Тканевая инженерия на наноструктурированных матрицах. Технологии изготовления каркасов для тканевой инженерии Что такое тканевая инженерия
Что если бы мы могли отращивать части тела, словно морская звезда? Фантазия это или реальность? «К & З» решил разобраться, что представляет собой тканевая инженерия, и, самое главное, доступна ли она в России.
Что такое тканевая инженерия
На самом деле наш организм способен к регенерации, более того, он занимается этим каждый день: кости восстанавливаются каждые десять лет, а кожа меняется каждые две недели. Но этого, конечно, недостаточно. Из-за болезней, травм и просто с возрастом наши ткани и целые органы разрушаются и умирают. Как замедлить этот процесс и восстановить то, чего уже нет? Этими вопросами занимается передовое направление регенеративной медицины - тканевая инженерия, позволяющая наращивать утраченные кожные покровы и части органов, например, сердца или мочевого пузыря.
Для чего необходима тканевая инженерия
Некроз ткани ввиду болезни, травмы или врожденных аномалий - проблема номер один в сфере здравоохранения по всему миру. Потребность в трансплантации растет в арифметической прогрессии во всех странах. Классическая современная медицина вылечить многие хронические заболевания на данный момент неспособна - возможны только коррекционные процедуры, однако найти полностью совместимого донора - это тоже вызов.
Сегодня одним из основных методов восстановления органов и тканей в случаях, когда пересадка собственного материала невозможна, остается его трансплантация - от живого донора или недавно умершего человека. Главное в этом процессе - максимальная биологическая совместимость донора и реципиента. Но и в этом случае иммунная система будет сопротивляться и мешать приживлению пересаженного органа или ткани. Потому пациентам, перенесшим трансплантацию, временно или пожизненно назначают специальные препараты - иммунодепрессанты. По сути, они подавляют собственную иммунную систему человека. Но, несмотря на многие усилия, очень часто пересаженный орган не приживается.
Следуя принципу «не навреди», ученые и врачи давно искали способы восстанавливать ткани и органы силами собственного организма пациента. Для этого появился целый раздел реконструктивной хирургии, основанной на микрохирургических техниках. Пришить или пересадить палец при травме, например, с ноги на руку, восстановить молочную железу после удаления злокачественной опухоли и даже вернуть пациенту значительную часть лица - после травмы, онкологии или ранения. Но микрохирургия не всесильна. Так начала расцветать тканевая инженерия, которая появилась задолго до микрохирургии.
Немного из истории вопроса
Впервые об этом еще в конце XIX века задумался американский врач Лео Лёб. В 1897 году он провел эксперимент: наблюдал, как в свернувшейся крови и лимфе делились клетки. Опубликовав свои наблюдения, он, однако, не раскрыл точных параметров опыта, чем сделал эту работу еще более интригующей. Вслед за ним к этой теме с разных сторон пытались подойти многие ученые, но лишь спустя десять лет его коллеге и соотечественнику - ученому Россу Харрисону - удалось вырастить и поддерживать живыми нервные волокна и клетки, взятые из ткани эмбриона лягушки. А уже в 1912 году французский хирург Алексис Каррель вместе с коллегами смог поддерживать жизнь небольшого участка сердца куриного эмбриона. Этот биоматериал оставался жизнеспособным и даже рос в течение 24 лет!
Способы выращивания ткани
С тех пор тканевая инженерия продвинулась далеко вперед. Сейчас для выращивания ткани используются разные способы, но один из основных - scaffold - скаффолд-технология . Экспериментаторы из разных стран практикуют ее с 90-х годов. По этой технологии за образец берутся клетки живого организма: кусочек ткани или какой-то отдельный орган. Затем с помощью ферментов его разбирают на отдельные клетки и культивируют их в течение четырех - шести недель.
Следующий этап - пересадка размножившихся клеток на скаффолд, специальную временную матрицу. Внешне скаффолд можно принять за хлопчатобумажную ткань, вполне подходящую для блузки или рубашки, но на самом деле это сложно сконструированный искусственный материал. На таком каркасе выращивается биоматериал, предназначенный для пересадки человеку. Конструкция имплантируется туда, где отсутствуют ткани, например, на уретру или почку. Скаффолд выступает как своеобразный курьер для новых клеток. Как только поврежденная ткань восстанавливается, доставщик рассасывается, исчезая без следа.
Яркий пример такой работы - реконструкция мочевого пузыря американским хирургом Энтони Аталой для Люка Масселлы, десятилетнего мальчика с врожденным пороком развития позвоночника - расщеплением. Болезнь парализовала мочевой пузырь ребенка, и к моменту, когда родители обратились к врачу за помощью, почки уже отказывали. «На вырост» взяли ткань мочевого пузыря размером с половину почтовой марки. Культивация клеток в лабораторных условиях заняла четыре недели. Затем команда Аталы создала скаффолд в форме мочевого пузыря, внутреннюю оболочку этого каркаса покрыли клетками, выстилающими «оригинальный» орган, а внешнюю - мышечными. Модель поместили в биореактор (медицинский аналог печи) для дозревания. Через шесть - восемь недель полностью сформировавшийся орган был пересажен. Таким же замысловатым способом Атале удалось вырастить сердечный клапан и даже ухо. С ним, кстати, пришлось повозиться: в форму был посеян хрящ пациента, который, пробыв в биореакторе несколько недель, превратился в самостоятельное скаффолд-ухо. Для более сложных органов, например сердца, коллега Аталы китайский ученый Тао Жу разработал технику, при которой используются 3D-принтеры. Вместо чернил в картриджи заливаются человеческие клетки, из которых в течение часа буквально печатается сердце, и уже через 46 часов оно готово к использованию.
В качестве каркаса применяются и донорские органы. Возьмем печень: с помощью специальных средств из нее удаляют все клетки донора, потом в опустошенный «скелет» вводятся клетки пациента - изнутри и снаружи. Клетки пациента - гарантия того, что отторжения со стороны организма не будет. Тканевая инженерия пока относится к экспериментальной науке, но уже имеющиеся опыты доказывают: создавать с помощью данной методики можно все - сердечные клапаны, кровеносные сосуды, печень, мышцы, уши и пальцы человека. Ученые надеются, что новая методика поможет также справиться с еще одной острой проблемой трансплантологии - дефицитом донорских органов.
Аутотрансплантация в эстетической медицине
Сегодня обычная аутотрансплантация широко применяется при ожогах, травмах хрящей, сухожилий и даже костей. На данный момент тканевая инженерия на уровне медицины красоты не может предложить каких-то выдающихся вещей, но кое-что есть. В эстетической медицине широко применяют операцию аутотрансплантации хрящевой и жировой ткани. Собственная хрящевая ткань гораздо лучше приживается при ринопластике и позволяет гибко моделировать форму носа. При гениопластике с помощью своей ткани можно легко сменить угол подбородка. Установка хрящевых имплантатов используется и в малярпластике для увеличения объема скуловой области.
Регенеративная медицина в России
В России ситуация с тканевой инженерией не такая радужная, органы никто пока не выращивает, есть регенеративные техники в кардиологии, используется экстракорпоральная гемакоррекция. Проводятся эксперименты по 3D-печати, но на данный момент даже с юридической точки зрения проводить такие операции невозможно.
Регенеративная медицина, в частности выращивание стволовых клеток вне человеческого тела, одно из главных и важных событий в мировой практике. Совсем недавно, в 2014 году, ученым из Института физико-химических исследований Японии удалось вернуть зрение 70-летней женщине, а в этом году японцы смогли вырастить кожу, волосяные луковицы и мини-печень. Уже сейчас медицине доступно выращивание хрящей, тканей и некоторых цельных органов. Не за горами - сердце, поджелудочная железа и нервная ткань, мозг. Пока что статистика не радует: в минуту в мире умирают два человека, которых можно было бы спасти с помощью пересадки собственной ткани. Аутотрансплантация - это будущее, с помощью которого можно будет спасти миллионы жизней.
Тканевая инженерия (ТИ), как дисциплина, начала свою историю в первой половине XX века. Фундаментом для её основания послужили теоретические и практические разработки по созданию "искусственных" органов и тканей и работы по трансплантации клеток и биологически активных компонентов на носителях для восстановления повреждений в различных тканях организма (Langer R., Vacanti J.P., 1993).
В настоящее время, тканевая инженерия является одной из наиболее молодых отраслей в медицине, базирующейся на принципах молекулярной биологии и генной инженерии. Используемый в ней междисциплинарный подход направлен в первую очередь на создание новых биокомпозиционных материалов для восстановления утраченных функций отдельных тканей или органов в целом (Spector M., 1999). Основные принципы данного подхода заключаются в разработке и применении при имплантации в поврежденный орган или ткань носителей из биодеградирующих материалов, которые используются в сочетании либо с донорскими клетками и/или с биоактивными веществами. Например, при лечении раневого процесса - это могут быть коллагеновые покрытия с аллофибробластами, а в сосудистой хирургии - искусственные сосуды с антикоагулянтами (Vacanti С.А. et.al., 1993). Кроме того, одним из серьезных требований к такого рода материалам-носителям является и то, что они должны обеспечивать надежную поддерживающую, то есть опорную и/или структурообразовательную функцию в поврежденной области ткани или органа.
