+7 (495) 226-95-57
E-mail: limbt@list.ru
Лаборатория инновационных биомедицинских технологий 
  English О нас | Онкология | Перспективные исследования | Патенты | Контакты  
Рак лёгких | Меланома | Стволовые клетки и рак | Офтальмология | Инсульт  

 Главная
 Лечение рака
 Биология опухолей
 Альтернативное лечение рака
 Ишемия нижних конечностей
 Крионика
 Лечение инсульта
 Лечение облысения
 Стволовые клетки
 Технологии
 Исследования
 Лечение детских травм
 Контакты
 *** Cancer treatment

 Руководитель Лаборатории Ковалёв А.В.

 Наши комментарии

 Проблемы создания биоискусственных органов на примере трахеи

Одним из реальных и интересных направлений для выращивания генетически идентичных органов для конкретного человека-реципиента является стратегия использования беременности у животных. Известно явление иммунологической толерантности. Если эмбрионам или плодам животных ввести генетически чужеродные клетки или ткани, то даже при ксеногенной трансплантации от животных других видов, в том числе от человека, эти трансплантаты не будут отторгаться. Ученые пошли дальше и показали, что пересаженные в эмбрион животного чужие клетки могут принять участие в развитии и формировании органов, становясь их частью.

Первые шаги в этом направлении уже сделаны несколькими группами исследователей. Под руководством Исмаила Занджани из университета Невады в США ученые взялись не за свиней, чьи органы считают максимально подходящими для пересадки человеку, а за овец, в основном известных благодаря клонированию, интересен факт, что человеку впервые была перелита кровь именно от барана. Столетия назад выбор овцы в качестве донора был обусловлен безропотностью этих животных. Занджани так же учел полученные результаты американского профессора Алана Флэйка, который несколькими годами ранее показал, что популяция человеческих клеток из костного мозга (речь шла о, так называемых, мезенхимальных стволовых клетках), может быть извлечена из костного мозга, и пересажена эмбрионам овцы, при этом они как бы приживаются в овцах и становятся частью органов, например, сердца, кожи и так далее.

Алан Флэйк (Alan W. Flake)
Алан Флэйк (Alan W. Flake), Director of the Children’s Institute for Surgical Science and the Pediatric Surgery Residency Training Program Director at the Children’s Hospital of Philadelphia and is a Professor of Surgery and Obstetrics and Gynecology at the University of Pennsylvania School of Medicine

Жан-Батист Дени (Jean-Baptiste Denys)
Первое документально подтвержденное переливание крови человеку было осуществлено во Франции 15 июня 1667 года Жан-Батистом Дени (Jean-Baptiste Denys), выдающимся врачом короля Людовика XIV. Он перелил кровь от овцы 15 -летнему мальчику, который благополучно пережил эту процедуру. Дени затем провел еще одно благополучно завершившееся переливание овечьей крови разнорабочему.

Лаборатория Занджани получила от государства на создание химеры овцы с человечески-ми клетками   9,8 миллионов долларов.На работу и отработку метода ушло 7 лет.  Техно-логически химера получалась следующим образом: в эмбрион впрыскивалась суспензия стволовых клеток взрослого человека, полученная в лаборатории из костного мозга этого же человека.

Исмаил Занджани (Esmail Zanjani)
Исмаил Занджани (Esmail Zanjani), профессор Университета Невады

Химеры человека-овцы
У рожденных от овцы химер человека-овцы, печень состояла на 85% из клеток с геномом овцы и только на 15% — из клеток человека. К пересадке человеку пока такая печень не пригодна, но уже может вырабатывать человеческие альбумины крови. Сейчас Занджани с коллегами пытается понять, какие типы стволовых клеток лучше подходят для формирования определённых видов ткани, и стремится увеличить долю клеток человека в организме животных. Такая технология получила определение, как выращивание «гуманизированных» органов.

Выращивание органов внутри свиней в Японии
В Японии развитие таких технологий обеспечено всесторонней поддержкой государства. Профессор Хироши Нагашима экспериментирует с двумя породами свиней (альбиносами и черной окраски). Ему уже удалось создать химеры свиней двух пород.

Хироши Нагашима (Hiroshi Nagashima)
Хироши Нагашима (Hiroshi Nagashima), профессор Университета Мэйдзи (Япония)

Ученые под руководством Нагашимы пытаются пойти дальше и вживить в лабораторных условиях человеческие плюрипотентные стволовые клетки в ранние эмбрионы свиней, создавая подобным образом химер в пробирке.


