Selhoz-katalog.ru

Сельхоз каталог

Искусственный орган

(перенаправлено с «Искусственный орган»)
Перейти к: навигация , поиск

Выращивание органов — перспективная биоинженерная технология, целью которой является создание различных полноценных жизнеспособных биологических органов для человека. Пока технология не применяется на людях, так как все попытки трансплантации подобных органов пока были безуспешными[1], однако идут активные разработки и эксперименты в этой области. Используя трехмерные клеточные культуры (3D cell culture) ученые научились выращивать "затравки" органов названные органоидами (англ.organoid), не путать с органеллами). Такие органоиды используются учеными для изучения и моделирования органогенеза; моделирования опухолей и различных заболеваний, которым могут быть подвержены определенные органы; тестирования и скрининга на органоидах различных лекарственных препаратов и токсичных веществ; а также для экспериментов по замене органов или терапии поврежденных органов трансплантатами[2][3]

Современное состояние

Идея о искусственном выращивании человеческих органов не покидает учёных уже больше полувека, с того момента, как людям начали пересаживать органы доноров. Даже при возможности пересаживать большинство органов пациентам, в настоящее время очень остро стоит вопрос донорства. Многие пациенты умирают, не дождавшись своего органа. Искусственное выращивание органов может спасти миллионы человеческих жизней. Некоторые успехи в этом направлении уже достигнуты с помощью методов регенеративной медицины.

Эмбриоиды

Эмбриоиды или эмбриональные тельца (англ.Embryoid bodies) представляют собой трехмерные агрегаты клеток, где представлены клетки всех трех зародышевых листков необходимых для образования органов и тканей организма. В условиях лаборатории их можно получить различными способами культивирования из недифференцированных ИПСК[4][5][6]. Формирование эмбриональных телец является обычным методом, используемым для дифференциации ИПСК в различные клеточные линии.

Органоиды сердечно-сосудистой ткани

Культивируя эмбриоиды на коллаген-конъюгированных гидрогелях с жесткостью, подобной жесткости сердечной мышечной ткани Шкуматову с соавт.[7] удалось получить кардиоваскулярные органоиды, способные к сокращению. Этим они показали, что важную роль в дифференцировке клеток может играть жесткость межклеточного матрикса. Необходимость создания комфортных для культивируемых клеток механических напряжений, путем регуляции жесткости материала подложек для культивации была отмечена и в ряде других работ[8][9][10]

Органоиды печени

Важный шаг на пути к выращиванию в лаборатории органов сделали исследователи из Японии. Им удалось создать простую, но вполне функциональную печень человека.[11][12] Исследователи получили клетки печени из ИПСК и культивировали их совместно с эндотелиальными клетками (предшественницами кровеносных сосудов) и мезенхимальными клетками, которые выполняют роль "клея", объединяющего различные клетки. Оказалось, что при определенном соотношении этих клеток их совместная культура проявляет способность к самоорганизации и образует трехмерные шарообразные структуры, представляющие собой зачаток печени. При трансплантации этих зачатков печени мышам было обнаружено, что они, примерно за 48 часов, образуют связи с близлежащими кровеносными сосудами и способны выполнять характерные для печени функции. По мнению некоторых ученых, подобные зачатки печени, если уменьшить их размер, а затем ввести в кровоток поврежденной печени, могли бы способствовать нормализации ее функции. К сожалению, пока нет гарантии, что клетки печени, полученные из ИПСК, не вызовут образование опухолей. Требуется тщательная отработка этих методов[13].

Органоиды слюнных и слезных желез

Появились и другие примеры успешной трансплантации методом зародышевых органов. Так, например, группа исследователей из Токийского университета наук и корпорации «Organ Technologies Inc» во главе с профессором Такаси Цудзи (Takashi Tsuji) продемонстрировала полную функциональную регенерацию подчелюстных слюнных желез из биоинженерных зародышей слюнной железы после их ортотопической (с удалением дефектной железы) трансплантации, с целью восстановительной терапии путем замены органа, мышам с моделью дефекта слюнных желез. Биоинженерный зародыш, сконструированный in vitro, развился в зрелую железу путем формирования гроздевидных отростков с мышечным эпителием и иннервацией. Он производил и выделял слюну в ответ на вкусовую стимуляцию цитратом, восстанавливал процесс глотания пищи, защищал ротовую полость от бактериальной инфекции [14] . Эта же группа успешно провела ортотопическую трансплантацию биоинженерных зародышей слезных желез мышам с моделью имитирующей повреждение эпителия роговицы, вызванное дисфункцией слезной железы. В условиях in vivo биоинженерные зародыши дали начало слезным железам способным выполнять физиологические функции, включая образование слезы, в ответ на нервную стимуляцию, и защиту глазной поверхности [15].

Органоиды почек

Разработаны технологии для выращивания из плюрипотентных клеток органоидов почки, которые можно использовать для моделирования болезней почек и скрининга лекарств для их лечения, а в будущем и для подсадки пациентам миниатюрных почек, созданных из их собственных ИПСК[16]

Органоиды поджелудочной железы

Исследователи Датского центра стволовых клеток разработали метод трехмерной (3-D) культуры в геле Matrigel со специально подобранным составом среды, который может быть использован для выращивания миниатюрных «затравок» поджелудочной железы. В перспективе такие «затравки» могут быть полезны для борьбы с диабетом в качестве «запчастей»[17].

Органоиды легочной ткани

Воздействуя на сигнальные пути ИПСК человека удалось получить органоиды легких человека состоящие из эпителиальных и мезенхимальных компартментов легких, со структурными особенностями характерными для легочных тканей[18].

Органоиды сенсорного эпителия внутреннего уха

Аналогичная технология была использована для разработки способов получения органоидов сенсорного эпителия внутреннего уха, что в будущем позволит бороться глухотой[19]

Церебральные органоиды

С целью моделирования и исследования in vitro человеческого головного мозга и его заболеваний была создана трехмерная культура органоидов клеток головного мозга, полученных из плюрипотентных стволовых клеток[20][3][21][22][23]. Так называемые церебральные органоиды (англ. Cerebral organoid) могут быть использованы для изучения нейруляции и других процессов нейрогенеза, как простые модели сложных тканей мозга для изучения влияния токсинов и лекарств на ткани мозга путем их безопасного и экономичного первоначального скрининга, а также для получения образцов для ксенотрансплантации[24]

Эпителиальные энтероиды и колоноиды

Исследованию кишечника человека помогут органоиды полученные из эпителиальных клеток тонкой и толстой кишки. С их помощью можно изучать стволовые клетки кишечника и механизмы нарушения физиологических функций желудочно-кишечного тракта[25][26], а также создавать опухолевые органоиды для изучения раковых заболеваний и скрининга лекарственных препаратов[27] .

Сфероиды волосяных фолликулов

Техника выращивания клеток в виде сфероидов в висячей капле была использована для культивации клеток сосочкового слоя волосяных фолликулов человека. Было показано, что при выращивании этих клеток в виде сфероидов, когда клетки растут как бы в более естественном трёхмерном окружении и взаимодействуют друг с другом, они способны заново индуцировать образование волосяных фолликулов в коже человека[28].

Биоинженерная мышца

Создана так называемая «мускульная» ткань, реагирующая на сигналы, поступающие от нерва благодаря нервно-мышечному соединению, выращенному из клеток мышечной ткани и нейрональных клеток. Эта ткань потенциально может быть использована для фармакокинетических анализов и для создания привода мышц биороботов[29][30] и протезов.[31] Более того выращенная in vitro биоинженерная мышца оказалась способна к развитию и регенерации, а главное - смогла прижиться после трансплантации ее животному[32][33][34].

Хрящевые и мышечные ткани для операций по реконструкции

Из небольшого количества клеток носовой перегородки пациентов удалось вырастить хрящевую ткань, которая была использована для реконструкции носа после удаления онкообразования. По прошествии более одного года, все пациенты были удовлетворены эстетическими и функциональными результатами операции и никаких отрицательных эффектов зарегистрировано не было[35].

Тканевые имплантанты выращенные в лаборатории из собственных мышечных и эпителиальных клеток девочек-пациенток, которым требовалась операции по реконструкции вагины после пластической операции не только успешно прижились, сформировав нервы и сосуды, но и нормально функционируют уже 8 лет[36][37].

Генная терапия органоидов

Важным препятствием при трансплантации тканей и органов является их отторжение. Даже если операция прошла успешно пациенту с пересаженным органом приходится всю оставшуюся жизнь принимать препараты препятствующие отторжению. Чтобы сделать трансплантат «невидимым» для иммунной системы человека, создана культура человеческих эмбриональных стволовых клеток, которые синтезируют две молекулы подавляющие активность Т клеток,а именно: CTLA4-Ig (Cytotoxic T lymphocyte-associated antigen-4-immunoglobulin) и PD-L1 (Programmed death ligand 1) причем как до так и после дифференциации. Особенностью этих клеток является то что образующиеся из них аллогенные (от другого человека) ткани не вызывают иммунной реакции и отторжения после трансплантации.[38][39] Это значит, что трансплантацию органов и тканей выращенных из этих «универсальных» клеток, возможно, удастся проводить без необходимости проверки на совместимость.

Роль самоорганизации тканей

Ученые до сих пор не могут объяснить, как клетки самоорганизуются в сложные ткани. Как это ни удивительно, упорядоченные структуры возникают из клеток практически без внешних сил или влияния. Самоорганизация возникает на основе своего рода клеточной демократии. На протяжении развития, клетки воздействуют на поведение друг друга и принимают решения, исходя из "разговора" с соседями. По мнению японского ученого Sasai[40], самоорганизация возникает только в популяциях определенного размера. "Подобные явления самоорганизации можно увидеть только в группах насчитывающих приблизительно от 1000 до 100000 клеток. На этом уровне, клетки могут быть непосредственно демократичными, им не нужно специального губернатора или президента, чтобы организовать их". Клетки «сортируются»: однотипные слипаются, а разнотипные остаются разобщёнными. Позднее возникают центры организации, руководящие морфогенезом путем выделения ростовых факторов (морфогенов) с помощью градиентов, концентрации которых создаются так называемые биополя.[41][42][43]

Процессом самоорганизации клеточной культуры в органоиды можно управлять, подбирая необходимые компоненты 3D среды. Важно отметить, одинаковые органоиды можно получить используя разные среды. Важно только дать правильный "пусковой" сигнал, а механизм самоорганизации сделает все остальное[44]

Роль межклеточного матрикса

Для нормального функционирования и обновления клеткам тканей в организме необходим межклеточный матрикс, создающий, поддерживающий и регулирующий условия их существования в нише. Внеклеточный матрикс представляет собой многофункциональную систему активно участвующую во множестве процессов связанных с развитием организма, нередко исполняя роль «подсказки» направляющей дифференцировку клеток в том или ином направлении. Компоненты матрикса можно подразделить на две условные группы: структурные белки, такие как фибриллярные белки и гликозаминогликаны, и регуляторные белки, в том числе всевозможные ростовые факторы (например TGFβ и IGF), матриклеточные белки (белки семейства CCN, IGFBP, декорин и бигликан), ферменты (металлопротеиназы) и рецепторы (интегрины). Воссоздать в точности столь сложную систему и архитектуру органа искусственным путем, например, с помощью 3D-биопринтинга, пока не представляется возможным. Однако ученые разработали технологии, получения межклеточного матрикса из аллотрансплантатов донорских органов путем промывания их растворами детергентов, в процессе которого клетки донора удаляются и остается только бесклеточная матрица, все еще сохраняющая архитектуру (в том числе сеть кровеносных и лимфатических сосудов и матрицу нервной ткани), а также большинство регуляторных белков. Затем эту матрицу засевают клетками реципиента и помещают в биореактор. В результате можно вырастить аутотрансплантат, который состоит из клеток реципиента и поэтому не должен, по идее, отторгаться его иммунной системой[45]

Разработан протез трахеи, который на на 95% состоит из тканей пациента, что позволяет избежать отторжения органа. Каркасом для протеза стала кость, выращенная из тканей надкостницы. Внутренняя поверхность органа создавалась из стволовых клеток и собственной слизистой пациента. Биореактором, в котором новая трахея созревала в течение шести месяцев, послужили ткани грудной стенки больного. В результате инкубации в протезе сформировалась собственная сосудистая система[46].

См. также

Литература

  • Российские ученые создали биоискусственную печень. 3 сентября 2014, 14:39
  • Андрей Константинов (2014). Сердце из биореактора «Русский репортер» №19 (347)
  • Виктория Севостьянова (2014) Нужна новая аорта? Вырасти её себе сам!. НАУКА И ЖИЗНЬ, 04
  • Кирилл Стасевич (2015). Как вырастить мозг в пробирке. НАУКА И ЖИЗНЬ №6
  • Кирилл Стасевич (2014). Человеческий желудок вырастили в пробирке. НАУКА И ЖИЗНЬ №10
  • Takebe, T., Enomura, M., Yoshizawa, E., Kimura, M., Koike, H., Ueno, Y., ... & Taniguchi, H. (2015). Vascularized and Complex Organ Buds from Diverse Tissues via Mesenchymal Cell-Driven Condensation. Cell stem cell, 16(5), 556-565. DOI: http://dx.doi.org/10.1016/j.stem.2015.03.004
  • Yunying Liu, Ru Yang, Zuping He and Wei-Qiang Gao (2013) Generation of functional organs from stem cells. Cell Regeneration, 2:1 doi:10.1186/2045-9769-2-1
  • Kan Handa, Kentaro Matsubara, Ken Fukumitsu, Jorge Guzman-Lepe, Alicia Watson, Alejandro Soto-Gutierrez. Assembly of Human Organs from Stem Cells to Study Liver Disease (англ.) // The American Journal of Pathology. — 2014. — Т. 184. — № 2. — С. 348—357. — 10.1016/0092-8674(83)90040-5
  • Melissa A. Kinney, Tracy A. Hookway, Yun Wang, Todd C. McDevitt (December 2013) Engineering Three-Dimensional Stem Cell Morphogenesis for the Development of Tissue Models and Scalable Regenerative Therapeutics. Annals of Biomedical Engineering. DOI: 10.1007/s10439-013-0953-9
  • Руперт Уингфилд- Хейз (2014) .В Японии хотят выращивать в свиньях органы для людей Би-би-си, префектура Ибараки, Япония
  • Hitomi Matsunari, Hiroshi Nagashima, Masahito Watanabe, et al. and Hiromitsu Nakauchi (2013). Blastocyst complementation generates exogenic pancreas in vivo in apancreatic cloned pigs. PNAS, 110(12), 4557–4562, doi: 10.1073/pnas.1222902110
  • Как живое, бьющееся сердце выращивают из стволовых клеток. MUST WATCH VIDEO (Комментарии на англ.)
  • Christa Nicole Grant , Garcia Mojica Salvador , Frederic G Sala et al. (2015). Human and Mouse Tissue-Engineered Small Intestine Both Demonstrate Digestive And Absorptive Function. American Journal of Physiology- Gastrointestinal and Liver Physiology, 10.1152/ajpgi.00111.2014
  • Donghui Zhang and Wei Jiang (2015). From One-Cell to Tissue: Reprogramming, Cell Differentiation and Tissue Engineering. BioScience, doi: 10.1093/biosci/biv016
  • Download application guide: Organoid (organ-like structures that can be formed by 3D cell culture) Growth on BME 2.

Примечания

  1. Leading Surgeons Warn Against Media Hype About Tracheal Regeneration http://dx.doi.org/10.1016/j.jtcvs.2013.12.024
  2. 25825593
  3. ↑ http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/25188634 25188634]
  4. http://dx.doi.org/10.1155/2012/738910
  5. 10.1634/stemcells.2006-0523
  6. Heras-Bautista, C. O., Katsen-Globa, A., Schloerer, N. E., Dieluweit, S., El Aziz, O. M. A., Peinkofer, G., ... & Pfannkuche, K. (2014). The influence of physiological matrix conditions on permanent culture of induced pluripotent stem cell-derived cardiomyocytes. Biomaterials, 35(26), 7374-7385.
  7. 10.1016/j.biomaterials.2015.05.019
  8. 10.1038/nature12271
  9. Человеческую печень вырастили в мышах
  10. 4313365. 25533785.
  11. Functional salivary gland regeneration by transplantation of a bioengineered organ germ. Nature Communications; 4, Article number: 2498 DOI: 10.1038/ncomms3498
  12. Hirayama, M., Ogawa, M., Oshima, M., et al. & Tsuji, T. (2013) Functional lacrimal gland regeneration by transplantation of a bioengineered organ germ. Nature Communications, 4, Article number: 2497 DOI: 10.1038/ncomms3497
  13. 10.1097/MOT.0000000000000174
  14. Artificial three-dimensional niches deconstruct pancreas development in vitro. Development, 140(21), 4452-4462. doi: 10.1242/dev.096628
  15. http://dx.doi.org/10.7554/eLife.05098
  16. Lancaster, M. A., Renner, M., Martin, C. A., Wenzel, D., Bicknell, L. S., Hurles, M. E., ... & Knoblich, J. A. (2013). Cerebral organoids model human brain development and microcephaly. Nature, 501(7467), 373-379.
  17. Harris, J., Tomassy, G. S. and Arlotta, P. (2015), Building blocks of the cerebral cortex: from development to the dish. WIREs Dev Biol. doi: 10.1002/wdev.192
  18. 10.1038/nmeth.3415
  19. Build-a-Brain
  20. 10.1007/978-3-319-16104-4_22
  21. http://dx.doi.org/10.1016/j.cell.2015.03.053
  22. Higgins C.A., Chen J. C., Cerise J. E., et al. & Christiano A. M. (2013) Microenvironmental reprogramming by three-dimensional culture enables dermal papilla cells to induce de novo human hair-follicle growth. PNAS, doi:10.1073/pnas.1309970110
  23. Muscle-powered bio-bots walk on command
  24. Bioengineered human myobundles mimic clinical responses of skeletal muscle to drugs. eLife. DOI: http://dx.doi.org/10.7554/eLife.04885
  25. Morimoto, Y., Kato-Negishi, M., Onoe, H., & Takeuchi, S. (2013). Three-dimensional neuron–muscle constructs with neuromuscular junctions. Biomaterials, 34(37), 9413-9419.
  26. 10.1073/pnas.1402723111
  27. ИСКУССТВЕННЫЕ МЫШЦЫ СПОСОБНЫ К САМОЛЕЧЕНИЮ. КОМПЬЮЛЕНТА
  28. n vivo generation of a mature and functional artificial skeletal muscle. EMBO Molecular Medicine, 10.1016/S0140-6736(14)60544-4
  29. 10.1016/S0140-6736(14)60542-0
  30. ВЛАГАЛИЩЕ ИЗ ПРОБИРКИ ПРИЖИЛОСЬ В ЧЕЛОВЕЧЕСКОМ ОРГАНИЗМЕ. КОМПЬЮЛЕНТА
  31. 10.1111/xen.12121
  32. The Man Who Grew Eyes From Scratch
  33. Bement, W. M., & von Dassow, G. (2014). Single cell pattern formation and transient cytoskeletal arrays. Current opinion in cell biology, 26, 51-59.
  34. Ishihara, K., Nguyen, P. A., Wühr, M., Groen, A. C., Field, C. M., & Mitchison, T. J. (2014). Organization of early frog embryos by chemical waves emanating from centrosomes. Philosophical Transactions of the Royal Society B: Biological Sciences, 369(1650), 20130454.
  35. Karus, M., Blaess, S., & Brüstle, O. (2014). Self‐organization of neural tissue architectures from pluripotent stem cells. Journal of Comparative Neurology.
  36. Concise Reviews: In Vitro-Produced Pancreas Organogenesis Models in Three Dimensions: Self-Organization From Few Stem Cells or Progenitors. STEM CELLS, 33: 8–14. 10.1002/stem.1828
  37. Transplantable bioengineered forelimb in an animal model
  38. Петербургские врачи установили биоинженерный протез трахеи

Ссылки

FIRST PRIZE RALLIES SCIENTISTS WORLDWIDE TO BIOENGINEER A LIVER. The first registered team to meet the required guidelines by December 31, 2018, will win the award $1 million. New Organ's goal is to ensure no one dies from lack of a healthy organ. The New Organ Liver Prize is the first step toward that goal.

Искусственный орган.

© 2021–2023 selhoz-katalog.ru, Россия, Тула, ул. Октябр 53, +7 (4872) 93-16-24