Успіхи біології і медицини в новітній історії істотно продовжили середню тривалість життя і позбавили світ від дамоклова меча багатьох смертельних хвороб. Але не всі хвороби переможені. та й життя людини. тим більше активна. все ще здається нам занадто короткою. Чи дасть наука шанс зробити наступний ривок?
Нова шкіра Співробітник лабораторії дістає з ванночки смужку штучно вирощеного епідермісу. Тканина створили в дерматологічному інституті в італійському місті Помеція, Італія, під керівництвом професора Мікеле де Лука.
Підстави для оптимізму, звичайно ж, є. У наші дні в науці намітилося кілька напрямків, які, можливо, дозволять в близькому або далекому майбутньому перетворити Homo sapiens в більш довговічну і надійну мислячу конструкцію. Перше - це створення електронно-механічних «підпірок» для недужих тіла. Йдеться про роботизованих біонічних протезах кінцівок, достовірно відтворюють людську локомоторіку, або навіть цілих екзоскелетах, які зможуть подарувати радість руху паралізованим.
Ці хитромудрі вироби доповнить нейромашінний інтерфейс, який дозволить зчитувати команди прямо з відповідних ділянок головного мозку. Діючі прототипи подібних пристроїв вже створені, тепер головне - їх вдосконалення і поступове здешевлення.
Другим напрямком можна вважати дослідження генетичних та інших мікробіологічних процесів, що викликають старіння. Пізнання цих процесів, можливо, в майбутньому дасть можливість загальмувати в'янення організму і продовжити активне життя за вікова межа, а можливо, і далі.
І нарешті, до третього напряму належать дослідження в області створення оригінальних запасних частин до людського тіла - тканин і органів, які структурно і функціонально будуть мало чим відрізнятися від природних і дозволять своєчасно «відремонтувати» організм, вражений важкою хворобою або віковими змінами. Известия про нові кроки в цій області приходять сьогодні чи не щодня.
запускаємо друк
Базова технологія вирощування органів, або тканинної інженерії, полягає в використанні ембріональних стовбурових клітин для отримання спеціалізованих клітин тієї чи іншої тканини, наприклад гепатоцитів - клітин паренхіми (внутрішнього середовища) печінки. Ці клітини потім поміщаються всередину структури сполучної міжклітинної тканини, що складається переважно з білка колагену.
Таким чином забезпечується заповнення клітинами всього обсягу вирощуваного органу. Матрицю з колагену можна отримати шляхом очищення від клітин донорської біологічної тканини або, що набагато простіше і зручніше, створити її штучним шляхом з біоразрушаемих полімерів або спеціальної кераміки, якщо мова йде про кістки. У матрицю крім клітин вводяться живильні речовини і фактори росту, після чого клітини формують єдиний орган або якусь «латочку», покликану замінити собою уражену частину.
Правда, вирощування штучної печінки, легені та інших життєво важливих органів для пересадки людині сьогодні поки недосяжно, в простіших випадках така методика успішно застосовується. Відомий випадок пересадки пацієнтці вирощеної трахеї, здійсненої в РНЦ хірургії ім. Б.В. Петровського під керівництвом італійського професора П. Маккіаріні. В даному випадку в якості основи була взята донорська трахея, яку ретельно очистили від клітин. На їх місце були введені стовбурові клітини, взяті з кісткового мозку самої пацієнтки. Туди ж були поміщені чинники зростання і фрагменти слизової оболонки - їх також запозичили з пошкодженої трахеї жінки, яку треба було врятувати.
Недиференційовані клітини в таких умовах дали початок клітинами дихального епітелію. Вирощений орган імплантували пацієнтці, причому були прийняті спеціальні заходи для пророщування імплантату кровоносними судинами і відновлення кровообігу.
Втім, вже існує метод вирощування тканин без застосування матриць штучного або біологічного походження. Метод знайшов втілення в пристрої, відомому як біопринтер. В наші дні біопринтери «виходять з віку» досвідчених зразків, і з'являються дрібносерійні моделі. Наприклад, апарат компанії Organovo здатний роздрукувати фрагменти тканин, що містять 20 і більше клітинних шарів (причому туди входять клітини різних типів), об'єднаних міжклітинної тканиною і мережею кровоносних капілярів.
Сполучна тканина і клітини збираються воєдино за тією ж технологією, яку використовують при тривимірної друку: рухома головка, котре позиціонується з мікронною точністю в тривимірної мережі координат, «випльовує» в потрібну точку крапельки, що містять або клітини, або колаген і інші речовини. Різні виробники Біопринтер повідомили, що їх пристрої вже здатні роздруковувати фрагменти шкіри піддослідних тварин, а також елементи ниркової тканини. Причому в результаті вдалося досягти правильного розташування клітин різних типів один щодо одного. Правда, епохи, коли принтери в клініках будуть здатні створювати органи різного призначення і великих обсягів, доведеться ще почекати.
