Биоинженерные сосуды успешно прошли клинические испытания

Обновлено: 16.06.2024

90% людей, которые ожидают трансплантации, нуждаются в пересадке почки, и лишь 35% из них могут рассчитывать на то, что получат донорскую почку в течение пяти лет. А это означает, что многие из тех, кого можно было бы спасти, — погибают. Определенные надежды медики возлагают на регенеративную медицину. И действительно, возможно, в течение нескольких ближайших лет появятся технологии, благодаря которым удастся значительно улучшить качество жизни таких пациентов.

Регенеративная медицина кажется молодой наукой, рождающейся на наших глазах, но свой отсчет она ведет с 1938 года, когда была опубликована книга нобелевского лауреата Алексиса Карреля и Чарльза Линдсберга «Культура органов». Каррель разработал методы трансплантации сосудов, а совместно с Линдсбергом — перфузионный насос, поддерживающий жизнеспособность органа вне тела при операциях, например на открытом сердце. Довольно долго ученые не могли подступиться к решению задачи создания искусственных органов — из-за недостаточного уровня развития технологий. За последние пару десятилетий были созданы биосовместимые материалы с определенными свойствами, биологи научились выращивать в нужном количестве клетки и ткани важнейших органов человека.

Но и сегодня остается ряд проблем, которые, несмотря на значительные успехи, все еще не удается преодолеть.

Энтони Атала — практикующий хирург-уролог, заведующий отделением урологии Медицинской школы Уэйк Форест, директор Института регенеративной медицины Уэйк Форест, США. Он координирует работу более 300 врачей и исследователей; под его руководством разработано 10 новых методов лечения, которые разрешены к применению в клиниках США. Энтони Атала два года назад уже приезжал в нашу страну по приглашению устроителей второго международного научно-популярного фестиваля фонда «Династия». В своем выступлении он рассказывал о новейших достижениях в области регенеративной медицины. И вот на днях доктор Атала вновь посетил Москву, уже по приглашению РАМН.

— Почка — очень сложный орган: здесь происходят фильтрация вредных веществ и продуктов метаболизма крови, обратное всасывание воды, глюкозы и других необходимых организму молекул и, наконец, секреция. Почка выполняет и ряд других важных функций в организме. В этом органе синтезируются ренин (регулятор артериального давления), эритропоэтин, стимулирующий созревание эритроцитов, и преобразуется в биодоступную форму витамин D. Система гемодиализа может на некоторое время подменить вышедшую из строя почку, обеспечивая фильтрацию и выделение, но эндокринную и секреторную работу вместо больного органа она выполнять не может. Понятно, что при создании биоинженерной почки нужно учитывать все эти параметры. Станет ли такая почка реальностью?

— Мы довольно долго работали над созданием такой ткани и сегодня уже можем воспроизвести структуру почки в миниатюре. Мы хотели понять, как сделать не один структурный элемент этого органа, а сразу несколько. При стратегии создания большинства тканей принимается в расчет то, что у клеток уже есть «генетическая пространственная инструкция». Мы разделяем воспроизводимые структуры человеческого организма на четыре «архитектурных» типа: плоские — например, кожа; трубчатые — кровеносные сосуды; полые органы — мочевой пузырь; плотные, или солидные, органы, к которым относят печень и почки.

Первые три типа структур мы уже успешно пересаживаем пациентам и в этом добились определенных успехов. А вот солидные органы — самые сложные. Мы пытаемся их создавать, но пока ни один из них не был трансплантирован в человеческий организм.

Что касается биоинженерной почки человека, пока у нас в лаборатории получен только прототип. Недавно мы опубликовали результаты этой работы.

Нам удалось сделать миниатюрную почку, которая производит мочу и сохраняет все метаболические функции, присущие обычной почке. Мы судим об этом по уровням витамина D и эритропоэтина. В биоинженерной ткани миниатюрного органа воссоздаются и структура, и все элементы нефрона.

Но проблема заключается в том, как сделать полноразмерную почку. Чем больше орган, тем больше требуется кровеносных сосудов, снабжающих его кровью. На сегодняшний день эту проблему пока не удалось преодолеть. Мы возлагаем надежды на метод биопринтинга. Биопринтинг — по сути, это 3D-печать, где используется «каркас», децеллюляризованный матрикс органа, в который по аналогии с чернилами из картриджа поступают живые клетки. Так создается трехмерная живая структура.

— Из каких клеток вы сделали мини-почку?

