Что такое тканевая инженерия кратко

Обновлено: 05.07.2024

В хирургии уретры проблема недостатка тканей для операции стоит очень остро. В большей части случаев собственно уретральной ткани бывает недостаточно, и тогда возникает вопрос о поиске материалов, которые могли бы заменить недостающую часть уретры.

Идеальный материал для замещения уретры должен:

Бесспорно, наилучшим материалом для замещения пораженной уретры является собственная ткань уретры, а наиболее перспективным методом ее получения является тканевая инженерия.

Тканевая инженерия

Тканевая инженерия как дисциплина является сравнительно молодой наукой. Она начала свою историю в первой половине XX века. Фундаментом для ее основания послужили теоретические и практические разработки по созданию in vitro органов и тканей и работы по трансплантации клеток и других биологически активных компонентов на различных носителях для восстановления повреждений в различных тканях организма [8]. Основными методами тканевой инженерии являются следующие:

культивирование аутологичных клеток вне организма человека с последующим введением их в организм (то есть аутотрансплантация);

Тканевая инженерия является междисциплинарной наукой. Способность клеток различных органов и тканей расти при помещении в определенные условия известна достаточно давно, однако применение таких клеток самих по себе весьма и весьма ограничено. В первую очередь это связано с тем, что контролировать локализацию клеток, внедренных в организм в виде суспензии, очень сложно [8, 13]. Поэтому прогресс в тканевой инженерии обусловлен не столько разработкой методов культивирования клеток, сколько созданием специальных носителей, на которых выращенные клетки бы имплантировались в организм.

Основные принципы данного подхода заключаются в разработке и применении при имплантации в поврежденный орган или ткань носителей из биосовместимых рассасывающихся материалов, которые используются в сочетании с донорскими клетками и/или с биоактивными веществами.

Культивирование клеток

Большая часть клеток организма человека и животных может быть выращена в условиях лаборатории (в том числе и эндотелиальные клетки уретры). В процессе культивирования, уже через несколько делений, клетки начинают утрачивать свои морфологические свойства, происходит их дедифференцировка. Однако этот процесс подвергается обратному развитию при помещении клеток на какой-либо биоматериал [6].

Биоматериалы для тканевой инженерии

Биоматериалы должны обеспечивать регуляцию клеточной пролиферации для построения новой ткани. Матрица (scaffold, acellular matrix graft) — вещество, обеспечивающее регенерацию ткани. В идеале матрица должна быть удобной в использовании, рассасывающейся, иметь низкую антигенность, не вызывать воспаления. При разрушении матрицы не должно выделяться никаких токсических продуктов.

Взаимоотношения клеток в организме регулируются множеством факторов, среди которых одну из ведущих ролей играют факторы роста. Биоматериалы могут содержать факторы роста и стимуляторы экспрессии генов для более успешного развития ткани [4, 6].

В генитоуринарной тканевой инженерии биоматериалы функционируют как искусственный экстрацеллюлярный матрикс, имитируя при этом функции и свойства нативного экстрацеллюлярного матрикса. Основными такими функциями являются обеспечение межклеточных связей, контроль структуры ткани и регуляция фенотипа клеток [1]. Биоматериалы регулируют плотность клеток и выработку биологически активных факторов, определяют трехмерную структуру ткани и являются проводником для развития новой ткани [8, 10].

Все многообразие биоматериалов может быть классифицировано на три большие группы:

синтетические полимеры (полигликолевая кислота — PGA, полилактокислота — PLA, полилактокогликолевая кислота — PLGA и др.).

Основными преимуществами веществ первых двух групп является их естественная природа и более легкая интеграция в организм. Однако практически невозможно контролировать микроструктуру таких материалов, в отличие от синтетических полимеров.

Известно, что поддерживающий эффект любого материала обеспечивается, как правило, его структурными особенностями. Для естественных биоматериалов этот показатель обычно связан с архитектоникой нативной ткани, из которой он получен. Наиболее известным из современных естественных биоматериалов является коллаген. К основным достоинствам коллагена как пластического биоматериала следует отнести его низкую токсичность и антигенность, высокую механическую прочность [10].

Альгинат, полисахарид, выделенный их морских водорослей, использовался как вещество, определяющее структуру тканей, и как средство для фиксации клеток, благодаря своим гелеобразным свойствам и присутствию ионов кальция [8, 9, 13]. Практическое применение альгинат нашел для лечения открытых ран. Однако альгинат не является удобным материалом с широкой областью применения, так как его свойства строго коррелируют с длиной цепей, которую в свою очередь практически невозможно проконтролировать [8].

Ацеллюлярный клеточный матрикс готовится путем удаления клеток из тканей, достаточно часто из участка стенки мочевого пузыря [2, 12, 13]. По своим биомеханическим свойствам ацеллюлярный клеточный матрикс мало отличается от собственно стенки мочевого пузыря и поэтому подходит для использования при закрытии дефектов уретры и мочевого пузыря [2, 12].

