Новые направления клеточной биологии. Функциональная костная тканевая инженерия: импульсы и каркасные структуры Клеточные технологии инженерия живых тканей

Определение Одно из направлений биотехнологии, занимающееся созданием биологических заместителей тканей и органов. Описание Создание биологических заместителей тканей (графта) включает несколько этапов: 1) отбор и культивирование собственного или донорского клеточного материала; 2) разработка специального носителя для клеток (матрицы) на основе биосовместимых материалов; 3) нанесение культуры клеток на матрицу и размножение клеток в биореакторе со специальными условиями культивирования; 4) непосредственное внедрение графта в область пораженного органа или предварительное размещение в области, хорошо снабжаемой кровью для дозревания и формирования микроциркуляции внутри графта (префабрикация). Клеточный материал может быть представлен клетками регенерируемой ткани или стволовыми клетками. Для создания матриц графтов применяют биологически инертные синтетические материалы, материалы на основе природных полимеров (хитозан, альгинат, коллаген), а также биокомпозитные материалы. Например, эквиваленты костной ткани получают путем направленной дифференцировки стволовых клеток костного мозга, пуповинной крови или жировой ткани. Затем полученные остеобласты наносят на различные материалы, поддерживающие их деление, – донорскую кость, коллагеновые матрицы, пористый гидроксиапатит и др.. Живые эквиваленты кожи, содержащие донорские или собственные кожные клетки, в настоящее время широко применяются в США, России, Италии. Эти конструкции позволяют улучшить заживление обширных ожоговых поверхностей. Разработка графтов ведется также в кардиологии (искусственные клапаны сердца, реконструкция крупных сосудов и капиллярных сетей); для восстановления органов дыхания (гортань, трахея и бронхи), тонкого кишечника, печени, органов мочевыделительной системы, желез внутренней секреции и нейронов. Использование стволовых клеток находит широкое применение в области тканевой инженерии, но имеет ограничения как этического (эмбриональные стволовые клетки), так и генетического характера (в ряде случаев происходит злокачественное деление стволовых клеток). Исследования последних лет показали, что с помощью генно-инженерных манипуляций можно из фибробластов кожи получить так называемые плюрипотентные стволовые клетки (iPSc), аналогичные по своим свойствам и потенциалу эмбриональным стволовым. Наночастицы металлов в тканевой инженерии используются для возможности контролировать рост клеток, воздействуя на них магнитными полями разной направленности. Например, таким способом удалось создать не только аналоги структур печени, но и такие сложные структуры, как элементы сетчатки глаза. Также нанокомпозитные материалы обеспечивают наноразмерную шероховатость поверхности матриц для эффективного формирования костных имплантантов с помощью метода электронно-лучевой литографии (electron beam lithography, EBL). Создание искусственных тканей и органов позволит отказаться от трансплантации большей части донорских органов, улучшит качество жизни и выживаемость пациентов. Авторы

Народицкий Борис Савельевич, д.б.н.
Нестеренко Людмила Николаевна, к.б.н.

Ссылки

Нанотехнологии в тканевой инженерии / Нанометр. - URL: http://www.nanometer.ru/2007/10/16/tkanevaa_inzheneria_4860.html (дата обращения 12.10.2009)
Стволовая клетка / Википедия - свободная энциклопедия. URL: ttp://ru.wikipedia.org/wiki/Стволовые клетки (дата обращения 12.10.2009)

Иллюстрации
Теги Разделы Биомиметические наноматериалы
Формирование наноматериалов с использованием биологических систем и/или методов
Бионаноматериалы и биофункционализированные наноматериалы
Бионанотехнологии, биофункциональные наноматериалы и наноразмерные биомолекулярные устройства

Энциклопедический словарь нанотехнологий. - Роснано . 2010 .

