом состоянии и у него есть еще минимум месяц жизни, то новая технология выращивания органов не только спасет его, но и полностью уберет риск осложнений — ведь для этой процедуры подойдет сердце практически любого донора. Причем этот вариант устроит не только клиницистов (поддерживать «жизнь» донора со смертью мозга непросто), но и биоэтиков: орган можно взять у донора, уже направляющегося в морг, без введения дополнительных шатких критериев биологической смерти.
В начале статьи мы упоминали механические протезы и их недостатки. Если откажет, например, искусственный клапан сердца, пациенту смогут помочь только в узкоспециализированной клинике — в медицинской литературе описано много случаев заедания створок механического клапана. А вот донорский или искусственно выращенный орган больного сможет спасти любой квалифицированный врач.
А вот большая часть разработок, которые уже используются, пока имеет лишь статус экспериментального лечения. Еще с 1990-х годов в комбустиологии (раздел медицины, занимающийся изучением ожоговых травм) известна методика «кожного спрея»: врач берет кусочек кожи, растворяет его до однородной клеточной суспензии, а потом наносит ее на пораженные поверхности. Сейчас ее используют в западных странах.
Существует также технология «ксенокожи»: новые кожные покровы выращиваются на матриксе из кожи мутантных свиней, у которых отсутствует галактозилтрансфераза — фермент, провоцирующий иммунный ответ у человека. Существует также несколько других коммерчески доступных методик производства кожи из клеток пациента: Epicel (EPIBASE, EpiDex), MySkin, Laserskin (Vivo-derm), Bioseed-S и CellSpray.
Сейчас проходят клинические испытания новые способы лечения небольших структурных дефектов внутренних органов с помощью стволовых клеток. Уже коммерчески доступны ECM-материалы на основе обесклеточенных матриксов мочевых пузырей свиней.
А вот с сердцем, легкими, почками и другими востребованным органами пока что не очень, увы. Большая часть современных разработок в области регенеративной медицины пока что находится лишь на стадии клинических испытаний. И к большому сожалению, если кому-то необходима такая помощь, остается лишь постоянно мониторить сайты крупных западных медцентров, специализирующихся на такого рода вещах.