Синтетические полимеры широко используются в хирургии вообще и в урологии в частности. Многие вещества одобрены Food and Drug Administration (FDA) как источник для выработки синтетических рассасывающихся швов [7]. В связи с термопластичностью материала ему может быть придана любая форма. Это особенно важно в генитоуринарной реконструкции, где остро стоит проблема производства матриц с заданным диаметром пор.

Опыт тканевой инженерии в лечении заболеваний уретры

В 1983 году PGA-трубочки были использованы для реконструкции уретры собак. Для этого 3–4-сантиметровый участок мочеиспускательного канала удалялся и замещался матрицей. Через две недели собаки могли мочиться через неоуретру, а через два месяца было зафиксировано полное восстановление уротелия. Еще через месяц полимер полностью рассосался. Осложнений отмечено не было. Однако полного восстановления спонгиозного тела не произошло.

В 1992 году PGA была также использована для помещения на нее клеток уротелия. Уротелий был выделен и помещен на матрицу в форме трубочки. Через 30 дней был сформирован уротелий в виде трубочки, а полимер начал рассасываться. В клетках был обнаружен уротелий-ассоцированный цитокератин.

Olsen с сотрудниками в 1992 году использовали для восстановления уретры собак PGA-полимер, покрытый полигидроксибутировой кислотой [11]. Через год после операций полимер полностью деградировал, а на месте имплантации была сформирована уретра. Стриктур в области анастомоза отмечено не было.

В 1993 году Atala A. было установлено, что на примере белых новозеландских кроликов синтетические рассасывающиеся полимеры способны обеспечивать восстановление уретры [1].

В 1995 году на белых новозеландских кроликах Cilento B. G. c коллегами провели восстановление уретральной ткани с удовлетворительными результатами [3]. В течение нескольких месяцев произошло восстановление нормального уротелия с удовлетворительной васкуляризацией. Развития стриктур за период проведения исследования отмечено не было.

В 1999 году Chen F. с коллегами предложили в качестве биоматериала для восстановления уретры использовать ацеллюлярный коллагеновый матрикс [2]. Нормальное развитие уротелия было зафиксировано у всех животных без осложнений и стриктур.

В 1999 году Atala A. впервые клинически использовал ацеллюлярный коллагеновый матрикс при лечении пациентов с гипоспадией [1]. Матрикс служил субстратом, который в скором времени прорастал собственными клетками. В целом эксперимент оказался успешным.

В 2002 году De Filippo R. E., Yoo J. J., Atala A. использовали тубуляризированный коллагеновый матрикс в эксперименте по замещению уретры у 24 кроликов мужского пола [5]. В 50% случаях на матрикс были помещены клетки уротелия, предварительно культивированные in vitro. В остальных 50% случаев матрикс использовался без клеток. Контроль с применением уретрографии проводился на 1-й, 2-й, 3-й, 6-й месяцы. Результаты были вполне удовлетворительными: не было отмечено образования стриктур, функциональные результаты также были удовлетворительными.

Перспективы и спорные вопросы

Тканевая инженерия — перспективный метод лечения многих заболеваний, в том числе и урологических. Однако внедрение его должно проводиться строго в рамках законодательства. Несмотря на обнадеживающие первые результаты, многие вопросы остаются без ответа. Долгосрочного наблюдения за пациентами, хорошо организованных проспективных исследований не проводилось. Это означает, что мы пока не знаем, что происходит с новообразованной тканью через большой промежуток времени, не развивается ли там фиброз, не повышается ли вероятность развития злокачественных новообразований.

Мы не имеем информации о последствиях клеточного стресса, который имеет место во время культивирования клеток, об изменении их антигенных свойств, устойчивости при воздействии инфекционных агентов. Безусловно, исследования в области тканевой инженерии должны продолжаться, чтобы в скором времени революционизировать методы лечения множества заболеваний. ЃЎ

Тканевая инженерия — молодое и развивающееся направление медицины, открывающее перед человечеством новые возможности. Кстати, в 2021 году центр профориентации ПрофГид разработал точный тест на профориентацию. Он сам расскажет вам, какие профессии вам подходят, даст заключение о вашем типе личности и интеллекте.

В этой статье мы расскажем вам о профессии тканевого инженера — одной из профессий будущего в этом направлении.

Что такое тканевая инженерия?

Это наука, возникшая на границе между клеточной биологией, эмбриологией, биотехнологией, трансплантологией и медицинским материаловедением.

Она специализируется на разработке биологических аналогов органов и тканей, создаваемых из живых клеток и предназначенных для восстановления или замещения их функций.

Кто такой тканевый инженер?

Это специальность, которая станет востребована в ближайшем будущем. В обязанности этого профессионала входит разработка и контроль производственного процесса, подбор материалов и формирование необходимых условий для создания тканеинженерных имплантов (графтов) и их дальнейшей трансплантации. По некоторым данным, эта профессия начнет распространяться после 2020 года.

Разработка и внедрение графта включает в себя ряд стадий:

— вначале необходимо произвести отбор и культивацию клеток;

— затем создается клеточный носитель (матрица) с использованием биосовместимых материалов;

— после этого клетки размещаются на матрице и происходит их размножение в биореакторе;

— наконец имплант помещается в область нефункционирующего органа. При необходимости перед этим графт внедряется в область с хорошим кровоснабжением для его созревания (этот процесс называется префабрикацией).

