Выращивание органов открытие кратко
Обновлено: 02.07.2024
Выращивание органов - перспективная биоинженерная технология. Технология индуцированных плюрипотентных клеток. Кожа и хрящи. Кровеносные сосуды. Сердце. Почки, поджелудочная железа. Технология выращивания искусственных органов на основе стволовых клеток.
| Рубрика | Биология и естествознание |
| Вид | доклад |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 03.03.2016 |
| Размер файла | 16,3 K |
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Учебный предмет: Введение в биотехнологию
Иванова Каролина Александровна.
Уже сегодня технологии выращивания новых органов широко используются в медицине и позволяют осваивать новые методы изучения иммунной системы и различных заболеваний, а также снижают потребность в трансплантатах. Пациенты, которым сделали пересадку каких-либо органов, нуждаются в большом количестве токсических препаратов для того, чтобы подавлять свою иммунную систему; иначе их организм может отвергнуть пересаженный орган. Однако, благодаря развитию тканевой инженерии, пересадка органов может остаться в прошлом. Используя клетки самих пациентов в качестве материала для выращивания в лаборатории новых видов ткани, ученые открывают все новые технологии создания человеческих органов.
Выращивание органов -- перспективная биоинженерная технология, целью которой является создание различных полноценных жизнеспособных биологических органов для человека. Пока технология не применяется на людях.
Создание органов стало возможным чуть более 10 лет назад благодаря развитию биоинженерных технологий. Для выращивания используют стволовые клетки, взятые у пациента. Разработанная недавно технология ИПК (индуцированные плюрипотентные клетки) позволяет перепрограммировать стволовые клетки взрослого человека так, чтобы из них мог получиться любой орган.
Выращивание органов или тканей человека может быть, как внутренним, так и наружным (в пробирках).
Самый известный ученый в этой области - Энтони Атала, признанный Врачом года-2011, глава лаборатории в Институте регенеративной медицины Вейк Сити (США). Именно под его руководством 12 лет назад был создан первый искусственный орган - мочевой пузырь. Вначале Атала с коллегами создали искусственную матрицу из биосовместимых материалов. Затем взяли у пациента здоровые стволовые клетки мочевого пузыря и перенесли на каркас: одни изнутри, другие снаружи. Через 6-8 недель орган был готов к пересадке.
Для создания матрикса применяют донорские или искусственные ткани, даже углеродные нанотрубки и нити ДНК. Например, кожа, выращенная на каркасе из углеродных нанотрубок, в десятки раз прочнее стали - неуязвима, как у супермена. Только непонятно, как с таким человеком потом работать, например, хирургу. Кожу на каркасе из паучьего шелка (тоже прочнее стали) уже вырастили. Правда, человеку пока не пересаживали.
А самая, пожалуй, передовая технология - печатание органов. Придумал ее все тот же Атала. Метод годится для сплошных органов и особенно хорош для трубчатых. Для первых экспериментов использовали обычный струйный принтер. Позже, конечно, изобрели специальный.
Кожа и хрящи. Их вырастить проще всего: достаточно было научиться размножать кожные и хрящевые клетки вне организма. Хрящи пересаживают уже около 16 лет, это достаточно распространенная операция.
Кровеносные сосуды. Вырастить их несколько сложнее, чем кожу. Ведь это трубчатый орган, который состоит из двух типов клеток: одни выстилают внутреннюю поверхность, а другие формируют наружные стенки. Первыми вырастили сосуды японцы под руководством профессора Кадзува Накао из Медицинской школы Киотского университета еще в 2004 году. Чуть позже, в 2006 году, директор Института стволовой клетки университета Миннесоты в Миннеаполисе (США) Катрин Верфэйл продемонстрировала выращенные клетки мышц.
Почки, печень, поджелудочная железа. Как и сердце, это так называемые сплошные органы. В них самая высокая плотность клеток, поэтому вырастить их труднее всего. Уже решен главный вопрос: как сделать так, чтобы выращенные клетки составили форму печени или почки? Для этого берут матрицу в форме органа, помещают в биореактор и заполняют клетками.
Верхняя челюсть. Специалисты из Института регенеративной медицины при университете Тампере (Финляндия) умудрились вырастить верхнюю челюсть человека… в его собственной брюшной полости. Они перенесли стволовые клетки на искусственную матрицу из фосфата кальция и зашили мужчине в живот. Через 9 месяцев челюсть извлекли и поставили на место родной, удаленной из-за опухоли.