Следовательно, одной из основных задач тканевой инженерии в области лечения костных патологий является создание искусственных биокомпозитов, состоящих из алло- и/или ксеноматериалов в сочетании с биоактивными молекулами (костные морфогенетические белки, факторы роста и т.д.) и способных индуцировать остеогенез. При этом такие биоматериалы должны обладать рядом необходимых свойств кости (Yannas I.V. et.al., 1984; Reddi A.H.et.al., 1987; Reddi A.H., 1998).
Во-первых, они должны выполнять и поддерживать (scaffold) объем дефекта.
Во-вторых, обладать остеоидуктивностью, то есть активно побуждать остеобласты и, возможно, другие мезенхимальные клетки к формированию кости.
И, в-третьих, иметь хорошие показатели биоинтеграции и биосовместимости, то есть быть деградируемыми и не вызывать у рецепиента воспалительных и иммунных реакций. Последнее качество обычно достигается в биоматериале только за счет снижения его антигенных характеристик.
Совокупность всех этих свойств позволяет таким биоматериалам параллельно с опорной, механической функцией, обеспечивать и биоинтеграцию - врастание клеток и сосудов в структуры имплантата с последующим формированием костной ткани.
Известно, что поддерживающий эффект любого биоматериала обеспечивается, как правило, его структурными особенностями. Для биоматериалов этот показатель обычно связан с архитектоникой нативной ткани, из которой он получен. Для кости, основными параметрами её структурной прочности являются твердо-эластические характеристики костного матрикса и величина пор в нем (Marra P. G.1998; Thomson R.C. et.al., 1998).
К наиболее распространенным биоматериалам с четко выраженной опорной функцией относятся искусственный и натуральный гидроксиапатит (ГА), биокерамика, полигликолевая кислота, а также коллагеновые белки (Friess W.,1998).
В настоящее время для замещения костных дефектов в хирургической стоматологии, ортопедии и травматологии используются много различных форм гидроксиапатита, отличающихся по форме и величине частиц. Считается, что искусственно полученный гидроксиапатит, по химическому составу и кристаллографическим показателям практически идентичен гидроксиапатиту нативной кости (Parsons J., 1988). Многими авторами и экспериментально, и клинически показано, что использование гидроксиапатита имеет значительные преимущества перед другими имплантационными материалами. Так, к его положительным характеристикам относятся такие показатели как легкость стерилизации, продолжительный срок хранения, высокий уровень биосовместимости и крайне медленная резорбция в организме (Воложин А.И. и соавт., 1993). Гидроксиапатит является биоинертным и хорошо совместимым с костью материалом (Jarcho M. et.al., 1977), как было показано с помощью экспериментальных исследований. В процессе замещения костного дефекта в присутствии ГА под влиянием биологических жидкостей и тканевых ферментов гидроксиапатит может частично или полностью резорбироваться (Klein А.А.,1983). Положительный эффект гидроксиапатита после его имплантации в костную полость объясняется, по-видимому, не только остеокондуктивными свойствами материала, но и его способностью сорбировать на своей поверхности белки, индуцирующие остеогенез (Ripamonti U., Reddi A.H., 1992).
В настоящее время основную часть биоматериалов для восстановления костных дефектов получают из хрящевой и/или костной тканей человека или различных животных. Часто для изготовления композиционных материалов используются компоненты и других видов соединительной ткани - кожи, сухожилий, мозговой оболочки и т.д. (Воупе P.J., 1979; Yannas I.V. et.al., 1982; Chvapel M., 1982; Goldberg V.M. et.al., 1991; Damien C.J., Parsons J.R., 1991).
Наиболее известным из современных биоматериалов является коллаген. Его широкое применение в практической медицине связано с развитием реконструктивной хирургии и поиском новых материалов, выполняющих каркасную и пластическую функции при регенерации тканей. К основным достоинствам коллагена - как пластического биоматериала следует отнести его низкую токсичность и антигенность, высокую механическую прочность и устойчивость к тканевым протезам (Истранов Л. П., 1976). Источниками получения коллагена при изготовлении изделий для пластической хирургии служат ткани богатые этим белком - кожа, сухожилия, перикард и кость. Широкое распространение в медицинской практике получил раствор кожного коллагена, выпускаемый фирмой Collagen Corp. (Palo-Alto USA), под названиями "Zyderm" и "Zyplast". На основе этого коллагена были разработаны различные изделия медицинского назначения такие как - имплантаты, покрытия для ран, хирургические нити для ушивания раневых поверхностей и т.д.
В 70-х годах прошлого столетия были впервые получены данные о влиянии коллагеновых трансплантатов на репарацию костной ткани. При этом было установлено, что коллагеновые имплантаты способствуют пролиферации фибробластов, васкуляризации близлежащих тканей и, по-видимому, индуцируют формирование новой костной ткани с последующей ее перестройкой (Reddi A.H., 1985). В качестве быстро биодеградирующего материала коллаген был применен и в виде геля при восстановлении костных дефектов (De Balso A.M., 1976). Полученные данным автором результаты также позволили предположить, что препараты на основе коллагена способны стимулировать регенерацию костной ткани.
В это же время для замещения дефектов костной ткани были начаты исследования и по применению биокомпозиционных материалов, содержащих одновременно и коллаген, и гидроксиапатит. Так, для челюстно-лицевой хирургии и хирургической стоматологии были разработаны композиции "Alveloform" и "Bigraft", содержащие очищенный фибриллярный кожный коллаген и частицы ГА (фирма Collagen Corp., Palo Alto, USA). Данные биоматериалы были применены для восстановления альвеолярного гребня при хирургическом лечении больных с парадонтитами (Krekel G. 1981, Lemons M.M.1984, Miller E. 1992). Гистологические и ультраструктурные исследования доказали, что композиция - коллаген и ГА положительно влияет на регенерацию кости гребня, но при этом такого рода биоматериалы выполняют главным образом каркасную и проводниковую функции, то есть проявляют свои остеокондуктивные свойства (Mehlisch D.R., 1989). Позднее к аналогичным выводам пришли и многие другие исследователи и в настоящее время этой точки зрения придерживается большинство ученых (Glimcher M.J., 1987; Friess W., 1992; VaccantiC.A. et.al., 1993).
Тем не менее, по данным другой группы исследователей биокомпозиционные материалы, содержащие кожный коллаген "Ziderm" и синтетический гидроксиапатит, обладают определенными остегенными потенциями. Так, Katthagen и соавт. (1984), изучая действие материала "Коллапат", содержащего кожный коллаген типа 1 и частицы высоко дисперсного гидроксиапатита, на восстановление костных дефектов бедренной кости у кроликов, установили, что регенерация костной ткани у опытных животных протекала в 5 раз быстрее, чем в контроле. Эти экспериментальные результаты легли в основу дальнейшего применения материала "Коллапат" в клинической практике.
Общеизвестно, что наиболее подходящими для трансплантации и последующей биоинтеграции несомненно являются аутотрансплантаты, которые готовятся из собственных тканей пациента и этим полностью исключаются основные иммунологические и большинство инфекционных осложнений при последующей пересадке (Enneking W.F. et.al., 1980; Summers B.N., Eisenstein S.M.,1989; Reddi A.H., 1985; Goldberg V.M. et.al., 1991). Однако, такие материалы должны готовиться непосредственно перед трансплантацией, в противном случае клиника должна иметь костный банк для хранения такого биоматериала, что в реальности доступно только очень крупным медицинским учреждениям из-за высокой стоимости приготовления и хранения данных материалов. Кроме того, возможности получения значительных количеств аутоматериала весьма ограничены и при его заборе, как правило, донор подвергается серьезным оперативным вмешательствам. Все это существенно ограничивает широкое применение аутотрансплантатов (Bos G.D. et.al., 1983; Horowitz M.C. 1991). Следовательно, в области лечения костных патологий перед тканевой инженерией стоит реальная задача по созданию биокомпозиционных материалов, применение которых обеспечит решение многих проблем как по трансплантации клеток и стимуляции формирования кости в местах ее повреждения, так и по снижению трудовых и финансовых затрат при устранении костных повреждений у больных различного профиля.
В настоящее время усилиями ряда исследователей, работающих в области тканевой инженерии, были разработаны и внедрены биокомпозиционые материалы, в состав которых входят как нативные клетки костного мозга, так и стромальные остеогенные клетки-предшественнники, выращенные в монослойных культурах костного мозга (Gupta D., 1982; Bolder S., 1998). Этими авторами было установлено, что для успешной индукции остеогенеза в месте трансплантации необходимо создать высокую, начальную плотность стромальных предшественников - порядка 108 клеток. При этом простое введение суспензии таких клеток не давало хороших результатов. В связи с этим возникла серьезная проблема поиска носителей для трансплантации клеток в организм реципиента.
Впервые в качестве такого носителя Gupta D. et. al. (1982) предложили использовать ксенокость, предварительно обезжиренную и декальцинированную. Далее было установлено, что в зависимости от степени очистки ксенокости процент прикрепления клеточных элементов к носителю увеличивается, и клетки значительно лучше связываются с органической его частью, чем с природным костным гидроксиапатитом (Hofman S., 1999).
Из синтетических материалов в качестве носителей для трансплантации клеток в настоящее время широко применяют керамику (Burder S. 1998), которая представляет из себя искусственный гидроксиапатит, полученный при обработке три-кальций фосфата высокими температурами.
Отечественные стоматологи-хирурги в качестве подходящего носителя для трансплантации аллогенных фибробластов использовали твердую мозговую оболочку и отметили, что применение данного трансплантата с аллофибробластами при лечении хронического генерализованного пародонтита средней и тяжелой степени имеет ряд преимуществ перед другими способами лечения (Дмитриева Л.А., 2001).
Ранее в серии работ по конструированию "искусственной кожи" было обнаружено, что успех восстановления данной ткани после её повреждения зависит от состояния клеточного микроокружения в поврежденном участке. С другой стороны, само микроокружение создается оптимальным сочетанием основных компонентов межклеточного матрикса, таких как коллагены, гликопротеины и протеогликаны (Yannas I. et.al., 1980, 1984; Pruitt В., Levine N., 1984; Madden M. et.al., 1994).
Коллаген является типичным фибриллярным белком. Его индивидуальная молекула - тропоколлаген состоит из трех спирализованных полипептидных цепей, называемых a-цепями, которые скручены между собой в одну общую спираль и стабилизированны водородными связями. Каждая a-цепь содержит в среднем около 1000 аминокислотных остатков. В костной ткани существует две основных комбинации цепей - две λ1 и одна λ2 или коллаген типа 1 и три λ-1 или коллаген типа III. Кроме названных типов в кости были обнаружены в минорных количествах и другие изоформы коллагена (Серов В. П., Шехтер А. Б., 1981).
Протеогликаны это сложные соединения полисахаридов с белком. Полисахариды, входящие в состав протеогликанов, представляют из себя линейные полимеры, построенные из разных дисахаридных субъединиц, образованных уроновыми кислотами (глюкуроновой, галактуроновой и идуроновой), N-ацетилгексозаминами (IM-ацетилглюкозамин, N-ацетил-галактозамин) и нейтральными сахаридами (галактозой, маннозой и ксилозой). Эти полисахаридные цепи называются гликозаминогликанами. По меньшей мере один из Сахаров в дисахариде имеет отрицательно заряженную карбоксильную или сульфатную группу (Стейси М., Баркер С,1965). Зрелая костная ткань содержит в основном сульфатированные гликозаминогликаны (сГАГ), такие как хондроитин-4- и хондроитин-6-сульфаты, дерматан-сульфат и кератан-сульфат. Биосинтез протеогликанов в костной ткани осуществляется главным образом активироваными остеобластами и в незначительной степени зрелыми остеоцитами (Juliano R., Haskell S., 1993; Wendel M., Sommarin Y., 1998).
Функциональное значение сульфатированных гликозаминогликанов в соединительной ткани (СТ) велико и связано в первую очередь с формированием коллагеновых и эластиновых волокон. Сульфатированные гликозаминогликаны участвуют практически во всех процессах обмена соединительной ткани и могут оказывать модулирующее влияние на дифференцировку её клеточных элементов (Панасюк А.Ф. и соавт., 2000). От их качественных и количественных характеристик в тканях, а также специфики взаимодействия с другими компонентами межклеточного матрикса, зависят многие показатели регенерации СТ.
Регенерация и восстановление костной ткани представляют из себя комплекс последовательных процессов, включающих как активацию клеток остеогенного ряда (рекрутирование, пролиферацию и дифференцировку), так и непосредственное формирование специализированного матрикса - его минерализацию и последующее ремоделирование костной ткани. При этом данные клетки всегда находятся под контролем и влиянием ряда биологических и механических факторов .
По современным представлениям тканевая инженерия (ТИ) костной ткани опирается на три основных принципа, обеспечивающих успешное замещение данной ткани.
Во-первых, наиболее важным принципом при создании биоматериалов и конструкций для имплантации является воспроизведение основных характеристик природного костного матрикса, потому что именно уникальное cтроение костной ткани оказывает самое выраженное влияние на процессы регенерации. Известно, что эти характеристики матрикса зависят от его трехмерной структуры и химического состава, а также от его механических свойств и способности влиять на клеточные формы соединительной ткани (СТ).
Архитектоника матрикса включает в себя такие параметры как соотношение поверхности к объему, наличие системы пор, и, что наиболее важно, его функциональные и механические свойства. Благодаря этим показателям матрикс, по-видимому, может регулировать врастание сосудов, обеспечивать хемотактические стимулы для эндогенных клеток, модулировать клеточное прикрепление, стимулировать деление, дифференцировку и последующую минерализацию. Считается, что трехмерная структура построения матрикса может влиять не только на процессы индукции, но и на саму скорость регенерации .
Следовательно, конструируемый с помощью тканевой инженерии биоматериал или конструкция должны обладать свойствами, которые в условиях in vivo способны обеспечивать как кондуктивные, так и индуктивные свойства природного матрикса. К первым относятся такие показатели как способность заполнения и поддержания объема, механическая интеграция, обеспечение проницаемости для клеток и сосудов. Вторые - обеспечивают прямое или опосредованное воздействие на клеточные формы, стимулируя их к формированию хрящевой и/или костной тканям.
Следующим важным принципом успеха направленной костной тканевой инженерии является применение экзогенных и/или активация эндогенных клеток, которые непосредственно участвуют в процессах созидания данной ткани. При этом источником таких клеток может быть как собственный, так и донорский организм. Например, использование определенных клеточных типов от плюрепотентных стромальных клеток костного мозга до коммитированных остеобластоподобных клеток были успешно использованы и в экспериментах на животных, и в клинике .
Как правило, при обратной трансплантации в организм стромальные клетки-предшественники способны дифференцироваться в зрелые формы, синтезировать матрикс и запускать каскад эндогенных реакций репарации костной ткани. Вместе с тем, альтернативный взгляд на применение композиционных биоматериалов предполагает их непосредственное воздействие на эндогенные костные и другие клетки соединительной ткани, их рекрутирование (привлечение) в зону имплантации, стимуляцию их пролиферации и повышение их биосинтетической активности, принуждая эти клетки активно формировать костную ткань. Кроме того, такие материалы могут быть хорошими клеточными носителями, на которых возможно выращивание стволовых клеток перед их трансплантацией. Последним из главных принципов успеха тканевой инженерии кости является применение биоактивных молекул, включающих факторы роста, цитокины, гормоны и другие биологически активные вещества.
Для индукции костеообразования наиболее известными факторами являются костные морфогенетические белки, трансформирующий фактор роста - TGF-β , инсулиноподобный фактор роста IGF и фактор роста эндотелия сосудов VEGF.. Следовательно, биокомпозиционный материал может быть насыщен и/или содержать в своей структуре данные биоактивные молекулы, что позволяет использовать его при имплантации в качестве депо для таких субстанций. Постепенное высвобождение данных факторов может активно влиять на процессы костного восстановления. Кроме данных веществ в состав композиционных материалов могут входить микро- и макроэлементы, а также другие молекулы (сахара, пептиды, липиды и т.д.), способные обеспечивать стимуляцию и поддержание повышенной физиологической активности клеток в восстанавливающейся костной ткани.
В настоящее время существует большое количество разнообразных биопластических материалов, которые обладают остеокондуктивными и/или остеоиндуктивными свойствами . Так, материалы, содержащие практически чистый гидроксиапатит (ГА), такие как "Остеогаф", "Био-Осс", "Остеомин", "Остим" проявляют главным образом кондуктивные свойства, хотя они и способны оказывать слабый остеоиндуктивный эффект. Другая группа материалов представляет из себя полностью или частично деминерализованную костную ткань, а так же сочетаниями этих материалов с биологически активными субстанциями, такими как костные морфогенетические белки и/или факторами роста [Панасюк А.Ф. и соавт, 2004].
Наиболее важными требованиями к биопластическим материалам остаются такие параметры, как их антигенные и индуктивные свойства. Кроме того, для разного рода операций часто требуются материалы, обладающие, наряду с вышеуказанными показателями, хорошими пластическими или прочностными характеристиками для создания и поддержания необходимых форм и конфигураций при заполнении полостей и тканевых дефектов.
С учетом всего сказанного выше, фирмой ООО "Конектбиофарм" была разработана технология получения костного коллагена и костных сульфатированных гликозаминогликанов (сГАГ) и на их основе изготовлены биокомпозиционные остеопластические материалы серий "Биоматрикс" и "Остеоматрикс". Основное различие между этими группами биоматериалов состоит в том, что "Биоматрикс" содержит костный коллаген и костные сульфатированные гликозаминогликаны, а "Остеоматрикс", имея в своем составе те же два основных компонента костной ткани, содержит ещё и гидроксиапатит в природной форме [Панасюк А.Ф. и соавт, 2004]. Источником этих биоматериалов являются губчатые и кортикальные кости различных животных, а также человека. Полученный по данной технологии костный коллаген не содержит других белков и, в условиях in vitro, практически не растворим в достаточно концентрированных растворах щелочей и органических кислот.