Затем химерные эмбрионы переносятся свинье в матку для дальнейшего развития, подобным же образом проводят имплантацию эмбриона человека в медицине при экстракорпоральном оплодотворении. Когда плод разовьется, родится поросенок с человеческой частью органа и дорастет до такого размера, когда его «гуманизированные» органы могут быть трансплантированы в человеческое тело.

Хиро Накаучи (Hiro Nakauchi)
Хиро Накаучи (Hiro Nakauchi), профессор Токийского университета

В лаборатории Токийского университета, профессор Хиро Накаучи работает с лабораторными грызунами разных цветов — белыми мышами и бурыми крысами. Им создается, вероятно, более перспективная технология выращивания органов для трансплантации. Он извлекает клетки кожи от взрослой бурой крысы. Затем использует методы генной инженерии и превращает эти клетки кожи взрослой крысы в индуцированные плюрипотентные стволовые клетки (IPS), которые затем пересаживает эмбрионам белых мышей.


Накаучи удалось с помощью этих плюрипотентных клеток вырастить в эмбрионе белой мыши поджелудочную железу коричневый крысы. Он надеется разработать методику, позволяющую взять клетки кожи от взрослого человека, в лаборатории превратить их в плюрипотентные стволовые клетки, которые можно будет трансплантировать в эмбрион свиньи и вырастить внутри свиньи идеально подходящий орган для человека его же генотипа.



Джордж Макдональд Чёрч (George M. Church)
Джордж Макдональд Чёрч (George M. Church) американский генетик, молекулярный инженер и химик, один из основателей компании eGenesis (Бостон, США)

Использование ксеногенных (от других видов) органов в медицине для человека сегодня не желательно, так как сопряжено с высоким риском инфицирования человека опасными вирусами животных, особенно той их части, генотипы которых встроены в геном этих потенциальных доноров. Впервые в истории науки в генетической лаборатории Джорджа Чёрча удалось в ходе одного эксперимента изменить-разрушить 62 чужих гена (встроенных генов эндогенных вирусов) у эмбрионов свиней. Важность работы в том, что ранее не существовало эффективных методов удаления или нейтрализации эндогенных вирусов. Выращенные в условиях, близких к гнотобиологической изоляции, свиньи становятся пригодными для трансплантологии. Этот источник органов для трансплантации   может быть создан, в том числе и благодаря новейшей системе CRISPR/Cas9, примененной Чёрчем для редактирования более 20 генов белков клеточной поверхности у свиней, которые вызывают иммунный ответ в организме человека и провоцируют свертывание крови.


Биотехнологическая компания eGenesis (Бостон, США), одним из основателей которой является Чёрч, пытается создать генетически модифицированных свиней, органы которых пригодны для пересадки человеку, или самих свиней можно использовать для выращивания в их телах человеческих органов, а также снизить стоимость получения таких животных.

 

БИОИСКУССТВЕННЫЕ ОРГАНЫ


Ученым удалось вырастить в лаборатории годные для пересадки человеческие легкие. Когда подобные операции встанут на поток? Об этом в интервью программе "Утро России" рассказал руководитель Лаборатории инновационных биомедицинских технологий Алексей Ковалев >>>>

Понятие о биоискусственном органе. Классификация

Общепринятого определения, что же такое биоискусственный орган пока нет. В англоязычной литературе не определена даже правильность написания слова «биоискусственный», используют два разных варианта: «bioartificial» или «bio-artificial». Смысл термина очевидно будет постепенно проясняться, дополняться и уточняться.

Попробуем разобраться и предложить свое определение. Термин «Орган» устоявшийся, и определен достаточно точно — это часть организма, представляющая собой эволюционно сложившийся комплекс тканей, объединенный общей функцией, структурной организацией и развитием.

«Биоискусственный» — сложное слово, состоящее из двух корней. 

«Биос» (от греч. βίος) — жизнь, и слова «искусственный». Которое имеет значение: не природный, сделанный человеком наподобие подлинного, или вместо природного, подлинного. В смысле —- связанный с сознательной деятельностью человека, обусловленный такой деятельностью.Поскольку самой основной и минимально необходимой единицей строения и жизнедеятельности всех тканей, органов и организмов является клетка, то сегодня определение понятия «Биоискусственный орган» может быть следующим.

Биоискусственный орган – это созданный человеком сложный объект, эквивалентный (равнозначный, равноценный, равносильный, соответствующий, заменяющий) целому органу или определенной части организма, собранный из различных составляющих, наиболее значимой и обязательной в устройстве из которых являются живые клетки.

