В настоящее время врачи завершают работу над созданием искусственных маток, в которых эмбрионы смогут развиваться вне материнского тела. Эта работа рассматривается, как настоящий прорыв в борьбе с бездетностью, отмечается в сегодняшней статье влиятельной британской газеты Guardian.
Ученым удалось создать прототип женского лона, полученный из клеток взятых из организма женщин. Эмбрионы успешно приживаются, прикрепляясь к стенкам лабораторных маток, и начинают активно развиваться. Однако, эксперименты пока прекращают на стадии нескольких дней роста эмбриона, поскольку эти опыты находится противоречии с законом об искусственном оплодотворении.
Искусственные матки-капсулы возможно будут выглядеть таким образом
"Мы надеемся завершить процесс создания искусственных маток с использованием открытой нами методики уже через несколько лет", - заявила доктор Хан-Чин Лиу из Центра репродуктивной медицины и искусственного осеменения Корнельского университета. – Теперь женщины, страдающие дефектом матки или ее недоразвитием, впервые смогут иметь собственных детей".
Очевидный прогресс в этой области одновременно ставит ученых в трудное положение. С одной стороны, искусственные матки, наконец, положат конец различным проблемам, связанным с деторождением, но, в другой стороны, они же создадут массу проблем этического характера, которым посвящена крупнейшая научная конференция "Конец естественному материнству?" открывающаяся в Оклахоме на будущей недели.
Масло в огонь подливают воинствующие феминистки, которые заявляют о том, что с появлением искусственных маток мужчины смогут полностью отказаться от женщин, убрав их с лица земли, но, сохранив возможность, воспроизводить женские особи.
Работа доктора Лиу заключается в правильном отделении клеток, выстилающих женское лоно, и выращивании их в лабораторных условиях, используя гормоны и иные факторы роста.
Вслед за этим доктор Лиу с коллегами выращивают целый покров этих клеток на остовах биоразрушаемых материалов, которые по форме полностью напоминают внутреннее строение женского лона. Клетки постепенно разрастаются, создавая ткань, а материал, послуживший им основой, саморазрушается под их воздействием. Затем в искусственно созданную ткань добавляют питательные вещества и гормоны, такие как эстроген.
Наконец, берутся эмбрионы, оставшиеся от программ по искусственному осеменению и вводятся во внутрь выращенных маток. Эмбрионы прикрепляются к стенкам искусственного лона и начинают расти.
Пока опыты прерывают на шестой день. Однако, в ближайшее время доктор Лиу планирует продолжить свой эксперимент, выращивая эмбрионы в течение 14 дней. Этот срок максимально разрешен законом для проведения абортов. "Для нас важно посмотреть, сможет ли у эмбрионов развиваться венозная система, а также смогут ли клетки развивать примитивную плаценту", - отмечают врачи.
Следующий этап исследования – опыты с искусственными матками собак и мышей. Если эти эксперименты окажутся удачными, ученые будут добиваться разрешения на продление срока развития человеческого зародыша.
Несколько другую методику используют японские ученые из Токийского университета. Группа профессора Йосинори Кувабара извлекает матки у коз и помещает их в стерильные пластиковые емкости, заполненные амниотической жидкостью (околоплодными водами), в которой постоянно поддерживается температура тела. Исследователи поддерживают жизнеспособность козьей матки и выращивают ее в течение 10 дней, подавая в емкости питательные вещества.
Опыты японской группы направлены на помощь тем женщинам, которые страдают от выкидышей или преждевременных родов, не имея возможности выносить плод положенный срок.
Вместе с тем, обе группы специалистов убеждены, что в искусственных матках можно выращивать зародыши все положенные девять месяцев. Ученые утверждают, что это станет возможным уже в ближайшие несколько лет. Искусственное выращивание детей даст возможность и однополым парам иметь своих собственных детей.
Пока вокруг этих опытов наворачивают массу этических проблем,ученые продолжают работу, надеясь подарить радость материнствам тем, кого природа лишила этого счастья.
По мнению некоторых футуристов, вынашивание ребенка в искусственной матке вне человеческого тела получит широкое распространение уже через 30 лет. Сторонники эктогенеза, отвергающие естественный отбор, уже проводят эксперименты по выращиванию эмбрионов животных в утробе, прикрепленной к искусственной плаценте.
Сторонники эктогенеза считают, технология позволит уменьшить количество смертей при родах, поскольку плод будет находиться под постоянным контролем. Противники направления опасаются, что неестественный способ рождения ребенка приведет к переосмыслению социальных ролей, а отсутствие контакта с матерью отрицательно скажется на развитии ребенка.
Эктогенез предполагает бестелесное выращивание организма. Технологию применяют к животным и бактериям. Для создания искусственной утробы нужна искусственная матка, которая обеспечит плод питанием, и амниотическая жидкость для удаления отходов из развивающегося организма. Всё это подключается к компьютеру, который полностью контролирует развитие плода.
Альтернативный метод воспроизводства может подойти женщинам, имеющим проблемы с зачатием и вынашиванием ребенка. Эктогенез также позволит отказаться от суррогатного материнства и обзавестись детьми в любом возрасте.
С другой стороны, женщинам, решившим сделать аборт, будет предложено поместить эмбрион в искусственную матку для последующего выращивания. После рождения этот ребенок может быть передан в приемную семью. С развитием эктогенеза также изменится представление о традиционной семье - одиноких родителей станет больше.
Американо-венгерский футуролог Золтан Иcтван рассказал в интервью интернет-изданию Motherboard, что использование технологий эктогенеза станет возможным в течение ближайших 20 лет. А уже через 30 лет, по его мнению, бестелесное выращивание людей будет поставлено на поток. Иcтван отмечает, что большая часть необходимых для этого технологий уже существует, процесс затягивают юридические вопросы и проблемы нравственного и этического характера. Ну а там подоспеет и искусственный интеллект .
Ученые впервые смогли вырастить живую конечность в лабораторных условиях. Когда пришитая к телу крысы конечность наполнилась кровью, животное начало шевелить своей новой лапой. Достижение Массачусетской общей больницы (Massachusetts General Hospital) позволит по требованию выращивать замену ампутированным конечностям.
Эксперты в области регенерации органов и частей тела высоко оценили достижение своих коллег, назвав это превращение фантастики в реальность. Авторы исследования, в свою очередь, заявили, что разработанная ими технология позволяет выращивать как верхние, так и нижние конечности.
Сейчас люди, потерявшие свои конечности из-за болезни, несчастного случая или в ходе военных действий, могут восстановить свои утраченные части тела с помощью протезирования или трансплантации. Однако движения высокотехнологичных протезов все еще выглядят не настолько естественно, как хотелось бы. В случае пересадки конечностей пациенты должны принимать мощные иммунодепрессанты, которые ослабляют иммунную систему. Это нужно для того, чтобы организм не отторг трансплантат.
Ученые обещают, что конечности, выращенные в лабораторных условиях, будут выглядеть более естественно, а их движения будут отличаться повышенной плавностью. А поскольку они создаются из собственных клеток пациента, им не требуется иммунодепрессия.
Каркасом для новой конечности послужила лапа мертвой крысы. Ее обработали специальным раствором, чтобы остановить деление клеток. Затем рабочий материал поместили в контейнер с добавлением здоровых кровеносных сосудов, мышечных клеток, необходимых питательных веществ и кислорода. Спустя две-три недели, как пишет New Scientist, конечность была восстановлена.
После присоединения к телу живой крысы конечность быстро наполнилась кровью. Крыса смогла управлять своей новой лапой.
Ученые говорят, что еще предстоит проделать немало работы, прежде чем они будут готовы тестировать выращенные в пробирке конечности на человеке. По их оценкам, на это уйдет как минимум десять лет.
По мнению некоторых футуристов, уже через 30 лет людей начнут массово выращивать вне тела.
Скопируйте код и вставьте в свой блог:
С момента открытия стволовых клеток и их универсальной способности развиваться в любые другие клетки организма ученые думали над получением из них половых клеток. Такое открытие произвело бы революцию в лечении бесплодия - любой человек, независимо от возраста, состояния здоровья и даже наличия половых органов, мог бы иметь своего в генетическом отношении ребенка. Однако половые клетки настолько отличаются от всех остальных, что даже теоретическая возможность их получения «в пробирке» вызывала обоснованные сомнения.
И вот, 25 февраля 2016 года публикация в журнале Cell развеяла эти сомнения. Китайским исследователям удалось получить из эмбриональных стволовых клеток сперматозоиды, подходящие для экстракорпорального оплодотворения. В эксперименте использование этих клеток для зачатия привело к появлению здорового потомства, способного к размножению. До этого вырастить функциональные половые клетки вне организма никому не удавалось.
Немного школьной программы
У любого многоклеточного животного, размножающегося половым путем, есть два принципиально разных типа клеток: половые клетки, или гаметы, и все остальные клетки организма, или соматические клетки.
Соматические клетки содержат парный (диплоидный) набор хромосом - по половине от каждого из родителей (например, у человека 46 хромосом: 23 от матери и 23 - от отца). Эти клетки размножаются делением, которое называется митозом. Он происходит относительно просто: ДНК клетки удваивается, формируется два парных набора хромосом, затем эти наборы расходятся к разным полюсам клетки, после чего в ней образуется перетяжка, делящая ее пополам. В итоге получаются две одинаковые клетки, аналогичные материнской.
С половыми клетками все сложнее - их предшественницы, первичные половые клетки, или гоноциты, имеют парный набор хромосом, а в итоге из них должны получиться яйцеклетки и сперматозоиды с одинарным (гаплоидным) хромосомным набором. Поэтому процесс их деления (гаметогенез, который в случае сперматозоидов называется сперматогенезом) проходит несколько промежуточных стадий.
У позвоночных гоноциты формируются из универсальных стволовых клеток в желточном мешке эмбриона примерно с шестой недели его развития. По мере образования тканей и органов эти клетки мигрируют в половые железы (гонады), то есть в мужском организме - в яички. Там они формируют популяцию клеток, называемых сперматогониями. В начале полового созревания эти клетки начинают активно размножаться митозом.
При этом часть клеток дифференцируется в так называемые сперматоциты первого порядка, которые также обладают двойным набором хромосом. Эти клетки, в отличие от сперматогониев, делятся мейозом, при котором удвоения ДНК не происходит. В результате первого деления мейоза образуются сперматоциты второго порядка, несущие одинарный набор хромосом. Затем они проходят второе деление мейоза, аналогичное митозу, давая на выходе сперматиды с гаплоидным набором хромосом. Эти клетки затем дифференцируются в зрелые сперматозоиды.
На каждой стадии этого процесса клеткам необходимы определенная среда, окружающие клетки и сигнальные факторы, направляющие их деление и развитие. Яички, имеющие сложную микроскопическую структуру, обеспечивают нужные условия, но воспроизвести эти условия в лаборатории - задача практически непосильная, особенно на последних этапах сперматогенеза.
Ближе всего к ее решению удавалось подойти сотрудникам Киотского университета в Японии. В 2011 году они смогли направить дифференцировку мышиных эмбриональных стволовых клеток в гоноцитоподобные клетки (ГПК), но для последующих стадий сперматогенеза их пришлось подсадить в яички взрослых мышей - добиться мейоза «в пробирке» у них не получилось.
«Хорошая штука»
Ученые из Китайской академии наук и их коллеги из Нанкина, Чанша, Хэфэя и Янчжоу использовали в своем исследовании наработки японских коллег. При помощи «коктейля» из цитокинов, аналогичных сигнальным молекулам ранних экстраэмбриональных тканей, они дифференцировали мышиные эмбриональные стволовые клетки в эпибластоподобные клетки (напоминающие желточный мешок) и далее в ГПК.
Чтобы создать им условия, близкие к внутренней среде половых желез, ГПК смешали в питательной среде с равным количеством эпителиальных клеток, полученных из яичек новорожденных мышей. После этого в среду добавляли различные сочетания морфогенов - веществ, направляющих дифференцировку клеток в нужном направлении и формирование из них органов и тканей. Как отметил один из исследователей Сяоян Чжао (Xiao-Yang Zhao), для получения нужной комбинации пришлось проделать сотни экспериментов. В результате сочетание морфогенов KSR, BMP-2/4/7, активина А и ретиноевой кислоты запустило процесс мейоза сперматоцитов.
Однако, запустив мейоз, необходимо регулировать его течение. Для этого на седьмой день из питательной среды убрали морфогены и добавили гормональную смесь: фолликулостимулирующий гормон, тестостерон и экстракт бычьего гипофиза. По поводу последнего эксперт-репродуктолог из Джексоновской лаборатории в Бар-Харборе (штат Мэн) Мэри Энн Хэндел (Mary Ann Handel) эмоционально заметила: «Бог знает, что в нем такого? Но, наверное, это хорошая штука».
Тем не менее, эта гормональная комбинация оказалась единственной, обеспечившей правильное течение всех ключевых стадий мейоза, что было подтверждено иммунохимическими, цитологическими, генетическими анализами, секвенированием и ПЦР. Результатом стало появление в культуре сперматидоподобных клеток с гаплоидным хромосомным набором - фактически, незрелых сперматозоидов без хвоста и с «лишними» органеллами.
Эти клетки использовали для оплодотворения путем стандартной процедуры интрацитоплазматической инъекции сперматозоидов (ИКСИ), при которой мужские гаметы вводят в яйцеклетку стеклянной микроиглой. Это привело к развитию морфологически полноценных эмбрионов, которые перенесли в матку мыши для вынашивания. Родившиеся мыши ничем не отличались от животных, зачатых естественным путем, и произвели собственное потомство.
Слово скептикам
Публикация китайцев заставила некоторых ученых сомневаться в полученных результатах. Так, руководитель киотского коллектива, разработавшего метод получения ГПК из стволовых клеток, Минитори Сайтоу указал на то, что температура в инкубаторе поддерживалась на уровне 37 градусов Цельсия, что может остановить развитие спермы. Он также отметил, что на флуоресцентной микроскопии в клетках не видны белки, характерные для ГПК.
Эксперт по стволовым клеткам из Утрехтского университета в Нидерландах Нильс Гейсен (Niels Geijsen) отметил, что успехи китайских ученых «изумительны, если [описанное в статье] действительно произошло».
Золотой стандарт
Несмотря на скепсис ряда коллег, исследователи отмечают, что их работа соответствует всем критериям «золотого стандарта» доказательства получения полноценных половых клеток «в пробирке», которые сформулированы уже упомянутой Хэндел с коллегами в 2014 году. Эти критерии включают нормальное количество ДНК, число и форму хромосом в клетках на всех стадиях развития, их правильное расхождение в ходе мейоза, а также пригодность полученных клеток для получения способного к размножению потомства. Сама Хэндел согласилась, что работа «золотому стандарту» соответствует.
На текущей стадии разработанная методика представляет собой ценную платформу для исследований всех стадий и необходимых условий сперматогенеза, а также значения каждого конкретного фактора в этом процессе. До ее возможного клинического применения еще очень далеко. Во-первых, для начала нужно убедиться, что последующие поколения зачатых искусственной спермой мышей здоровы и воспроизвести результаты на других животных моделях. Во-вторых, неясно, будет ли подобный подход работать у людей. В-третьих, у взрослого человека нет эмбриональных стволовых клеток, а подойдут ли вместо них индуцированные плюрипотентные, которые можно получить из зрелого организма - большой вопрос. В-четвертых, где брать клетки яичек новорожденных. В-пятых, добиться разрешения на подобные эксперименты и разработать для них юридическую базу в современном мире вряд ли возможно. И эти проблемы не единственные.
Тем не менее, первый успех вдохновил многих ученых. «Если это работает у мыши, нет никаких биологических обоснований того, что это окажется неэффективным у человека. Но придется выяснять необходимые для этого условия [среды] и проводить клетки через эту очень тонкую хореографию», - отметил гарвардский эксперт по стволовым клеткам Джордж Дэйли (George Daley).
Как бы там ни было, лучше запомнить имена Сяояна, Цюаня Чжоу (Quan Zhou), Мэй Ван (Mei Wang) и их коллег. Если полученные ими результаты удастся подтвердить и воспроизвести, будет несложно выиграть пари на то, кто станет лауреатами одной из следующих Нобелевских премий в области медицины и физиологии.
«Мозг гуманитария»
Можно ли заставить себя полюбить математику?
Оксфордский профессор математики Маркус дю Сатой уверен, что «нематематического склада ума» не существует. По его словам, математика - в первую очередь способность видеть шаблоны в окружающем мире, а это для нас ключевой навык. T&P опубликовали отрывок из книги журналистки Кэролайн Уилльямс «Мой продуктивный мозг. Как я проверила на себе лучшие методики саморазвития и что из этого вышло» - о том, почему базовое понимание математики встроено в наш мозг и как заставить себя решать задачи, если ненавидишь цифры еще со школы.
Секрет жизни Один из авторов еще одного важнейшего открытия XX века — американский генетик и биофизик Джеймс Уотсон — позирует на фоне модели двойной спирали ДНК, структуру которой он вместе с Фрэнсисом Криком открыл в 1953 году. За это в 1962 году они были удостоены Нобелевской премии в области физиологии и медицины
Стволовые клетки Раскрашенная микрофотография, полученная с помощью сканирующего электронного микроскопа, показывает группы дифференцированных человеческих стволовых клеток (оранжевые и темно-коричневые) на подложке из клеток-кормильцев (светло-коричневые). Увеличение снимка — 1300х
Клетки, которые могут произвести революцию в медицине Ученые говорят, что им удалось добиться настоящего прорыва, который однажды позволит врачам выращивать органы для трансплантации в лабораториях, вместо того чтобы искать подходящих доноров. Исследователи разработали методику извлечения и выращивания человеческих эмбриональных стволовых клеток, базового строительного материала для всех тканей и органов.
Деление стволовых клеток В центральной части микрофотографии, сделанной с помощью микроскопа, хорошо видна область деления стволовых клеток, выращенных в культуре. Стволовые клетки могут дифференцироваться в любой из более чем 200 видов клеток человеческого организма
Костяная нога При пересадке кости используется биокерамика, обработанная стволовыми клетками. Биокерамика состоит из гидроксиапатита, имитирующего пористую структуру натуральной кости. Это дает возможность стромальным стволовым клеткам костного мозга со временем образовывать новую костную ткань
Взрослые стволовые кроветворные клетки давно с успехом применяются в медицинской практике для лечения заболеваний крови — лейкемий, анемий, лимфом
Как гласит народная мудрость, нервные клетки не восстанавливаются. Ученые смогли доказать, что это не так
Одна-единственная клетка, направленная по нужному пути развития, может стать любой из более чем 220 видов клеток нашего организма. Абсолютно любой!
Из одной клетки
Представьте себе, что одна-единственная клетка, направленная по нужному пути развития, может стать любой из более чем 220 видов клеток нашего организма. Абсолютно любой, со своими уникальными и чрезвычайно сложными функциями. Более того, эти клетки возможно выращивать в культуре, то есть в искусственных условиях — и при необходимости пересаживать в те ткани организма, собственные клетки которых в результате травмы или болезни не справляются со своей задачей. А в перспективе — выращивание органов «на замену», пересадка клеток с желаемыми свойствами, полученными путем изменения ДНК…
Все вышеописанное — не фантастика, а реальность и относится к эмбриональным стволовым (выделенным из эмбриона, 5-дневного зародыша) и эмбриональным половым (из половых клеток 5−9-месячных абортированных зародышей) клеткам. Они не дифференцированы, то есть не имеют специфичных для ткани структур, связанных с выполнением определенной роли — а именно, не могут нести молекулы кислорода в крови (как эритроциты), проводить импульс (как нейроны), упорядоченно сокращаться (как клетки сердечной мышцы). Но зато они способны стать любой из этих клеток!
Пример у каждого перед глазами: каждый из нас был когда-то комочком неспециализированных стволовых клеток. Ученые до сих пор пытаются разгадать биохимические сигналы, руководящие этим процессом. В пробирке эмбриональные стволовые клетки могут делиться очень долго, оставаясь в первоначальном (недифференцированном) состоянии.
Другой вид стволовых (неспециализированных) клеток встречается во взрослом организме. Но их возможности куда скромнее — обычно они могут «созреть» только до клеток той ткани, откуда их выделили (то есть стволовые клетки крови могут стать только клетками крови, мозга — только нервными клетками и т. д.). И хотя в последнее время появились данные и о возможности изменения «ориентации» (это назывется пластичностью), этот вопрос все еще нуждается в изучении.
Вопросы крови
Зато взрослые стволовые кроветворные клетки уже давно и с успехом применяются в медицинской практике для лечения заболеваний крови — лейкемий, анемий, лимфом (впервые их определили в 1945 году в костном мозге смертельно облученных людей). Эти клетки обладают потенциалом стать любой клеткой крови — например, лейкоцитом или эритроцитом, но, к сожалению, их невозможно выращивать в культуре, то есть вне организма — «в неволе» они не сохраняют характеристики стволовых клеток. А значит, выход один — выделять их из костного мозга и крови. Самая большая проблема состоит в том, что такие клетки встречаются довольно редко — только одна на 10−15 тысяч клеток костного мозга и одна на 100 тысяч клеток периферической крови. Более того, выяснилось, что даже из них большая часть является просто клетками-предшественниками, ограниченными в развитии до одного определенного типа клеток и способными действовать всего три-четыре месяца. «Истинных» стволовых клеток, способных стать любой клеткой крови (на это потребуется 17−19 делений), и того меньше — примерно 1 на 100 тысяч в костном мозге. И все-таки в последнее время гематопоэтические (кроветворные) стволовые клетки выделяют именно из крови, так как это сопряжено с меньшим риском для донора.
В 1980-х годах был найден еще один источник гематопоэтических стволовых клеток -пуповинная кровь и плацента новорожденного ребенка. Есть данные, что такие клетки могут давать начало не только клеткам крови, но и ряду других — однако серьезных подтверждений этому пока еще нет. Преимущество клеток пуповинной крови в том, что они обладают большим потенциалом к размножению, а вероятность их отторжения намного меньше. В 1992 году клетки пуповинной крови были впервые сохранены частным образом в США — ими при необходимости может воспользоваться как ребенок, так и члены его семьи. В настоящее время сохранить пуповинную кровь ребенка можно и в России — этим занимается Гемабанк (http://www.gemabank.ru/), созданный на базе банка костного мозга Российского онкологического научного центра РАМН им. Н.Н. Блохина. Стоимость таких услуг в России и за рубежом примерно одинакова: около $1500 первоначально и $100 ежегодно за хранение.
Нервные клетки восстанавливаются?
Всем известна фраза о том, что нервные клетки не восстанавливаются. Вопреки этой народной мудрости в головном мозге ученые нашли стволовые клетки, которые при подходящих условиях становятся новыми нейронами. И не только нейронами, но и другими клетками нервной системы. Почему же об этом стало известно только в середине 1990-х? Дело в том, что в мозге приматов стволовые клетки встречаются только в двух местах — в районе желудочков и гиппокампа, где «новые нейроны» замечены не были. Оказывается, когда какой-то участок мозга поврежден, стволовые клетки мигрируют туда и уже там, на месте, «оперативно разбираются», превращаясь в нужные нервные клетки.
Ученые до сих пор не знают, откуда у взрослого человека стволовые клетки — то ли это «остаток» от эмбриона, то ли они появляются уже в сформированном организме. Их уже нашли в скелетных мышцах, печени, коже — хотя и в ничтожно малых количествах. Обычно они становятся клетками «своей» ткани, хотя есть данные, что «переквалификация» тоже возможна — но с этим до сих пор много неясностей. Проблема со «взрослыми» стволовыми клетками состоит еще и в том, что они категорически не хотят делиться в культуре, сохраняя свои уникальные характеристики.
Стволовые и половые
Поэтому все внимание приковано к стволовым клеткам, которые без проблем делятся в культуре до 300 раз (более двух лет!) и способны стать любой клеткой — хоть нейроном, хоть клеткой сердечной мышцы или даже клеткой, производящей инсулин. Получают эти клетки из эмбрионов. В 1998 году Джеймс Томсон из университета штата Висконсин в Мэдисоне выделил 5 линий стволовых клеток из эмбрионов, отданных парами, внезапно отказавшимися от искуственного оплодотворения. Эти клетки оставались в недифференцированном состоянии более 200 делений, сохраняя при этом свой хромосомный состав. В то же самое время другой ученый, Джон Герхардт из университета Джона Хопкинса, доложил, что его группе удалось выделить и сохранить в культуре на протяжении более 40 делений эмбриональные половые клетки из зачатков половых клеток (яйцеклеток и спермы) 5−9-месячных абортированных эмбрионов. Кроме способа получения различие между этими видами состоит в том, что если вколоть эмбриональные стволовые клетки (ЭСК) мышке с подавленным иммунитетом, то как «побочный продукт» возникают доброкачественные опухоли — тератокарциномы, а инъекция эмбриональных половых клеток (ЭПК) такого эффекта не дает.
«Теплицы» для клеток
Эмбриональные стволовые клетки (ЭСК) выращивают в особых условиях. Задача — не дать им специализироваться спонтанно и пустить специализацию в нужном направлении путем добавления различных веществ, например гормонов и факторов роста. Дно чашки Петри покрыто специально обработанными мышиными клетками-кормильцами, которые являются своеобразной «почвой» для роста, выделяющей необходимые для ЭСК вещества. Чтобы стимулировать рост клеток, в эту среду добавляют также бычью эмбриональную сыворотку. Животные компоненты могут «загрязнить» предназначенные для трансплантации человеческие клетки веществами, которые синтезируются животной клеткой и не синтезируются человеческой. Такие вещества (например, сиаловая кислота) служат антигенами и вызывают сильный иммунный ответ при трансплантации. Поэтому от животных компонентов лучше избавиться. Пока что это удалось сделать только частично: существует несколько научных работ, в которых показано, что «мышиный» нижний слой можно убрать — и это уже большой прорыв (хотя все полученные пока что ЭСК выращивались «на мышах» и загрязнение уже могло произойти). А вот от бычьей сыворотки избавиться не удалось — пока что она совершенно необходима.
Интересно, что эмбриональные половые клетки склонны формировать совершенно уникальные структуры — «эмбрионовидные тела». Это комок, состоящий из спонтанно специализировавшихся клеток всех типов — кожи, сердечной мышцы, нейронов, волос.
Сам себе эмбрион
Сейчас из эмбриональных клеток выращивают ткани, в перспективе — органы. В любом случае вопрос совместимости остается открытым. Иммунная система атакует чужеродные клетки, что в результате может привести к отторжению или даже смерти пациента. Поэтому ученые разрабатывают другие подходы.
Один из путей состоит в том, чтобы подробно выяснить, какие химические реакции заставляют специализироваться стволовые клетки, и вводить собственно эти вещества. Второй -модифицировать стволовые клетки «на заказ», для каждого конкретного человека. Фантастика? Ядро, например, клетки кожи пациента пересаживается в яйцеклетку (это называется терапевтическим клонированием). «Оплодотворенную» таким образом зиготу выращивают в пробирке до стадии бластоцисты, из которой и получают стволовые клетки с соответствующим пациенту иммунологическим профилем.
Человек-паук
А что, если таким же образом в яйцеклетку, например, енота, поместить ядро человеческой клетки? Получится ли человек-енот? Теоретически, такое существо — химера — будет являться гибридом двух видов. Китайские ученые уже шагнули от теории к практике. В 2003 году группой ученых из Второго Шанхайского медицинского университета под руководством Ху Чжень Шеня были получены гибриды из клеток кожи нескольких человек (кожи крайней плоти двух мальчиков и двух мужчин и клеток кожи с лица женщины) и яйцеклеток крольчихи. Последние были предварительно освобождены от ДНК кролика, после чего туда ввели ДНК человека. Таким образом, гибрид получил от кролика лишь небольшое количество митохондриальной ДНК. «Оплодотворено» было более 400 яйцеклеток, а до стадии бластоцисты дошло около сотни «химер». Дальнейшая жизнь искуственных существ была прервана — кто может появиться на свет из такого эмбриона, китайские ученые узнать не решились. Но уже в 2004 году исследователям из Миннесоты удалось вырастить свинью с человеческой кровью, а в начале этого года профессор Ирвинг Вайссман, директор Института стволовых клеток Стэнфорда, заявил о намерении получить эмбрион мыши с мозгом человека. Впрочем, на вопрос, будет ли такая мышь умнее своих создателей, ученые ответить пока не могут.
Восстановление недостающей конечности не имеет большого значения для морской звезды или саламандры - существ, которые обладают регенеративными способностями для замены пропавших рук и хвостов. Но они не единственные животные, которые могут восстановить поврежденные части тела. Олень может вырастить до 30 килограммов рогов всего за три месяца. У рыбок рерио может вырасти свое сердце, а плоские черви продемонстрировали, что могут восстановить свои собственные головы.
А для людей, что пропало, то пропало - или нет?
Выращенные в лаборатории
Отдельные клетки в вашем теле постоянно заменяются, когда изнашиваются, процесс, который замедляется со старением, но продолжается на протяжении всей жизни человека. Вы можете даже наблюдать эту частую и видимую регенерацию в одном из ваших органов: вашей коже. По словам Американского химического общества, люди меняют весь внешний слой кожи каждые две-четыре недели, теряя около 510 г клеток кожи в год.
Однако регенерация полных органов и частей тела, обычная практика среди «повелителей времени» сериала «Доктор Кто», выходит за рамки человеческой биологии. Но в последние годы ученые успешно культивировали целый ряд структур человеческого тела, аналогичные структуры были успешно протестированы на животных, и мелкие человеческие органы, известные как «органоиды», которые используются для изучения функции и структуры человеческого органа при уровне детализации, который ранее был невозможным. Вот несколько недавних примеров.
Фаллопиевы трубы
Используя стволовые клетки, ученые из Института иммунологической биологии им. Макса Планка в Берлине выращивали глубокий клеточный слой человеческих фаллопиевых труб, структур, которые соединяют яичники и матку. В заявлении, опубликованном 11 января, исследователи описывают полученные органоиды как имеющие общие черты и формы, характерные для полноразмерных фаллопиевых труб.
Минимозг
Созданный лабораторией мозг размером с карандашный ластик культивировался из клеток кожи учеными Университета штата Огайо и структурно и генетически подобен мозгу 5-недельного человеческого плода. Описанный как «заменитель мозга» представителями университета в заявлении от 18 августа, органоид имеет функционирующие нейроны с сигнальными удлинениями, такими как аксоны и дендриты. На фотографии минимозга метки идентифицируют структуры, которые обычно встречаются в мозге плода.
Минисердце
Исследователи подсказали, что стволовые клетки развиваются в сердечную мышцу и соединительную ткань, а затем организуются в крошечные камеры и «бьются». В видеоролике сердечные мышечные клетки (обозначенные красным в центре) бьют, а соединительная ткань (зеленое кольцо) защищает органоид в блюде, где он рос. Кевин Хили, Калифорнийский университет, Беркли, профессор биоинженерии и соавтор исследования, сказал в своем заявлении. «Эта технология может помочь нам быстро создать лекарства, способные генерировать сердечные врожденные дефекты, и принимать решения о том, какие препараты опасны во время беременности». Исследование было опубликовано в марте 2015 года в журнале Nature Communications
Минипочка
Команда австралийских ученых вырастила миниатюрную почку, дифференцируя стволовые клетки, чтобы сформировать орган с тремя различными типами почек в первый раз. Исследователи выращивали органоид в процессе, который следовал нормальному развитию почек. На изображении три цвета представляют типы клеток почек, которые образуют «нефроны», различные структуры в почках.
Минилегкое
Исследователи из нескольких учреждений сотрудничали для выращивания трехмерных органоидов легких, которые развивали бронхи, или структуры дыхательных путей, и мешочки легких. «Эти миниатюры могут имитировать ответы реальных тканей и будут хорошей моделью для изучения того, как формы органов, меняются с болезнью и показывают как они могут реагировать на новые препараты», - говорит в заявлении Джейсон Р. Спенс, старший автор исследования и доцент Внутренней медицины и клеточной и развивающей биологии в Медицинской школе Мичиганского университета. Минилегкие выжили в лаборатории более 100 дней.
Минижелудок
Минижелудки выращивали около месяца в чашке Петри, они сформировали «овальные формы, полые структуры», похожие на один из двух разделов желудка, сказал Джим Уэллс, соавтор исследования и профессор биологии развития в Медицинском центре Детской больницы Цинциннати. Уэллс сообщает, что крошечные желудки размером 3 миллиметра в диаметре, будут особенно полезны ученым, изучающих влияние определенной бактерии, вызывающей желудочное заболевание. Это потому, что бактерии ведут себя по-разному у животных, - сказал он.
Вагина
В апреле 2014 года в исследовании, опубликованном в журнале The Lancet, были описаны успешные трансплантации лабораторных вагин, созданные путем выращивания клеток пациенток. Пересадки, проведенные несколькими годами ранее у четырех девушек и молодых женщин в возрасте от 13 до 18 лет, исправили врожденный дефект, при котором влагалище и матка отсутствуют или недостаточно развиты. В течение восьми лет после пересадки проводили обследование, в течение которых органы функционировали нормально и позволяли иметь безболезненное сношение.
Половой член
Ученые из Института восстановительной медицины Уэйк-Форест использовали клетки кроликов для выращивания эректильной ткани полового члена, пересадки лабораторных пенисов на самцов кроликов, которые затем успешно спаривались. Но процесс все еще находится на экспериментальных этапах, и требуется утверждение от Управления по контролю за продуктами и лекарствами США, чтобы команда расширила свою работу и включила человеческую ткань. Институт Восстановительной медицины Вооруженных Сил США предоставляет деньги для исследования, так как оно может принести пользу солдатам, пострадавшим от паховых травм в бою.
Пищевод
В Кубанском государственном медицинском университете в Краснодаре международная команда ученых построила рабочий пищевод путем выращивания стволовых клеток в течение трех недель. Они затем успешно имплантировали орган крысе. Ученые протестировали новый пищевод на прочность, раздувая и дефлируя его в 10 000 раз, внедряя искусственные структуры у 10 крыс и заменяя до 20 процентов оригинальных органов животных.
Ухо
Ученые имеют трехмерные печатные человеческие уши, культивируя их, покрывая живыми клетками, которые росли вокруг формы. Исследователи создали форму ушной формы, моделируя ухо ребенка с помощью программного обеспечения 3D, а затем отправив модель на трехмерный принтер. Как только ученые имели форму в руке, они наполнили ее коктейлем из живых клеток уха и коллагена коров, получив ухо. Затем изготовленные уши имплантировали крысам в течение одного-трех месяцев, в то время как ученые оценивали изменения в размере и форме по мере роста органов.
Клетки печени
Печень, самый крупный орган внутри человеческого тела, способна совершать большие подвиги восстановления, находясь на своем месте. Вне тела орган ведет себя по-другому. Ученым было чрезвычайно сложно выращивать клетки печени, называемые гепатоцитами, и сохранять живыми. Впервые ученые из Германии и Израиля успешно культивировали гепатоциты в лаборатории, опубликовав свои исследования 26 октября 2015 года в журнале Nature Biotechnology. Хотя это не полноценный орган (или даже органоид), это развитие имеет многообещающие последствия для клинического исследования, с Яаком Нахмиасом, директором Центра биоинженерии Александра Грасса в Еврейском университете в Иерусалиме и ведущим автором исследования, описывающим его в Заявление как «святой Грааль исследований печени».
Статья на конкурс «био/мол/текст»: Петр I мечтал «прорубить окно в Европу», а ученые нашего времени - окно в современную медицину. Сочетание «медицина + биотехнология» нашло свое отражение в тканевой инженерии - технологии, открывающей возможность восстановления утраченных органов без трансплантации. Методы и результаты тканевой инженерии поражают: это получение живых (а не искусственных!) органов и тканей; регенерация тканей; печать кровеносных сосудов на 3D-принтере; использование «тающих» в организме хирургических шовных нитей и многое другое.
В последние десятилетия стали отчетливо проявляться тревожные тенденции старения населения, роста количества заболеваний и инвалидизации людей трудоспособного возраста, что настоятельно требует освоения и внедрения в клиническую практику новых, более эффективных и доступных методов восстановительного лечения больных. На рисунке 1 показано, как изменяется структура заболеваний в настоящее время.
На сегодняшний день наука и техника предлагает несколько альтернативных путей восстановления или замены поврежденных или пораженных патологией тканей и органов:
- трансплантацию;
- имплантацию;
- тканевую инженерию.
В рамках данной статьи мы подробнее остановимся на возможностях и перспективах тканевой инженерии.
Тканевая инженерия - современная инновационная технология
Принципиально новый подход - клеточная и тканевая инженерия - является последним достижением в области молекулярной и клеточной биологии. Этот подход открыл широкие перспективы для создания эффективных биомедицинских технологий, с помощью которых становится возможным восстановление поврежденных тканей и органов и лечение ряда тяжелых метаболических заболеваний человека.
Цель тканевой инженерии - конструирование и выращивание вне организма человека живых, функциональных тканей или органов для последующей трансплантации пациенту с целью замены или стимуляции регенерации поврежденных органа или ткани. Иными словами, на месте дефекта должна быть восстановлена трехмерная структура ткани.
Важно отметить, что обычные имплантаты из инертных материалов могут устранить только физические и механические недостатки поврежденных тканей, - в отличие от тканей, полученных методом инженерии, которые восстанавливают, в том числе, и биологические (метаболические) функции. То есть, происходит регенерация ткани, а не простое замещение ее синтетическим материалом.
Однако для развития и совершенствования методов реконструктивной медицины на базе тканевой инженерии необходимо освоение новых высокофункциональных материалов. Эти материалы, применяемые для создания биоимплантатов, должны придавать тканеинженерным конструкциям характеристики, присущие живым тканям:
- способность к самовосстановлению;
- способность поддерживать кровоснабжение;
- способность изменять строение и свойства в ответ на факторы окружающей среды, включая механическую нагрузку.
Клетки и матриксы - основа основ для тканевой инженерии
Наиболее важным элементом успеха является наличие необходимого количества функционально активных клеток, способных дифференцироваться, поддерживать соответствующий фенотип и выполнять конкретные биологические функции. Источником клеток могут быть ткани организма и внутренние органы. Возможно использование соответствующих клеток от пациента, нуждающегося в реконструктивной терапии, или от близкого родственника (аутогенных клеток). Могут быть использованы клетки различного происхождения, в том числе первичные (рис. 2) и стволовые клетки (рис. 3).
Рисунок 2. Первичная клетка человека.
библиотека Федерации Киокушинкай г. Южноуральска
Первичные клетки - это зрелые клетки определенной ткани, которые могут быть взяты непосредственно от организма-донора (ex vivo ) хирургическим путем. Если первичные клетки взяты у определенного организма-донора, и впоследствии необходимо имплантировать эти клетки ему же в качестве реципиента, то вероятность отторжения имплантированной ткани исключается, поскольку присутствует максимально возможная иммунологическая совместимость первичных клеток и реципиента. Однако первичные клетки, как правило, не способны делиться - их потенциал к размножению и росту низок. При культивировании таких клеток in vitro (посредством тканевой инженерии) для некоторых типов клеток возможна дедифференцировка, то есть потеря специфических, индивидуальных свойств. Так, например, хондроциты, вводимые в культуру вне организма, часто продуцируют фиброзный, а не прозрачный хрящ.
Поскольку первичные клетки не способны делиться и могут потерять свои специфичные свойства, возникла необходимость альтернативных источников клеток для развития технологий клеточной инженерии. Таковой альтернативой стали стволовые клетки.
Для направления организации, поддержания роста и дифференцировки клеток в процессе реконструкции поврежденной ткани необходим специальный носитель клеток - матрикс , представляющий из себя трехмерную сеть, похожую на губку или пемзу (рис. 4). Для их создания применяют биологически инертные синтетические материалы, материалы на основе природных полимеров (хитозан, альгинат, коллаген) и биокомпозиты. Так, например, эквиваленты костной ткани получают путем направленной дифференцировки стволовых клеток костного мозга, пуповинной крови или жировой ткани в остеобласты, которые затем наносят на различные материалы, поддерживающие их деление (например, донорскую кость, коллагеновые матрицы и др.).
«Фирменная» стратегия тканевой инженерии
На сегодняшний день одна из стратегий тканевой инженерии такова:
- Отбор и культивирование собственных или донорских стволовых клеток.
- Разработка специального носителя для клеток (матрицы) на основе биосовместимых материалов.
- Нанесение культуры клеток на матрицу и размножение клеток в биореакторе со специальными условиями культивирования.
- Непосредственное внедрение тканеинженерной конструкции в область пораженного органа или предварительное размещение в области, хорошо снабжаемой кровью, для дозревания и формирования микроциркуляции внутри конструкции (префабрикация).
Матриксы через некоторое время после имплантации в организм хозяина полностью исчезают (в зависимости от скорости роста ткани), а в месте дефекта останется только новая ткань. Также возможно внедрение матрикса с уже частично сформированной новой тканью («биокомпозит»). Безусловно, после имплантации тканеинженерная конструкция должна сохранить свои структуру и функции в течение периода времени, достаточного для восстановления нормально функционирующей ткани в месте дефекта, и интегрироваться с окружающими тканями. Но, к сожалению, идеальные матриксы, удовлетворяющие всем необходимым условиям, пока не созданы.
Кровеносные сосуды из принтера
Перспективные тканеинженерные технологии открыли возможность лабораторного создания живых тканей и органов, но перед созданием сложных органов наука пока бессильна. Однако сравнительно недавно ученые под руководством доктора Гунтера Товара (Gunter Tovar ) из Общества Фраунгофера в Германии сделали огромнейший прорыв в сфере тканевой инженерии - они разработали технологию создания кровеносных сосудов. А ведь казалось, что капиллярные структуры создать искусственно невозможно, поскольку они должны быть гибкими, эластичными, малой формы и при этом взаимодействовать с естественными тканями. Как ни странно, но на помощь пришли производственные технологии - метод быстрого прототипирования (другими словами, 3D-печать). Подразумевается, что сложная трехмерная модель (в нашем случае кровеносный сосуд) печатается на трехмерном струйном принтере с использованием специальных «чернил» (рис. 5).
Принтер наносит материал послойно, и в определенных местах слои соединяются химически. Однако заметим, что для мельчайших капилляров трехмерные принтеры пока недостаточно точны. В связи с этим был применен метод многофотонной полимеризации, используемый в полимерной промышленности. Короткие интенсивные лазерные импульсы, обрабатывающие материал, так сильно возбуждают молекулы, что они взаимодействуют друг с другом, соединяясь в длинные цепочки. Таким образом, материал полимеризуется и становится твердым, но эластичным, как естественные материалы. Эти реакции настолько управляемы, что с их помощью можно создавать мельчайшие структуры по трехмерному «чертежу».
А для того, чтобы созданные кровеносные сосуды могли состыковаться с клетками организма, при изготовлении сосудов в них интегрируют модифицированные биологические структуры (например, гепарин) и «якорные» белки. На следующем этапе в системе созданных «трубочек» закрепляются клетки эндотелия (однослойный пласт плоских клеток, выстилающий внутреннюю поверхность кровеносных сосудов) - для того, чтобы компоненты крови не приклеивались к стенкам сосудистой системы, а свободно транспортировались по ней.
Однако прежде чем действительно можно будет имплантировать выращенные в лаборатории органы с собственными кровеносными сосудами, пройдет еще какое-то время.
Давай, Россия, давай вперед!
Без ложной скромности скажем, что и в России создана научная основа для практического применения биомедицинских материалов нового поколения. Интересную разработку предложила молодой учёный из Красноярска Екатерина Игоревна Шишацкая (рис. 6) - растворимый биосовместимый полимер биопластотан . Суть своей разработки она объясняет просто: «в настоящее время практические медики испытывают большой дефицит материалов, способных заменить сегменты человеческого организма. Нам удалось синтезировать уникальный материал, который в состоянии заменить элементы органов и тканей человека» . Разработка Екатерины Игоревны найдет применение, прежде всего, в хирургии. «Самое простое - это, например, шовные нити, сделанные из нашего полимера, которые растворяются после того, как зарастает рана , - говорит Шишацкая. - Также можно делать специальные вставки в сосуды - стенты. Это маленькие полые трубки, которые используют, чтобы расширить сосуд. Через некоторое время после операции сосуд восстанавливается, а полимерный заменитель растворяется» .
Первый опыт трансплантации тканеинженерной конструкции в клинике
Рисунок 7. Паоло Маккиарини , мастер-класс которого «Клеточные технологии для тканевой инженерии и выращивания органов» прошел в Москве в 2010 году.
Осенью 2008 года руководитель клиники Университета Барселоны (Испания) и Медицинской школы Ганновера (Германия) профессор Паоло Маккиарини (Paolo Macchiarini ; рис. 7) провел первую успешную операцию по трансплантации биоинженерного эквивалента трахеи пациентке со стенозом главного левого бронха на протяжении 3 см (рис. 8) .
В качестве матрикса будущего трансплантата был взят сегмент трупной трахеи длиной 7 см. Чтобы получить природную матрицу, по свойствам превосходящую все то, что можно сделать из полимерных трубок, трахею очистили от окружающей соединительной ткани, клеток донора и антигенов гистосовместимости. Очищение заключалось в 25 циклах девитализации с применением 4%-деоксихолата натрия и дезоксирибонуклеазы I (процесс занял 6 недель). После каждого цикла девитализации проводили гистологическое исследование ткани для выявления количества оставшихся ядросодержащих клеток, а также иммуногистохимическое исследование на наличие в ткани антигенов гистосовместимости HLA-ABC, HLA-DR, HLA-DP и HLA-DQ. Благодаря биореактору собственной разработки (рис. 9) ученые на поверхность медленно вращающегося отрезка трахеи равномерно нанесли шприцем суспензию клеток. Затем трансплантат, наполовину погруженный в среду для культивирования, вращался вокруг своей оси с целью попеременного контакта клеток со средой и воздухом.
Рисунок 9. Биореактор для создания тканеинженерного эквивалента трахеи. А - схема биореактора, вид с боку. Б - герметизация биореактора. В - биореактор с тканеинженерным эквивалентом трахеи in situ . Г - биореактор после удаления эквивалента трахеи. Д - вид эквивалента трахеи непосредственно перед операцией.
Эквивалент трахеи находился в биореакторе 96 часов; затем его трансплантировали пациентке. При операции был полностью удален главный левый бронх и участок трахеи, к которому он примыкал. В образовавшийся промежуток вшили трансплантат, а некоторое несоответствие диаметров просветов тканеинженерного эквивалента и бронха реципиента было преодолено благодаря эластичности донорской ткани.
По истечении десяти суток после операции пациентка была выписана из клиники без признаков дыхательной недостаточности и иммунной реакции отторжения трансплантата. По данным компьютерной томографии, с помощью которых была сделана виртуальная 3D реконструкция дыхательных путей, тканеинженерный эквивалент был практически неотличим от собственных бронхов пациентки (рис. 10).
;. DailyMail ;