Исходным материалом могут послужить клетки ткани, которую необходимо регенерировать, или стволовые клетки. При производстве матриц могут применяться различного рода материалы (биокомпозитные, синтетические биологически инертные, природные полимерные).

Где применяются графты

Создание искусственных аналогов кожи, помогающих в регенерации кожного покрова при обширных ожогах.
Тканеинженерные импланты также обладают большим потенциалом в области кардиологии (биологические аналоги сердечных клапанов, воссоздание артерий, вен и капилляров).
Кроме того, они применяются при воссоздании дыхательной системы, органов пищеварения, мочевой системы, желез внешней и внутренней секреции.

Где учиться на тканевого инженера

В данный момент в нашей стране нет образовательных программ, проводящих обучение по данной специальности, существует лишь ряд лабораторий при научно-исследовательских институтах, специализирующихся на тканевой инженерии. Специалисты, желающие развиваться в этой области, могут получить базовое медицинское образование. Также следует рассмотреть возможность обучения за рубежом: в США и Европе активно развиваются магистратуры по данной специальности.

Профессионально важные качества:

системность мышления;
интерес к работе в междисциплинарной области;
готовность к работе в условиях неопределенности;
научно-исследовательский интерес;
отовность к командной работе.

Профилирующие дисциплины:

биология;
химия;
физика;
математика;
информатика.

Достижения современной тканевой инженерии

Были созданы и успешно применены аналоги сосков женской груди, тканеинженерный мочевой пузырь и мочеточники. Ведутся исследования в области создания печени, трахеи и элементов кишечника.

Ведущие научно-исследовательские лаборатории работают над воссозданием другого с трудом поддающегося восстановлению человеческого органа — зуба. Сложность заключается в том, что клетки зуба развиваются из нескольких тканей, сочетание которых не удавалось воспроизвести. В настоящее время не полностью воссозданы только ранние этапы формирования зуба.Создание искусственного глаза в настоящее время находится на начальном этапе, однако уже получилось разработать аналоги отдельных его оболочек — роговицы, склеры, радужки.

В то же время, вопрос о том, как интегрировать их в единое целое, пока остается открытым.

Группе немецких ученых из университета г. Киля удалось успешно восстановить нижнюю челюсть пациента, почти целиком удаленную в связи с опухолью.

Стволовые клетки пациента вместе с факторами роста кости поместили в точную копию его челюсти, созданную из титановой сетки. Затем на период инкубации эту конструкцию на 8 недель поместили в его мышцу под правой лопаткой, откуда затем она была пересажена пациенту.

Пока преждевременно говорить о том, насколько эффективно будет функционировать такая челюсть. Однако это первый достоверный случай пересадки кости, буквально выращенной внутри человеческого организма.

Обзор

В перспективе тканевая инженерия, если и не приведет к бессмертию, то уж точно сделает решение многих современных проблем медицины более чем реальным.

Автор

Редакторы

В последние десятилетия стали отчетливо проявляться тревожные тенденции старения населения, роста количества заболеваний и инвалидизации людей трудоспособного возраста, что настоятельно требует освоения и внедрения в клиническую практику новых, более эффективных и доступных методов восстановительного лечения больных. На рисунке 1 показано, как изменяется структура заболеваний в настоящее время.

Рисунок 1. Мировая динамика частоты заболеваний.

На сегодняшний день наука и техника предлагает несколько альтернативных путей восстановления или замены поврежденных или пораженных патологией тканей и органов:

трансплантацию;
имплантацию;
тканевую инженерию.

В рамках данной статьи мы подробнее остановимся на возможностях и перспективах тканевой инженерии.

Тканевая инженерия — современная инновационная технология

Принципиально новый подход — клеточная и тканевая инженерия — является последним достижением в области молекулярной и клеточной биологии. Этот подход открыл широкие перспективы для создания эффективных биомедицинских технологий, с помощью которых становится возможным восстановление поврежденных тканей и органов и лечение ряда тяжелых метаболических заболеваний человека.

Цель тканевой инженерии — конструирование и выращивание вне организма человека живых, функциональных тканей или органов для последующей трансплантации пациенту с целью замены или стимуляции регенерации поврежденных органа или ткани. Иными словами, на месте дефекта должна быть восстановлена трехмерная структура ткани.

Важно отметить, что обычные имплантаты из инертных материалов могут устранить только физические и механические недостатки поврежденных тканей, — в отличие от тканей, полученных методом инженерии, которые восстанавливают, в том числе, и биологические (метаболические) функции. То есть, происходит регенерация ткани, а не простое замещение ее синтетическим материалом.

Однако для развития и совершенствования методов реконструктивной медицины на базе тканевой инженерии необходимо освоение новых высокофункциональных материалов. Эти материалы, применяемые для создания биоимплантатов, должны придавать тканеинженерным конструкциям характеристики, присущие живым тканям:

способность к самовосстановлению;
способность поддерживать кровоснабжение;
способность изменять строение и свойства в ответ на факторы окружающей среды, включая механическую нагрузку.

Клетки и матриксы — основа основ для тканевой инженерии

Наиболее важным элементом успеха является наличие необходимого количества функционально активных клеток, способных дифференцироваться, поддерживать соответствующий фенотип и выполнять конкретные биологические функции. Источником клеток могут быть ткани организма и внутренние органы. Возможно использование соответствующих клеток от пациента, нуждающегося в реконструктивной терапии, или от близкого родственника (аутогенных клеток). Могут быть использованы клетки различного происхождения, в том числе первичные (рис. 2) и стволовые клетки (рис. 3).

Рисунок 2. Первичная клетка человека.

библиотека Федерации Киокушинкай г. Южноуральска

Рисунок 3. Стволовая клетка человека.

Первичные клетки — это зрелые клетки определенной ткани, которые могут быть взяты непосредственно от организма-донора (ex vivo) хирургическим путем. Если первичные клетки взяты у определенного организма-донора, и впоследствии необходимо имплантировать эти клетки ему же в качестве реципиента, то вероятность отторжения имплантированной ткани исключается, поскольку присутствует максимально возможная иммунологическая совместимость первичных клеток и реципиента. Однако первичные клетки, как правило, не способны делиться — их потенциал к размножению и росту низок. При культивировании таких клеток in vitro (посредством тканевой инженерии) для некоторых типов клеток возможна дедифференцировка, то есть потеря специфических, индивидуальных свойств. Так, например, хондроциты, вводимые в культуру вне организма, часто продуцируют фиброзный, а не прозрачный хрящ.

Поскольку первичные клетки не способны делиться и могут потерять свои специфичные свойства, возникла необходимость альтернативных источников клеток для развития технологий клеточной инженерии. Таковой альтернативой стали стволовые клетки.

Рисунок 4. Биокерамические изделия из ортофосфатов кальция.

Для направления организации, поддержания роста и дифференцировки клеток в процессе реконструкции поврежденной ткани необходим специальный носитель клеток — матрикс, представляющий из себя трехмерную сеть, похожую на губку или пемзу (рис. 4). Для их создания применяют биологически инертные синтетические материалы, материалы на основе природных полимеров (хитозан, альгинат, коллаген) и биокомпозиты. Так, например, эквиваленты костной ткани получают путем направленной дифференцировки стволовых клеток костного мозга, пуповинной крови или жировой ткани в остеобласты, которые затем наносят на различные материалы, поддерживающие их деление (например, донорскую кость, коллагеновые матрицы и др.).

На сегодняшний день одна из стратегий тканевой инженерии такова:

Отбор и культивирование собственных или донорских стволовых клеток.
Разработка специального носителя для клеток (матрицы) на основе биосовместимых материалов.
Нанесение культуры клеток на матрицу и размножение клеток в биореакторе со специальными условиями культивирования.
Непосредственное внедрение тканеинженерной конструкции в область пораженного органа или предварительное размещение в области, хорошо снабжаемой кровью, для дозревания и формирования микроциркуляции внутри конструкции (префабрикация).

Кровеносные сосуды из принтера

Однако прежде чем действительно можно будет имплантировать выращенные в лаборатории органы с собственными кровеносными сосудами, пройдет еще какое-то время.

Давай, Россия, давай вперед!

Рисунок 6. Лауреат премии Президента РФ Екатерина Игоревна Шишацкая.

Первый опыт трансплантации тканеинженерной конструкции в клинике

Осенью 2008 года руководитель клиники Университета Барселоны (Испания) и Медицинской школы Ганновера (Германия) профессор Паоло Маккиарини (Paolo Macchiarini; рис. 7) провел первую успешную операцию по трансплантации биоинженерного эквивалента трахеи пациентке со стенозом главного левого бронха на протяжении 3 см (рис. 8) [11].

В качестве матрикса будущего трансплантата был взят сегмент трупной трахеи длиной 7 см. Чтобы получить природную матрицу, по свойствам превосходящую все то, что можно сделать из полимерных трубок, трахею очистили от окружающей соединительной ткани, клеток донора и антигенов гистосовместимости. Очищение заключалось в 25 циклах девитализации с применением 4%-деоксихолата натрия и дезоксирибонуклеазы I (процесс занял 6 недель). После каждого цикла девитализации проводили гистологическое исследование ткани для выявления количества оставшихся ядросодержащих клеток, а также иммуногистохимическое исследование на наличие в ткани антигенов гистосовместимости HLA-ABC, HLA-DR, HLA-DP и HLA-DQ. Благодаря биореактору собственной разработки (рис. 9) ученые на поверхность медленно вращающегося отрезка трахеи равномерно нанесли шприцем суспензию клеток. Затем трансплантат, наполовину погруженный в среду для культивирования, вращался вокруг своей оси с целью попеременного контакта клеток со средой и воздухом.

Рисунок 8. Операция по пересадке пациентке трахеи.

Рисунок 9. Биореактор для создания тканеинженерного эквивалента трахеи. А — схема биореактора, вид с боку. Б — герметизация биореактора. В — биореактор с тканеинженерным эквивалентом трахеи in situ. Г — биореактор после удаления эквивалента трахеи. Д — вид эквивалента трахеи непосредственно перед операцией.

Эквивалент трахеи находился в биореакторе 96 часов; затем его трансплантировали пациентке. При операции был полностью удален главный левый бронх и участок трахеи, к которому он примыкал. В образовавшийся промежуток вшили трансплантат, а некоторое несоответствие диаметров просветов тканеинженерного эквивалента и бронха реципиента было преодолено благодаря эластичности донорской ткани.

По истечении десяти суток после операции пациентка была выписана из клиники без признаков дыхательной недостаточности и иммунной реакции отторжения трансплантата. По данным компьютерной томографии, с помощью которых была сделана виртуальная 3D реконструкция дыхательных путей, тканеинженерный эквивалент был практически неотличим от собственных бронхов пациентки (рис. 10).

Рисунок 10. Виртуальная 3D-реконструкция дыхательных путей по данным компьютерной томографии и бронхоскопии перед операцией (А, Б) и через 1 месяц и после замены стенозного участка левого главного бронха тканеинженерным эквивалентом (В, Г). Стрелкой указан стеноз.

Что такое тканевая инженерия

На самом деле наш организм способен к регенерации, более того, он занимается этим каждый день: кости восстанавливаются каждые десять лет, а кожа меняется каждые две недели. Но этого, конечно, недостаточно. Из-за болезней, травм и просто с возрастом наши ткани и целые органы разрушаются и умирают. Как замедлить этот процесс и восстановить то, чего уже нет? Этими вопросами занимается передовое направление регенеративной медицины — тканевая инженерия, позволяющая наращивать утраченные кожные покровы и части органов, например, сердца или мочевого пузыря.

Для чего необходима тканевая инженерия

Некроз ткани ввиду болезни, травмы или врожденных аномалий — проблема номер один в сфере здравоохранения по всему миру. Потребность в трансплантации растет в арифметической прогрессии во всех странах. Классическая современная медицина вылечить многие хронические заболевания на данный момент неспособна — возможны только коррекционные процедуры, однако найти полностью совместимого донора — это тоже вызов.

Сегодня одним из основных методов восстановления органов и тканей в случаях, когда пересадка собственного материала невозможна, остается его трансплантация — от живого донора или недавно умершего человека. Главное в этом процессе — максимальная биологическая совместимость донора и реципиента. Но и в этом случае иммунная система будет сопротивляться и мешать приживлению пересаженного органа или ткани. Потому пациентам, перенесшим трансплантацию, временно или пожизненно назначают специальные препараты — иммунодепрессанты. По сути, они подавляют собственную иммунную систему человека. Но, несмотря на многие усилия, очень часто пересаженный орган не приживается.

Немного из истории вопроса

Впервые об этом еще в конце XIX века задумался американский врач Лео Лёб. В 1897 году он провел эксперимент: наблюдал, как в свернувшейся крови и лимфе делились клетки. Опубликовав свои наблюдения, он, однако, не раскрыл точных параметров опыта, чем сделал эту работу еще более интригующей. Вслед за ним к этой теме с разных сторон пытались подойти многие ученые, но лишь спустя десять лет его коллеге и соотечественнику — ученому Россу Харрисону — удалось вырастить и поддерживать живыми нервные волокна и клетки, взятые из ткани эмбриона лягушки. А уже в 1912 году французский хирург Алексис Каррель вместе с коллегами смог поддерживать жизнь небольшого участка сердца куриного эмбриона. Этот биоматериал оставался жизнеспособным и даже рос в течение 24 лет!

Способы выращивания ткани

С тех пор тканевая инженерия продвинулась далеко вперед. Сейчас для выращивания ткани используются разные способы, но один из основных — scaffold — скаффолд-технология. Экспериментаторы из разных стран практикуют ее с 90-х годов. По этой технологии за образец берутся клетки живого организма: кусочек ткани или какой-то отдельный орган. Затем с помощью ферментов его разбирают на отдельные клетки и культивируют их в течение четырех — шести недель.

Следующий этап — пересадка размножившихся клеток на скаффолд, специальную временную матрицу. Внешне скаффолд можно принять за хлопчатобумажную ткань, вполне подходящую для блузки или рубашки, но на самом деле это сложно сконструированный искусственный материал. На таком каркасе выращивается биоматериал, предназначенный для пересадки человеку. Конструкция имплантируется туда, где отсутствуют ткани, например, на уретру или почку. Скаффолд выступает как своеобразный курьер для новых клеток. Как только поврежденная ткань восстанавливается, доставщик рассасывается, исчезая без следа.

Аутотрансплантация в эстетической медицине

Сегодня обычная аутотрансплантация широко применяется при ожогах, травмах хрящей, сухожилий и даже костей. На данный момент тканевая инженерия на уровне медицины красоты не может предложить каких-то выдающихся вещей, но кое-что есть. В эстетической медицине широко применяют операцию аутотрансплантации хрящевой и жировой ткани. Собственная хрящевая ткань гораздо лучше приживается при ринопластике и позволяет гибко моделировать форму носа. При гениопластике с помощью своей ткани можно легко сменить угол подбородка. Установка хрящевых имплантатов используется и в малярпластике для увеличения объема скуловой области.

Регенеративная медицина в России

В России ситуация с тканевой инженерией не такая радужная, органы никто пока не выращивает, есть регенеративные техники в кардиологии, используется экстракорпоральная гемакоррекция. Проводятся эксперименты по 3D-печати, но на данный момент даже с юридической точки зрения проводить такие операции невозможно.

Регенеративная медицина, в частности выращивание стволовых клеток вне человеческого тела, одно из главных и важных событий в мировой практике. Совсем недавно, в 2014 году, ученым из Института физико-химических исследований Японии удалось вернуть зрение 70-летней женщине, а в этом году японцы смогли вырастить кожу, волосяные луковицы и мини-печень. Уже сейчас медицине доступно выращивание хрящей, тканей и некоторых цельных органов. Не за горами — сердце, поджелудочная железа и нервная ткань, мозг. Пока что статистика не радует: в минуту в мире умирают два человека, которых можно было бы спасти с помощью пересадки собственной ткани. Аутотрансплантация — это будущее, с помощью которого можно будет спасти миллионы жизней.

С чем связана востребованность тканевой инженерии в стоматологии? Потеря зубов приводит к нарушению речи и первичной обработки пищи, ухудшает эстетический вид, здоровье и качество жизни индивида. Для компенсации функций утраченного зуба используют искусственные коронки или имплантаты. Однако они не имеют иммунных клеток, нервных окончаний и кровеносных сосудов, цемента и периодонтальных связок, поэтому не реагируют на инфекцию, не имеют чувствительности, не регенерируют дентин и не имеют амортизирующей подложки как натуральные зубы. Тканевая инженерия могла бы обеспечить практически полное восстановление функций утраченных зубов. В обзоре будут рассмотрены основные направления развития, достижения и проблемы биоинженерии зуба.

Технологическая структура тканевой инженерии зуба

Тканевая инженерия зуба использует: 1) живые клетки; 2) материалы, имитирующие экстраклеточный матрикс (ЭКМ) и 3) молекулы, индуцирующие регенерацию ткани (рис. 1) [24, 26, 32].

Рис. 1. Технологическая триада тканевой инженерии. 1 — манипулирование живыми клетками; 2 — использование материалов, имитирующих ЭКМ; 3 — доставка биомолекул, индуцирующих регенерацию ткани.

Манипулирование живыми клетками составляет первый компонент тканевой инженерии. В тканевой инженерии зуба используют естественные стволовые клетки и индуцированные плюрипотентные стволовые клетки (iPSC). Эти клетки в результате определенных манипуляций могут приобрести нужный для тканевого роста фенотип.

Стволовые клетки классифицируют по диапазону дифференцировки, происхождению и стадиям онтогенеза. По диапазону дифференцировки стволовые клетки делят на: тотипотентные, которые дифференцируются в любой тип клеток; плюрипотентные, которые продуцируют клетки эктодермы, эндодермы и мезодермы; мультипотентные, которые продуцируют ограниченный набор типов клеток, например клетки крови; олигопотентные, которые дифференцируются в еще меньшее количество типов клеток, и унипотентные, которые дифференцируются только в один тип клеток. По происхождению стволовые клетки делят на: аутологичные — собственные клетки индивида; аллогенные — клетки донора того же вида; ксеногенные — клетки донора другого вида; сингенные — клетки близнецов или линейных животных, а также на клетки эндо-, мезо- или экдодермального происхождения. В соответствии со стадией онтогенеза стволовые клетки делят на эмбриональные и фетальные, клетки новорожденного и взрослого организма.

Для тканевой инженерии зуба лучшим источником стволовых клеток является сам зуб (рис. 2), потому что стволовые клетки зуба, в отличие от других стволовых клеток могут обладать способностью индуцировать рост зуба [34]. Стволовые клетки выделяют из пульпы зуба (DPSC), периодонтальной связки (PDLSC), зубного фолликула (DFPC), сосочка (SCAP) и из молочных зубов (SHED) [1, 35, 36].

Рис. 2. Стволовые клетки зуба. DPSC (Dental pulp stem cells) — стволовые клетки пульпы зуба; PDLSC (Periodontal ligament stem cells) — стволовые клетки периодонтальной связки; DFPC (Dental follicle progenitor cells) — стволовые клетки зубного фолликула; SCAP (Stem cells from apical papilla) — стволовые клетки верхушечного сосочка; DePDL (Periodontal ligament of deciduous teeth stem cells) и SHED (Stem cells from human exfoliated deciduous teeth) — стволовые клетки молочных зубов.

Для производства скэффолдов используют синтетические материалы, такие как поликапролактон, биоактивное стекло и разные композиты, а также биоматериалы, такие как коллаген, хитозан и гиалуроновая кислота. Синтетические материалы позволяют готовить скэффолды нужной формы, однако плохая биосовместимость и токсичность ограничивают их использование. Биоматериалы состоят из макромолекул, которые входят в состав ЭКМ, или молекул, близких по своим свойствам. Поэтому биоматериалы, как правило, хорошо биосовместимы и биодеградируемы и способствуют росту ткани. Однако они часто имеют сниженную прочность и могут вызывать реакции отторжения.

Взаимодействие скэффолда с клетками и факторами роста определяет успех тканевого роста. Поэтому скэффолд, полученный из ЭКМ (ЭКМ-скэффолд), является наилучшим [33]. Так, DPSC и PDSC на ЭКМ-скэффол-дах дифференцировались в одонтогенном направлении [34] и формировали пульпу с одонтобластами. В обзоре N. Monteiro, P. Yelick [24] представлено много примеров использования разных скэффолдов для регенерации тканей зубов.

Для биоинженерии ткани необходим также третий компонент тканевой инженерии зуба — регуляторы тканевого роста. В качестве таких регуляторов используют факторы роста, гены и интерферирующие РНК.

Факторы роста обеспечивают взаимодействие между клетками с целью регуляции роста ткани, синтезируются клетками в неактивной форме и сразу связываются с мембраной клетки или ЭКМ. При повреждении клетки или ЭКМ факторы роста высвобождаются и запускают механизмы регенерации ткани и ангиогенез [37]. Известно, например, что дентин регенерирует благодаря тому, что факторы роста пульпы зуба стимулируют дифференцировку мезенхимальных клеток в одонтобласты — клетки, которые откладывают дентин. Поэтому когда ткань пульпы утрачивается из-за кариеса или удаляется при стоматологических вмешательствах, регенерация дентина прекращается.

Для доставки факторов роста в зону роста ткани используют растворы с факторами роста, клетки — продуценты факторов роста, наночастички и скэффолды с фиксированными факторами роста. Хороший носитель должен связывать много факторов роста, не нарушать их биоактивность, быть биосовместимым и нетоксичным.

Во время развития зуба повышается продукция костного морфогенетического белка (BMP), трансформирующего фактора роста (TGF-β₁), сосудистого эндотелиального фактора роста (VEGF), тромбоцитарного фактора роста (PDGF), факторов роста фибробластов (FGF) и нервов (NGF) [19]. Это обосновывает их использование в биоинженерии зуба (см. таблицу). Основная проблема использования факторов роста в биоинженерии зуба состоит в сложности создания нужных концентраций ключевых факторов роста в зоне роста ткани [33].

Факторы роста одонтогенеза, используемые в тканевой инженерии зуба

Чтобы хотя бы частично преодолеть сложности использования факторов роста, были разработаны технологии доставки генов в геном клетки для усиления продукции нужных факторов роста [42]. В качестве переносчиков генов используют разные вирусы [15]. Для увеличения синтеза фактора роста применяют или ген этого фактора роста (рис. 3, а), или ген фактора транскрипции этого фактора роста (см. рис. 3, б) [23]. Технология доставки генов была успешно использована на зубных мезенхимальных клетках [38] для регенерации периодонтальной связки [49].

Рис. 3. Два типа экзогенных генов, вставка которых в клетку приводит к увеличению фактора роста. а — ген, который кодирует нужный фактор роста; б — ген, который кодирует фактор транскрипции нужного фактора роста; ФР — фактор роста; ФТ — фактор транскрипции; черными прямоугольниками обозначены вставленные экзогенные гены, а светло-серым прямоугольником — эндогенный ген клетки.

Для управления дифференцировкой клеток используют также интерферирующие РНК (РНКи) [46]. РНКи — это двухцепочечная РНК, связывание которой с мРНК приводит к прекращению синтеза полипептида [46]. Для доставки РНКи в клетки используют гидрогели или нановолокно с плазмидной ДНК, которая кодирует РНКи [46]. В работе Z. Ma и соавт. [21] с помощью РНКи-зависимого подавления RANK-пути удалось увеличить эффективность регенерации периодонтальной связки.

Основные методы тканевой инженерии зуба

По мнению многих исследователей, успех в выращивании зуба может быть достигнут с помощью технологий, воспроизводящих естественный путь развития этого органа. Одонтогенез представляет собой сложный процесс, в котором взаимодействие эпителиальных и мезенхимальных клеток регулирует развитие зуба. Для воспроизведения этого процесса тканевая инженерия использует технологии клеточно-тканевой рекомбинации, клеточных пластов, клеточной компартментализации и зубных комплексов.

Технологии клеточно-тканевой рекомбинации

Технология клеточно-тканевой рекомбинации состоит из 5 этапов (рис. 4): 1) выделение зачатка зуба; 2) выделение эпителиальных и мезенхимальных клеток из зачатка зуба; 3) объединение (рекомбинация) обоих пулов клеток и культивирование для воспроизведения эпителиально-мезенхимальных взаимодействий одонтогенеза; 4) перенос клеточного-тканевого конструкта in vivo в субринальную капсулу или in vitro до формирования биоинженерного зачатка зуба; 5) перенос зачатка зуба в лунку зуба [11]. Благодаря этому методу удалось получить эквиваленты зубной ткани и целого зуба [26, 28].