Сетчатка глаза, нервная ткань мозга. Достигнуты серьезные успехи, но пока о весомых результатах говорить рано.
Технология выращивания искусственных органов на основе стволовых клеток
выращивание орган биоинженерный стволовой
Биопринтер -- биологическая вариация технологии reprap (самовоспроизводящийся механизм для быстрого изготовления прототипов), устройство, способное из клеток создавать любой орган, нанося клетки слой за слоем. Вместо того, чтобы вырастить нужный орган в пробирке, гораздо легче его напечатать -- так считают разработчики концепции.
Преимущество биопринтера в том, что он не требует такого каркаса. Форму органа задаёт само печатающее устройство, располагая клетки в требуемом порядке. Сам биопринтер имеет две головки, наполняемые двумя типами чернил.
Гораздо лучше принтер справляется с созданием более простых органов -- например, кусков человеческой кожи или кровеносных сосудов. При печати кровеносных сосудов коллагеновый клей наносится не только на края сосуда, но и в середину. А затем, когда клетки сростутся, клей с лёгкостью удаляется. Стенки сосуда состоят из трех слоёв клеток -- эндотелий, гладкие мышцы и фибробласты. Но исследования показали, что в печати можно воспроизводить только один слой, состоящий из смеси этих клеток -- клетки сами мигрируют и выстраиваются в три однородных слоя. Этот факт может облегчить процесс печати многих органов. Таким образом команда Форгача уже может создавать очень тонкие и ветвящиеся сосуды любой формы. Сейчас исследователи работают над наращиванием слоя мышц на сосудах, что сделает сосуды применимыми для имплантации. Особый интерес представляют сосуды толщиной менее 6 миллиметров -- так как для больших существуют подходящие синтетические материалы.
Многие из подобных технологий находятся еще на стадии разработки, и пока ещё не пересажены в человеческий организм.
Другой, не менее интересной, областью научных исследований является печатание тканей и органов, в прямом смысле этого слова. Принтерные картриджи чистятся от чернил и заправляются смесью из живых человеческих клеток и специального геля. Затем, слой за слоем, наносятся клетки, пока трехмерный орган не готов. Аналогично простому принтеру, который может наносить разные цветные чернила, принтер органов позволяет ученым определять куда наносить различные виды клеток. С помощью такого принтера уже была создана работоспособная сердечная ткань, и вскоре станет возможным производить органы для трансплантации таким способом.
Самыми актуальными направлениями тканевой инженерии являются технологии выращивания таких сложных органов, как нервы, печень, почки, сердце и поджелудочная железа. Именно в этих областях и главенствуют компании Alata и Tengion, направляя биоиндустрию на завоевание новых территорий. Опираясь на такие новые регенеративные методы лечения, как биотехнологические полимеры и стволовые клетки, восстанавливающие органы, тканевая инженерия сможет сохранить наши органы молодыми и здоровыми на долгие года.
Еще 10 лет назад тканевая инженерия была всего лишь новым направлением медицины, сегодня же тысячи ученых со всего мира сплотили свои усилия для новых достижений, которые в дальнейшем помогут миллионам людей стать здоровыми и отказаться от донорских органов.
Подобные документы
Изучение принципа действия биопринтера, способного из клеток создавать любой орган, нанося клетки слой за слоем. Анализ технологии выращивания искусственных органов на основе стволовых клеток. Исследование механизма быстрого самообновления клеток крови.
реферат [1,8 M], добавлен 25.06.2011
Интенсивная технология выращивания карпа и растительноядных рыб. Выращивание линя. Разведение черного амура: требования к пруду, выращивание племенного материала, искусственное воспроизводство, подращивание личинок и требования к составу кормовой базы.
контрольная работа [14,3 K], добавлен 26.02.2009
Изучение эксперимента на мухе дрозофиле для исследования наследственности и изменчивости видов. Перепрограммирование соматических клеток. Принцип применения индуцированных плюрипотентных стволовых клеток. Метод переноса ядра соматической клетки в ооцит.
курсовая работа [705,9 K], добавлен 02.04.2015
Достижения в области изучения стволовых клеток. Виды стволовых клеток, особенности их функционирования. Эмбриональные и гемопоэтические стволовые клетки. Стволовые клетки взрослого организма. Биоэтика использования эмбриональных стволовых клеток.
