Сотрудники института молекулярной биологии Центра Алмазова занимаются сборкой «конструкторов», деталями которого являются живые клетки. Для этого они применяют сложные химические реакции, полимерные каркасы и даже 3D принтер. Цель – создать ткани или целые органы для трансплантации человеку. О современных методах тканевой инженерии и ее практическом применении рассказала директор Института молекулярной биологии и генетики, к. м. н. Анна Александровна Костарева.
— Анна Александровна, какие на сегодняшний день существуют методы тканевой инженерии и в чем они заключаются?
— Начну, пожалуй, с того, что существует достаточно много методов, которые за последнее время апробировались различными лабораториями и надо сказать, что идеального пока никто не нашел… Ну, наверное, потому что все органы и системы у нас очень резные. Я расскажу об основных трех методах создания искусственных тканей.
1 метод – из органов животного или человека (донора), путем химических реакций удаляются все клетки и заселяются новые. Это делается для того, чтобы избежать иммунного конфликта при пересадке полученной ткани человеку. Этот метод очень трудоемкий, требует большого объема лабораторной работы, к тому же не всегда безопасен.
2 метод – это создание химических каркасов (скаффолдов) на основе полимерных материалов. Этот способ сейчас широко развивается. Ученые изучают, какие полимерные материалы являются для этой цели оптимальными. А для каждого органа такой полимерный материал должен быть свой, потому что функциональные свойства у них отличаются. Поверх подходящего полимера можно либо в лаборатории заселять какие-то клетки и сразу трансплантировать этот фрагмент пациенту, либо вживлять в организм чистый полимерный материал и ждать, когда клетки сами там заселятся.
3 метод – несмотря на то, что пока это направление имеет больше научный характер, оно сейчас очень активно развивается. Речь идет о 3D принтинге. На основе этих полимерных носителей специалисты печатают объемные модели органов. Дальше в лаборатории происходит их максимальное заселение клетками разного типа. И как бы извне создают целый орган с клеточной основой, таким образом вживляют его в организм.
— Какова цель создания искусственных тканей и органов?
— Есть ряд клинических ситуаций, где требуется замещение одного органа или ткани другим. Это могут быть, например, сосуды у человека, когда они поражены атеросклерозом. Или, когда при аортокоронарном шунтировании требуется много сосудов, а у человека их взять неоткуда (в силу анатомических или физических особенностей). Потребность может возникнуть при врожденных состояниях. Например, врождённая патология трахеи или мочевыводящего канала (когда ребенок рождается без этого органа), либо это какие-то травматические ситуации, при которых требуется восстановление органа.
— А чем занимается ваша лаборатория?
— Мы в Центре Алмазова занимаемся созданием искусственных сосудов, поскольку данная область непосредственно связана с кардиологией (основным направлением Центра). Обычно для этого используют собственные сосуды. Если же человек пожилой, и у него уже поражены сосуды или просто анатомически пригодных сосудов не очень много – возникает их дефицит для проведения операции на сердце.
Иногда это касается не только сердца, зачастую речь идет о нижних конечностях и других пораженных сосудах (ведь проблема атеросклероза очень актуальна). Здесь тоже появляется необходимость в искусственных сосудах.
Подходы по созданию искусственных сосудов мы сейчас тестируем совместно с различными ведущими учреждениями в стране в области полимерных материалов, в частности, с Томским Политехническим Университетом. В этой работе задействованы специалисты не только в области биологии и медицины, но и химии, биохимии и химии полимеров. Вторым этапом идут клеточные исследования.
— Какими свойствами должен обладать искусственный биоматериал?
— Он не должен вызывать реакцию отторжения, именно поэтому если берутся биологические материалы от животных или от других людей, то из них удаляются все ткани, которые могут вызвать иммунный ответ. Кроме этого, необходимо чтобы искусственный биоматериал был достаточно прочными. В идеале он по своим физическим свойствам должен приближаться к той ткани, которую мы замещаем (растяжение эластичность, жесткость, плотность).
В зависимости от конкретных потребностей создается искусственный или постоянный биоматериал. Если, например, необходим сосуд, который будет стоять у человека всю жизнь, то мы должны сделать его из такого материала, который никогда не растворится и не исчезнет в организме. А есть такие вещества, которые со временем должны в организме рассосаться. Они применяются, например, в ортопедии – в протезировании костных дефектов. Создается матрица из химического вещества, в которую заселяются клетки. В результате идет активное восстановление ткани и после его завершения сама матрица больше не нужна.
— А каковы перспективы применения искусственного биоматериала?
— Я думаю, что в итоге останутся только те ниши применения, когда возможности науки будут адекватны клинической необходимости. Тогда это перейдет в разряд медицинской технологии, а не только научных исследований.
— Какие сейчас используются новые технологии для продвижения исследований?
— Ну прежде всего, это все что связно со стволовыми клетками. Необходимо чтобы клетки шли в нужном направлении, становились определенно заданными клетками, выполняющими свои функции. А стволовая клетка как раз обладает универсальными свойствами – она может становиться практически любой клеткой организма. Запуск нужной клеточной программы является наиболее сложной задачей в исследовании стволовых клеток.