Искусственная матка: фантастика становится реальностью?

Историческая справка. Трансплантология

Росту биоинженерии как науки предшествовал долгий период развития биологии и других наук, целью которых было изучение человеческого тела. Еще в начале 20-го века толчок своему развитию получила трансплантология, задачей которой было изучение возможности пересадки органа донора другому человеку. Создание методик, способных консервировать на некоторое время донорские органы, а также наличие опыта и детальных планов по трансплантации позволили хирургам со всего мира в конце 60-х годов успешно пересадить такие органы, как сердце, легкие, почки.

На данный момент принцип трансплантации является наиболее действенным в случае, если пациенту угрожает смертельная опасность. Основная проблема заключается в остром дефиците донорских органов. Больные могут годами ждать своей очереди, так ее и не дождавшись. Кроме того, существует высокий риск того, что пересаженный донорский орган может не прижиться в теле реципиента, так как иммунной системой пациента он будет рассматриваться в качестве инородного предмета. В противоборство данному явлению были изобретены иммунодепрессанты, которые, однако, скорее калечат, чем лечат – иммунитет человека катастрофически ослабевает.

Ёсики Сасаи

Ёсики Сасаи.

Все живые организмы проходят долгий и трудный путь развития, прежде чем приобретают окончательную, зачастую очень сложную структуру. Если мы хотим получить копию искусственного органа, стоит вспомнить, как именно этот орган образуется в природе. Воспроизведение эмбрионального развития органа — очень перспективный путь для биоинженеров. Работами именно в этой области и прославился Ёсики Сасаи. В 2008 году были опубликованы результаты работы по воспроизведению первых этапов развития ни много ни мало человеческого мозга . А в 2011 году японские исследователи под руководством Сасаи получили зачатки гипофиза и глазных бокалов (рис. 2) . «В пробирке» (точнее, на чашке Петри) удается вырастить только мини-органоиды, потому что дальнейшие этапы их развития требуют сложного трехмерного окружения, которое, в свою очередь, тоже должно развиваться с ростом органа. Тем не менее, подбор условий, стимулирующих клетки повторять хотя бы первые стадии развития органа, уже дает много полезных данных для эмбриологии. Кроме того, на мини-органоидах, выращенных из клеток с генетическими мутациями, можно проследить становление патологии. И конечно, мини-органоиды подходят для тестирования лекарств и особенно для изучения их влияния на ранние стадии развития организма.

Рисунок 2. Воспроизведение развития глазных бокалов (окрашены зеленым) в культуре клеток.

К несчастью для Ёсики Сасаи, под его руководством шли работы и на другие темы. В начале 2014 года в журнале Nature была опубликована статья, первым автором которой была Харуко Обоката, а последним — Ёсики Сасаи. В статье был описан на удивление простой метод перепрограммирования специализированных клеток в стволовые — с помощью непродолжительной инкубации в растворе лимонной кислоты. Стволовые клетки, полученные таким способом, назвали STAP (stimulus-triggered acquisition of pluripotency). STAP-клетки могли бы вызвать настоящую революцию в регенеративной медицине — таким простым методом, как описали японские ученые, стволовые клетки можно было бы получать в огромных количествах. К сожалению, никаким другим исследователям, кроме Харуко Обоката, получить STAP-клетки не удалось. На японских ученых посыпались вопросы от разочарованных коллег и прессы, и Харуко Обоката пришлось повторить эксперименты в собственной лаборатории, чтобы доказать, что метод может работать. Ей это не удалось. В ходе расследования под эгидой института RIKEN выяснилось, что Харуко Обоката подтасовала данные скандальной публикации, а руководитель исследования — Ёсики Сасаи — об этом не знал. В августе 2014 ученый, тяжело переживавший скандал вокруг исследования, покончил жизнь самоубийством. Харуко Обоката не стала оспаривать решение экспертной комиссии о подтасовке результатов.

Интересно, что в ходе скандала Чарльз Ваканти (бывший руководитель Харуко Обоката) активно выступал в защиту японских ученых. В конце концов ему пришлось признать, что статья была отозвана обоснованно, но, несмотря на это, он не отказался от своей любимой идеи о возможности получить стволовые клетки из специализированных без трудоемких генетических модификаций. В сентябре прошлого года Чарльз Ваканти ушел в годовой академический отпуск, который к настоящему моменту как раз закончился.

