Сшить новое сердце
Как российские биотехнологии помогут выращивать органы

Перспективы исследований в области клеточных технологий впечатляют. Ученые прогнозируют: скоро они разработают методы конструирования живых органов и тканей в лабораторных условиях, а значит – совершат революцию в медицине. О собственных достижениях и современном состоянии дел в этой сфере биотеха нам рассказали эксперты и участники III Всероссийского форума «Наука будущего – наука молодых».

Текст: Снежана Мажекенова ,
студентка 4 курса СПбГУ,
призер конкурса "Дебют в научной журналистике"
Зачем программировать клетки?
Представьте, что человеку, нуждающемуся в новом сердце, больше не придется ждать месяцы, а то и годы, пока найдется орган, подходящий для пересадки. Специалисты смогут выращивать, например, точно такое же сердце из обычного соскоба кожи пациента. В основе такого выращивания будет лежать перепрограммирование (дифференцировка) клеток – изменение их функционала. Этот орган будет идеально подходить больному, ведь он получен из его же биоматериала. Конечно, наука еще не приблизилась к созданию таких сложных структур. Однако ученые уже моделируют шрамы на сердце (такие возникают в следствие инфаркта) и создают системы для тестирования лекарств на основе выращенных тканей.
Как отмечает заведующий лабораторией биофизики возбудимых систем МФТИ, профессор Константин Агладзе, ученые научились не только выделять отдельные клетки, ткани и пересаживать их, но и создавать структуру из клеток: «Обычно происходит так: берутся клетки из живого организма и отделяются друг от друга с помощью ферментов. Потом эти живые клетки культивируются: высаживаются на определенную подложку, прикрепляются к ней. Они могут быть пересажены на определенную матрицу, которая называется scaffold. Затем выращивается та специализированная ткань, которая была нужна изначально. Она может использоваться как имплант для пересадки».
Константин Агладзе на постерной секции «Науки о жизни и медицина» III Всероссийского форума «Наука будущего — наука молодых»
Фото: http://sfy-conf.ru/
Это открывает возможности для развития кардиомедицины – которая станет персонализированной. Человечеству необходимы индивидуальные исследования, ведь совокупность генетических особенностей одного человека не совпадает с особенностями другого, то есть лекарство, полезное одному, может навредить другому. Одни и те же симптомы могут быть вызваны разными заболеваниями.
В лаборатории Агладзе этой проблемой вплотную занимаются молодые ученые – аспиранты и студенты. В частности, они изучают синдром удлиненного QT-интервала — генетического заболевания, предрасполагающего к аритмии.
По словам студента 4 курса МФТИ, призера III Всероссийского форума «Наука будущего — наука молодых» Михаила Слотвицкого, сердечнососудистые заболевания — самая распространенная причина смертности в развитых странах. «Есть люди, которые изначально находятся в зоне риска. В их числе — люди с синдромом удлиненного QT-интервала. Остановка сердца в таких случаях происходит при учащении ритма — испуге или высокой физической нагрузке, например. Мы определяем, находится ли человек в зоне риска: получаем пациент-специфические культуры ткани, соответствующие здоровым людям и больным синдромом Long-QT. Это позволяет изучать фундаментальные механизмы появления аритмий у доноров клеток и, следовательно, вырабатывать рекомендации, как справиться с этим синдромом, подобрать необходимые конкретному пациенту лекарства», — рассказывает Михаил.
Что такое дифференцировка?

Каждый из нас сперва был всего лишь одной клеткой, а теперь состоит из множества разнообразных. Со временем они начинают разительно отличаться друг от друга по своему виду и функциям. Причина такого клеточного разнообразия кроется в процессе дифференцировки.

Во всех клетках нашего организма содержится одинаковый набор генов, но в разных клетках одни гены активируются, а другие – нет. Это и определяет путь развития клетки: от тотипотентной, то есть обладающей возможностью развиться в любую клетку организма, до полностью дифференцированной, способной выполнять строго определённую функцию.

Даже у взрослого, уже казалось бы сформированного организма, некоторые клетки могут сохранять способность к дифференцировке. Это необходимо тем клеткам, которые постоянно должны обновляться, например, клеткам крови и половым клеткам. Эти дифференцирующиеся клетки называют взрослыми стволовыми клетками.

За работы по направленному «перепрограммированию» уже дифференцированных клеток и изучению процессов дедифференцировки, то есть возвращения клеток на развилку их жизненного пути, в 2012 году Джон Гардон и Шинья Яманака были удостоены Нобелевской премии.