презентация [908,9 K], добавлен 22.12.2012
Основные функции бокаловидных клеток как клеток эпителия слизистой оболочки кишечника и других органов позвоночных животных и человека. Форма клеток и особенности их локализации. Секрет бокаловидных клеток. Участие бокаловидных клеток в секреции слизи.
Постиндустриальные темпы развития человечества, а именно науки и техники, велики настолько, что их невозможно было представить еще 100 лет назад. То, о чем раньше можно было прочитать только в научно-популярной фантастике, теперь появилось и в реальном мире.
Уровень развития медицины 21-го века выше, чем когда-либо. Заболевания, считавшиеся смертельно опасными раньше, в наши дни успешно лечатся. Однако еще не решены проблемы онкологии, СПИДа и множества других заболеваний. К счастью, в ближайшем будущем для этих проблем найдется решение, одним из которых послужит выращивание органов человека.
Основы биоинженерии
Наука, использующая информационный базис биологии и пользующаяся аналитическим и синтетическим методами для решения своих задач, зародилась не так давно. В отличие от обычной инженерии, которая для своей деятельности применяет технические науки, по большей части математику и физику, биоинженерия идет дальше и пускает в ход инновационные методы в виде молекулярной биологии.
Одной из главных задач новоиспеченной научно-технической сферы является выращивание искусственных органов в лабораторных условиях с целью их дальнейшей пересадки в тело пациента, у которого отказал из-за повреждения или в силу изношенности тот или иной орган. Опираясь на трехмерные клеточные структуры, ученые смогли продвинуться в изучении влияния различных болезней и вирусов на деятельность человеческих органов.
К сожалению, пока это не полноценные органы, а лишь органоиды – зачатки, незаконченная совокупность клеток и тканей, которые можно использовать только в качестве экспериментальных образцов. Их работоспособность и уживчивость проверяются на подопытных животных, в основном, на разных грызунах.
Историческая справка. Трансплантология
Росту биоинженерии как науки предшествовал долгий период развития биологии и других наук, целью которых было изучение человеческого тела. Еще в начале 20-го века толчок своему развитию получила трансплантология, задачей которой было изучение возможности пересадки органа донора другому человеку. Создание методик, способных консервировать на некоторое время донорские органы, а также наличие опыта и детальных планов по трансплантации позволили хирургам со всего мира в конце 60-х годов успешно пересадить такие органы, как сердце, легкие, почки.
На данный момент принцип трансплантации является наиболее действенным в случае, если пациенту угрожает смертельная опасность. Основная проблема заключается в остром дефиците донорских органов. Больные могут годами ждать своей очереди, так ее и не дождавшись. Кроме того, существует высокий риск того, что пересаженный донорский орган может не прижиться в теле реципиента, так как иммунной системой пациента он будет рассматриваться в качестве инородного предмета. В противоборство данному явлению были изобретены иммунодепрессанты, которые, однако, скорее калечат, чем лечат – иммунитет человека катастрофически ослабевает.
Преимущества искусственного создания над трансплантацией
Одно из главных конкурентных отличий метода выращивания органов от их пересадки от донора заключается в том, что в лабораторных условиях органы могут производиться на основе тканей и клеток будущего реципиента. В основном, используются стволовые клетки, обладающие способностью дифференцироваться в клетки определенных тканей. Данный процесс ученый способен контролировать извне, что существенно снижает риск будущего отторжения органа иммунной системой человека.
Более того, с помощью метода искусственного выращивания органов можно производить их неограниченное количество, тем самым удовлетворяя жизненно важные потребности миллионов людей. Принцип массового производства значительно снизит цены на органы, спасая миллионы жизней и значительно увеличивая выживаемость человека и отодвигая дату его биологической смерти.
Достижения биоинженерии
На сегодняшний день ученые в состоянии выращивать зачатки будущих органов – органоиды, на которых испытывают различные болезни, вирусы и инфекции с целью проследить процесс заражения и разработать тактику противодействия. Успешность функционирования органоидов проверяют посредством их трансплантации в тела животных: кроликов, мышей.
Стоит также отметить, что биоинженерия достигла определенных успехов в создании полноценных тканей и даже в выращивании органов из стволовых клеток, которые, к сожалению, пока невозможно пересадить человеку в силу их неработоспособности. Однако на данный момент ученые научились создавать искусственным путем хрящи, сосуды и другие соединительные элементы.