Неизвестно, будет ли найден однажды простой способ получения стволовых клеток. Как бы то ни было, другое направление исследований Ёсики Сасаи — получение органоидов — оказалось очень плодотворным. В последующие годы ученым разных групп удалось получить мини-органоиды кишечника, желудка и почек . Последнее достижение в этой области — органоиды сердца — принадлежит знаменитому специалисту по созданию искусственных органов Энтони Атала .

Дональд Ингбер

Дональд Ингбер.

Дональд Ингбер — биолог, знаменитый своим инженерным взглядом на живые объекты, благодаря которому ученый сделал несколько открытий в области биологии клетки (например, о влиянии механических воздействий на активность генов). Автор идеи «органа на чипе» — простейшей клеточной системы, расположенной на пластинке стандартного размера и воспроизводящей основные функции моделируемого органа. Создал множество органов на чипах, и сейчас работает над объединением десяти таких органов в «человека на чипе».

Вероятно, такое стремление ввести исследования клетки в более понятную, «механическую» плоскость, в конце концов и привело Дональда Ингбера к идее органов на чипах. Орган на чипе — это пластинка размером не более кредитной карточки. В пластинке есть ячейки, заселенные клетками определенных типов. Ячейки соединяются каналами, имитирующими кровоток или обмен тканевой жидкости между группами клеток органа. Разумеется, такое устройство не отражает форму природного органа, но зато в максимально компактной и контролируемой форме моделирует саму суть его работы. Жизнедеятельность клеток в органе на чипе нужно поддерживать, помещая чип в специальный реактор, который прогоняет по каналам чипа питательные растворы под правильным давлением и поддерживает определенную температуру и содержание растворенных газов в этих жидкостях.

Важнейшее преимущество органов на чипах соответствует технологическим трендам: это модульность — возможность составлять из таких устройств разные комбинации. Чипы, изображающие различные органы, можно соединять между собой, чтобы изучать влияние этих органов друг на друга, моделировать передвижения болезнетворных микробов по различным системам организма или же изучать, что происходит с молекулами лекарства, когда оно попадает в организм.

Первое устройство такого типа — легкое на чипе — Дональд Ингбер с коллегами разработали в 2010 году . Каналы этого устройства разделены на две части пористой мембраной, с одной стороны которой располагается слой клеток легкого, а с другой — слой клеток стенки сосуда. В той части каналов, где располагались клетки сосуда, циркулирует кровь, а та, где находятся клетки легкого, заполнена воздухом. В обе части каналов ведут специальные отверстия — туда можно добавлять лекарства или, к примеру, болезнетворных микроорганизмов, чтобы смоделировать их попадание в легкое из воздуха или с током крови.

С тех пор на чипах удалось воспроизвести работу почки , печени , а также кишечника с микробиомом и перистальтикой (рис. 4) . Особенно интересной для клинических исследований оказалась разработка чипа, отражающего устройство гематоэнцефалического барьера . Разработчики воспроизвели и плотные контакты между клетками сосудов мозга, и расположение глиальных клеток — особенности, благодаря которым многие молекулы из крови не могут легко проникнуть в мозг. При тестировании прототипов лекарств очень полезно узнать, способны ли они проникать сквозь гематоэнцефалический барьер, и если да, то с какой эффективностью. Кроме этого, на чипе удалось воспроизвести устройство гематопоэтической ниши костного мозга, что крайне полезно для исследований болезней, при которых нарушается нормальное развитие клеток крови .

Закономерным образом исследователи стремятся к созданию «человека на чипе» — то есть системы из всех жизненно важных органов, в которой можно будет точнее всего изучить транспорт веществ и микробов в организме, а также влияние органов друг на друга. Помимо Дональда Ингбера в этом амбициозном проекте участвует и Линда Гриффит.

Кожа да кости

Не так давно у ученых Колумбийского университета получилось создать фрагмент кости, по структуре схожий с суставом нижней челюсти, соединяющим ее с основанием черепа. Фрагмент был получен посредством использования стволовых клеток, как и при выращивании органов. Чуть позже израильской компании Bonus BioGroup удалось изобрести новый метод воссоздания человеческой кости, который был с успехом испробован на грызуне – искусственно выращенная кость была пересажена в одну из его лап. В данном случае опять же были использованы стволовые клетки, только получены они были из жировой ткани пациента и в последующем помещены на гелеобразный каркас кости.

Начиная с 2000-х годов, для лечения ожогов доктора применяют специализированные гидрогели и методы естественной регенерации поврежденных участков кожи. Современные же экспериментальные методики позволяют вылечивать сильнейшие ожоги за несколько дней. Так называемый Skin Gun распыляет особую смесь со стволовыми клетками пациента на поврежденную поверхность. Также наблюдаются крупные успехи в создании стабильно функционирующей кожи с кровеносными и лимфатическими сосудами.

Закон о биомедицинских клеточных продуктах

Главная новость для ученых и медиков — в России с января 2017 года вступил в силу закон «О биомедицинских клеточных продуктах».

Он разработан в рамках реализации стратегии развития науки в Российской Федерации до 2025 года и направлен на регулирование отношений в связи с разработкой, исследованиями, регистрацией, производством и контролем качества, применением в лечебной практике биологических медицинских клеточных продуктов (БМКП).

Также это закон обеспечит законодательный базис для создания в сфере здравоохранения новой индустрии, которая производством и использованием клеточного продукта решит проблемы восстановления функций и структур тканей тела человека поврежденных заболеваниями, травмами, нарушениями при внутриутробном развитии.

Основной целью федерального закона является закрепление обособленного урегулирования деятельности по обращению БМКП, которая до недавнего времени была разрозненной, неполной и в основном незаконной.

Теперь организации и предприятия, которые занимались биопродуктами нелегально, парализованы. Именно поэтому принятию закона было оказано сопротивление и создавалось множество препятствий. Негативные последствия от принятия закона ощутят только те, кто осуществлял деятельность в области применения клеточного материала нелегально, то есть, нарушали закон.

Для отрасли в целом, закон обеспечивает цивилизованные пути развития, расширение возможностей, а для пациентов гарантирует получение качественного, безопасного продукта.

Документы

Документы, представляемые заявителем

I. Обязательные к представлению документы:

1. Заявление о согласовании проекта разрешения на создание искусственного земельного участка на водном объекте по форме.
2. Документ, удостоверяющий личность заявителя.
3. Проект разрешения на создание искусственного земельного участка на водном объекте, находящемся в федеральной собственности, или его части (далее — проект разрешения) который содержит:*
   • указание на планируемое использование искусственно созданного земельного участка с указанием предполагаемого целевого назначения, в том числе вида, видов разрешенного использования искусственно созданного земельного участка. В проекте может быть указан конкретный объект капитального строительства, для размещения которого создается искусственный земельный участок;
   • планируемое местоположение искусственного земельного участка.
4. Схема размещения искусственно созданного земельного участка на водном объекте, находящемся в федеральной собственности, или его части.**
5. Обоснование создания искусственного земельного участка.**
6. В случае если для предоставления государственной услуги необходима обработка персональных данных лица, не являющегося заявителем, и если в соответствии с федеральным законом обработка таких персональных данных может осуществляться с согласия указанного лица, при обращении за получением государственной услуги заявитель дополнительно представляет документы, подтверждающие получение согласия указанного лица или его законного представителя на обработку персональных данных указанного лица, по форме.

* Требования к проекту разрешения установлены статьей 4 Федерального закона от 19.07.2011 №246‑ФЗ «Об искусственных земельных участках, созданных на водных объектах, находящихся в федеральной собственности, и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации».

** Требования к содержанию обоснования создания искусственного земельного участка утверждены приказом Министерства природных ресурсов и экологии Российской Федерации от 29.06.2012 №198 «Об утверждении Требований к схеме размещения искусственного земельного участка на водном объекте, находящемся в федеральной собственности, или его части и Требований к составу и содержанию обоснования создания искусственного земельного участка».

II. Документы, представляемые заявителем по собственной инициативе:

Выписка из ЕГРЮЛ, содержащую сведения о юридическом лице, или выписку из ЕГРИП, содержащую сведения об индивидуальном предпринимателе, или уведомление об отсутствии в ЕГРЮЛ, ЕГРИП запрашиваемых сведений о заявителе.

III. Дополнительные документы (в случае обращения представителя заявителя):

1. Документ, удостоверяющий личность представителя заявителя.
2. В случае обращения представителя заявителя (физического лица, в том числе индивидуального предпринимателя) — доверенность или договор, содержащий полномочия представителя, оформленные в соответствии с требованиями Гражданского кодекса Российской Федерации.
3. В случае обращения представителя заявителя (юридического лица, в случае когда представитель юридического лица действует по доверенности) — оформленная в соответствии с законодательством Российской Федерации доверенность, подписанная руководителем или иным лицом, уполномоченным на это в соответствии с законом и учредительными документами.

Новая эпоха в медицине

Вместе с поиском и разработкой эффективных методов лечения и восстановления организма человека, российская медицина ведет активную работу над созданием искусственных органов. Этой темой стали заниматься более пятидесяти лет назад, с того времени, когда методика пересадки донорских органов из теории перешла в практику.

Донорство спасло много жизней, но этот метод имеет значительный ряд проблем — нехватка донорских органов, несовместимость, отторжение иммунной системой. Поэтому идея выращивания искусственных органов с энтузиазмом была подхвачена учеными медиками всего мира.

Методика замещения поврежденных тканей искусственным клеточным продуктом, введенным извне, или путем активизирования собственных клеток основывается на жизнеспособности БМКТ и способности постоянно находиться в организме пациента. Это дает большие возможности для результативного лечения болезней и спасения многих жизней.

На сегодняшний день применение биоинженерных технологий в медицине достигло значительных результатов. Уже апробированы методики выращивания некоторых органов непосредственно в организме человека, так и вне тела. Есть возможность вырастить орган из клеток того человека, которому он впоследствии будет вживлен.

Применение искусственно созданных простых тканей уже имеют место в клинической практике. По словам Юрия Суханова, исполнительного директора Объединения экспертов по биомедицинским клеточным технологиям и регенеративной медицине, российскими учеными подготовлены к испытаниям ряд важных и необходимых продуктов.

«Это противораковые вакцины на основе живых клеток человека, препараты для лечения диабета с помощью инсулинпродуцирующих клеток, которые будут имплантироваться пациенту. Разумеется кожа – ожоги, раны, диабетическая стопа. Выращивание из клеток хряща, кожи, роговицы, уретры. И, конечно, клеточные вакцины – самое интересное и эффективное, что сейчас есть» — отметил Юрий Суханов.

Российские ученые создали искусственную печень и провели доклинические испытания продукта на животных, которые показали очень хорошие результаты. Элемент выращенного органа был имплантирован в поврежденные ткани печени животных.

В результате клетки искусственной печени способствовали регенерации тканей, и через время поврежденный орган полностью восстановился. При этом не произошло отрицательного влияния на продолжительность жизни подопытного животного.

Регенеративная медицина — это наше будущее, которое закладывается уже сегодня. Возможности у нее колоссальные. Тем более что традиционная медицина достигла определенного уровня, и сейчас не может предложить результативных методов лечения многих опасных болезней, уносящих миллионы жизней.

Медицинской науке необходима революция, мощный прорыв, которым станет приход клеточных технологий. Победить неизлечимые заболевания, снизить продолжительность и стоимость лечения, сделать доступным замену утраченного или нежизнеспособного органа и таким образом спасти и продлить жизнь — все это нам дает новая перспективная отрасль медицинской науки — тканевая инженерия.

Закон «О биомедицинских клеточных продуктах» принятый в 2017 году, начал полноценно работать. И теперь ученые имеют гораздо больше возможностей для новых исследований и открытий в области клеточных технологий и выращивания искусственных органов в России.

Преимущества искусственного создания над трансплантацией

Одно из главных конкурентных отличий метода выращивания органов от их пересадки от донора заключается в том, что в лабораторных условиях органы могут производиться на основе тканей и клеток будущего реципиента. В основном, используются стволовые клетки, обладающие способностью дифференцироваться в клетки определенных тканей. Данный процесс ученый способен контролировать извне, что существенно снижает риск будущего отторжения органа иммунной системой человека.

Более того, с помощью метода искусственного выращивания органов можно производить их неограниченное количество, тем самым удовлетворяя жизненно важные потребности миллионов людей. Принцип массового производства значительно снизит цены на органы, спасая миллионы жизней и значительно увеличивая выживаемость человека и отодвигая дату его биологической смерти.