Сегодня появляются технические возможности, позволяющие рассматривать живые анатомические части тела человека, как объект для особого высокотехнологичного промышленного (биотехнологиче-ского) производства. Анализ создаваемых в современном мире конструкций с участием живых клеток позволяет выделить две основные стратегии создания и, соответственно, 3 типа биоискусственных органов.

Классификация биоискусственных органов по строению:

  1. Биоискусственный орган-ассистент.
  2. Полноценный биоискусственный (идентичный органу с нормальным строением).
  3. Биоискусственная матрица (каркас) органа, несущая живые клетки.

1. Биоискусственный орган-ассистент

Биоискусственный орган-ассистент — это конструктивно законченная техническая система, предназначенная для поддержания жизнедеятельности организма человека, главной составляющей, которой, несущей основную функциональную нагрузку, являются живые клетки.

Известно, что печень удаляет из крови токсины и производит до 1000 белков, метаболитов и иных необходимых веществ. В отличие от ряда других жизненно важных органов человека, печень способна к интенсивной регенерации, при этом форма печени не восстанавливается, но неповрежденная часть быстро увеличивается в размере, достигает массы нормального органа и полностью восстанавливает свои функции. Такой способ восстановления носит название регенерационной гипертрофии. Однако при серьезном повреждении этого органа, когда происходит выключение или резкое ослабление функций печени, токсины, образующиеся в ходе жизненных процессов, без своевременной инактивации печенью накапливаются в крови и поражают в первую очередь мозг. В таком состоянии человек достаточно быстро впадает в печеночную кому и гибнет. Поэтому печень часто не может реализовать свою уникальную способность к самовосстановлению. Если временно с помощью тех или иных технических решений помочь поврежденной печени, то многих больных можно было бы попытаться спасти или хотя бы существенно продлить их жизнь. Почти 40 лет назад был придуман метод временного экстракорпорального (вне тела) подключения донорской печени животного к системе кровообращения человека с патологией печени. Забивалось животное (чаще свинья), быстро извлекалась в стерильных условиях печень животного, с помощью специальных растворов из ее сосудов вымывалась кровь свиньи. Затем, таким образом подготовленный, но совершенно чужой для человека орган, подключался к системе кровообращения человека, для этого подшивали артерию и вену с ноги или руки больного к сосудам печени, таким образом, что через печень прогонялась человеческая кровь. То есть, больной человек лежал рядом с извлеченным органом забитой свиньи, и эта часть тела погибшего животного спасала жизнь человеку, очищая его кровь. Обычно такая процедура могла продолжаться не более 2 часов. За такое короткое время работы подключённого органа различия в антигенных свойствах между животным и человеком не успевали проявиться в опасной для жизни человека степени.

Зарубежные средства массовой информации почему-то утверждают и вводят всех в за-блуждение, что история биоискусственных органов началась с изобретения Кеннетом Матсумурой своего устройства.

Кеннет Матсумура (Kenneth Matsumura)
Кеннет Матсумура (Kenneth Matsumura)

Биоискусственная печень Матсумуры
Биоискусственная печень Матсумуры

Матсумура сконструировал устройство, которое так же подключалось хирургическим путем к системе кровообращения больного, но вместо целой печени от животного использовались только печеночные клетки, выделенные и помещенные в специальную колонку (основные клетки печени — гепатоциты). Многие ошибочно считают, что Матсумура использовал клетки из печени свиньи, однако, первоначально в роли доноров гепатоцитов для устройства все же были использованы кролики.

Справедливости ради надо подчеркнуть, что Кеннет Матсумура на самом деле далеко не первый создатель биоискусственной печени. Проблемой экстракорпоральной поддержки печени живыми структурами занимался целый ряд серьезных исследователей и известных лабораторий, например, почетный профессор Университета Колорадо Бен Айзмен, который сформулировал основные принципы создания подобных устройств.

Бен Айзмен (Ben Eiseman)
Бен Айзмен (Ben Eiseman) почетный профессор хирургии и медицины

В 1973 году им с соавторами (Soyer T., Lempinen M.) была опубликована работа в журнале Анналы хирургии (In vitro extracorporeal liver slices and cell suspensions for temporary hepatic support), раскрывающая возможности временного поддержания функций печени (Extracorporeal Hepatic Support) за счет внешнего устройства, подключенного к системе кровообращения пациента, и содержащее функционирующие тонкие срезы живой ткани печени и клеточные суспензии живых гепатоцитов.

В 1976 году в СССР была подана заявка на получение авторского свидетельства на изобретение «Способ детоксикации организма при печеночной недостаточности» коллек-тивом ученых Второго Московского Государственного Ордена Ленина медицинского ин-ститута им. Пирогова и Московского городского ордена Ленина и ордена Трудового Красного Знамени НИИ скорой помощи им. Н.В. Склифосовского.

Бруслик Владимир Григорьевич
Бруслик Владимир Григорьевич доктор медицинских наук, руководитель Лаборатории клинической гепатологии института гастроэнтерологии МЗ РФ

Островерхов Василий Георгиевич
Островерхов Василий Георгиевич кандидат медицинских наук, старший преподаватель кафедры оперативной хирургии и топографической анатомии РГМУ

Малюгин Эдуард Федорович
Малюгин Эдуард Федорович доктор медицинских наук, профессор, заведовал лабораторией гепатологии МКЛ РГМУ

Шиманко Илья Исаакович
Шиманко 
Илья Исаакович доктор медицинских наук, профессор, заслуженный деятель науки РФ, руководил Научно-клинической лабораторией лечения острой печеночно-почечной недостаточности (ЛОППН)
 

Изобретенный способ детоксикации организма человека при печеночной недостаточности заключался в пропускании крови пациента и диализирующей жидкости по системе аппарата «искусственная почка», но отличался от этого известного устройства тем, что с целью компенсации утраченных функций и повышения обменных и репаративно-восстановительных процессов в печени, в качестве диализирующей жидкости используют взвесь изолированных клеток печени, причем для лечения больных с острой и хронической печеночной недостаточностью предлагалось использовать, как аллогенные, так и ксеногенные гепатоциты.

Сегодня пока еще не доступна эта высокоэффективная медицинская технология лечения острой печеночной недостаточности для подавляющего большинства пациентов. Ежегодно во всем мире свыше 1.500.000 человек гибнет от печеночной недостаточности. Поэтому высока актуальность создания новых биологических устройств, которые могли бы спасти от печеночной комы и продлить человеку жизнь после разрушения критического количества клеток печени. С помощью биоискусственной печени больной сможет либо дожить до момента трансплантации ему чужой и здоровой печени от донора, либо, что более привлекательно, самостоятельно за счет внутренних ресурсов организма восстановить разрушенную печень путем регенераторной гипертрофии (способа спонтанной регенерации печени, свойственного в том числе и человеку). Во втором случае больной получает шанс продолжить полноценно жить дальше со своей же собственной обновленной и снова хорошо работающей печенью.

Уже создано, как минимум, 7 наиболее известных вариантов биоискусственных органов-ассистентов печени, прошедших клиническую апробацию, которые не только адсорбируют токсины из плазмы крови, но и участвуют в метаболизме, регуляции и биологическом синтезе. При создании органа-ассистента реализована идея объединения метода клеточных культур с аппаратами для экстракорпоральной (вне тела) очистки крови. На языке науки это иногда называется гибридными экстракорпоральными системами детоксикации крови больного, в перфузионном контуре которых одновременно культивировалась суспензия донорских гепатоцитов с разными сроками сохранения жизнеспособности и биорегуляторного воздействия. Важнейшая часть таких устройств — биореактор, который выполняется в виде сменного блока (картриджа), в этом блоке должна быть обеспечена жизнедеятельность специализированных клеток и подача крови больного. Выбор идеального источника клеток и дизайн более сложных конструкций биореакторов — основные вопросы в этой области новых исследований. Несмотря на несовершенство органов-ассистентов печени в 2004 году в ряде клинических испытаний было показано, что такие устройство сокращают смертность примерно наполовину в случаях острой печеночной недостаточности. Вероятно, что в будущем и трансплантация биоискусственной печени будет проводиться на фоне временного подключения печени-ассистента.

Система ELAD была единственным на момент своего создания биоустройством, которое позволяло проводить непрерывное лечение больных с печеночной недостаточностью, 24 часа в день непрерывно на протяжении 10 дней. Считается закрытой системой, особенностью является подключение к системному кровотоку больного человека через катетер, вводимый в вену на шее.

В качестве клеточной биомассы в этом варианте конструкции биоискусственной печени была использована известная линия опухолевых клеток C3A. Это клетки гепатокарциномы человека, выделенная первоначально из тела больного раком печени.

Доктор Тодд Фредерик (Todd Frederick)
Доктор Тодд Фредерик (Todd Frederick) с пациентом, подключенным к биоискусственной печени

Внутреннняя рабочая часть биореактора ELAD-системы
Внутреннняя рабочая часть биореактора ELAD-системы

Схема устройства ELAD-системы
Схема устройства ELAD-системы

В этом устройстве после того, как первоначально профильтруется кровь, отделенная плазма крови про-ходит через картриджи, заполненные клетками в биореакторе ELADа. Учитывая, что клетки в картриджах злокачественные, они недостаточно полноценны, поэтому не все функции печени могут быть замещены таким образом (клеточная линия C3A выполняет около 100 функций, в том числе регулирование метаболизма билирубина, детоксикация крови, производство факторов свертывания крови и целого ряда других важных белков). Тем не менее, не происходит эффективной утилизации аммиака, клетки гепатокарциномы производят альфа-фетопротеин в избыточных количествах. 

Авторство конструкции первой биоискусственной почки принадлежит американцу Дэвиду Хьюмсу (David Humes), ученому Мичиганского университета, которому удалось за десять с небольшим лет создать работающий прототип. Хьюмс обосновал превосходство своей технологии над сугубо искусственными устройствами — аппаратами для временного замещения выделительной функции почек, поскольку современные диализные аппараты выполняют не более 13 % почечной функции.

Дэвид Хьюмс (David Humes)
Дэвид Хьюмс (David Humes) профессор внутренних болезней медицинской школы университета Мичигана


Вид основной рабочей части биоискусственной почки
Вид основной рабочей части биоискусственной почки (Renal Assist Device RAD)

«Биоискусственная почка» представляет собой пластиковый картридж трубчатой формы, внутри которого, в 4 тысячах полимерных волокнах, располагается один миллиард живых почечных клеток.

Схема устройства
Схема устройства

Большая часть пациентов с полностью отказавшими почками погибает, не дождавшись этого органа от донора. Причем, как и в случае с печенью, летальный исход наступает из-за невозможности компенсировать многочисленные метаболические функции почек, даже при успешном замещении основной — выделительной функции при помощи диализа для очищения крови. Однако в Детской Больнице (Children’s Hospital) города Бостона, США, уже были проведены первые краткие испытания Renal Assist Device «RAD». Благоприятные результаты испытаний позволяют надеется, что диагноз «отказ почек» в будущем перестанет быть смертным приговором.
Благодаря «биосинтетической почке», или правильнее называть — биоискусственной почке, выжили шестеро из десяти пациентов, шансы выжить которых врачи оценивали на уровне 10–20%. Фактически эта конструкция оказалась вполне работоспособной и напоминала живую почку, упакованную в пластиковую трубку. 

Сейчас усовершенствованием биоискусственной почки конструкции Дэвида Хьюмса занимается компания Nephros Therapeutics, созданная учеными из Мичиганского университета. Сотрудники компании надеются, что окончательный вариант такого устройства будет готов уже через три года. Самым сложным и, возможно, главным вопросом при создании таких и подобных биоискусственных органов — откуда же брать живые и специализированные клетки. Хьюмс и его коллеги из Nephros сейчас используют человеческие клетки, полученные из донорских органов, которые были признаны непригодными для обычных трансплантаций почек. Выделение клеток почечных канальцев нужной степени дифференцировки из почек людей со смертью мозга и формирование из них в лабораторных условиях готовых канальцев, аналогичных почечным в здоровом органе, очень непростые задачи.

Щуво Рой (Shuvo Roy)
Щуво Рой (Shuvo Roy), биоинженер, профессор школы фармакологии, кафедры биоинженерии и терапии, университета Калифорнии (США)

2. Биоискусственный новый (запасной) орган

Поясним разницу, что новый — это появившийся или возникший недавно, взамен прежнего, а запасной — действующий, исполняющий свои обязанности в случае какой-либо нужды, необходимости. Итак, биоискусственный новый или запасной орган — это продукт биотехнологий — живой, биосовместимый эквивалент определенной части организма (заменяющий стареющую, патологически измененную или утраченную часть тела), созданный из клеток и биологических структур (веществ), максимально полно восстанавливающий функции и нормальную структуру (анатомию) тела индивида, способен к полноценной интеграции в организм реципиента, обладает способностями к регенерации и адаптации, функционирует на протяжении жизни реципиента.

Идея создания новых биоискусственных органов порождена новым вектором развития медицины, направленным на увеличение продолжительности жизни человека, а именно проблема замены органов при истощении ресурса их работы. Возникла возможность поиска технических решений продления «срока службы» органов: почек, сердца, печени и других органов. 


Главная | Биоискусственные органы | Регенеративная медицина | Меланома | Рак молочной железы | Рак легких | Контакты  

© 2008–2016, Лаборатория инновационных биомедицинских технологий
Приём пациентов проходит по адресу: Москва, Каширское шоссе, дом 12
Тел.: +7 (495) 226–95–57
© 2008–2016, Laboratory of Innovative Biomedical Technologies
Phone: +7 (495) 226-95-57
Электронная почта: limbt@list.ru
Яндекс.Метрика Индекс цитирования