— С помощью иглы мы брали кросс-секционную биопсию почки живого пациента. В этот биоптат попали клетки капсулы и почечной паренхимы из коркового и мозгового слоев.

— А как же воссоздаются почечная лоханка и мочеточник?

— Систему сбора мочи мы создаем искусственно. В данный момент это внешнее механическое устройство. Сейчас задача заключается в том, чтоб найти способ подсоединить мини-почку к существующей в организме системе сбора мочи, как при обычной трансплантации.

— Сколько времени требуется на то, чтобы вырастить одну искусственную мини-почку?

— На это уходит шесть-восемь недель.

— Какие технические трудности придется преодолеть, чтобы в конечном итоге добиться успешной пересадки этого биоинженерного органа человеку?

— Мы параллельно работаем сразу над пятью стратегиями. Первая заключается в создании «кассетных тканей». Это очень актуально, поскольку большинство солидных органов имеют высокий запас функциональной прочности и окончательно выходят из строя, если повреждено примерно 90% их тканей. Поэтому мы видим возможность улучшить функцию поврежденного органа с помощью таких небольших «кассет». С помощью «кассет» можно будет «достраивать» органы, расширяя их функцию. Такую стратегию мы уже используем для трех первых типов структур, о которых упоминалось выше (плоские, трубчатые и полые структуры). Вторая стратегия состоит в следующем: берем донорскую почку, по определенной методике растворителями вымываем из нее все клетки, а оставшийся «каркас» органа, матрикс, засеваем клетками почки пациента. Третья стратегия — биопринтинг.

Четвертая стратегия — использование клеток для терапии. И именно четвертая стратегия наиболее перспективна и пройдет клинические испытания в первую очередь.

Пятая стратегия — заставить почку регенерировать самостоятельно. Мы параллельно работаем в этих пяти направлениях. В течение года четвертая стратегия уже пойдет в клинические испытания. В экспериментальных моделях мы добились улучшения функции почки после инъекции клеток, а также показали, что происходит восстановление поврежденных тканей больного органа. FDA (Управление по контролю за пищевыми продуктами и лекарственными средствами США) дало разрешение на клинические испытания. Конечно, есть юридические и правовые вопросы, но мы планируем в течение года опробовать этот метод лечения на пациентах.

— Много говорится о том, что стволовые клетки обладают тератогенным эффектом, могут вызывать рак. Как вы обеспечиваете биобезопасность используемого материала?

— Эмбриональные стволовые клетки и раковые роднит то, что их можно назвать «дикими». Эти клетки легко выходят из-под контроля. Мы используем клетки из органов самих пациентов, поскольку они более стабильны.

Мы подвергаем их полному скринингу. Жесточайший строгий скрининг, чтобы ни одна раковая клетка не попала в биоматериал.

--Поясните, пожалуйста: вы заставляете делиться уже дифференцированные клетки?

— В любом органе взрослого человека есть клетки с достаточно высоким морфогенетическим потенциалом. Их называют по-разному: клетки-предшественницы, дремлющие, прогениторные стволовые клетки. Они несут в себе определенные биохимические маркеры, определяющие их дальнейшую специализацию в конкретный тип ткани. Прогениторные клетки способны к делению, но в меньшей степени, чем ранние стволовые клетки. При биопсии мы отбираем все типы клеток, а потом отсортировываем из них прогениторные, уже направленные в своем дальнейшем развитии. В профессиональной среде мы называем их «беби-клетками», но это не клетки плода или эмбриона. Люди не должны путать их с эмбриональными.

— В любом органе любого человека есть такие клетки?

— Да. И способность к делению они сохраняют даже, например, у 70-летнего человека с почечной недостаточностью.

— Ваш второй визит в Москву предполагает установление научных контактов, налаживание сотрудничества с российскими врачами?

— Мы ищем возможности для сотрудничества с Россией и видим интерес к нашим технологиям, люди хотят их осваивать. И мы, в свою очередь, хотим, чтобы эти технологии были доступны повсеместно.

— Речь идет о каких-то конкретных разработках? И как законодательно будет регулироваться применение этих технологий?

— Мы хотим установить сотрудничество в том, что касается биоинженерных плоских и трубчатых тканевых структур и тканей полых органов. В каждой стране возникает вопрос регистрации технологий, он возникнет и в России. Есть существенная разница в регуляторных вопросах, поэтому мы хотим сотрудничать с разными странами, чтобы быстрее претворять наши технологии в жизнь.