Это свойство позволяет биоматериалам быть не только инертными в отношении иммунной системы организма, но и в течение длительного времени после их имплантации быть устойчивым к биораспаду. В настоящее время для ускорения роста кости и мягких тканей активно применяется методика стимуляции клеток богатой тромбоцитами плазмой (БоТП). Эта новая биотехнология направленной тканевой инженерии и клеточной терапии является по мнению ряда авторов настоящим прорывом в хирургической практике . Однако, для получения такой плазмы требуется определенное техническое оснащение, а в ряде случаев и специально подготовленные сотрудники . Использование для этих целей материала "Биоматрикс" полностью решает настоящую проблему с минимальными затратами потому, что нет необходимости выделять тромбоциты из крови пациента. В серии экспериментов нами было установлено, что материал "Биоматрикс" способен специфически и в больших количествах связывать тромбоциты периферической крови (табл.1).
Таблица 1. Связывание тромбоцитов крови костным коллагеном.
* - 6 мл крови инкубировали с 1 гр костного коллагена (1 гр. сухого костного коллагена занимает объем от 2 до 7 см³ в зависимости от величины его пористости). Данные в таблице представлены как содержание тромбоцитов в 1 мл крови после её пропускания через 1 см³ костного коллагена.
Так, 1 см³ биоматериала "Биоматрикс" способен связывать практически все тромбоциты (более 90%) из 1 мл крови, то есть от 226 до 304 миллионов тромбоцитов. При этом связывание тромбоцитов костным коллагеном происходит быстро и завершается в течение нескольких минут (график 1).
График 1. Скорость связывания тромбоцитов крови костным коллагеном.
Было установлено также, что, если биоматериал "Биоматрикс" применялся без прикрытия антикоагулянтами, то формирование сгустка происходило практически мгновенно. В настоящее время доказано, что рабочая концентрация для богатой тромбоцитами плазмы начинается с 1 миллиона тромбоцитов в мкл..Следовательно, для получения богатой тромбоцитами плазмой тромбоциты крови необходимо сконцентрировать в среднем в 5 раз, но при этом такое выделение требует и существенных финансовых затрат, и определенного профессионального опыта. Кроме того, для активации тромбоцитов и выделения ими 7 факторов роста: 3-х видов PDGF-aa, -bb, -ab, двух трансформирующих факторов роста - TGF-β1 и β2 , фактора роста эндотелия сосудов VEGF и фактора роста эпителия EGF - богатая тромбоцитами плазма перед её употреблением должна быть коагулирована . По сравнению с известными методами, на биоматериале "Биоматрикс" удается существенно повысить концентрирование тромбоцитов. Одновременно с этим коллаген является именно тем белком, который способен активировать фактор Хагемана (ХII фактор свертывания крови) и систему комплемента.
Известно, что активированный фактор Хагемана запускает каскад реакций системы свертывания крови и приводит к образованию сгустка фибрина. Данный фактор или его фрагменты способны инициировать также калликреин-кининовую систему крови. Таким образом, костный коллаген в составе материалов "Биоматрикс" и "Остеоматрикс" способен активировать основные системы протеолиза плазмы крови, которые ответственны за поддержание гемодинамического равновесия и обеспечение регенераторных реакций организма. В отличие от богатой тромбоцитами плазмой, которая сама не обладает остеоиндуктивным эффектом, то есть не может инициировать образование кости без присутствия костных клеток, материалы "Биоматрикс" и "Остеоматрикс" обладают такой потенцией.
Так, при внутримышечной имплантации биоматериалов "Биоматрикс" и, особенно, "Остеоматрикс" происходит формирование эктопическое костной ткани, что непосредственно доказывает остеоиндуктивную активность данных материалов [Иванов С.Ю. и соавт., 2000]. Совместное применение богатой тромбоцитами плазмы с рекомбинантным костным морфогенетическим белком, который может стимулировать клетки соединительной ткани к формированию костной ткани, решает данную проблему, но это приводит к существенному удорожанию методики. Необходимо отметить также, что материалы серии "Остеоматрикс" имеют в своем составе природный костный гидроксиапатит, который способен аффинно аккумулировать на своей поверхности синтезируемые остеобластами костные морфогенетические белки, и таким образом дополнительно стимулировать остеогенез ("наведенная остеоиндукция").
При этом полностью снимается возражение о возможности развития опухолей вследствии использования рекомбинантных белков потому, что в случае аналогичного применения материалов "Биоматрикс" и "Остеоматрикс" в зоне имплантации присутствуют только естественные белки природного происхождения. Материалы серий "Биоматрикс" и "Остеоматрикс" обладают и другим уникальным качеством – они способны аффинно связывать сульфатированные гликозаминогликаны [Панасюк А.Ф., Саващук Д.А., 2007]. Это связывание в условиях подобно связыванию тромбоцитов происходит за короткий промежуток времени и количество связавшихся сульфатированных гликозаминогликанов значительно превышает физиологические показатели (таблица 2).
Таблица 2. Связывание сульфатированных гликозаминогликанов костным коллагеном.
В настоящее время хорошо известно, что применяемые по отдельности и коллаген, и гидроксиапатит обладают в основном остеокондуктивными свойствами, то есть способны играть роль только «способствующего» материала для создания новой кости. Однако, эти молекулы могут оказывать на клетки остеобластического ряда и слабый остеоиндуктивный эффект, за счет некоторых своих биологических свойств.
Этот остеоиндуктивный эффект усиливается при комплексном применении этих двух типов молекул . С другой стороны, если вместе с коллагеном и гидроксиапатитом в биоматериалах будут представлены и сульфатированные гликозаминогликаны, то такой комплекс по своей структуре будет более близок к природному костному матриксу и, следовательно, обладать его функциональными характеристиками в более полном объеме. Так, известно, что сульфатированные гликозаминогликаны оказывают влияние на многие показатели обмена соединительной ткани.
Они способны снижать активность протеолитических ферментов, подавлять синергическое действие на межклеточный матрикс данных ферментов и кислородных радикалов, блокировать синтез медиаторов воспаления за счет маскировки антигенных детерминант и отмены хемотаксиса, предотвращать апоптоз клеток, индуцированный повреждающими факторами, а также снижать синтез липидов и с помощью этого препятствовать процессам деградации. Кроме того, эти соединения принимают непосредственное участие в построении самих коллагеновых волокон и межклеточного матрикса в целом.
На ранних этапах повреждения соединительной ткани они выступают как инициаторы создания временного матрикса и позволяют преостановить распад соединительной ткани и формирование грубого рубца, а в последствии обеспечить и более быстрое его замещение на обычную для данного органа соединительную ткань [Панасюк А.Ф. и соавт, 2000]. К сожалению, роль сульфатированных гликозаминогликанов в регуляции остеогенеза изучена недостаточно, однако, показано, что основным претендентом на роль индуктора эктопического остеогенеза в модельной системе является протеогликан, секретируемый клетками эпителием мочего пузыря [Фриденштейн А.Я., Лалыкина К.С., 1972].
Аналогичного мнения придерживаются и другие авторы , считая, что протеогликаны являются одним из факторов стромального микроокружения, регулирующим гемопоэз и другие гистогенезы производных мезенхимы. Кроме того, показано, что в условиях in vitro и in vivo хондроитин-сульфаты оказывают выраженное влияние на минерализацию кости Так, нами было выявлено, что при воздействии материала "Остеоматрикс" на культуру хондроцитов человека происходит индукция их хондрогенных свойств. Под влиянием материала хондроциты человека формировали в культуре гистотипические структуры, в которых зго за отложение фосфатов и минерализацию костного матрикса в процессе его оссификации.
Далее, было установлено, что после имплантации кроликам биоматериалов "Биоматрикс", "Алломатрикс-имплант" и "Остеоматрикс" происходит формирование эктопической кости с последующим заселением её костным мозгом. Кроме того, данные материалы были успешно применены и в качестве носителей при трансплантации стволовых стромальных клеток-предшественников [Иванов С.Ю. и соавт., 2000]. К настоящему времени эти материалы завоевали признание как в стоматологической, так и в ортопедической практике [Иванов С.Ю. и соавт., 2000, Лекишвили М.В. и соавт., 2002, Грудянов А.И. и соавт., 2003, Аснина С.А. и соавт., 2004, Васильев М. Г. и соавт., 2006]. С высокой эффективностью они были применены в случаях несовершенного остеогенеза, восстановлении кисти, при хирургическом лечении заболеваний пародонта и устранении дефектов челюстных костей. Эти биоматериалы, благодаря разработанной технологии их изготовления, являются пока единственными во всем мире материалами, у которых практически полностью сохранена коллагеновая и минеральная структуры природной кости, но при этом данные материалы полностью лишены антигенности.
Большим достоинством этих биоматериалов является и то, что они содержат костные сульфатированные гликозаминогликаны, аффинно связанные с коллагеном и гидроксиапатитом, что существенно отличает их от имеющихся в мире аналогов и значительно усиливает их остеогенные потенции. Таким образом, приведенные экспериментальные и клинические данные реально доказывают, что базируясь на современных принципах тканевой инженерии были разработаны и внедрены в клиническую практику отечественные биокомпозиционные материалы на основе костных коллагена, сульфатированных гликозаминогликанов и гидроксиапатита. Эти современные, эффективные и безопасные биоматериалы нового поколения открывают широкие перспективы к решению многих проблем восстановления костной ткани в травматологии и ортопедии, а также во многих других областях хирургической практики.