Кожа да кости
Не так давно у ученых Колумбийского университета получилось создать фрагмент кости, по структуре схожий с суставом нижней челюсти, соединяющим ее с основанием черепа. Фрагмент был получен посредством использования стволовых клеток, как и при выращивании органов. Чуть позже израильской компании Bonus BioGroup удалось изобрести новый метод воссоздания человеческой кости, который был с успехом испробован на грызуне – искусственно выращенная кость была пересажена в одну из его лап. В данном случае опять же были использованы стволовые клетки, только получены они были из жировой ткани пациента и в последующем помещены на гелеобразный каркас кости.
Начиная с 2000-х годов, для лечения ожогов доктора применяют специализированные гидрогели и методы естественной регенерации поврежденных участков кожи. Современные же экспериментальные методики позволяют вылечивать сильнейшие ожоги за несколько дней. Так называемый Skin Gun распыляет особую смесь со стволовыми клетками пациента на поврежденную поверхность. Также наблюдаются крупные успехи в создании стабильно функционирующей кожи с кровеносными и лимфатическими сосудами.
Выращивание органов из клеток
Недавно ученым из Мичигана удалось вырастить в лабораторных условиях часть мышечной ткани, которая, правда, вдвое слабее оригинальной. Точно так же ученые в Огайо создали трехмерные ткани желудка, которые были в состоянии производить все необходимые для пищеварения ферменты.
Японские же ученые совершили почти невозможное – вырастили полностью функционирующий человеческий глаз. Проблема трансплантации заключается в том, что присоединить зрительный нерв глаза к головному мозгу пока не представляется возможным. В Техасе искусственным путем в биореакторе удалось также вырастить легкие, но без кровеносных сосудов, что ставит под сомнение их работоспособность.
Перспективы развития
Совсем недолго осталось до того момента в истории, когда человеку можно будет пересадить большинство органов и тканей, созданных в искусственных условиях. Уже сейчас ученые со всего мира располагают разработками проектов, экспериментальными образцами, некоторые из которых не уступают оригиналам. Кожу, зубы, кости, все внутренние органы по прошествии некоторого времени можно будет создавать в лабораториях и продавать нуждающимся людям.
Новые технологии также ускоряют развитие биоинженерии. 3D-печать, получившая распространение во многих сферах человеческой жизни, будет полезной и в рамках выращивания новых органов. 3D-биопринтеры уже экспериментально используются с 2006 года, а в будущем они смогут создавать трехмерные работоспособные модели биологических органов, перенося культуры клеток на биосовместимую основу.
Общий вывод
Биоинженерия как наука, целью которой является выращивание тканей и органов для их дальнейшей трансплантации, зародилась не так давно. Семимильный темп, в котором она шагает по пути прогресса, характеризуется существенными достижениями, которые в будущем спасут миллионы жизней.
Выращенные из стволовых клеток кости и внутренние органы сведут на нет нужду в донорских органах, количество которых и так находится в состоянии дефицита. Уже сейчас ученые располагают множеством разработок, результаты которых пока не слишком продуктивны, но имеют огромный потенциал.
Возможность вырастить человеческий орган в пробирке и пересадить его человеку, нуждающемуся в пересадке — мечта трансплантологов. Ученые по всему миру работают над этим и уже научились делать ткани, небольшие работающие копии органов, и до полноценных запасных глаз, легких и почек нам на самом деле осталось совсем немного.
Легкие. Ученые из Техасского университета вырастили легкие человека в биореакторе. Правда, без кровеносных сосудов такие легкие не функциональны. Однако команда ученых из Медицинского центра Колумбийского университета (Columbia University Medical Center, New York) недавно впервые в мире получили функциональное легкое с перфузируемой и здоровой сосудистой системой у грызунов ex vivo.
Ткани сердечной мышцы. Биоинженерам из университета Мичигана удалось вырастить в пробирке кусок мышечной ткани. Правда, полноценно сердце из такой ткани пока работать не сможет, она вдвое слабее оригинала. Тем не менее пока это самый сильный образец сердечной ткани.
Кости. Израильская биотехнологическая компания Bonus BioGroup использовалат трехмерные сканы для создания гелеобразного каркаса кости перед посевом стволовыми клетками, взятыми из жира. Кости, получившиеся в результате, они успешно пересадили грызунам. Уже планируются эксперименты по выращиванию человеческих костей по этой же технологии.