— Вы берете на себя функцию интеллектуального центра таких технологий?

— Мы начали разрабатывать биоинженерные технологии с мочевыделительной системы, поскольку это моя клиническая специальность, однако в нашем институте работают и над созданием других органов. Мы изучаем более 30 различных тканей, сотрудничаем со многими научными и медицинскими учреждениями. В нашем активе 277 коллабораций, из них 203 — в США, 74 — за рубежом. Практически все крупные университеты мира сотрудничают с нами. Среди стран — Великобритания, Швейцария, Мексика, Португалия, Япония, Австралия, Корея, Бразилия, Греция, Канада, ЮАР, Китай, Швеция и другие.

— Надеюсь, что Россия станет 75-й страной в нашем сообществе.

— К вам обратились с такой просьбой или это была инициатива Института регенеративной медицины Уэйк Форест?

— Да, ко мне обратились с такой просьбой. Могу сказать, что переговоры прошли успешно, результатами поездки в целом я доволен.

— И последний вопрос. Какие направления регенеративной медицины, на ваш взгляд, наиболее актуальны?

15 февраля 2018 года в Сеченовском университете прошла конференция «Трансляционные аспекты регенеративной медицины». Создание биоинженерных эквивалентов поврежденным органам, доклинические исследования и клинические испытания, биопечать, моделирование и дизайн биоматериалов, а также юридические аспекты их использования обсудили российские и зарубежные специалисты.

С приветственным словом от имени руководства университета выступил проректор по научно-исследовательской и клинической работе Виктор Фомин. Модераторами конференции выступили Денис Бутнару, директор Научно-технологического парка биомедицины и Петр Тимашев, руководитель Института регенеративной медицины Сеченовского университета.

Преграды и их преодоление

Конференцию открыла лекция Энтони Аталы, директора института регенеративной медицины Уэйк Форест (США), профессора Первого МГМУ им. И.М. Сеченова.

Свое выступление ученый и врач посвятил достижениям института Уэйк Форест, отметив, что работа идет на всех стадиях - от исследования до внедрения в клиническую практику. Появляются и успешно развиваются новые методы и технологии, в частности биопечать органов. В то же время, есть несколько проблем, над которыми работают ученые во всем мире. Прежде всего, это невозможность вырастить нервные клетки, клетки печени и поджелудочной железы вне тела человека. Также актуальна проблема отторжения подсаженных органов и сложность достижения их гармоничного функционирования в организме пациента. Кроме того, созданные in vitro органы или ткани нуждаются в кровоснабжении, но пока неясно, как обеспечить прорастание сосудов пациента во вновь созданном органе или ткани. Все эти вопросы можно решить только совместными усилиями ученых и клиницистов во всем мире, развивая мультидисциплинарные программы по регенеративной медицине.

Энтони Атала отметил, что участие Сеченовского университета - одного из ведущих медицинских вузов России в инновационных проектах регенеративной медицины, работа команды вуза вызывают чувство гордости и дают надежду на успешное достижение целей.

Между экспериментом и клиникой

Денис Бутнару предложил к обсуждению тему тканевой инженерии, ее сопричастности к реальным клиническим проблемам, поддержал идеи Энтони Аталы о необходимости международного и междисциплинарного сотрудничества, рассказал о работе Института регенеративной медицины, зарубежных стажировках сотрудников. Так, недавно из годичной стажировки в Уэйк Форесте вернулся сотрудник института Игорь Васютин. Совместные исследования по неинвазивной методике получения клеток для создания тканеинженерных конструкций в урологии, начатые в процессе стажировки, продолжаются.

Пока многие проекты Института регенеративной медицины только начинают свой путь в клиническую практику, но, по словам Дениса Бутнару, ученые, работающие в регенеративной медицине, осознают сопричастность к реальным клиническим проблемам, предпринимают шаги, которые в конечном итоге приведут к цели - методами регенеративной медицины лечить людей.

Обмен опытом оригинальных исследований

Игорь Решетов, академик РАН, заведующий кафедрой пластической хирургии Сеченовского университета, поделился опытом оригинальных исследований. Презентацию о новой стволовой нише в ростовой пластинке - научных исследованиях в сфере регуляции роста костей представил Андрей Чагин, сотрудник Института регенеративной медицины Первого МГМУ им. И.М. Сеченова и Каролинского института (Стокгольм, Швеция).

О новациях в области биопечати органов, формировании новой парадигмы развития биологии и биопротезирования - роботизированном послойном строительстве трехмерных жизнеспособных тканей и органов с использованием клеточных сфероидов в качестве составных элементов, рассказал научный руководитель лаборатории биотехнологических исследований 3D Bioprinting Solutions Владимир Миронов - один из лидеров направления 3d-печати органов в России и мире. Юрий Рочев, сотрудник Сеченовского университета и Национального университета Ирландии представил новации в сфере дизайна биоматериалов. С презентациями выступили сотрудники ФМБА России, МГУ им. М.В. Ломоносова и других научных и исследовательских институтов.

В режиме реального времени: врач всегда остается врачом

В перерыве между пленарными заседаниями Энтони Атала и Петр Тимашев провели консультацию о возможности применения технологий регенеративной медицины в детском возрасте. По просьбе родителей и в их присутствии, состоялась беседа ученых и клиницистов с маленьким пациентом. Энтони Атала, один из ведущих мировых специалистов в области регенеративной медицины и тканевой инженерии, расспросил о диагнозе и ответил на вопросы о том, какой может быть тактика лечения: в данном случае речь идет о трех лапароскопических операциях. Прогноз, при грамотном лечении, хороший.

Так проходила конференция «Трансляционные аспекты регенеративной медицины». Международная и междисциплинарная команда ученых и клиницистов, почти 200 участников, обсудила актуальные научные и клинические вопросы. Завершил конференцию круглый стол «Юридические аспекты использования клеточных продуктов». Регенеративная медицина сегодня в зоне особого внимания: именно с ней связаны надежды на выздоровление и лучшее качество жизни великого множества пациентов во всем мире.

В ходе клинических испытаний эти сосуды были установлены в руках пациентов на диализе и успешно интегрированы в их системы кровообращения. Новые кровеносные сосуды, которые содержат собственные клетки пациента, призваны быть более безопасными и эффективными, чем ныне существующие варианты. Традиционные имплантаты, состоящие из синтетических полимеров или донорской ткани, могут вызвать воспаление или отторжение иммунной системой.

Только в Соединенных Штатах сотни тысяч людей нуждаются в имплантатах кровеносных сосудов для диализа. Эти биоинженерные сосуды могут помочь не только таким пациентам, но и людям, которые потеряли кровеносные сосуды в результате удаления опухоли или травмы, говорит Кристофер Бройер - директор Центра регенеративной медицины при Национальной детской больнице в Колумбусе (штат Огайо), который не участвовал в исследовании.

Хизер Причард - биомедицинский инженер из медицинской исследовательской компании Humacyte в Дареме (штат Северная Каролина) - и коллеги создавали каждый кровеносный сосуд путем посева биоразлагаемой полимерной трубки с сосудистыми клетками умершего донора. Внутри биореакторного резервуара, который снабжал клетки сосудов питательными веществами, эти клетки размножались и секретировали белки, которые образовывали межклеточную сеть. Через восемь недель полимерный каркас разрушился, и исследователи сняли донорские клетки с оставшейся белковой трубки. Затем сосуд размером около 6 миллиметров был имплантирован пациенту, где его собственные клетки постепенно мигрировали в трубку.

«Думайте об этом как о жилом доме без арендаторов, - говорит Лаура Никласон - инженер-биомедик из Йельского университета. - Это пустое пространство для клеток [пациента], чтобы занять его» после имплантации белковой трубки.

Команда проверила сосуды у 60 пациентов, которые нуждались в диализе при заболевании почек - процессе, который включает фильтрацию крови пациента через аппарат. Процедура требует вживления большого дополнительного сосуда в руку, чтобы он служил для обходного кровообращения, подавая кровь в аппарат для диализа.

Недавно спроектированные кровеносные сосуды не вызывали каких-либо значительных иммунных реакций ни у одного из пациентов. Образцы тканей 13 участников показали, что сосуды созрели в течение одного-двух лет после имплантации. Тела пациентов заполнили новый кровеносный сосуд и гладкомышечными клетками, которые обычно составляют стенки кровеносных сосудов, и эндотелиальными клетками, которые покрывают внутренние поверхности кровеносных сосудов. Новые сосуды также покрылись микрососудами, которые снабжали имплантат кислородом и питательными веществами.

В настоящее время исследователи проверяют эффективность биоинженерных сосудов по сравнению с синтетической альтернативой в клинических испытаниях с участием сотен пациентов.

Читайте также: