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».
Кардинально преобразило тканевую инженерию наличие банков искусственных тканей. Если на первых этапах развития каждый кусочек кожи был уникален и «подгонялся» к конкретному пациенту, то сейчас ситуация больше напоминает процедуру по переливанию крови. Усовершенствовалась и транспортировка эквивалентов, которая в отдельных случаях напоминает отрывки из фильмов с погонями. Судите сами: тканевый элемент в специальном контейнере доставляется курьером-мотоциклистом из лаборатории к трапу самолета, в аэропорту прибытия эстафету принимает другой мотокурьер, доставляющий ожидаемое изделие непосредственно в операционную, где в режиме ожидания уже находится бригада врачей.
Существенно снизить цену на тканевые эквиваленты позволило наличие специальных хранилищ. Если стоимость первых успешных пересадок оценивалась в десятки тысяч долларов, то сейчас расценки выглядят более умеренно. Так, стоимость аналога дермального слоя кожи составляет 500 долларов за 1дм
Как нередко бывает в области высоких технологий, цены здесь слабо коррелируют с себестоимостью производства. Прежде всего они адекватны американской медицинской системе и текущей рыночной ситуации. Например, популярное в США перевязочное покрытие «Biobrane», которое выпускается уже более двух десятилетий и активно используется при лечении ожогов, стоит несколько десятков долларов за 1 дм
Впрочем, роль хай-тек-компаний не свелась только к тиражированию продуктов и продвижению их на рынок. Именно биотехнологические фирмы провели весь цикл доклинических и клинических испытаний. Их результаты дали ответы на ряд принципиальных вопросов, без которых невозможно было бы широкое внедрение тканевой инженерии.
Дело в том, что клетки при культивировании могут изменять свои свойства и превращаться из нормальных в трансформированные, близкие по характеристикам к опухолевым. Причины таких изменений могут быть самыми разнообразными, и молекулярные механизмы этого процесса неясны и по сей день. Вероятность перерождения возрастает при стимулировании размножения клеток. Разумеется, риски подобного рода должны быть минимизированы. На практике это означает более строгий контроль за клетками в культуре, включая анализ их генетического аппарата. При любой трансплантации существует проблема иммунного ответа организма на донорские аллоклетки. Эта реакция связана с наличием на клеточной мембране пересаживаемых клеток особых сигнальных молекул, которые и распознаются иммунной системой реципиента по принципу «свой—чужой».
В ходе экспериментов на клеточных культурах выяснилось, что в процессе культивирования клетки перестают вырабатывать иммуногенные молекулы, а значит, теряют иммунологическую реактивность. Это счастливое обстоятельство, механизм которого до конца не изучен, позволяет осуществлять пересадки выращенных органов без применения иммунодепрессантов, которые приводят к многочисленным осложнениям при обычной пересадке, в том числе чужого сердца или почек.
Разумеется, любой донорский материал должен быть протестирован на наличие вирусов и микроорганизмов. Однако сам процесс культивирования содержит в себе реальную возможность заражения клеток. Источником могут являться питательные среды, сыворотки или нарушение регламента работ. Контроль стерильности, строжайшее выполнение лабораторных протоколов – необходимейшее условие тканевой инженерии, поскольку инфицирование клеточной культуры не оставляет никаких шансов на успешную реконструкцию ткани.
Масштаб проблем, с которыми столкнулись биотехнологические компании, специализирующиеся в области тканевой инженерии, наглядно иллюстрирует статистика результатов испытаний новых продуктов. В настоящее время в США (именно там находятся основные фирмы-производители) лишь 4 коммерческих продукта получили разрешение на применение в клинической практике (все они предназначены для реконструкции кожи), 9 продуктов проходят клинические испытания, 7 эти испытания не прошли.
Однако, несмотря на определенные технологические, политические, морально-этические и финансовые трудности, аналитики рынка перспективных капиталовложений твердо уверены, что следующий высокотехнологический инвестиционный бум будет связан именно с практическим применением биотехнологий, и в том числе тканевой инженерии.
Прямая речь
Заведующая лабораторией биотехнологий стволовых клеток НИИ трансплантологии и искусственных органов Нина Андреевна Онищенко.
Почти все дифференцированные клетки в организме имеют ограниченный срок жизни. В любом органе, будь то печень или сердце, клетки «болеют» и погибают из-за токсических влияний, загрязнения окружающей среды, неправильного питания, далеко не идеального образа жизни и многих других вредных факторов. Тогда почему мы так долго живем? Дело в том, что в организме происходит постоянная регенерация погибших клеток и замена их новыми, здоровыми, которые образуются либо вследствие деления с образованием идентичного генотипа, либо в процессе замещения дифференцированных клеток стволовыми. Оптимальным источником получения мезенхимальных стволовых клеток для регенерации является костный мозг, клетки которого имеют неоспоримые преимущества перед эмбриональными стволовыми клетками. Они хранят в себе информацию о строении всех тканей и органов, являясь своеобразным универсальным «банком» памяти. В нужный момент, когда от больного органа поступает сигнал SOS, стволовые клетки костного мозга тут же начинают делиться и превращаться в клетки требуемого для замены типа. Например, если разрушена печень, то стволовые клетки выходят из костного мозга и через кровь попадают в печень, становясь клетками печени. Однако с возрастом естественная миграция стволовых клеток снижается. Так, при рождении на 1 мезенхимальную стволовую клетку приходятся 10 тысяч стволовых кроветворных клеток, а вот к 70-летнему возрасту это соотношение выглядит как одна к миллиону. По мере взросления и старения человека они заменяются жировой тканью, красный костный мозг сокращается, а желтый, наоборот, разрастается. Тогда-то и возникает потребность в искусственной доставке стволовых клеток в поврежденный орган. Мезенхимальные стволовые клетки
