Бионическое бессмертие | Умная Россия

Бионическое бессмертие

Бионическое бессмертие: искусственные органы и тканевая инженерия

Нарушение работы тканей и органов — одна из основных проблем здравоохранения во всем мире. Организм человека подвержен различным заболеваниям, которые могут оказывать разрушительное воздействие на определённые органы. К сожалению, человеческий организм обладает ограниченным запасом износостойкости, поэтому рано или поздно из-за определенных обстоятельств или же просто по истечении времени некоторые составляющее организации нашего тела приходят в неработоспособное состояние.

В настоящее время для восстановления или замены поврежденных, а также недостающих тканей или органов применяют два подхода: аутотрансплантацию (сам себе донор) или аллотрансплантацию (донор – другой организм). Однако, когда человек становится донором для самого себя, возможности ограничиваются количеством доступных тканей и болезненностью донорского участка, а проведение трансплантации органа у донора нуждающемуся человеку сопряжено с возможностью передачи заболеваний и возникновением иммунных реакций, а также отторжением организма чужеродного объекта.  К тому же число пациентов, нуждающихся в пересадке органов, постоянно растет, а доноров катастрофически не хватает (ожидание донорского органа может длиться годы).

В решении этой проблемы могут помочь тканевая инженерия и регенеративная медицина, суть которых состоит в применении биологических, химических и инженерных принципов для восстановления или регенерации тканей с помощью биологических материалов, клеток и факторов — по отдельности или в сочетании.

Для выращивания органа необходимы в первую стволовые клетки, это те клетки, которые еще не определились какая у них роль в организме и зависимо от дозировки необходимых веществ и структуры матрикса стволовая клетка начинает играть определенную роль в организме.

В настоящее время разработано несколько путей регенерации тканей на основе принципов тканевой инженерии.  Один из них — инъекция стволовых клеток в поврежденный участок. Этот метод применяется при незначительных повреждениях, но его нельзя использовать для регенерации сложных тканей, построенных из нескольких типов клеток. Таким образом, обеспечивается заполнение клетками всего объема выращиваемого органа. В матрицу[1] помимо клеток вводятся питательные вещества и факторы роста, после чего клетки формируют единый орган или некую «заплатку», призванную заместить собой пораженную часть.

Другой путь, наиболее важный, состоит в использовании биоразлагаемой матрицы в сочетании с факторами роста и стволовыми клетками, которые в итоге дифференцируются в клетки требуемого типа. У данного подхода есть два варианта: применение закрытых систем или применение открытых систем. В системах закрытого типа заселенные клетками матрицы заключают в тонкую полупроницаемую мембрану. Она служит ограничителем и защищает клетки от иммунных реакций организма хозяина, в то же время матрица позволяет проникать питательным веществам и продуктам жизнедеятельности клеток.

Чаще применяют системы открытого типа, где клетки на матрице выращивают invitro до проведения имплантации. В зависимости от ситуации, необходимые для регенерации ростовые факторы либо высвобождаются из матрицы, либо доставляются с помощью специальных клеток с использованием методов генной терапии

Тканевая инженерия с успехом используется для регенерации некоторых простых тканей, например кожи и хрящей, однако для ее клинического внедрения необходимо оптимизировать выбор матрицы, концентрацию клеток, а также тип и количество ростовых факторов в зависимости от конкретной задачи и состояния пациента.

Внедрение стволовых клеток в биоразлагаемую матрицу
Биоразлагаемая матрица
Биоразлагаемая матрица

Что же такое матрицы в тканевой инженерии

Матриксы играют роль почвы для будущего органа и являются его основой. Сначала из матриксов делают основу похожую на будущий орган, на эту основу будто нанизывают стволовые клетки. В процессе используются полезные вещества, которые играют роль удобрения в процессе. После вводятся капилляры с кровью, такой процесс называют васкуляризацией.

Матрица для тканевой инженерии должна быть биосовместима, биологически активна, биоразлагаема или способна к саморазрушению, также она должна обладать нужными механическими свойствами и пористостью. Помимо этого, продукты разложения матрицы не могут быть токсичны. Под биосовместимостью понимают способность к поддержанию определенной клеточной активности без какого-либо отрицательного влияния на клетки и на организм хозяина в целом.

Выращивание искусственных органов на 3D-принтере

Впрочем, уже существует метод выращивания тканей без применения матриц искусственного или биологического происхождения. Метод нашел воплощение в устройстве, известном как биопринтер. В наши дни биопринтеры «выходят из возраста» опытных образцов, и появляются мелкосерийные модели. Например, аппарат компании способен распечатать фрагменты тканей, содержащих 20 и более клеточных слоев (причем туда входят клетки разных типов), объединенных межклеточной тканью и сетью кровеносных капилляров.

Соединительная ткань и клетки собираются воедино по той же технологии, которую используют при трехмерной печати: движущаяся головка, позиционирующаяся с микронной точностью в трехмерной сети координат, «выплевывает» в нужную точку капельки, содержащие либо клетки, либо коллаген и другие вещества. Разные производители биопринтеров сообщили, что их устройства уже способны распечатывать фрагменты кожи подопытных животных, а также элементы почечной ткани. Причем в результате удалось достичь правильного расположения клеток разных типов друг относительно друга. Правда, эпохи, когда принтеры в клиниках будут способны создавать органы разного назначения и больших объемов, придется еще подождать.

Принтер печатает не единичными клетками, а их шарообразными скоплениями — сфероидами. Каждый напечатанный слой клеток отделяют слоем геля, а уже готовый орган отправляют дозревать в инкубатор. При этом гель, использованный для печати, растворяется, а внутри органа развивается его сосудистая сеть — от сосудов отрастают тончайшие капилляры. Это очень удобно для биоинженеров, потому что получать такие мелкие сосуды они пока не умеют. Пока что эта практика подходит для животных больше, чем для человека.

На данный момент биопринтер способен воссоздать череп, кожу, носы и уши, протезы глаз, кости, кровеносные сосуды и клетки, сердечны клапан, зубы, мышцы и много другое.

[1] Матрица представляет собой готовую искусственную структуру, в соответствии с которой осуществляется синтез новой структуры для регенерации поврежденных тканей или органов.

Автор: Кристина Майсурадзе

Короткая ссылка на эту статью: https://cleverrussia.ru/IJbST

Редакция журнала Умная Россия. Мы ищем материалы, которые будут для вас полезны. Если у вас есть предложения, просим высылать их на почту: news@cleverrussia.ru

Наверх