Перспективы развития

Совсем недолго осталось до того момента в истории, когда человеку можно будет пересадить большинство органов и тканей, созданных в искусственных условиях. Уже сейчас ученые со всего мира располагают разработками проектов, экспериментальными образцами, некоторые из которых не уступают оригиналам. Кожу, зубы, кости, все внутренние органы по прошествии некоторого времени можно будет создавать в лабораториях и продавать нуждающимся людям.

Новые технологии также ускоряют развитие биоинженерии. 3D-печать, получившая распространение во многих сферах человеческой жизни, будет полезной и в рамках выращивания новых органов. 3D-биопринтеры уже экспериментально используются с 2006 года, а в будущем они смогут создавать трехмерные работоспособные модели биологических органов, перенося культуры клеток на биосовместимую основу.

Основы биоинженерии

Наука, использующая информационный базис биологии и пользующаяся аналитическим и синтетическим методами для решения своих задач, зародилась не так давно. В отличие от обычной инженерии, которая для своей деятельности применяет технические науки, по большей части математику и физику, биоинженерия идет дальше и пускает в ход инновационные методы в виде молекулярной биологии.

Одной из главных задач новоиспеченной научно-технической сферы является выращивание искусственных органов в лабораторных условиях с целью их дальнейшей пересадки в тело пациента, у которого отказал из-за повреждения или в силу изношенности тот или иной орган. Опираясь на трехмерные клеточные структуры, ученые смогли продвинуться в изучении влияния различных болезней и вирусов на деятельность человеческих органов.

К сожалению, пока это не полноценные органы, а лишь органоиды – зачатки, незаконченная совокупность клеток и тканей, которые можно использовать только в качестве экспериментальных образцов. Их работоспособность и уживчивость проверяются на подопытных животных, в основном, на разных грызунах.

Перспективные технологии

Как поясняют ученые, вопрос выращивания органов для трансплантации решится не так скоро, это технологии медицины будущего. Однако некоторые отдельные ткани и паренхиматозные органы человеческого организма (печень, селезенка, эндокринные железы) можно будет получить в ближайшие 5–10 лет. Например, исследователи смогут помочь больным с сахарным диабетом, если вырастят фрагменты поджелудочной железы. По словам ученых, таким же способом можно решить проблему трансплантации костного мозга, в которой нуждается огромное количество людей на Земле, а донорского материала катастрофически не хватает. Для этого нужно будет пересадить животным гемопоэтические стволовые клетки человека (клетки костного мозга, из которых получаются эритроциты, тромбоциты и различные виды лейкоцитов. — «Известия»). Их можно будет полностью или частично формировать из клеток, взятых у конкретного пациента.

клетки

В лаборатории биомедицинских клеточных технологий

Фото: РИА Новости/Виталий Аньков

Ведущий научный сотрудник Института общей генетики им. Н.И. Вавилова РАН, профессор Гёттингенского университета (Германия) Константин Крутовский уверен, что геномное редактирование — это большой шаг вперед, но, как и всякая новая технология, оно связано с определенными рисками.

— Подходить к этому надо с большой осторожностью, используя нестареющий принцип медицины — «не навреди». Не все побочные эффекты геномного редактирования изучены, — подчеркнул ученый

— Поэтому необходимы дополнительные исследования, прежде чем использовать этот метод в практической медицине. Кроме того, научному сообществу совместно с социологами, экономистами и законодателями следует разработать этические принципы и законы, регулирующие применение данного метода, и строго следить за их соблюдением.

Заведующая лабораторией постгеномных исследований Института молекулярной биологии им. В.А. Энгельгардта РАН, руководитель ЦКП «Геном» Анна Кудрявцева считает, что выращивание человеческих органов внутри животных в будущем перспективно для медицины. Однако сомнения вызывают партнеры МФТИ.

— Я довольно настороженно отношусь к сотрудничеству с китайцами. У них много прорывных исследований, но половина из них в итоге оказываются фейковыми, — пояснила эксперт. — Поэтому нужно подходить к такому сотрудничеству с высокой степенью ответственности.

Проект по созданию трансгенных животных для выращивания органов, в котором также участвует институт Китайской академии наук, поддержан правительством города Чунцин и местными институтами инновационного развития. С российской стороны может быть привлечен Фонд перспективных исследований, который финансирует лаборатории МФТИ, работающие в области регенеративной медицины. Китайская сторона уже объявила об инвестициях в объеме $7 млн, а бизнес-инкубаторы готовы вкладывать еще десятки миллионов в случае, если исследования будут успешными.