На электоннограмме (рис.1) видно, что препараты костного коллагена представляют из себя сеть упорядоченно расположенных пучков и волокон. При этом сами волокна плотно упакованы в пучки второго порядка, без разрывов и дефектов. По своему виду материал имеет классическую пористо-ячеистую структуру, которая полностью соответствует архитектонике нативной губчатой кости и свободна от сосудов, белков, механических и иных включений. Размер пор колеблется от 220 до 700 мкм.
Биосовместимость костного коллагена была оценена нами по стандартным тестам в условиях имплантации их под кожу крысам породы Вистар. С помощью гисто-морфологического анализа и сканирущей электронной микроскопии было установлено, что костный коллаген после полуторамесячного пребывания в организме рецепиента практически не подвергается разрушению и сохраняет свою структуру.
Рис 1. Рис 2.
Как видно на рис.2, поры, трабекулы и ячейки имплантированного костного коллагена частично заполняются рыхлой волокнистой СТ, волокна которой слабо спаяны с имплантатом. Хорошо видно, что вокруг него формируется незначительный фиброзный слой, а в самом имплантате отмечается присутствие небольшого количества клеточных элементов, основными из которых являются фибробласты. Характерно, что имплантат практически на всем своем протяжении не спаян с окружающей тканью дермы. Эти результаты однозначно свидетельствуют о высокой устойчивости данного материала к биораспаду и о полной биоинертности в отношении него окружающей соединительной ткани.
Исследования по влиянию биоматериалов "Биоматрикс", "Алломатрикс-имплант" и "Остеоматрикс" на остеорепарацию мы провели на модели сегментарной остеотомии по общепринятым методикам (Katthagen B.D., Mittelmeeir H., 1984; Schwarz N. et.al.,1991). В эксперименте были использованы кролики породы Шиншилла массой 1,5-2,0 кг, которым под внутривенным наркозом делали сегментарную остеотомию лучевой кости.
Через два месяца после операции в зоне имплантации было отмечено формирование новой костной ткани. На рис. 3 результат гистоморфологического исследования материала "Алломатрикс-имплант" через 2 мес. после операции. В проксимальной зоне дефекта видна хорошо развитая молодая костная ткань. Остеобласты прилежат к костным балкам в большом числе.
В межуточном веществе обнаруживаются остециты в лакунах, В новом костном веществе формируются плотно упакованные коллагеновые волокна. Хорошо развито межуточное вещество с активными клетками. Зона имплантата (сверху и слева) активно перестраивается.
В общем, идет ускоренное созревание костной ткани вокруг зоны имплантата.
Кроме того, оказалось, что пористо-ячеистая структура костного коллагена обеспечивает не только поддержание объема в дефекте за счет своих упруго-эластических качеств, но и оптимальную возможность для врастания в него клеток соединительной ткани, развития сосудов и формирования кости при замещении этого дефекта.
В будущем, как говорят фантасты, для излечения от недуга нужно будет всего лишь зайти в аптеку, похожую на склад с запчастями. И выбрать нужную полку. Вот здесь запасные глаза, вот печень, почки, а в этом ящике руки и ноги разных размеров Не отстают от писателей и голливудские фантазеры, они тоже подливают масла в огонь этой темы: эффектно отрастающие новые руки и ноги супергероев впечатляют. Но в жизни, разумеется, все гораздо прозаичнее, нежели на экране. Хотя некоторые предпосылки к тому, чтобы в скором времени человек «примерил» биоискусственные органы, уже есть.
Тканевая инженерия активно развивающаяся отрасль медицины и биологии буквально воплощает фантастику в жизнь. Специалисты, занятые в этой области, изучая строение живых тканей, пытаются вырастить их в лабораторных условиях, чтобы затем использовать искусственно созданную ткань для трансплантации. Такое «производство» откроет очень серьезные перспективы. Стоит только вдуматься в это: заболевший (раненый, покалеченный) человек сможет быстро восстанавливаться, он получит неисчерпаемый источник для замены поврежденных органов. Ведь современные темпы урбанизации и развитие технических средств, как ни странно, подвергают жителей Земли все большим опасностям и болезням, всевозможным травмам в различных катастрофах, так что задача тканевых инженеров действительно широка вырастить кости, хрящи и органы для замены поврежденных.
Как и все разделы медицины, тканевая инженерия имеет собственную терминологию и свои методологические подходы. Любая «тканеинженерная» процедура начинается с получения исходного клеточного материала первого шага. Как правило, для этого проводят биопсию, то есть забирают у пациента, нуждающегося в биоискусственной ткани, клетки нужного типа. Однако не все клетки могут достаточно интенсивно размножаться в искусственной среде. Поэтому другой подход состоит в том, чтобы отобрать недифференцированные клетки-предшественники, так называемые стволовые клетки , которые будут созревать и специализироваться уже в лабораторных условиях. Этим определяется взаимосвязь тканевой инженерии с исследованиями стволовых клеток. Однако не следует отождествлять эти два направления биомедицинских исследований тканевые инженеры работали над своими проектами еще задолго до того, как термин «стволовые клетки» стал знаком широкой публике.
Второй шаг культивирование полученных клеток в лабораторных условиях (in vitro) с целью увеличить во много раз их количество. При этом в случае использования недифференцированных (стволовых) клеток они помещаются в специальную среду, которая индуцирует их превращение в клетки строго заданного вида. Чтобы понять, насколько это сложно, достаточно сказать, что в организме насчитывается более 200 разновидностей клеток. Для достижения нужного результата культивирование проводится в специальных биореакторах. В них не только моделируется состав газовой смеси и набор веществ в питательной среде, но и поддерживаются необходимые для развития клеток и тканей физические параметры освещенность, течение или пульсация жидкости, гравитация и т. п.
Но для выращивания живой ткани мало просто получить достаточное количество нужных клеток, необходимо, чтобы они были надлежащим образом организованы в пространстве. Поэтому следующим шагом становится формирование трехмерного каркаса носителя для искомой ткани, на котором они бы могли нормально развиваться и выполнять свои функции после пересадки в организм.
Наконец, в итоге всех этих сложных манипуляций появляется готовый биоискусственный эквивалент ткани графт, и тогда наступает последний этап его имплантация в тело пациента (графтинг). Использование собственных клеток пациента для изготовления графта основополагающий принцип тканевой инженерии. Забирая аутоклетки, врачи избегают иммунологических проблем отторжения пересаженного материала, благодаря чему шансы на удачный исход операции резко возрастают.
У истоков тканевой инженерии
Если не считать сотворения Евы из ребра Адама, то выращивание клеток и тканей началось на закате XIX века. В 1885 году немецкий эмбриолог Вильгельм Ру в течение нескольких дней смог поддерживать жизнеспособность фрагмента куриного эмбриона в искусственных условиях. Однако настоящих успехов в культивировании тканей вне организма удалось достичь только после экспериментов Р. Гаррисона в 1907 году: он предложил использовать свернувшуюся кровь или лимфу в качестве среды для развития тканей в лабораторной посуде in vitro.
В Россию этот метод пришел в 1913 году, когда сотрудник Императорской Военно-медицинской академии П.П. Авроров и его коллега А.Д. Тимофеевский смогли в течение некоторого времени выращивать клетки лейкозной крови. А годом позже этой проблемой заинтересовался великий российский гистолог Александр Александрович Максимов, профессор той же академии, который не только подтвердил данным методом унитарную теорию кроветворения, то есть доказал, что все клетки крови развиваются из общего предшественника стволовой клетки, но и заложил основу для дальнейших разработок в области культивирования тканей вне организма. На базе его результатов были выполнены сотни работ по выращиванию клеток соединительной ткани и крови, созданию тканеинженерных эквивалентов костной ткани. Его приоритет в этих исследованиях признан всемирно.
Настоящая же эра тканевой инженерии, да и собственно выделение ее как самостоятельной отрасли медицины, началась с дерзких работ К. Ваканти по совмещению в лабораторных условиях живых клеток и искусственных носителей для них, которые он предпринял в 80-х годах прошедшего столетия. На сегодня, пожалуй, не осталось ни одного человеческого органа, развитие и регенерацию которого тканевые инженеры не пытались бы «приручить».
Основа ткани
Выбор носителя для развития искусственной ткани одна из самых серьезных проблем тканевой инженерии. Его материал должен быть безопасным как для тех клеток, которые на нем будут жить, так и в целом для организма, куда потом будет пересаживаться биоискусственная ткань. В идеале материал со временем полностью замещается тканью организма. При этом он должен иметь уникальную, характерную для данного типа ткани трехмерную организацию, которая воспроизводила бы структуру межклеточного матрикса живой ткани. Например, для воссоздания полых трубчатых органов используют лишенные жизнеспособных клеток участки аналогичных органов (кишечника, трахеи, мочеточников и мочевого пузыря), полученных от крупных животных. Но в качестве таких носителей могут быть применены другие, самые разнообразные и подчас весьма неожиданные материалы.
Проще всего (если, конечно, тут вообще уместно говорить о простоте) оказалось создать биоискусственные кости. В качестве источников клеток для будущих костей используют стволовые стромальные клетки костного мозга, которые могут развиваться в клетки разных тканей, а также остеогенные (способные образовывать костную ткань) клетки иного происхождения. Настоящее поле для фантазии представляется при выборе носителя для них. В ход идут коллагены различных типов, стеклокристаллические материалы, даже кораллы. Неплохой основой служат безжизненные (трупные) кости человека и животных, а также сложные синтетические конструкции, растворяющиеся за определенный срок в организме. В последнем случае основной проблемой является синхронизация процесса остеогенеза, то есть образования костной ткани в области ее дефицита и растворения привнесенной искусственной конструкции. На сегодняшний день по всему миру выполнено уже несколько тысяч хирургических вмешательств с использованием тканеинженерных эквивалентов костной ткани.
Весьма востребована на рынке медицинских услуг клеточная и тканевая реконструкция суставного хряща. Хрящ особая ткань, которая в естественных условиях не регенерирует. По некоторым экспертным оценкам, рынок этих продуктов только в США может составлять сотни миллионов долларов в год.
Не обошли вниманием тканевые инженеры и кожу самый большой орган на теле человека. Общая площадь кожного покрова взрослого мужчины достигает 2,5 м 2 при весе 1520 кг (с учетом подкожной клетчатки). Кожа устроена достаточно сложно и выполняет ряд жизненно важных функций, вот почему при ее обширных повреждениях, помимо местных расстройств, могут наблюдаться и общие патологические проявления, подчас ставящие жизнь больного под угрозу. При сильных ожогах и длительно не заживающих язвах кожа неспособна сама восстанавливать свою целостность. На помощь приходят специалисты, у которых уже есть не только лабораторные прототипы, но и коммерческие образцы биоискусственной кожи. На сегодняшний день тысячи человек в мире уже успели воспользоваться услугами фирм, предлагающих на рынке медицинских услуг подобные тканевые препараты.Но самых фантастических результатов достигли тканевые инженеры в детской практике. Растущий организм предъявляет особые требования к созданию тканеинженерных конструкций ведь они должны расти вместе с организмом ребенка. Так, недавно немецкими учеными был создан тканеинженерный сердечный клапан. В качестве основы для клеток сосудистой стенки (эндотелия) был взят сердечный клапан взрослой свиньи. А источником клеточного материала стали клетки пуповинной крови ребенка. Между прочим, до недавнего времени пуповинную кровь при родах выбрасывали вместе с плацентой, но теперь все больше данных свидетельствует о том, что сохранение этих клеток в гемабанках в определенных случаях может дать шанс для спасения жизни человека.
Искусственная челюсть
Не так давно группа немецких специалистов из города Киль под руководством Патрика Варнке (Patrick Warnke) сообщила об успешном воссоздании нижней челюсти, которая была практически полностью удалена в связи с опухолевым поражением. Первоначально врачам пришлось создать титановый каркас челюсти, который был заполнен костным матриксом, костным мозгом пациента и факторами роста кости. Однако такой большой фрагмент не мог быть помещен сразу в область повреждения, ведь лишенные собственной сосудистой сети клетки костного мозга, в том числе и стволовые, не только бы не дифференцировались в остеобласты (клетки, продуцирующие костную ткань), но и погибли от кислородного голодания и отсутствия питательных веществ. Поэтому полученную конструкцию внедрили в мышцы спины. Это было сделано для того, чтобы в толще интенсивно снабжаемых кровью мышц сосуды сами проросли в толщу «биологического протеза». Когда это произошло, конструкцию извлекли и пересадили на должное место, предварительно соединив сосуды нижней челюсти и биопротеза микрохирургическим путем.
С каждым годом таких или подобных операций проводится все больше. Они позволяют не только восстановить функцию утраченного органа, но и обеспечить эстетический косметический эффект.
Сосуды тканям!
Одним из факторов, ограничивающих фантазию тканевых инженеров, является невозможность создания относительно больших конструкций в связи с отсутствием их адекватного кровоснабжения и иннервации (связи с центральной нервной системой). Тканеинженерные конструкции, изъятые из искусственной среды, рискуют погибнуть из-за того, что в них нет кровеносных сосудов и в теле пациента они не будут в достаточной мере снабжаться питательными веществами. Частично эту проблему можно решить методом префабрификации временного помещения созданной в лаборатории тканеинженерной конструкции под кожу или между мышц. Через некоторое время, когда сосуды прорастут весь объем графта, его выделяют с сохранением сосудов и переносят в область повреждения. Однако такой подход связан с нанесением пациенту дополнительной операционной травмы, поэтому тканевые инженеры нашли гениальное решение: биоискусственным тканям биоискусственные сосуды! Первые работы были проведены с полимерными микротрубочками, выстланными изнутри эндотелием. Такие трубочки пронизывают всю толщу созданной в лаборатории ткани. Постепенно полимер рассасывается и не мешает обмену газами и питательными веществами между кровью и клетками.
На сегодняшний день уже практически ничто не ограничивает возможностей тканевых инженеров. Созданы не только лабораторные прототипы, но и применены в клинической практике тканеинженерные эквиваленты сосков молочных желез, биоискусственный мочевой пузырь, мочеточники. Определены методические подходы к созданию легких, печени, трахеи, участков кишечника и даже кавернозных тел полового члена.
Конструирование паренхиматозных органов печени, легких и других представляет особую сложность, поскольку все клетки в них находятся в тонкой взаимосвязи и должны строго занимать надлежащее им место в трехмерном пространстве. Неожиданные положительные результаты здесь проявились при выращивании клеток во взвешенном состоянии без прикрепления к поверхности. Группа исследователей под руководством профессора Колина Макгуккина (Colin McGuckin) из Университета Ньюкасла, Великобритания, использовала вращающийся биореактор, разработанный 10 лет назад специально для Международной космической станции. Он позволяет имитировать на Земле условия невесомости и микрогравитации. Оказалось, что при культивировании в нем стволовых клеток пуповинной крови можно добиться не только их превращения в функционально активные клетки печени, но и органогенеза образования аналога печеночной ткани с присущими ей функциями.
Не менее удивительные результаты дали опыты по насыщению культуры клеток металлическими наночастицами посредством липосом, беспрепятственно проникающих через клеточную мембрану. Пребывание таких структур внутри клетки практически не оказывает на нее влияния. Зато ученые получают возможность контролировать рост клеток, воздействуя на них магнитными полями разной направленности. Таким способом удалось создать не только аналоги структур печени, но и такие сложные структуры, как элементы сетчатки глаза. Разработки тканеинженерного глаза еще находятся в самых начальных стадиях, но уже удалось получить эквиваленты отдельных его частей роговицы, склеры, радужки. Правда, проблема интеграции полученных частей пока не решена. Тем не менее в научной литературе можно встретить сведения о трансплантации светочувствительных клеток палочек и колбочек в «святая святых» глаза сетчатку, правда, пока только в экспериментальных условиях.Пожалуй, чтобы окончательно почувствовать себя всемогущими, тканевым инженерам осталось лишь научиться воссоздавать в лабораторных условиях сложные производные нервных зачатков.
В ведущих западных и отечественных лабораториях специалисты пытаются воспроизвести развитие и другого крайне трудного для восстановления органа зуба. Трудности с его созданием вызваны тем, что составляющие зуба развиваются из различных источников: часть из производных нервной системы нервного гребня, а часть из эпителиальной выстилки ротовой полости. Совместить эти источники in vitro длительное время не удавалось. На сегодняшний момент в искусственных условиях частично воспроизведены лишь ранние стадии развития зуба. Как правило, без помощи организма здесь не обойтись и после этапа лабораторной работы прообраз будущего зуба все равно приходится подсаживать в его естественное окружение альвеолу челюсти (зубную лунку) для полного «созревания» тканеинженерной конструкции.
В итоге можно сказать, что минувшее двадцатилетие ознаменовалось становлением новой отрасли биологии и медицины тканевой инженерии. Специалисты, работающие в этой области, обладают поистине уникальными качествами. Они должны быть в равной степени и врачами, и биологами, а также иметь навыки хирурга. Таковых сейчас нигде не готовят, по крайней мере, в нашей стране. Как правило, тканевые инженеры это энтузиасты, которые поставили перед собой цель претворить сказку из детства в реальность. Пока общечеловеческая проблема, которой они занимаются, далека от разрешения. Ежегодно сотни тысяч людей по всему миру погибают от хронических заболеваний, так и не дождавшись спасительной пересадки донорского органа. Сегодня, видимо, уже не найдется ученых, которые стали бы отрицать, что тканевая инженерия это медицина будущего, успехи которой имеют колоссальное значение для всего человечества. Но вместе с тем сложно найти и такого специалиста, который безоговорочно призовет всех лечиться, прибегая к методам тканевой инженерии слишком уж много вопросов и нерешенных проблем стоит перед этой очень перспективной областью знаний.
Сайты по теме
www.celltranspl.ru Сайт «Клеточные технологии в медицине». Здесь же размещается электронный журнал «Клеточная трансплантология и тканевая инженерия».
www.gemabank.ru Сайт банка стволовых клеток «Гемабанк» посвящен теме хранения и использования пуповинной крови.
organprint.missouri.edu Сайт научной группы из Университета штата Миссури, США, посвященный напечатанным на специализированном принтере искусственным органам.
) — создание новых тканей и органов для терапевтической реконструкции поврежденного органа посредством доставки в нужную область опорных структур, молекулярных и механических сигналов для регенерации.
Описание
Обычные имплантаты из инертных материалов могут устранить только физические и механические недостатки поврежденных тканей. Целью тканевой инженерии является восстановление биологических (метаболических) функций, т. е. регенерация ткани, а не простое замещение ее синтетическим материалом.
Создание тканеинженерного имплантата (графта) включает несколько этапов:
- отбор и культивирование собственного или донорского клеточного материала;
- 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 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 направленного дифференцирования стволовых клеток костного мозга, пуповинной крови или жировой ткани. Затем полученные остеобласты (молодые клетки кости, отвечающие за ее рост) 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 . 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. металлов в тканевой инженерии используются для контроля роста клеток через воздействие 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 материалы, созданные с помощью метода (electron beam lithography, EBL), обеспечивают наноразмерную поверхности матриц для эффективного формирования костных имплантантов. Создание искусственных тканей и органов позволит отказаться от трансплантации большей части донорских органов, улучшит качество жизни и выживаемость пациентов.
Авторы
- Народицкий Борис Савельевич
- Нестеренко Людмила Николаевна
Источники
- Нанотехнологии в тканевой инженерии // Нанометр. -www.nanometer.ru/2007/10/16/tkanevaa_inzheneria_4860.html
- Стволовая клетка // Википедия, свободная энциклопедия.www.ru.wikipedia.org/wiki/Стволовые_клетки (дата обращения: 12.10.2009).
1. Введение
1.1 Предварительные сведения
1.2 Добыча клеток
2. Строительные леса
2.1 Материалы для строительных лесов
2.2 Углеродные нанотрубки
2.2.1 История открытия
2.2.2 Структура нанотрубки
2.2.3 Одностенные нанотрубки
2.2.4 Многостенные нанотрубки
2.2.5 Получение углеродных нанотрубок
3. Список литературы
1. Введение
Тканевая инженерия когда-то классифицировалась как подраздел биологических материалов, но, увеличившись по своим масштабам и важности ее можно рассматривать как раздел в своем собственном праве.
Ткани требуют определенных механических и структурных свойств для правильного функционирования. Термин «тканевая инженерия» также относится к коррекции выполнения конкретных биохимических функций с использованием клеток в искусственно созданной системе поддержки (например, искусственная поджелудочная железа, или искусственная печень). Термин «регенеративная медицина» часто используется как синоним тканевой инженерии, хотя в регенеративной медицине уделяется больше внимания использованию стволовых клеток для производства тканей.
клетка нанотрубка тканевый инженерия
1.1 Предварительные сведения
Обычно тканевая инженерия, как заявил Лангер и Ваканти, рассматривается как «междисциплинарная область, в которой применяются принципы инженерии и биологии для разработки биологических заменителей, что есть восстановление, сохранение или улучшение функции тканей или целого органа». Тканевая инженерия также была определена как «понимание принципов роста тканей, и их применение для производства функциональных заменителей тканей для клинического использования». В более подробном описании говорится, что «основное предположение о тканевой инженерии является то, что использование природных биологических систем позволит достичь большего успеха в разработке терапевтических методов, направленных на замену, ремонт, обслуживание, и/или расширение функции ткани».
1.2 Добыча клеток
Клетки могут быть получены из жидких тканей, такие как кровь, множеством способов, как правило, это центрифугирование?. Из твердых тканей клетки добывать труднее. Обычно ткань превращают в фарш, а затем переваривают с ферментами трипсина или коллагеназа для удаления внеклеточного матрикса, который содержит клетки. После этого клетки пускают в свободное плавание, и извлекают их как из жидких тканей. Скорость реакции с трипсином очень сильно зависит от температуры, а большие температуры наносят большой ущерб клеткам. Для коллагеназа нужны небольшие температуры, и, следовательно, здесь меньше потерь клеток, но реакция при этом занимает больше времени, а сам коллагеназ является дорогим реагентом.
2. Строительные леса
Клетки часто имплантируют в искусственные структуры, способные поддержать образование трехмерной ткани. Эти структуры называют строительными лесами.
2.1 Материалы для строительных лесов
Для достижения цели реконструкции ткани, строительные леса должны отвечать некоторым специфическим требованиям. Высокой пористостью и определенным размером пор, которые необходимы для содействия посева клеток и диффузии по всей структуре, как клеток, так и питательных веществ. Способность к биологическому разложению является часто существенным фактором, так как леса поглощаются окружающими тканями без необходимости хирургического удаления. Скорость, с которой происходит разложение, должна как можно больше совпадать со скоростью формирования тканей: это означает, что в то время, как изготовленные клетки создадут свою собственную природную матричную структуру вокруг себя, они уже в состоянии обеспечить структурную целостность в теле, и в конечном итоге строительные леса будут сломаны, оставив вновь образованную ткань, которая возьмет на себя механическую нагрузку.
Было исследовано множество материалов для строительных лесов (натуральных и синтетических, биоразлагаемых и постоянных). Большинство из этих материалов были известны в области медицины еще до появления в тканевой инженерии в качестве темы исследования, и уже использовались, например, в хирургии для наложения швов.
Чтобы разработать строительные леса с идеальными свойствами (биосовместимость, не иммуногенность, прозрачность, и т.д.), для них были спроектированы новые материалы.
Леса также могут быть построены из натуральных материалов: в частности, были изучены различные производные от внеклеточного матрикса и их способность поддерживать рост клеток. Белковые материалы, такие, как коллаген или фибрин, и полисахариды, такие, как хитозан или гликозаминогликан (ГАГ), подходящие с точки зрения совместимости, но некоторые вопросы все еще остаются открытыми. Функциональные группы лесов могут быть полезны в доставке малых молекул (лекарств) для конкретных тканей.
2.2 Углеродные нанотрубки
Углеродные нанотрубки -- это протяжённые цилиндрические структуры диаметром от одного до нескольких десятков нанометров и длиной до нескольких сантиметров, состоящие из одной или нескольких свернутых в трубку гексагональных графитовых плоскостей и заканчивающиеся обычно полусферической головкой, которая может рассматриваться как половина молекулы фуллерена.
2.2.1 История открытия
Как известно, фуллерен (C 60) был открыт группой Смолли, Крото и Кёрла в 1985 г., за что в 1996 г. эти исследователи были удостоены Нобелевской премии по химии. Что касается углеродных нанотрубок, то здесь нельзя назвать точную дату их открытия. Хотя общеизвестным является факт наблюдения структуры многостенных нанотрубок Ииджимой в 1991 г. Существуют более ранние свидетельства открытия углеродных нанотрубок. Так, например в 1974 -- 1975 гг. Эндо и др. опубликовали ряд работ с описанием тонких трубок с диаметром менее 100 нм, приготовленных методом конденсации из паров, однако более детального исследования структуры не было проведено. Группа ученых Института катализа СО АН СССР в 1977 году при изучении зауглероживания железохромовых катализаторов дегидрирования под микроскопом зарегистрировали образование "пустотелых углеродных дендритов", при этом был предложен механизм образования и описано строение стенок. В 1992 в Nature была опубликована статья, в которой утверждалось, что нанотрубки наблюдали в 1953 г. Годом ранее, в 1952, в статье советских учёных Радушкевича и Лукьяновича сообщалось об электронно-микроскопическом наблюдении волокон с диаметром порядка 100 нм, полученных при термическом разложении окиси углерода на железном катализаторе. Эти исследования также не были продолжены.
Существует множество теоретических работ по предсказанию данной аллотропной формы углерода. В работе химик Джонс (Дедалус) размышлял о свёрнутых трубах графита. В работе Л. А. Чернозатонского и другой, вышедшую в тот же год, что и работа Ииджимы, были получены и описаны углеродные нанотрубы, а М. Ю. Корнилов не только предсказал существование одностенных углеродных нанотруб в 1986 г, но и высказал предположение об их большой упругости.
2.2.2 Структура нанотрубки
Размещено на http://www.сайт/
Идеальная нанотрубка представляет собой свёрнутую в цилиндр графитовую плоскость, то есть поверхность, выложенную правильными шестиугольниками, в вершинах которых расположены атомы углерода. Результат такой операции зависит от угла ориентации графитовой плоскости относительно оси нанотрубки. Угол ориентации, в с
Свою очередь, задаёт хиральность нанотрубки, которая определяет, в частности, её электрические характеристики.
Упорядоченная пара (n, m), указывающих координаты шестиугольника, который в результате сворачивания плоскости должен совпадать с шестиугольником, находящимся в начале координат называется хиральностью нанотрубки и обозначается.
Другой способ обозначения хиральности состоит в указании угла б между направлением сворачивания нанотрубки и направлением, в котором соседние шестиугольники имеют общую сторону. Однако в этом случае для полного описания геометрии нанотрубки необходимо указать её диаметр. Индексы хиральности однослойной нанотрубки (m, n) однозначным образом определяют её диаметр D. Указанная связь имеет следующий вид:
где d 0 = 0,142 нм -- расстояние между соседними атомами углерода в графитовой плоскости.
Связь между индексами хиральности (m, n) и углом б даётся соотношением
Среди различных возможных направлений сворачивания нанотрубок выделяются те, для которых совмещение шестиугольника (n, m) с началом координат не требует искажения его структуры. Этим направлениям соответствуют, в частности, углы б = 0 (armchair конфигурация) и б = 30° (zigzag конфигурация). Указанные конфигурации отвечают хиральностям (n, 0) и (2m, m) соответственно.
2.2.3 Одностенные нанотрубки
Структура одностенных нанотрубок, наблюдаемых экспериментально, во многих отношениях отличается от представленной выше идеализированной картины. Прежде всего это касается вершин нанотрубки, форма которых, как следует из наблюдений, далека от идеальной полусферы.
Особое место среди одностенных нанотрубок занимают так называемые armchair-нанотрубки или нанотрубки с хиральностью (10, 10). В нанотрубках такого типа две из С-С связей, входящих в состав каждого шестичленного кольца, ориентированы параллельно продольной оси трубки. Нанотрубки с подобной структурой должны обладать чисто металлической структурой.
2.2.4 Многостенные нанотрубки
Многостенные (multi-walled) нанотрубки отличаются от одностенных значительно более широким разнообразием форм и конфигураций. Разнообразие структур проявляется как в продольном, так и в поперечном направлении.
Структура типа «русской матрёшки» (russian dolls) представляет собой совокупность коаксиально вложенных друг в друга цилиндрических трубок. Другая разновидность этой структуры представляет собой совокупность вложенных друг в друга коаксиальных призм. Наконец, последняя из приведённых структур напоминает свиток (scroll). Для всех структур характерно значение расстояния между соседними графитовыми слоями, близкое к величине 0,34 нм, присущей расстоянию между соседними плоскостями кристаллического графита.
Реализация той или иной структуры многостенных нанотрубок в конкретной экспериментальной ситуации зависит от условий синтеза. Анализ имеющихся экспериментальных данных указывает, что наиболее типичной структурой многостенных нанотрубок является структура с попеременно расположенными по длине участками типа «русской матрёшки» и «папье-маше». При этом «трубки» меньшего размера последовательно вложены в трубки большего размера.
2.2.5 Получение углеродных нанотрубок
Развитие методов синтеза углеродных нанотрубок (УНТ) шло по пути снижения температур синтеза. После создания технологии получения фуллеренов было обнаружено, что при электродуговом испарении графитовых электродов наряду с образованием фуллеренов образуются протяженные цилиндрические структуры. Микроскопист Сумио Ииджима, используя просвечивающий электронный микроскоп (ПЭМ) первым идентифицировал эти структуры, как нанотрубки. К высокотемпературным методам получения УНТ относятся электродуговой метод. Если испарить графитовый стержень (анод) в электрической дуге, то на противоположном электроде (катоде) образуется жесткий углеродный нарост (депозит) в мягкой сердцевине которого содержатся многостенные УНТ с диаметром 15-20 нм и длиной более 1 мкм. Формирование УНТ из фуллереновой сажи при высокотемпературном тепловом воздействии на сажу впервые наблюдали Оксфордская и Швейцарская группа. Установка для электродугового синтеза металлоемка, энергозатратна, но универсальна для получения различных типов углеродных наноматериалов. При этом существенной проблемой является неравновесность процесса при горении дуги. Электродуговой метод в свое время пришел на смену метода лазерного испарения (абляции) лучем лазера. Установка для абляции представляет собой обычную печь с резистивным нагревом, дающую температуру 1200С. Чтобы получить в ней более высокие температуры, достаточно поместить в печь мишень из углерода и направить на нее лазерный луч, попеременно сканируя всю поверхность мишени.
Т.о. группа Смолли, используя дорогостоящие установки с короткоимпульсным лазером, получила в 1995 г. нанотрубки, "значительно упростив" технологию их синтеза. Однако, выход УНТ оставался низким. Введение в графит небольших добавок никеля и кобальта позволило увеличить выход УНТ до 70-90%. С этого момента начался новый этап в представлении о механизме образования нанотрубок. Стало очевидным, что металл является катализатором роста. Так появились первые работы по получению нанотрубок низкотемпературным методом - методом каталитического пиролиза углеводородов (CVD), где в качестве катализатора использовались частицы металла группы железа. Один из варианов установки по получению нанотрубок и нановолокон CVD методом представляет собой реактор, в который подается инертный газ-носитель, уносящий катализатор и углеводород в зону высоких температур. Упрощенно механизм роста УНТ заключается в следующем. Углерод, образующийся при термическом разложении углеводорода, растворяется в наночастице металла.
При достижении высокой концентрации углерода в частице на одной из граней частицы-катализатора происходит энергетически выгодное "выделение" избыточного углерода в виде искаженной полуфулереновой шапочки. Так зарождается нанотрубка. Разложившийся углерод продолжает поступать в частицу катализатора, и для сброса избытка его концентрации в расплаве нужно постоянно избавляться от него. Поднимающаяся полусфера (полуфуллерен) с поверхности расплава, увлекает за собой растворенный избыточный углерод, атомы которого вне расплава образуют связь С-С представляющую собой цилиндрический каркас-нанотрубку. Температура плавления частицы в наноразмерном состоянии зависит от ее радиуса. Чем меньше радиус, тем ниже температура плавления. Поэтому, наночастицы железа, с размером порядка 10 нм находятся в расплавленном состоянии ниже 600С. На данный момент осуществлен низкотемпературный синтез УНТ методом каталитического пиролиза ацетилена в присутствии частиц Fe при 550С. Снижение температуры синтеза имеет и негативные последствия. При более низких температурах получаются УНТ с большим диаметром (около 100 нм) и сильно дефектной структурой типа "бамбук" или вложенные наноконусы. Полученные материалы только состоят из углерода, но к экстраординарным характеристикам (например, модуль Юнга) наблюдаемым у одностенных углеродных нанотрубок, получаемых методом лазерной абляции или электродуговым синтезом, они даже близко не приближаются.
3. Список литературы
Лангер, Ваканти JP (май 1993). "Тканевая инженерия". Наука 260 (5110): 920 6. DOI: 10.1126/science.8493529. PMID 8493529.
Б Макартур BD, Oreffo RO (январь 2005 г.). "Преодоление разрыва". Природа 433 (7021): 19. DOI: 10.1038/433019a. PMID 15635390.
Подобные документы
Понятие и сущность биотехнологии, история ее возникновения. Основные направления и методы биотехнологии. Генная и клеточная инженерия. "Три волны" в создании генно-модифицированных растений. Трансгенные животные. Методы иммобилизации ферментов и клеток.
реферат , добавлен 11.01.2013
Клеточная инженерия как совокупность методов, используемых для конструирования новых клеток, история ее развития. Методы выделения протопластов. Описание способов культивирования протопластов: метод жидких капель и платирования. Соматическая гибридизация.
презентация , добавлен 28.02.2014
Использование клеток, не существовавших в живой природе, в биотехнологических процессах. Выделение генов из клеток, манипуляции с ними, введение в другие организмы в основе задач генной инженерии. История генной инженерии. Проблемы продуктов с ГМО.
презентация , добавлен 21.02.2014
Искусственный фотосинтез как новый источник энергии. Искусственный фотосинтез в суперкомпьютере. Улучшение фотосинтеза нанотехнологиями. Обеспечение сверхурожая с помощью ускорения процесса фотосинтеза. Внедрение углеродных нанотрубок в хлоропласты.
презентация , добавлен 11.11.2014
Химический состав клеток, функции внутриклеточных структур, функции клеток в организме животных и растений, размножение и развитие клеток, приспособления клеток к условиям окружающей среды. Положения клеточной теории по М. Шлейдену и Т. Шванну.
презентация , добавлен 17.12.2013
Промышленное использование биологических процессов на основе микроорганизмов, культуры клеток, тканей и их частей. История возникновения и этапы становления биотехнологии. Основные направления, задачи и методы: клонирование, генная и клеточная инженерия.
презентация , добавлен 22.10.2016
Возникновение молекулярной биотехнологии. История проблемы биологического кода. Политика в области генной терапии соматических клеток. Накопление дефектных генов в будущих поколениях. Генная терапия клеток зародышевой линии. Генетика и проблема человека.
реферат , добавлен 25.09.2014
Методы культивирования соматических клеток человека и животных на искусственных питательных средах как предпосылка к развитию клеточной инженерии. Этапы соматической гибридизации. Перенос генетического материала. Происхождение трансгенных растений.
реферат , добавлен 23.01.2010
Основные методы биотехнологии. Размножение организмов с интересующими человека свойствами с помощью метода культуры клеток. Особенности применения методов генной инженерии. Перспективы метода клонирования. Технические трудности применения методов.
презентация , добавлен 04.12.2013
Основные функции бокаловидных клеток как клеток эпителия слизистой оболочки кишечника и других органов позвоночных животных и человека. Форма клеток и особенности их локализации. Секрет бокаловидных клеток. Участие бокаловидных клеток в секреции слизи.