Мозок під заміну
Розвиток теми запчастин для людини неминуче приводить нас до теми самого потаємного - того, що робить людину людиною. Заміна мозку - мабуть, сама фантастична ідея, що стосується потенційного безсмертя. Проблема, як неважко здогадатися, в тому, що мозок - схоже, найскладніший з відомих людству матеріальних об'єктів у Всесвіті. І, можливо, один з найбільш незрозумілих. Відомо, з чого він складається, але дуже мало відомо про те, як він працює.
Таким чином, якщо мозок вдасться відтворити як сукупність нейронів, що встановлюють один з одним зв'язку, треба ще придумати, як помістити в нього всю необхідну людині інформацію. Інакше в кращому випадку ми отримаємо дорослої людини з «сірою речовиною» немовляти. Незважаючи на всю сверхфантастічность кінцевої мети, наука активно працює над проблемою регенерації нервової тканини. Зрештою, мета може бути і скромніше - наприклад, відновлення частини мозку, зруйнованої в результаті травми або тяжкого захворювання.
Проблема штучної регенерації мозкової тканини посилюється тим, що мозок має високу гетерогенність: в ньому присутня безліч типів нервових клітин, зокрема гальмівні і збуджуючі нейрони і нейроглії (буквально - «нервовий клей») - сукупність допоміжних клітин нервової системи. Крім того, різні типи клітин певним чином розташовані в тривимірному просторі, і це розташування необхідно відтворити.
нервовий чіп
В одній з лабораторій знаменитого Массачусетського технологічного інституту, відомого своїми розробками в сфері інформаційних технологій, підійшли до створення штучної нервової тканини «по-комп'ютерному», застосувавши елементи технології виготовлення мікрочіпів.
Дослідники з Бостона взяли суміш нервових клітин, отриманих з первинної кори мозку щура, і завдали їх на найтонші пластини гідрогелю. Пластини утворили свого роду сендвіч, і тепер завдання полягало в тому, щоб виокремити з нього окремі блоки із заданою просторовою структурою. Отримавши такі прозорі блоки, вчені мали намір вивчати процеси виникнення нервових зв'язків всередині кожного з них.
Завдання було вирішене за допомогою фотолітографії. На пласти гідрогелю накладалися пластикові маски, які дозволяли світлу впливати лише на певні ділянки, «зварюючи» їх воєдино. Так вдалося отримати різноманітні за розмірами і товщині композиції клітинного матеріалу. Вивчення цих «цеглинок» з часом може привести до створення значущих фрагментів нервової тканини для використання в імплантатах.
Якщо інженери MIT підходять до вивчення і відтворення нервової тканини в інженерному стилі, тобто механічно формуючи потрібні структури, то в Центрі біології розвитку RIKEN в японському місті Кобе вчені під керівництвом професора Йошікіо САСАО намацують інший шлях - evo-devo, шлях еволюції розвитку. Якщо плюрипотентні стовбурові клітини ембріона можуть при розподілі створювати структури, що самоорганізуються спеціалізованих клітин (тобто різноманітні органи і тканини), то чи не можна, осягнувши закони такого розвитку, направляти роботу стовбурових клітин для створення імплантатів вже з природними формами?
І ось головне питання, на який мали намір знайти відповідь японські біологи: наскільки залежить розвиток конкретних клітин від зовнішніх чинників (наприклад, від контакту з сусідніми тканинами), а в якій мірі програма «зашита» всередині самих стовбурових клітин. Дослідження показали, що є можливість виростити з ізольованою групи стовбурових клітин заданий спеціалізований елемент організму, хоча зовнішні фактори відіграють певну роль - наприклад, необхідні певні хімічні індукують сигнали, що змушують стовбурові клітини розвиватися, скажімо, саме як нервова тканина. І для цього не знадобиться ніяких підтримуючих структур, які доведеться наповнювати клітинами - форми виникнуть самі в процесі розвитку, в ході поділу клітин.
За запатентованої САСАО методикою японцям вдалося виростити тривимірні структури нервової тканини, першою з яких стала отримана з ембріональних стовбурових клітин мишей сітківка ока (так званий зоровий келих), яка складалася з функціонально різних типів клітин. Вони були розташовані так, як наказує природа. Наступним досягненням став аденогипофиз, не просто повторює структуру природного, але і виділяє при пересадці миші необхідні гормони.
Зрозуміло, до повнофункціональних імплантів нервової тканини, а тим більше ділянок людського мозку ще дуже і дуже далеко. Однак успіхи штучної регенерації тканин із застосуванням технологій еволюції розвитку вказують шлях, яким піде вся регенеративна медицина: від «розумних» протезів - до композитним імплантатів, в яких готові просторові структури «пророщувати» клітинним матеріалом, і далі - до вирощування запасних частин для людини за тими ж законами, за якими вони розвиваються в природних умовах.