Японские ученые вырастили глаз в чашке Петри. Искусственно выращенный глаз содержал основные слои сетчатки: пигментный эпителий, фоторецепторы, ганглионарные клетки и другие. Трансплантировать его целиком пока возможности нет, а вот пересадка тканей — весьма перспективное направление. В качестве исходного материала были использованы эмбриональные стволовые клетки.
Ученые из корпорации Genentech вырастили простату из одной клетки. Молекулярным биологам из Калифорнии удалось вырастить целый орган из единственной клетки.
Ученым удалось найти единственную мощную стволовую клетку в простатической ткани, которая способна вырасти в целый орган. Таких клеток оказалось чуть меньше 1% от общего числа. В исследовании 97 мышам трансплантировали такую клетку под почку и у 14 из них выросла полноценная простата, способная нормально функционировать. Точно такую же популяцию клеток биологи нашли и в простате человека, правда, в концентрации всего 0,2%.
Сердечные клапаны. Швейцарские ученые доктор Саймон Хоерстрап (Simon Hoerstrup) и Дорта Шмидт (Dorthe Schmidt) из университета Цюриха (University of Zurich) смогли вырастить человеческие сердечные клапаны, воспользовавшись стволовыми клетками, взятыми из околоплодной жидкости. Теперь медики смогут выращивать клапаны сердца специально для неродившегося еще ребенка, если у него еще в зародышевом состоянии обнаружатся дефекты сердца.
Ушная раковина. Используя стволовые клетки, ученые вырастили ухо человека на спине крысы. Эксперимент был проведен исследователями из Университета Токио (University of Tokyo) И Университета Киото (Kyoto University) под руководством Томаса Сервантеса (Thomas Cervantes).
Кожа. Ученые из Цюрихского университета (Швейцария) и университетской детской больницы этого города впервые сумели вырастить в лаборатории человеческую кожу, пронизанную кровеносными и лимфатическими сосудами. Полученный кожный лоскут способен почти полностью выполнять функцию здоровой кожи при ожогах, хирургических дефектах или кожных болезнях.
Поджелудочная железа. Ученые впервые создали васкуляризованные островки поджелудочной железы, способные вырабатывать инсулин. Еще одна попытка вылечить диабет I типа.
Почки. Ученые из австралийского университета Квинсленда научились выращивать искусственные почки из стволовых клеток кожи. Пока это лишь маленькие органоиды размером 1 см, но по устройству и функционированию они практически идентичны почкам взрослого человека.
Мочевой пузырь. Группа американских ученых под руководством Энтони Аталы (Anthony Atala) вырастила в лаборатории человеческие мочевые пузыри, полностью готовые к пересадке, из образцов собственных тканей пациентов. Те же ученые вырастили мочеиспускательные каналы для пациентов, у которых они были повреждены.
Кроме того, ученые уже научились выращивать хрящевые ткани, ткани скелетных мышц и костей, ткани гипофиза, тимуса, а также ткани, функционирующие аналогично тканям человеческого мозга.
Каждый из нас когда-нибудь задумывался о бренности своего тела. У одних такие мысли появились, когда у них выпал первый молочный зуб, у других — когда они нашли у себя первый седой волос, у третьих — когда кожа стала тонкой и морщинистой, а суставы перестали сгибаться. А что, если можно было бы менять органы, как запчасти в машине? Ожог 80 % поверхности тела — натянем новую кожу, отказал какой-то внутренний орган — не беда, заменим, будет как новенький!
Наши ткани состоят не столько из клеток, прижатых вплотную друг к дружке, сколько из того самого внеклеточного матрикса — будь то коллагеновые волокна или апатитная губка, как, например, в костях.
Эта конференция состоялась еще в 2011 году. Сейчас группа Шая Сокера (докладчика на видео) занимается биосенсорами и платформами скрининга лекарственных веществ на искусственных органах и тканях.
Справедливости ради нужно отметить, что иногда клетки сажают и на биосовместимый полимер. Одним из первых успешных опытов было создание новой легочной артерии: ученые взяли кусок периферической вены и выделили из него клетки, которые могут стать стенкой сосуда.
