Технологии регенеративной биологии и медицины в 21 веке

 

технологии регенеративной медицины 

 

К сожалению, тело человека бренно, оно не приспособлено к тому, чтобы не изнашиваться, оно подвержено травмам, ранениям и ожогам. Органы человека из-за старения и вследствие различных болезней могут перестать должным образом функционировать, понижая качество жизни их хозяина  и  укорачивая его  жизнь.

Неудивительно поэтому, что на протяжении многих веков ученые восторженно и с завистью смотрели на феноменальные способности ряда организмов к регенерации и пытались найти способы лечения и омоложения людей, изучая природные механизмы, лежащие в основе этих процессов.  Так, например, ещё в 1895 году Томас Морган, удалив часть раннего зародыша лягушки, обнаружил, что оставшаяся его часть способна, тем не менее, воссоздать цельный эмбрион. Это означало, что клетки, при необходимости, способны изменять направление своей специализации, и такое изменение скоординировано.

Успехи, достигнутые в молекулярной биологии, генетике, гистологии, биологии развития, а главное – открытие методов выделения и культивирования стволовых клеток (от нем. Stammzelle – термин введенный Александром Максимовым в 1909 году для клеток которые, делясь, обеспечивают постоянную замену изношенных клеток новыми) привели к созданию в 21 веке нового направления медицинской науки: «Регенеративной биологии и медицины». Предполагается, что «Регенеративная биология и медицина» может стать важнейшим направлением развития медицины будущего [[i]      [ii]].

C помощью методов регенеративной медицины ученые надеются  разрешить целый ряд медицинских проблем, в частности:

1) Снабдить организм стволовыми клетками, выращенными  вне организма и продуктами их секреции, чтобы облегчить обновление клеток и помочь ему активировать регенерацию в органах и тканях нуждающихся в ремонте;

2) Суметь задействовать скрытые регенеративные способности человеческого организма путем направленного воздействия на  генетический аппарат, в частности: заставить организм вместо того чтобы идти по пути формирования рубцовой ткани осуществлять полноценную регенерацию с полным восстановлением функций на месте повреждения;

3) Разработать методы выращивания и морфоинженерии органов и тканей для трансплантации и таким образом избавиться от проблем поиска доноров и реакций отторжения чужеродного органа;

4) Найти способы борьбы с функциональными расстройствами,  вызванными старческим дряхлением;

5) Найти способы борьбы с раковыми заболеваниями, в частности, найти способы предотвратить переход  (трансдифференциацию) эпителиальных раковых стволовых клеток в мезенхимальные, что значительно повышает их инвазивность, способность образовывать метастазы и устойчивость к лекарствам.

 Решение  столь грандиозных проблем требует глубокого знания фундаментальных процессов лежащих в основе регенерации. Поэтому целью регенеративной биологии и медицины как науки  является создание единой фундаментальной картины механизмов регенерации на основе достижений современной биологической  науки и использование этих знаний для решения медицинских проблем [[iii]].

 Американскими учеными Робертом Бриггсом и Томасом Кингом, а также английским исследователем Джоном Гёрдоном  ещё в середине прошлого века  была разработана технология клонирования животных SCNT (somatic cell nuclear transfer) путем переноса ядра соматической клетки в яйцеклетку. Этим они доказали, что клеточные часы при определенных условиях можно отмотать назад.

До недавнего времени, несмотря на огромное количество подобных исследований, попытки замены или ремонта частей человеческого тела не отличались особым успехом. Однако с началом 21 века прогресс в сфере биотехнологий дал новые и не беспочвенные надежды на омоложение и лечение ранее неизлечимых болезней [[iv]].  В 2007 году впервые в истории человечества удалось без помощи яйцеклетки омолодить клетки кожи человека до эмбрионального состояния. Более того, используя метод эпигенетического перепрограммирования, в 2011 году удалось точно также омолодить клетки людей достигших 100 летнего возраста и, таким образом, доказать обратимость старения клеток организма [[v]  [vi]].  В 2016 году с помощью частичного перепрограммирования клеток в молодые в организме мыши с прогерией (болезнью преждевременного старения),  удалось продлить её жизнь на 30% . Предполагается, что точно также удастся омолаживать и продлевать  жизнь мышек с обычным физиологическим старением [[vii]] причем в большей степени, чем у мышей с прогерией, поскольку из-за болезни у них уже через 8 дней после перепрограммирования признаки старения возвращаются (что было известно и ранее [[viii]]).  Опыты этих же авторов с культурой человеческих клеток позволяют надеяться, что подобным образом можно будет омолаживать и клетки человека.   По личным заверениям  Ira Pastor (работа пока не опубликована) аналогичным воздействием препарата из цитоплазмы ооцитов, названным BQ-A [[ix]], удалось продлить жизнь здоровой мыши в 1.7 раза, что при пересчете на среднюю продолжительность жизни человека в 72 года означало бы повышение средней продолжительности жизни до 122 лет. Поскольку с разработкой технологии перепрограммирования клеток кожи в ооциты (пока только мышек) [[x]] появилась возможность производить  подобные препараты в промышленных масштабах, возможно, что вскоре он станет доступен широкому кругу исследователей.  Появление таких препаратов и дешевых, но высокоэффективных технологий перепрограммирования и дифференцировки в микрообъёмах жидкости [[xi]]  значительно ускорит развитие технологий омоложения воздействием на эпигеном.

К сожалению, появятся такие технологии омоложения организма, тем не менее, не скоро. Причиной тому возможность ракового перерождения клеток в процессе перепрограммирования (хотя авторы этих технологий уверяют, что в их экспериментах опухоли не образовывались, необходимо достаточно длительное наблюдение, поскольку ранее подобные трансформации были зафиксированы в других исследованиях со стволовыми клетками [[xii]], причем, иногда через год-два после удачного результата).

Важно отметить, что перепрограммирование восстанавливало связанную со старением потерю определённых гистонов и метилирования ДНК на участках ретротранспозонов, ведущих к повышению их мобильности, что считается одной из первопричин болезней старческого возраста (в том числе и рака)  [[xiii]].

Успехи в области эпигенетики не отменяют необходимости поиска и других способов воздействия на процессы, ведущие к старению.

Есть успехи и в других областях регенеративной медицины.  В частности, 3D-принтеры могут послойно печатать ткани и органы, которые в некоторых случаях (кости, хрящи, уретра, мочевой пузырь) могут функционировать почти так же, как природные [[xiv]     [xv]].  Разрабатывается технология создания печатных кровеносных сосудов. Напечатанный искусственный сосуд сросся с природными кровеносными сосудами уже через месяц после трансплантации обезьянам [[xvi]]. Однако создавая напечатанные органы и ткани нельзя забывать о том, что необходимо по возможности создавать такое микроокружение клеток которое они имели бы в натуральном органе. В противном случае через некоторое время клетки могут погибнуть или начнут вести себя неадекватно нарушая морфологию и функционирование напечатанного органа-ткани [[xvii]].

 

биопринтинг

 

Неисчерпаемые возможности для лечения различных болезней старческого возраста открывают молоденькие  индуцированные мезенхимальные стволовые клетки иММСК, которые теперь можно получать в неограниченном количестве из индуцированных плюрипотернтных стволовых клеток  [[xviii]   [xix]]. Так, например, обнаружено, что трансплантация разработанных фирмой Asterias стволовых клеток, способна вернуть подвижность рук людям с травмой позвоночника [[xx]].

Серьёзным препятствием на пути к использованию таких методов регенеративной медицины, каковым является  клеточная терапия, остается реакция иммунной системы организма, приводящая к отторжению пересаженного органа или ткани. Поэтому чтобы защитить пересаженный орган, ткань или клетки приходится тщательно проверять их на совместимость, либо инкапсулировать в оболочку, защищающую от нападений иммунных клеток [[xxi]     [xxii]     [xxiii]].  Чтобы инкапсулированные клетки не обрастали тканью препятствующей доступу к ним питательных веществ в качестве материала для инкапсуляции используют триазол-тиоморфолин-диоксид-альгинат (triazole–thiomorpholine dioxide alginate). В таких капсулах клетки остаются живыми в организме мышек и обезьян, по меньшей мере, пол года [[xxiv]].  Другим решением проблемы защиты от реакции иммунной системы является использование вместо клеток секретируемых ими внеклеточных пузырьков – экзосом. В отличие от клеток, экзосомы не могут сами размножаться и поэтому не могут выйти из под контроля, не могут образовывать опухоли, а значит терапия экзосомами более безопасна, чем клеточная терапия. Благодаря липидной оболочке экзосомы предохраняют свое содержимое от разбавления и разрушения, что особенно важно, если лекарством является фермент или нуклеиновая кислота. Благодаря рецепторам на их поверхности они избирательно находят клетки-мишени, тем самым повышая эффективность переноса лекарственных препаратов, белков и РНК и снижая возможность побочных эффектов. Их можно использовать для перепрограммирования клеток организма in vivo, особенно в тех случаях, когда используется большая генно-инженерная конструкция, не вмещающаяся в оболочку вируса [[xxv]].

Поразительной способностью отрастить потерянную конечность  с помощью процесса, называемого эпиморфной регенерацией, обладают амфибии.  Процесс регенерации у них начинается с формирования бластемы, состоящей из недифференцированных усиленно делящихся клеток [[xxvi]]. Нечто подобное можно наблюдать и у человека – кончики пальцев, особенно у детей, способны к регенерации. Более того новорожденный младенец способен полностью регенерировать свое сердце после тяжелого инфаркта [[xxvii]]. Взрослый человек такую способность, к сожалению, не сохраняет. Задача исследователей вернуть эту способность. Помочь им в этом поможет знание эпигенетики этих процессов [[xxviii]]. Особые надежды на это вселяют успехи, достигнутые с помощью модифицированных РНК [[xxix]].  Способен человек восстанавливать  и переломы костей, но не ампутированную конечность.  Очевидно, необходимо разработать такую стратегию воздействия костным морфогенетическим белком BMP2 на потерянную конечность, которая бы не позволяла процессу регенерации оборваться в случае с потерянной конечностью [[xxx]    [xxxi]].

Подводя итог вышеизложенному можно с уверенностью сказать, что нам посчастливилось жить в 21 веке, веке небывалых биотехнологий, веке, когда мечты фантастов постепенно стали претворяться в жизнь.

 

Ссылки к материалу ищите в оригинале статьи

30.12.2016 Источник: Дмитрий Джагаров — специально для RLEGroup rlegroup.net

 

 

 

 

Подробнее обо всех способах регенерации органов человека читайте здесь: Регенеративная медицина