Дифференцировка Автор: Снежана Мажекенова).
В основе исследования сотрудников лаборатории биофизики возбудимых систем МФТИ – самоорганизация кардиомиоцитов, мышечных клеток сердца. Это удивительное и пока необъяснимое явление. Из 100% культивируемых клеток лишь пятая часть становится сердечными, и эти 20% не живут отдельно друг от друга – они стремятся держаться вместе, самоорганизовываться. Ученые предполагают, что одна клетка, дифференцируясь, выделяет какие-то вещества, которые стимулируют остальные клетки тоже изменяться, либо похожие друг на друга клетки просто мигрируют друг к другу. В планах лаборатории выяснить механизмы самоорганизации и возможности влияния на этот процесс.
«Проблема в том, что даже если все клетки дифференцировались, то все равно может остаться какая-нибудь одна, которая "возвращается в детство". Если ткань с такой клеткой подсадить человеку, то впоследствии из этой клетки может развиться опухоль. Дифференцировка никогда не дает стопроцентный результат, и это, конечно, осложняет нашу работу. Способ избежать этого я вижу именно в самоорганизации клеток», — добавляет исследователь.
Что удалось установить точно, так это более короткий срок дифференцировки клеток. Вполне возможно, что и это открытие усовершенствует современную медицину. Ранее считалось, что необходимо перепрограммировать клетки 90 дней. Это очень долгий период: если человеку необходима срочная заплатка на сердце, ему будет сложно ждать 3 месяца. Михаил же уверяет, что, используя специальный метод оптического картирования, можно уложиться и в 30 дней.
Как все будет происходить
Для создания одной ткани требуется соблюдение многих условий. Эксперимент будет успешен, если в нашем организме есть нужное количество клеток, способных дифференцироваться и выполнять конкретные биологические функции. Источником клеток могут быть ткани и внутренние органы нашего организма или близкого нам родственника (аутогенные клетки). Могут быть использованы клетки различного происхождения, в том числе первичные и стволовые.
«Первичные клетки — это зрелые клетки определенной ткани, которые могут быть взяты непосредственно от организма-донора 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 получателя», поясняет Константин Агладзе.
Сердечные клетки под микроскопом (из архива сотрудников Лаборатории биофизики
возбудимых систем)
Поскольку первичные клетки не способны делиться (их потенциал к размножению и росту низок) и могут потерять свои специфичные свойства при культивировании, возникла необходимость альтернативных источников клеток для развития технологий клеточной инженерии. Такой альтернативой стали стволовые клетки.
Они имеют способность к делению, самообновлению и дифференцировке в различные типы специализированных клеток. Стволовые клетки можно получить из тканей эмбриона или взрослого человека. Этические нормы не позволяет ученым использовать эмбриональные клетки, остается – «добывать» клетки из тканей взрослого организма.
Для того, чтобы направить организацию клеток, поддержать их рост и дифференцировку в процессе реконструкции поврежденной ткани необходим специальный носитель— матрикс. Он представляет из себя трехмерную сеть, похожую на губку или пемзу. Для их создания применяют материалы на основе природных полимеров (например, коллаген, гиалурон) и биокомпозиты (матрикс с частично сформированной новой тканью).
Через некоторое время после имплантации в организм хозяина матриксы полностью исчезают, а в месте дефекта останется только новая ткань. Влияние матриксов на первичные клетки также находится под пристальным вниманием молодых ученых. В Томском политехе была создана тест-система для предварительной оценки иммунного ответа человека на внедрение в его организм того или иного матрикса.
«Мы исследовали реакции первичных макрофагов (иммунных клеток) на различные тканеинженерные матриксы. Оказалось, что матриксы с наименьшим количеством гиалуроновой кислоты являются наиболее биосовместимыми, так как не стимулируют выделениепровоспалительных цитокинов (белки макрофагов — прим. авт.) и не подавляют секрецию противовоспалительных цитокинов первичными иммунными клетками человека», — делится результатами своего труда Ксения Станкевич, аспирант кафедры биотехнологии и органической химии НИУ ТПУ, финалист III Всероссийского форума «Наука будущего — наука молодых».

Ксения Станкевич за работой
Из личного архива Ксении
Ксения считает, что тест-система необходима поскольку велика вероятность, что иммунитет человека может негативно отреагировать на биоматериалы, просто не принять их. Программа же позволяет определять наиболее оптимальный тип материала для каждого конкретного пациента – еще один шаг в сторону персонализированной медицины.
«От медицины для всех – к медицине для каждого» — таков общий посыл многих разработок в области тканевой инженерии. Конечно, рано говорить о применении результатов на практике: биомедицинские эксперименты не так дешевы. Однако на помощь ученым уже пришло компьютерное моделирование, и возможно, еще через двадцать-тридцать лет десятилетий вечная молодость не будет казаться фантастикой.
Made on
Tilda