Энтони Атала, биоинженер — о 3D-печати органов , стволовых клетках и микросердце

Энтони Атала, биоинженер — о 3D-печати органов , стволовых клетках и микросердце 3d печать
3д принтер органов человека лечение

Энтони Атала, биоинженер — о 3D-печати органов , стволовых клетках и микросердце

По данным ООН, 15-30% пациентов умирают из-за невозможности найти донора. органы . Поэтому ученые ищут способы создать их искусственно; один из способов — 3D-печать новых органов из собственных клеток реципиента. Однако, несмотря на эти успехи, врачи уже пересаживают напечатанную кожу и кровеносные сосуды, но проблемы с этой технологией все еще существуют. В целом. органов Кровеносная система очень сложна, и в некоторых случаях у пациентов может орган не хватает почек или других органов, или у них имеются серьезные генетические повреждения. В этом случае ученые пытаются стволовые клетки . Hi-Tech» посетил конгресс «Здоровая Москва» и записал лекцию Энтони Аталы, директора Института регенеративной медицины Уэйк Форест, о будущем трансплантации и поиске новых типов органов. стволовых микробных клеток и тестировании лекарств.

Читайте «Hi-Tech.

Начни регенерацию».

Первая в мире успешная трансплантация органа произошла в 1954 году, когда хирург Джо Мюррей пересадил пациенту почку. С тех пор это спасло множество людей. Однако они все еще существуют. органов Когда они не работают, происходит отторжение трансплантата. Таким образом, наблюдается значительный дефицит. органов За последнее десятилетие число пациентов, нуждающихся в трансплантации, удвоилось, в то время как количество самих операций увеличилось менее чем на 1 %.

В среднем в мире ежегодно проводится 100 800 трансплантаций. органов Трансплантация — самый распространенный вид пересадки. Чаще всего пересаживают почки (69 400), печень (20 200), сердце (5 400), легкие (2 400) и поджелудочную железу (2 400). При необходимости могут быть сделаны семейные и посмертные донорские пересадки орган взятые из тел умерших. В России, например, среднее время ожидания донора почки составляет 1,5-2 года. В Институте Скрифосовского проводится около 200 операций в год, но в листе ожидания стоят около 500 человек.

Так распорядилась природа. клетки Поэтому они всегда знают, что делать. Все они обладают способностью к регенерации. клетка У нас есть такая способность. Клетки кожи обновляются каждые две недели, а клетки испражняются в течение двух недель, а клетки мозг — каждые десять лет. Проблема в том, что ткани не восстанавливаются, когда есть болезнь, рана или травма. Именно здесь регенерация останавливается, и именно здесь может помочь регенеративная медицина. Мы берем у пациентов очень маленькие кусочки мышечной ткани и обрабатываем их. эти клетки Затем мы помещаем их в область, где находится поврежденная мышца. Это также может быть применено к пациентам с ожогами. В этом случае мы берем небольшой образец кожи пациента и обрабатываем его. клетки Нанесите спрей на травмированный участок. Если ранен пациент, сначала следует вылечить его, очистить от инфекции и дождаться, когда пациент будет готов к лечению.

Вырастить новый орган

Вместо клеток можно использовать S O-CALLED SUBSTRET — тип строительного каркаса. Их материал очень похож на материал суставов. Они рассасываются за несколько месяцев и безопасны для человека и клеток. Мы берем небольшой образец ткани у пациента и затем обрабатываем его. эти клетки Тело плюс мы культивируем, придаем ему трубчатую форму с помощью подложки и имплантируем пациенту. Весь процесс занимает около 30 дней. То же самое касается кровеносных сосудов. Мы помещаем эти клетки материал, затем обучаем его. орган Затем материал помещается в сосуд. Когда возникает необходимость в сжатии, сосуд имплантируется человеку. Наиболее сложные орган — это цельный орган в кровообращении, такие как сердце, почки и печень, потому что там разные типы тканей и у всех очень много кровеносных сосудов.

Энтони Атала, биоинженер — о 3D-печати органов , стволовых клетках и микросердце

Проще разрабатывать простые ткани. Методы регенерации кожи с помощью специальных гидрогелей или самих клеток пациента уже используются в клинической практике.

Гордана Вняк Новакович из Колумбийского университета разработала фрагменты костей черепа, засеянные скелетом. стволовыми клетками .

В Университете Джонса Хопкинса врачи удалили пациентке ухо и часть черепа, пораженного опухолью. Взяв хрящ из ее грудной клетки. клетки Они вырастили новое ухо на ее руке, а затем имплантировали искусственное ухо в череп. орган на место.

Успешные эксперименты по выращиванию и пересадке кровеносных сосудов были проведены в университетах Гетеборга (Швеция) и Райса (США). Также есть примеры роста мышц, клеток крови, костного мозга и зубов.

Что касается выращивания комплексов. органов До сих пор эксперименты проводились в основном на животных; у Хаува также есть примеры успешной трансплантации сконструированных клеток в органов людей; Энтони Атала проводил операции по имплантации мочевых пузырей, выращенных в течение нескольких лет из клеток пациента; в 2008 году итальянский хирург Паоло Маккиарини имплантировал трахею, выращенную из скелета донора. Через несколько лет Маккиарини оказался в центре скандала. Шесть его пациентов умерли, а его работа, согласно научным отчетам, была приукрашена. Результаты независимого исследования, проведенного в мае 2015 года под наблюдением главного хирурга Уппсальского университета Бенгта Гердина, подтвердили, что Маккиарини фальсифицировал результаты своих исследований и совершил научное мошенничество. Подтверждено.

Компания Advanced Cell Technology в 2002 году создала маленькую бычью почку длиной 5 см, используя технологию клонирования, которая была разработана клетки из уха животного. Почка была имплантирована рядом с ухом. органами и она начала нормально вырабатывать мочу.

Также имеется положительный опыт культивирования и трансплантации печени экспериментальных крыс (Массачусетский университет) и легких свиней (Техасский университет).

Пересаженные кровеносные сосуды. органов Они очень маленькие. Мы уже начинали этот проект 30 лет назад, но тогда не было технологии. Поэтому мы, органы Мы снова используем людей, которые умерли. Мы взяли печень у умершего пациента и смогли промыть ее снаружи и внутри: через две недели печень все еще выглядела как печень, но внутри не было клеток. Однако нам удалось сохранить сосудистое дерево, которое является скелетом такой печени. Затем мы получили … клетки пациентов, увеличили их и поместили поверх этого скелета. Мы создаем ткань из тела пациента и таким образом лечим. Таким образом, иммунная реакция полностью отсутствует. Это очень большое преимущество регенеративной медицины.

Энтони Атала, биоинженер — о 3D-печати органов , стволовых клетках и микросердце

Даже из очень плохих опухолей. органа Мы можем взять биопсию из хороших. клетки … Однако это невозможно при наследственных заболеваниях, так как дефекты присутствуют во всей ткани. Это уже другая технология… клетки Исправление и омоложение дефекта у этого пациента. эти клетки И работает она по той же стратегии. К сожалению, это пока экспериментальная методика, но все же есть надежда, что мы сможем лечить генетические заболевания.

Мы стараемся следить за жизнью пациента в течение как минимум пяти-восьми лет после трансплантации. Мы должны убедиться, что все в норме. Только тогда мы можем сказать, что технология работает и что трансплантация состоялась. органы Они работают правильно.

Печать органов И испытания лекарств

Когда мы печатаем миниатюрное сердце, оно начинает сокращаться уже через два часа Шесть лет назад мы начали использовать 3D-печать, потому что нам нужно было расширять эти технологии. До этого момента все делалось вручную. Однако напечатанные детали органы не были достаточно полными, чтобы их можно было имплантировать в тело. Поэтому мы начали разрабатывать более специализированные принтеры, которые могли бы создавать человеческие ткани. И мы работали над этим 14 лет.

Первые эксперименты по биопечати проводились на обычном домашнем 3D-принтере, который был доработан до рабочего состояния; в 2000 году Томас Борланд настроил машину Lexmark и HP так, чтобы она могла печатать фрагменты ДНК, а в 2003 году запатентовал эту технологию.

Сейчас печатью органов Его разработкой занимаются различные компании. Промышленники Organovo разработали технологию, позволяющую печатать ткани печени. Они также напечатали почки, которые сохраняют работоспособность в течение двух недель. Пока что эти органы Они будут использоваться только для тестирования медицинских препаратов, но создатели не исключают, что в скором времени начнут разрабатывать оборудование для печати доноров. органов .

Российские биоинженеры Компания 3D Bioprinting Solutions разработала 3D-принтер Fabion, который был успешно протестирован для печати щитовидных желез и пересадки их лабораторным животным.

Конструкция Flip, разработанная в Университете Шеффилда, печатает намертво глаза. Та же команда разрабатывает технологию 3D-печати носа, ушей и подбородка.

Некоторые устройства производятся для нужд клиентов и не продаются (Fabion от Organovo, Novogen MMX). Цены на коммерческие биоустройства начинаются от 10 000 долларов США (Biobot) и 5 000 евро (Cellink InkRedible) до более 200 000 долларов США (3D Bioplotter от Envisiontec, 3D Discover от Regenhu).

Существует пять интересных критериев для 3D-принтера для печати органов Во-первых, у них очень маленькие сопла, они могут достигать 2 м — то есть 2 % — диаметра человеческого волоса. Во-вторых, эти принтеры дают нам точность. клетки Третья вещь — это биомелан, который представляет собой жидкость, проходящую через сопло. И когда желатин готов, он уже функционирует как нормальная ткань. Следующий критерий — микроволны, которые разъедают сердце клеток. По сути, они являются заменителями крови. И наконец, программное обеспечение, которое позволяет нам получить трехмерное изображение. Таким образом, мы понимаем, что происходит в организме, и создаем структуры, необходимые для определения органа . Для этого он берет цифровые данные с рентгеновского снимка и использует их таким образом, чтобы создать структуру конкретного дефекта у данного пациента.

Энтони Атала, биоинженер — о 3D-печати органов , стволовых клетках и микросердце

Существует две сертифицированные системы печати человека. органов . одобрены Управлением по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов США (Hitech Food and Drug Administration). В течение последних шести лет принтеры использовались для создания так называемых чиповых тел. Эта технология все еще находится на стадии разработки, так как необходимо обеспечить выживаемость этих устройств. органов Но в целом можно создавать небольшие легкие, сердца и кровеносные сосуды, чтобы соединить всю систему с чипом. Вы также можете создать маленькие органы Посмотрите на размер булавочных головок и на то, как эти органы Они будут реагировать на лекарство. Например, если лекарство ускоряет сердечный ритм, наши маленькие сердечки тоже будут биться быстрее. Таким образом, можно выявить побочные эффекты лекарства, которые невозможно обнаружить с помощью других тестов.

Предотвращение побочных эффектов.

Маленькое сердце можно распечатать. органов Мы можем протестировать наши лекарства, что позволит избежать побочных эффектов. Например, препарат Hismanal доступен во всем мире уже 11 лет. Этот антипсихотик также использовался в качестве антигистаминного средства. Через некоторое время после применения выяснилось, что многие пациенты испытывают побочные эффекты, связанные с нарушением работы сердца. Когда препарат был протестирован. на клетке В исследованиях на животных никаких проблем обнаружено не было. Когда проводились клинические испытания I, II и III фазы, ничего не произошло. Мы взяли этот препарат и использовали его органов Этот препарат ввели в чип, и уже через неделю выяснилось, что он токсичен для сердца.

Это происходит потому, что все по-разному реагируют на лекарства, все генетически разные и по-разному обрабатывают один и тот же препарат. У всех разная диета, разные условия жизни и разные трудности со здоровьем. Это мешает понять, как на самом деле действует препарат. с органами . А если убрать все эти помехи и посмотреть непосредственно на то, как действует лекарство. на органы Мы сможем сразу же обнаружить токсичность.

В настоящее время мы разрабатываем систему под названием Body-on-a-Chip, которая позволит нам обнаруживать токсическое действие лекарств в организме. Это может помочь снизить токсичность лекарств, особенно при лечении раковых больных. Мы сможем получать небольшие клетку рак и протестировать химиотерапию на чипе, прежде чем удалять и выращивать рак и проводить лечение пациента. У нас был пациент с меланомой, который проходил химиотерапию в течение шести месяцев, но это стоило больших денег, а опухоль только росла. Мы попробовали еще не испытанный препарат, и пациент начал его принимать; через две недели он впервые отметил, что его симптомы улучшились, а врач заметил, что опухоль уменьшилась. Таким образом, тестирование препарата перед его применением может быть очень полезным.

Стволовые клетки : создание того, чего не существует.

Когда пациенту приходится расти. орган То, чего у пациента нет или что он никогда не терял, может быть использовано стволовые клетки . Обычно для выращивания почки берут почку. клетку Чтобы вырастить уретру, берут уретру. клетки уретры. Но в случае со стволовыми клетками Вы можете взять то, что можете. клеткой Легкие, почки и кровеносные сосуды. Существует два основных типа стволовых Клетки. Одна из них — человеческий эмбрион. Они очень сильны, могут расти и превращаться во всевозможные вещи, но также могут образовывать опухоли, что делает их очень сложными для использования. С другой стороны, если говорить об этих клетках Для взрослых они могут быть такими клетки жировой ткани или костного мозга, они не образуют опухолей, но и не растут сильно.

Впервые термин « стволовая клетка Их использовал немецкий ученый Валентин Хайкер в конце XIX века, а в 1909 году русский ученый Александр Максимов предположил, что ткань клетки остаются неизменными, но в нужный момент они могут изменить свою программу и стать другими. в клетки другого типа.

Эта теория была подтверждена в 1960-х годах. Американцы Джеймс Тилл и Эрнест Маккалох облучали мышей смертельными дозами радиации и пересаживали кровь им стволовую клетку в кровь здоровых людей. Оказалось, что таким образом можно восстановить кровь и спасти мышей от смерти; с 1964 года этот метод используется для лечения рака крови. Сначала у пациентов уничтожают их собственные клетки крови, а затем пересаживают здоровую кровь. клетки Затем здоровые клетки крови пересаживаются стволовые клетки донору. Эффективность этого метода достигает 70-80%.

В 1981 году Мартин Эванс и Мэтью Кауфман вместе с Гейл Мартин выделили фетальные клетки крови эмбрионов стволовые клетки из эмбрионов мышей. Эти клетки Они могут неограниченно долго существовать вне тканей, не меняя свойств, и при воздействии определенных условий. Они возвращаются в организм и превращаются в ткань. в организм Чтобы превратиться в ткань.

В 1999 году журнал Science Magazine причислил эту находку стволовых клеток как одно из трех величайших открытий в биологии после расшифровки ДНК и программы «Геном человека».

Долгое время они считались стволовая клетка превратилась в клетку тканями, которые невозможно было создать. стволовой Это было невозможно сделать. Но в 2006 году японец Яманака нашел способ физического преобразования. клетки обратно в стволовые В 2012 году он был удостоен за это Нобелевской премии.

Энтони Атала, биоинженер — о 3D-печати органов , стволовых клетках и микросердце

Около 17 лет назад мы начали искать альтернативные источники клеток. стволовых Из клеток. Мы думали, что у нас есть что-то другое. тип стволовых Клетки, присутствующие в амниотической жидкости и в плаценте, где ребенок окружает матку. И мы обнаружили эти очень мощные стволовые клетки . Они не образуют опухолей и могут быть преобразованы в три основные категории тканей, которые они образуют. наш организм . Эти клетки Они могут быстро расти в достаточном количестве. Это позволяет избежать всех ограничений, присущих клеткам костного мозга и другим типам клеток. В настоящее время они являются предметом многочисленных клинических испытаний и пока не очень широко используются.

Я не верю, что все проблемы решены и что их можно просто взять и распечатать на принтере. органы На развитие этих технологий уходят десятилетия. Они очень сложны, и требуется много времени, чтобы разработать рецепты, позволяющие технологии работать оптимально. Кроме того, это дорогостоящие технологии, которые сложно воспроизвести, но можно с уверенностью сказать, что у них есть потенциал. И для нас это обещание регенеративной медицины — сделать жизнь пациентов лучше.

Оцените статью