Смотреть что такое "тканевая инженерия" в других словарях:

тканевая инженерия - Методы управления клетками организма с целью формирования новых тканей или экспрессии биологически активных веществ Тематики биотехнологии EN tissue engineering … Справочник технического переводчика

Термин биоинженерия Термин на английском bioengineering Синонимы биомедицинская инженерия Аббревиатуры Связанные термины биодеградируемые полимеры, биомедицинские микроэлектромеханические системы, биомиметика, биомиметические наноматериалы,… …

Термин биомиметические наноматериалы Термин на английском biomimetic nanomaterials Синонимы биомиметики, biomimetics Аббревиатуры Связанные термины белки, биодеградируемые полимеры, биоинженерия, биомиметика, биосовместимость, биосовместимые… … Энциклопедический словарь нанотехнологий

Вадим Сергеевич Репин Дата рождения: 31 июля 1936(1936 07 31) (76 лет) Место рождения: СССР Страна … Википедия

- (лат. placenta, «лепёшка») эмбриональный орган у всех самок плацентарных млекопитающих, некоторых сумчатых, рыбы молот и других живородящих хрящевых рыб, а также живородящих онихофор и ряда других групп животных, позволяющий… … Википедия

Содержит некоторые из самых выдающихся текущих событий, достижений и инноваций в различных областях современной технологии. Новые технологии это те технические нововведения, которые представляют прогрессивные изменения в рамках области… … Википедия

Статьиамфифильныйбиодеградируемые полимерыбиологическая мембранабиологические моторыбиологические нанообъектыбиомиметикабиомиметические наноматериалыбиополимерыбиосенсорбиосовместимостьбиосовместимые покрытиябисл … Энциклопедический словарь нанотехнологий

Статьи"двуликие" частицыактуаторбактериохлорофиллбиологические моторыбиологические нанообъектыбиомиметикабиомиметические наноматериалыбиосенсорбиосовместимостьбислойвекторы на основе наноматериаловводородная связь … Энциклопедический словарь нанотехнологий

Статьи"мягкая" химиябиологическая мембранабиомиметикабиомиметические наноматериалыбиосенсорбиосовместимые покрытиябислойгенная инженериягибридные материалыДНКДНК микрочипдоставка геновкап … Энциклопедический словарь нанотехнологий

Это служебный список статей, созданный для координации работ по развитию темы. Данное предупреждение не ус … Википедия

Книги

Тканевая инженерия , Творческий коллектив шоу «Дышите глубже». Принципиально новый подход – клеточная и тканевая инженерия – является последним достижением в области молекулярной и клеточной биологии. Этот подход открыл широкие перспективы для создания… аудиокнига

Тканевая инженерия — молодое и развивающееся направление медицины, открывающее перед человечеством новые возможности. Профессия подходит тем, кого интересует химия и биология (см. выбор профессии по интересу к школьным предметам).

В этой статье мы расскажем вам о профессии тканевого инженера — одной из профессий будущего в этом направлении.

Что такое тканевая инженерия?

Это наука, возникшая на границе между клеточной биологией, эмбриологией, биотехнологией, трансплантологией и медицинским материаловедением.

Она специализируется на разработке биологических аналогов органов и тканей, создаваемых из живых клеток и предназначенных для восстановления или замещения их функций.

Кто такой тканевый инженер?

Это специальность, которая станет востребована в ближайшем будущем. В обязанности этого профессионала входит разработка и контроль производственного процесса, подбор материалов и формирование необходимых условий для создания тканеинженерных имплантов (графтов) и их дальнейшей трансплантации. По некоторым данным, эта профессия начнет распространяться после 2020 года.

Разработка и внедрение графта включает в себя ряд стадий:

— вначале необходимо произвести отбор и культивацию клеток;

— затем создается клеточный носитель (матрица) с использованием биосовместимых материалов;

— после этого клетки размещаются на матрице и происходит их размножение в биореакторе;

— наконец имплант помещается в область нефункционирующего органа. При необходимости перед этим графт внедряется в область с хорошим кровоснабжением для его созревания (этот процесс называется префабрикацией).

Исходным материалом могут послужить клетки ткани, которую необходимо регенерировать, или стволовые клетки. При производстве матриц могут применяться различного рода материалы (биокомпозитные, синтетические биологически инертные, природные полимерные).

Где применяются графты

Создание искусственных аналогов кожи, помогающих в регенерации кожного покрова при обширных ожогах.
Тканеинженерные импланты также обладают большим потенциалом в области кардиологии (биологические аналоги сердечных клапанов, воссоздание артерий, вен и капилляров).
Кроме того, они применяются при воссоздании дыхательной системы, органов пищеварения, мочевой системы, желез внешней и внутренней секреции.

Где учиться на тканевого инженера

В данный момент в нашей стране нет образовательных программ, проводящих обучение по данной специальности, существует лишь ряд лабораторий при научно-исследовательских институтах, специализирующихся на тканевой инженерии. Специалисты, желающие развиваться в этой области, могут получить базовое медицинское образование. Также следует рассмотреть возможность обучения за рубежом: в США и Европе активно развиваются магистратуры по данной специальности.

Профессионально важные качества:

системность мышления;
интерес к работе в междисциплинарной области;
готовность к работе в условиях неопределенности;
научно-исследовательский интерес;
отовность к командной работе.

Профилирующие дисциплины:

биология;
химия;
физика;
математика;
информатика.

Достижения современной тканевой инженерии

Были созданы и успешно применены аналоги сосков женской груди, тканеинженерный мочевой пузырь и мочеточники. Ведутся исследования в области создания печени, трахеи и элементов кишечника.

Ведущие научно-исследовательские лаборатории работают над воссозданием другого с трудом поддающегося восстановлению человеческого органа — зуба. Сложность заключается в том, что клетки зуба развиваются из нескольких тканей, сочетание которых не удавалось воспроизвести. В настоящее время не полностью воссозданы только ранние этапы формирования зуба.Создание искусственного глаза в настоящее время находится на начальном этапе, однако уже получилось разработать аналоги отдельных его оболочек — роговицы, склеры, радужки.

В то же время, вопрос о том, как интегрировать их в единое целое, пока остается открытым.

Группе немецких ученых из университета г. Киля удалось успешно восстановить нижнюю челюсть пациента, почти целиком удаленную в связи с опухолью.

Стволовые клетки пациента вместе с факторами роста кости поместили в точную копию его челюсти, созданную из титановой сетки. Затем на период инкубации эту конструкцию на 8 недель поместили в его мышцу под правой лопаткой, откуда затем она была пересажена пациенту.

Пока преждевременно говорить о том, насколько эффективно будет функционировать такая челюсть. Однако это первый достоверный случай пересадки кости, буквально выращенной внутри человеческого организма.

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 ;

«Первая успешная трансплантация тканеинженерной трахеи в клинике ». (2008). «Гены и клетки ».

Развитие современной клеточной трансплантологии и ее внедрение в клинику в последние десятилетия позволило продлить жизнь многим тысячам пациентов. В настоящее время наука о трансплантации клеток остается одной из самых интенсивно развивающихся областей биологии и медицины. Уже проходят клинические испытания такие методы, как:

– трансплантация собственных гемопоэтических клеток при рассеянном склерозе, системной красной волчанке, ревматоидном артрите;
– трансплантация гемопоэтических клеток при лечении злокачественных опухолей почек, молочной и поджелудочной желез, головного мозга;
– трансплантация донорских стволовых клеток для профилактики реакции «трансплантат против хозяина» после предшествующей трансплантации гемопоэтических клеток;
– адаптивная иммунотерапия (цитотоксические Т-лимфоциты) в онкологии, клеточные онковакцины;
– трансплантация миобластов скелетной мышечной ткани;
– трансплантация нейрональных клеток пациентам с постинсультным синдромом;
– трансплантация собственных и донорских клеток костного мозга для улучшения регенерации костной ткани после переломов.

Успехи в области изучения стволовых клеток во многом обусловлены повышенным интересом ученых и клиницистов к перспективам их использования в лечении заболеваний, в настоящее время считающихся неизлечимыми. Однако при этом возникает много этических вопросов (таких, например, как использование в качестве трансплантационного материала клеток эмбрионов человека), а также вопросов, связанных с правовой регуляцией клеточных технологий. В развитии клеточных технологий наиболее перспективными считаются следующие направления:

– выделение и трансплантация стволовых клеток, в том числе собственных клеток пациента;
– выявление субпопуляций и клонов стволовых клеток;
– тестирование безопасности трансплантации (инфекционной, онкогенной, мутагенной), составление «клеточного паспорта»;
– выделение индивидуальных линий эмбриональных стволовых клеток методом переноса ядра соматической клетки;
– коррекция генетических дефектов пренатальной трансплантацией клеток или комбинацией методов переноса ядра и генетической терапии.

Тканевая инженерия

Одним из направлений биотехнологии, которое занимается созданием биологических заместителей тканей и органов, является тканевая инженерия (ТИ).

Современная тканевая инженерия начала оформляться в самостоятельную дисциплину после работ Д.Р. Уолтера и Ф.Р. Мейера (1984), которым удалось восстановить поврежденную роговицу глаза с помощью пластического материала, искусственно выращенного из клеток, взятых у пациента. Этот метод получил название кератинопластика . После симпозиума, организованного Национальным научным фондом США (NSF) в 1987 г., тканевая инженерия стала считаться новым научным направлением в медицине. К настоящему времени большинство работ в этой области выполнено на лабораторных животных, но часть технологий уже используется в медицине.

Создания искусственных органов состоит из нескольких этапов (рис. 2).

Рис. 2. Схема процессинга тканеинженерных конструкций

На первом этапе отбирают собственный или донорский клеточный материал (биопсия), выделяют тканеспецифичные клетки и культивируют их. В состав тканеинженерной конструкции, или графта, кроме культуры клеток входит специальный носитель (матрица). Матрицы могут быть выполнены из различных биосовместимых материалов. Клетки полученной культуры наносятся на матрицу, после чего такая трехмерная структура переносится в биореактор1 с питательной средой, где инкубируется в течение определенного времени. Первые биореакторы были созданы для получения искусственной печеночной ткани.

Для каждого типа выращиваемого графта подбирают специальные условия культивирования. Например, для создания искусственных артерий используют проточный биореактор, в котором поддерживается постоянный проток питательной среды с переменным пульсовым давлением, имитирующим пульсацию тока крови.

Иногда при создании графта используют технологию префабрикации: конструкцию вначале помещают не на постоянное место, а в область, хорошо снабжаемую кровью, для дозревания и формирования микроциркуляции внутри графта.

В качестве клеточного материала для создания искусственных органов применяют культуры клеток, входящих в состав регенерируемой ткани или являющихся их предшественниками. Так, например, при получении графта для реконструкции фаланги пальца были использованы приемы, вызывающие направленную дифференцировку стволовых клеток костного мозга в клетки костной ткани.

Если для создания графта применялся собственный клеточный материала пациента, то происходит практически полная интеграция графта со скорейшим восстановлением функции регенерируемого органа. В случае использования графта с донорскими клетками в организме включаются механизмы индукции и стимуляции собственной репаративной активности, и за 1–3 месяца собственные клетки полностью замещают разрушающиеся клетки графта.

Биоматериалы, используемые для получения матриц, должны быть биологически инертными и после графтинга (перенесения в организм) обеспечивать локализацию нанесенного на них клеточного материала в определенном месте. Большинство биоматериалов тканевой инженерии легко разрушаются (резорбируются) в организме и замещаются его собственными тканями. При этом не должны образовываться промежуточные продукты, обладающие токсичностью, изменяющие рН ткани или ухудшающие рост и дифференцировку клеточной культуры. Нерезорбируемые материалы почти не применяются, т.к. они ограничивают регенерационную активность, вызывают избыточное образование соединительной ткани, провоцируют реакцию на инородное тело (инкапсуляцию).

Для создания тканей и органов применяются в основном синтетические материалы, материалы на основе природных полимеров (хитозан, альгинат, коллаген), а также биокомпозитные материалы (табл. 3).

Таблица 3. Классы биоматериалов, применяемых в тканевой инженерии.

Биоматериал	Биосовмести- мость (включая цитотоксичность)	Токсичность	Резорбция	Область применения
Синтетические: Полимеры на основе органических кислот Гидроксиапатит			Полная до СО 2 и Н 2 О Нерезорбируемый	Хирургия, в тканевой инженерии как матрица-носитель практически для всех культур клеток. Костная ткань
Природные: Альгинат				Перевязочные материалы, в тканевой инженерии в виде гидрогелей (хондробласты, нервные клетки)
				Перевязочные материалы, в ТИ в виде пленок, губок; в сочетании с коллагеном (реконструкция костной, мышечной, хрящевой тканей, сухожилий)
Коллаген			Замещение собственными белками, ферментативный лизис	Перевязочные материалы, в ТИ (губки, трехмерные модели, пленки) как матрица-носитель практически для всех культур клеток.
Внеклеточный матрикс (естественные биологические мембраны)	++++ (за счет включенных в структуры биологически активных веществ и факторов роста)		Ремоделирование с заменой собственными белками	Шовный материал, в ТИ (трехмерные модели, пленки) как матрица-носитель для практически всех культур клеток

Одними из первых в тканевой инженерии стали применяться биодеградируемые синтетические биоматериалы на основе полимеров органических кислот, например молочной (PLA, полилактат) и гликолевой (PGA, полигликолид). При этом в состав полимера может входить как один тип кислотного остатка, так и их сочетания в различных пропорциях. Матрицы на основе органических кислот легли в основу создания таких органов и тканей, как кожа, кость, хрящ, сухожилие, мышцы (поперечно-полосатая, гладкая и сердечная), тонкая кишка и др. Однако у этих материалов имеются недостатки: изменение рН окружающих тканей при расщеплении в организме и недостаточная механическая прочность, что не позволяет использовать их как универсальный материал для матриц и подложек.

Особое место среди материалов для биоматриц-носителей занимают коллаген, хитозан и альгинат.

Коллаген практически не имеет антигенных свойств. Использованный в качестве матрицы, он разрушается за счет ферментативного гидролиза и структурно замещается собственными белками, синтезируемыми фибробластами. Из коллагена могут быть изготовлены матрицы с заданными свойствами для реконструкции практически любых органов и тканей. Являясь естественным тканевым (межклеточным) белком, он оптимально подходит в качестве носителя культуры клеток, обеспечивая рост и развитие ткани.

Альгинат – полисахарид из морских водорослей, может быть использован в качестве матрицы-носителя, однако не обладает достаточной биологической совместимостью и оптимальными механическими свойствами. Обычно он используется в виде гидрогелей для восстановления хрящевой и нервной ткани.

Хитозан – азотсодержащий полисахарид, который является основной составляющей наружного покрова насекомых, ракообразных и паукообразных. Этот биоматериал получают из хитиновых панцирей ракообразных и моллюсков. В настоящее время заслуживает внимания комбинированный по составу препарат – коллагеново-хитозановый комплекс. В ходе лабораторных и клинических исследований была показана его инертность и способность сохранять жизнеспособность клеточной культуры как in vitro , так и in vivo . Этот комплекс разрешен Минздравом РФ в качестве перевязочного, ранозаживляющего средства и уже используется в клинической практике в хирургии и стоматологии.

Современные возможности тканевой инженерии

Большинство исследований в области тканевой инженерии направлены на получение того или иного эквивалента тканей. Самое изученное направление тканевой инженерии – реконструкция соединительной ткани, особенно костной. В первой работе в этой области была описана реконструкция костно-хрящевого фрагмента бедренной кости кролика. Основной проблемой, с которой столкнулись исследователи, был выбор биоматериала и взаимодействие костной и хрящевой тканей в графте. Эквиваленты костной ткани получают путем направленной дифференцировки стволовых клеток костного мозга, пуповинной крови или жировой ткани. Затем полученные остеобласты наносят на различные материалы, поддерживающие их деление, – донорскую кость, PGA, коллагеновые матрицы, пористый гидроксиапатит и др. Графт сразу помещают в место дефекта или предварительно выдерживают в мягких тканях. Основной проблемой таких конструкций исследователи считают несоответствие скорости образования кровеносных сосудов в новой ткани и сроков жизни клеток в глубине графта. Для решения этой проблемы графт размещают около крупных сосудов.

Гистогенез мышечных тканей в большой степени зависит от развития нервно-мышечных взаимодействий. Отсутствие адекватной иннервации конструкций мышечных тканей пока не позволяет создать функционирующие тканевые эквиваленты поперечно-полосатой мышечной ткани. Гладкая мускулатура менее чувствительна к денервации, т.к. имеет некоторую способность к автоматизму. Гладкомышечные тканевые конструкции используют при создании таких органов, как мочеточник, мочевой пузырь, кишечная трубка. В последнее время все большее внимание уделяется попыткам реконструкции сердечной мышцы с помощью графтов, содержащих сердечные миоциты, полученные путем направленной дифференцировки малодифференцированных клеток костного мозга.

Одним из самых важных направлений в тканевой инженерии является изготовление эквивалентов кожи. Живые эквиваленты кожи, содержащие донорские или собственные кожные клетки, в настоящее время широко применяются в США, России, Италии. Эти конструкции позволяют улучшить заживление обширных ожоговых поверхностей.

Основными точками приложения тканевой инженерии в кардиологии можно считать создание искусственных клапанов сердца, реконструкцию крупных сосудов и капиллярных сетей. Имплантаты из синтетических материалов недолговечны и часто приводят к образованию тромбов. При использовании трубчатых (сосудистых) графтов на биодеградируемых матрицах получены положительные результаты в экспериментах на животных, однако нерешенной проблемой остается контролируемая прочность и сила сопротивления стенок графта пульсовому давлению крови.

Создание искусственных капиллярных сетей актуально при лечении патологий микроциркуляции крови при таких заболеваниях, как облитерирующий эндартериит, сахарный диабет и др. Положительные результаты здесь получены при использовании биодеградируемых графтов, выполненных в виде сосудистой сети.

Восстановление органов дыхания, таких как гортань, трахея и бронхи, также возможно с помощью тканевых конструкций из биодеградируемых или композитных материалов с нанесенными на них эпителиальными клетками и хондробластами.

Заболевания и пороки развития тонкого кишечника, сопровождающиеся его значительным укорочением, приводят к тому, что пациенты вынуждены пожизненно получать специальные питательные смеси и парентеральные растворы. В таких случаях удлинение функциональной части тонкого кишечника – единственная возможность облегчить их состояние. Алгоритм изготовления графта сводится к следующему: на биодеградируемую мембрану наносятся клетки эпителиального и мезенхимального происхождения и помещаются в сальник или брыжейку кишки для созревания. Спустя определенное время собственную кишку соединяют с графтом. Эксперименты на животных показали улучшение всасывающей активности, однако из-за отсутствия иннервации искусственная кишка не обладает способностью к перистальтике и регуляции секреторной активности.

Основная сложность в тканевой инженерии печени заключается в формировании трехмерной структуры ткани. Оптимальной биоматрицей для клеточной культуры является внеклеточный матрикс печени. Исследователи полагают, что к успеху приведет применение пористых биополимеров с заданными свойствами. Предпринимаются попытки применения постоянного магнитного поля для трехмерной организации клеточной культуры. Остаются нерешенными проблемы кровоснабжения больших по размерам графтов и отвода желчи, поскольку в графтах отсутствуют желчные протоки. Однако существующие методики уже позволяют компенсировать некоторых генетические аномалии печеночных ферментных систем, а также ослабить проявления гемофилии у лабораторных животных.

Конструирование желез внутренней секреции находится на стадии экспериментальной проверки методик на лабораторных животных. Наибольшие успехи достигнуты в тканевой инженерии слюнных желез, получены конструкции, содержащие клетки поджелудочной железы.

Пороки развития мочевыделительной системы составляют до 25% всех пороков развития. Тканевая инженерия в этом направлении медицины очень востребована. Создание эквивалентов почечной ткани – достаточно сложная задача, и решить эту проблему пытаются с помощью технологий прямого органогенеза, используя эмбриональные закладки почечной ткани. На лабораторных животных была показана возможность восстановления различных органов и тканей мочевыделительной системы.

Одной из важнейших задач является восстановление органов и тканей нервной системы. Тканеинженерные конструкции могут быть использованы для восстановления как центральной, так и периферической нервной системы. В качестве клеточного материала для репарации спинного мозга могут быть использованы клетки обонятельных луковиц и трехмерные биодеградируемые гели. Для периферической нервной системы используют биодеградируемые трубчатые графты, внутри которых рост аксона осуществляется по шванновским клеткам.

Создание искусственных органов позволит отказаться от трансплантации большей части донорских органов, улучшит качество жизни и выживаемость пациентов. В ближайшее время эти технологии будут внедряться во все области медицины.

По материалам журнала «Клеточная трансплантология и тканевая инженерия», 2005, № 1

Тканевая инженерия – это наука о проектировании и изготовлении тканей, включая костную и другие скелетно-мышечные ткани. В основе как тканевой инженерии, так и морфогенеза, лежат три составляющие - морфогенетические сигналы, компетентные стволовые клетки и каркасные структуры. Восстановление скелетно-мышечных тканей обобщает и эмбриональное развитие, и морфогенез. Морфогенез – это развивающаяся группа наук, изучающих образование структур, общее строение организма на пути к взрослому функционированию.

Следовательно, импульсы, вовлеченные в морфогенез, необходимо использовать при инженерии костной ткани. Морфогенетические белки кости несут широконаправленную (плеотропную) функцию в первичном формировании структур, дифференцировке клеток и восстановлении кости и суставного хряща. Способность кости к её изменениям (рекреативная способность) зависит от морфогенетических белков кости в костном матриксе. Морфогенетические белки кости действуют через рецепторы и Smads 1, 5 и 8, стимулируя клеточные линии хряща и кости. Гомеостаз тканеинженерной кости и хряща зависит от поддержания внеклеточного матрикса и биомеханики. Использование морфогенетических белков кости в генной терапии и выделение стволовых клеток в биомиметических каркасных структурах внеклеточного матрикса ведет к функциональности костной ткани. В заключение необходимо отметить, что наше время – это время увлекательных открытий в области функциональной тканевой инженерии, костных импульсов, каркасных структур и стволовых клеток.

Одна из проблем, с которыми сталкивается хирург-ортопед – восстановление и реконструкция большого сегмента кости скелета, поврежденной в результате удаления злокачественной опухоли кости или травмы. Хотя аллогенный трансплантат для крупных сегментов кости завоевал все растущее одобрение, он имеет недостатки в виде возможных трещин. Проблема трещин кости у пациентов с постклимактерическим остеопорозом, метастазами, вызванными раком молочной железы или предстательной железы, и нарушением обмена веществ, таким как при диабете, требует применения к кости принципов тканевой инженерии.

Тканевая инженерия – это наука о проектировании и изготовлении новых тканей для функционального восстановления поврежденных органов и замещения частей организма, утраченных из-за рака, различных заболеваний и травм. Среди многих тканей организма кость имеет высокую способность к восстановлению, и поэтому является эталоном для принципов тканевой инженерии в целом. В ближайшее время накопление знаний в области тканевой инженерии приведет к созданию костных имплантов с заданными параметрами для применения в ортопедической хирургии.

Тремя основными составляющими тканевой инженерии и тканевой регенерации являются сигналы, стволовые клетки и каркасные структуры. Специфичность сигналов зависит от морфогенеза тканей и индуктивных раздражителей в развивающемся эмбрионе. Они в целом воспроизводятся во время регенерации. Костные трансплантаты используются хирургами уже более ста лет. Urist сделал важнейшее открытие показав, что имплантация деминерализованных, лиофильно высушенных сегментов аллогенной кости кролика вызывала формирование новой кости. Показано, что стимулирование костеобразования является последовательным, поэтапным действием, где три ключевых этапа – хемотаксис, митоз и дифференциация имеют место. Хемотаксис – это направленное перемещение клеток под влиянием химических сигналов, высвобождаемых из деминерализованного костного матрикса. Передвижение и последующая адгезия костно-образующих клеток на коллагеновом матриксе определяется наличием в нем фибронектина.

Пик распространения клеток под действием стимуляторов роста, высвобожденных из нерастворимого деминерализованного матрикса, наблюдается на третий день. Формирование хряща достигает своего максимума на 7-8 день, за ним следует инвазия сосудов и, начиная с 9 дня, наблюдается остеогенез. Формирование кости достигает максимума на 10-12 день, на что указывает активность щелочная фосфатазы. Затем следует увеличение объема остеокальцина, костной γ-карбоксиглутаминовой кислоты, содержащей белок (BGP). Новообразованная незрелая кость заполняется красным костным мозгом к 21 дню. Деминерализованная кость за счет выделения костных морфогенетических белков, определяющих первоначальные импульсы к морфогенезу костной ткани, а также формированию множества органов помимо кости, таких как мозг, сердце, почки, легкие, кожа и зубы. Следовательно, можно относиться к морфогенетическим белками кости как к морфогенетическим белкам организма.

J.P. Fisher and A.H. Reddi, Functional Tissue Engineering of Bone: Signals and Scaffolds
Перевод Борисовой Марины

КАТЕГОРИИ