В случаях с более объемными органами на помощь приходит техника обесклеточивания (децеллюляризации). Здесь и всплывает имя скандально известного хирурга Паоло Маккиарини. Он первым пересадил человеку донорскую трахею, взятую из трупного материала, но пациентка умерла после операции. Есть мнение, что всему виной был обычный бактериальный сепсис, который закончился фатально. Маккиарини провел несколько таких экспериментальных операций, часть из которых прошла без серьезных осложнений, хотя некоторые коллеги называли его деятельность этическим Чернобылем.
Для большинства пациентов искусственная трахея была единственным способом продлить жизнь. При этом они страдали множеством сопутствующих заболеваний, которые сами по себе могли стать фактором, ухудшившим их состояние после трансплантации. Кроме того, одной из претензий этических комитетов к Маккиарини было то, что при каждой операции он применял новую экспериментальную методику: якобы смена способов и материалов для трахеи свидетельствовала о том, что хирург не знал, что делает. Комиссия в своем отчете заявила, что использовать непроверенные методики даже тогда, когда человек мог умереть с высокой степенью вероятности и при любом другом лечении, недопустимо.
К счастью, модели тканей и органов, выращенные на коллагеновом каркасе из донорского материала, можно успешно использовать в доклинических испытаниях лекарственных веществ. Теоретически это даже может дать более точные результаты, чем испытание на клеточной монокультуре.
Что же касается прикладных успехов биотрансплантации, то стоит начать с козырей — бьющегося мышиного сердца. Его вырастили с помощью обесклеточивания с последующим засевом стволовыми клетками:
Конечно, оно пока не способно эффективно качать кровь и сокращается не очень ритмично, но сам принцип выращивания в пробирке сложных органов, состоящих из нескольких типов тканей, уже работает.
В начале статьи мы упоминали механические протезы и их недостатки. Если откажет, например, искусственный клапан сердца, пациенту смогут помочь только в узкоспециализированной клинике — в медицинской литературе описано много случаев заедания створок механического клапана. А вот донорский или искусственно выращенный орган больного сможет спасти любой квалифицированный врач.
Сейчас проходят клинические испытания новые способы лечения небольших структурных дефектов внутренних органов с помощью стволовых клеток. Уже коммерчески доступны ECM-материалы на основе обесклеточенных матриксов мочевых пузырей свиней.
А вот с сердцем, легкими, почками и другими востребованным органами пока что не очень, увы. Большая часть современных разработок в области регенеративной медицины пока что находится лишь на стадии клинических испытаний. И к большому сожалению, если кому-то необходима такая помощь, остается лишь постоянно мониторить сайты крупных западных медцентров, специализирующихся на такого рода вещах.
Содержание
Современное состояние
Идея об искусственном выращивании человеческих органов появилась в середине XX века, с того момента, как людям начали пересаживать органы доноров. Даже при возможности пересаживать большинство органов пациентам, в настоящее время очень остро стоит вопрос донорства. Большое количество пациентов умирают, не дождавшись своего органа. Искусственное выращивание органов в теории может спасти миллионы человеческих жизней. Некоторые успехи в этом направлении уже достигнуты с помощью методов регенеративной медицины.
Эмбриоиды
Эмбриоиды или эмбриональные тельца представляют собой трёхмерные агрегаты клеток, где представлены клетки всех трёх зародышевых листков, необходимых для образования органов и тканей организма. В условиях лаборатории их можно получить различными способами культивирования из недифференцированных ИПСК. 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 соавторам исследования. 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, путём регуляции жесткости материала подложек для культивации была отмечена и в ряде других работ. Новые технологии позволили синхронизировать сокращения клеток сердечного органоида.
Органоиды печени
Такебе с соавт. создали воспроизводимый метод широкомасштабного выращивания васкуляризированных органоидов печени человека полностью из индуцированных плюрипотентных стволовых клеток (ИПСК) и продемонстрировали их функциональные возможности для применения в качестве трансплантата для лечения людей.
Органоиды слюнных и слезных желез
Группа исследователей из Токийского университета наук и корпорации Organ Technologies Inc во главе с профессором Такаси Цудзи (Takashi Tsuji) продемонстрировала функциональную регенерацию подчелюстных слюнных желез из биоинженерных зародышей слюнной железы после их ортотопической (с удалением дефектной железы) трансплантации, с целью восстановительной терапии путём замены органа мышам, у которых был смоделирован дефект слюнных желез. Созданный биоинженерный зародыш развился в зрелую железу путём 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. 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 [ чего? ] биоинженерные зародыши дали начало слезным железам способным выполнять физиологические функции, включая образование слезы, в ответ на нервную стимуляцию, и защиту глазной поверхности.
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 для подсадки пациентам миниатюрных почек, созданных из их собственных ИПСК. Разработана стратегия трансплантации такого органоида, позволяющая ему выводить выделяемую им мочу в мочевой пузырь.
Органоиды поджелудочной железы
Органоиды тимуса
Важную роль в генерации новых Т-клеток играет тимус. Эта железа очень активна в начале жизни, но отмирает при достижении совершеннолетия в процессе, известном как инволюция тимуса, в результате чего происходит понижение иммунитета у пожилых людей. Подсадка в организм старых людей органоидов тимуса могла бы помочь им бороться с рядом старческих заболеваний. Надежды в этом плане вселяют эксперименты по выращиванию органоидов тимуса и их трансплантации бестимусным мышам. Выяснилось, что органоиды тимуса не только способны прижиться но и могут эффективно способствовать восстановлению функции тимуса у его получателей. Органоиды тимуса в будущем позволят производить в биореакторах модифицированные Т-клетки для целенаправленной борьбы с онкологическими заболеваниями.
Органоиды легочной ткани
Воздействуя на сигнальные пути ИПСК человека удалось получить органоиды лёгких человека состоящие из эпителиальных и мезенхимальных компартментов лёгких, со структурными особенностями характерными для легочных тканей. Модификация этого метода позволяет выращивать органоиды легочной ткани в биореакторе и использовать их для изучения легочных заболеваний.
Органоиды сетчатки глаза
Разработаны 3-D органоиды глазного яблока и сетчатки глаза с фоторецепторными клетками: палочками и колбочками. Это позволит в будущем разработать методы лечения таких заболеваний глаз как дегенерация сетчатки .
Органоиды сенсорного эпителия внутреннего уха
Аналогичная технология была использована для разработки способов получения органоидов сенсорного эпителия внутреннего уха, что в будущем позволит бороться с глухотой.
Органоиды простаты
Органоиды простаты были получены путём направленной дифференцировки ЭСК. Отмечается, что решающее значение для образования эпителиальных клеток простаты, имеет время экспозиции факторам WNT10B/Fgf10 выполняющих ключевую роль для образования простаты, также как и в период внутриутробного развития.
Церебральные органоиды
С целью моделирования и исследования in vitro человеческого головного мозга и его заболеваний была создана трёхмерная культура органоидов клеток головного мозга, полученных из плюрипотентных стволовых клеток. 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 путём их безопасного и экономичного первоначального скрининга, а также для получения образцов для ксенотрансплантации.
Эпителиальные энтероиды, колоноиды и холангиоиды
При моделировании эпитеалиальных органов проблемой является разнообразие источников эпителиальных тканей, крайняя чувствительность пролиферативной активности эпителиальных клеток к внешним изменениям, а также ассоциированные с эпителиально-мезенхимальным переходом особенности, характерные исключительно для эпителиальных тканей. Поскольку форма таких тканей в основном представляет собой стенку, ее восстановление связано с многослойной организацией и функционалом (перистальтика, нервная регуляция). Данные особенности тканевой морфологии обобщают биологические проблемы, возникающие при поиске новых эффективных методов восстановительной и регенеративной хирургии стенок полых эпителиальных органов (пищевод, желудок, кишечник), а также трубчатых структур (желчный проток, мочеточник). 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, а также создавать опухолевые органоиды для изучения раковых заболеваний и скрининга лекарственных препаратов.
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.
Биоинженерная мышца
Хрящевые и мышечные ткани для операций по реконструкции
Тканевые имплантаты, выращенные в лаборатории из собственных мышечных и эпителиальных клеток девочек-пациенток, которым требовалась операции по реконструкции вагины, после пластической операции не только успешно прижились и функционировали.
Создана подложка и специальный инкубатор для выращивания человеческого пищевода из клеток пациента. Эта разработка в перспективе позволит сохранить жизнь новорожденным, родившимся без значительной части пищевода.
Преодоление иммунного отторжения органов
3D-биопечать
Роль самоорганизации тканей
Роль межклеточного матрикса
Разработан протез трахеи, который 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.
Читайте также: