Страница 26 из 38
К 1980 году были независимо реконструированы основные компоненты кожи – эпидермис и дерма. А спустя недолгое время нанесением эпидермального пласта на коллагеновый гель с фибробластами in vitro был получен первый полнослойный аналог кожи.
В принципе для каждой ткани характерен совершенно уникальный набор биологических молекул, а также пространственная архитектура, которую образует внеклеточный матрикс. Теоретически можно было предположить, что если воспроизвести основные компоненты и структуру матрикса, то задача регенерации будет решена. На практике же все оказалось гораздо сложнее. Дело в том, что аналог ткани должен быть привнесен на место утраченного органа или ткани, то есть на раневую поверхность. В случае применения коллагенового геля искусственная ткань за несколько часов просто распадается под действием агрессивной раневой среды. И для того чтобы избежать этого процесса, приходится различными методами «усиливать» конструкцию материала, например, сшивать его различными агентами или добавлять синтетические полимеры. В результате получается сложный и многофункциональный материал, свойства которого не остаются неизменными, а видоизменяются по ходу процесса заживления.
В России работы по реконструкции тканей и органов при помощи клеточных культур ведутся с начала 1980-х годов. Первые успешные пересадки клеток кожи были проведены в Ожоговом центре Института хирургии им. Вишневского под руководством академика АМН М.И. Кузина с привлечением сотрудников Московского института медико-биологических проблем и Института биологической физики Академии наук СССР. В дальнейшем в орбиту работ по тканевой инженерии кожи были вовлечены практически все ведущие ожоговые центры России, среди них Военно-медицинская академия (Санкт-Петербург) и Институт им. Склифосовского. Наряду с исследованиями в области клеточных культур велись разработки полимерных материалов – носителей клеток, коллагеновых пленок и гелей. В настоящее время развитие тканевой инженерии в России происходит в рамках программы по стволовым клеткам, в которой участвуют ведущие научные коллективы страны.
Даже если в распоряжении «медицинского инженера» находятся все необходимые компоненты, получение аналога ткани это не гарантирует. Если оперировать строительными терминами, для этого необходимы сначала проект, а потом непосредственно строители. «Строителями» в нашем случае являются сами клетки. Именно они, взаимодействуя между собой и перестраивая внеклеточное вещество, создают ткань. Причем создают, согласно своим клеточным программам. В большинстве случаев «проектировщик» лишь задает начальные и граничные условия формирования ткани, запуская процесс самоорганизации. Например, для того чтобы методами тканевой инженерии создать стенку кровеносного сосуда, приходится имитировать условия, характерные для кровеносного русла, – организовывать проток питательной среды, вызывать циклические механические возмущения (пульсовую волну) и тому подобное. Только в этих условиях клетки сосудов, размножаясь, могут сформировать необходимые аналоги. Анализ процессов реконструкции кожи позволил сформулировать основные законы тканевой инженерии и перейти к регенерации других органов in vitro. Одним из главных условий получения аналога ткани является наличие подходящего клеточного материала. Причем клетка должна обладать совершенно определенными функциональными характеристиками. Например, клетки верхнего слоя кожи для выполнения защитной функции должны синтезировать большое количество белка – кератина, а клетки сердечной мышцы – обладать способностью к сокращению.
Источниками стволовых клеток являются не только эмбриональные ткани, но и постоянно регенерирующиеся ткани взрослого человека. Например, мезенхимальные стволовые клетки выделяют из костного мозга, а стволовые клетки эпидермиса кожи берут из волосяных фолликул – специализированных структур, ответственных за рост волос.
Выделение стволовых клеток из «взрослых» тканей связано с проблемой их идентификации, а значит, с поиском молекулярных маркеров (специфических белков на клеточной мембране), которые помогают распознать и отделить ее от общей клеточной массы.
Тем не менее ряд таких маркеров идентифицирован и есть возможность получать клеточные культуры из стволовых клеток взрослых тканей. Замечательным свойством «взрослых» клеток является способность к трансдифференцировке, иначе говоря, к перемене специализации. О том, что во взрослом организме существуют клетки, способные превращаться в любые другие, биологи узнали почти что случайно. После одной из пересадок женского костного мозга мужчине при последующих биохимических анализах оказалось, что в клетках печени и других органов мужчины успешно функционируют соответствующие специализированные клетки, имеющие женский набор хромосом. Так был открыт механизм уникальной способности живых организмов восстанавливать то, что «сломалось» или погибло в процессе жизнедеятельности. Так, стволовые клетки мозга способны превращаться в клетки крови, а стволовые клетки кроветворной системы могут дифференцироваться, в зависимости от молекулярных сигналов, в клетки сердечной мышцы или печени. Однако проблема эффективного распознавания и выделения стволовых клеток из общей клеточной массы, а также управление процессами дифференцировки стволовых клеток еще далеки от своего разрешения.
На начальных этапах реконструкции ткани клетки интенсивно размножаются, а на заключительных – приобретают специфические функции, то есть дифференцируются. В ходе культивирования происходит как бы переключение программы клетки с пролиферации (деления) на дифференцировку (специализацию). Всего в человеческом организме существует около 220 типов клеток, и для многих из них механизмы такого переключения пока неизвестны. Исключительно перспективным в тканевой инженерии считается применение эмбриональных стволовых клеток, из которых формируются различные ткани и органы в процессе внутриутробного развития. Эти клетки обладают высокой пролиферативной активностью и способны к самой разнообразной дифференцировке. Эмбриональные стволовые клетки человека выделяют на стадии развития эмбриона, которую именуют бластоцистой, что соответствует пятому дню от момента оплодотворения яйцеклетки. На этой стадии сферическая бластоциста состоит из 150 клеток, из которых 30 – стволовые. Используя это совсем небольшое количество клеток, в дальнейшем нарабатывается необходимая клеточная масса для реконструкции ткани. Обычно в работах по тканевой инженерии экспериментатору приходится оперировать с клеточными культурами, содержащими от десятков тысяч до сотен миллионов клеток, а это означает, что клетки в культуре прошли несколько десятков циклов деления. Однако лишь в 1998 году удалось получить устойчивую культуру стволовых клеток человека, делившуюся более 6 месяцев (аналогичная линия мышиных стволовых клеток была получена еще в 1981 году).
После того как стали понятны общие закономерности получения тканей и органов при помощи клеточных культур, работы по тканевой инженерии встали на поток. Уже в 1980-х годах была реконструирована хрящевая ткань, немногим позже – костная и мышечная, кровеносные сосуды и, частично, – проводящая система сердца. Получены также фрагменты печени и почек. При помощи клеточных культур репарируются дефекты нервных волокон. Не будет преувеличением сказать, что на сегодня в лабораторных условиях получены аналоги практически всех тканей и органов.
Первые же успехи тканевой инженерии привлекли к себе внимание американских производителей, работающих в области высоких технологий. Еще в 80-е годы в Калифорнии и Массачусетсе на базе университетов было создано несколько компаний, специализирующихся на тканевой инженерии. Однако путь к коммерческим продуктам оказался тернистым и долгим из-за большого количества чисто технологических проблем. В частности, пришлось разработать методы криоконсервации искусственных тканей и создать низкотемпературные хранилища тканевых эквивалентов. И только после этого удалось перейти к «поточному производству».