Рис. 4. Технология трехмерной клеточно-тканевой рекомбинации. 1 — выделение зачатка зуба; 2 — выделение пула эпителиальных клеток и пула мезенхимальных клеток из зачатка зуба; 3 — рекомбинация обоих пулов клеток и трехмерное культивирование; 4 — перенос клеточно-тканевой конструкции в условия in vivo или in vitro до формирования биоинженерного зачатка зуба; 5 — перенос биоинженерного зачатка зуба в подготовленную лунку зуба.

Открытие новых механизмов одонтогенеза позволило усовершенствовать методы клеточно-тканевой рекомбинации. Например, было обнаружено, что в запуске одонтогенеза важную роль играют механические силы [22]. Оказалось, что механическое давление, которое возникает при инвагинации эпителия в мезенхиму, стимулирует секрецию фактора движения клеток FGF8 и фактора торможения движения клеток Sema3f. Сочетанное действие FGF8 и Sema3f приводит к конденсации мезенхимы и экспрессии ключевых триггеров одонтогенеза Pax9, Msx1 и Bmp4 в мезенхиме (рис. 5). T. Mammoto и соавт. [22] воспроизвели действие механического фактора in vitro и показали, что увеличение давления на мезенхимальные клетки увеличивало экспрессию тех же самых триггеров одонтогенеза.

Рис. 5. Механохимический контроль конденсации мезенхимы и запуска одонтогенеза.

Открытие механозависимых механизмов одонтогенеза было важной подсказкой, которой воспользовалась другая группа ученых. B. Hashmi и соавт. [8] использовали полимер, который сжимался при увеличении температуры с 34 до 37 °C. Этот полимер нагрузили мезенхимальными клетками при 34 °C и поместили в субренальную капсулу мыши. При температуре тела 37 °C полимер сократился и вызвал механическую конденсацию мезенхимальных клеток. Этого оказалось достаточно для индукции Pax9, Msx1 и Bmp4 и развития зубной ткани. Таким образом, было еще раз показано, что природа оперирует простыми механизмами: чтобы развиваться, надо просто собраться вместе.

Понимание значимости механических сил позволило исследователям из Токийского университета наук продвинуться еще дальше [26]. В конденсирующий гель они внесли и мезенхимальные, и эпителиальные клетки зачатка зуба. Через 2 дня образовался зачаток зуба, его перенесли в субренальную капсулу и через 14 дней получили биоинженерный зуб.

Технологии клеточных пластов

Разработать еще одну эффективную технологию биоинженерии зуба — технологию пластов клеток позволило понимание еще одной важной особенности одонтогенеза. Эта особенность состоит в том, что одонтогенез запускает инвагинация пласта эпителиальных клеток в пласт мезенхимальных [24] (см. рис. 5). Многие процессы формирования зуба также осуществляются пластами клеток, например пласты амелобластов синтезируют белки эмали, пласты одонтобластов покрывают изнутри пульпарную камеру и обеспечивают регенерацию дентина, а пласты эпителиальных клеток формируют ниши стволовых клеток, сеть Малассе и корневое влагалище Гертвига. Поэтому неудивительно, что идея использования пластов клеток в тканевой инженерии зуба оказалась весьма продуктивной. Выяснилось, что пласты клеток хорошо прикрепляются к тканям и имеют хорошую выживаемость после имплантации. Технологии клеточных пластов успешно используют для тканевой инженерии тканей пародонта, регенерации корней зуба [43, 50] и восстановления ткани пульпы и слоя одонтобластов [25].

Технология клеточной компартментализации

Рис. 6. Технология трехмерной клеточной компартментализации (метод биоинженерных зачатков органов). 1 — выделение зачатка зуба; 2 — выделение пула эпителиальных клеток и пула мезенхимальных клеток из зачатка зуба; 3 — последовательное внесение клеток в коллагеновую каплю так, чтобы мезенхимальный пул клеток окружал эпителиальный пул клеток в форме полумесяца; 4 — перенос клеточно-тканевой конструкции в условия in vivo до формирования биоинженерного зуба.

Технологии производства биоинженерных зубных комплексов

Другая плодотворная идея в области решения вопросов интеграции зуба с тканями реципиента состояла в том, чтобы сначала выращивать биоинженерный комплекс, содержаший зрелый зуб, периодонтальные связки и альвеолярную кость, а затем переносить комплекс в лунку в челюсти [30]. M. Oshima и соавт. [30] разработали технологию получения такого комплекса (рис. 7). Они показали, что зубной комплекс, перенесенный в лунку, интегрировался с костью, сохраняя периодонтальные связки, и формировал контакт с противоположным зубом [30].

Рис. 7. Технологии биоинженерных зубных комплексов в сравнении с технологией трехмерной клеточно-тканевой рекомбинации.

Использование iPSC в технологиях тканевой инженерии зуба

Несмотря на достижения в регенерации зуба с помощью эмбриональных клеток, их клиническое использование по понятным причинам не имеет перспектив. Поэтому в качестве источника клеток для биоинженерии зуба стали интенсивно изучать iPSC [32, 44]. Так, K. Otsu и соавт. [32] смешивали в коллагеновом геле мезенхимальные клетки зачатка зуба с iPSC мыши. Затем рекомбинант имплантировали в субренальную капсулу мыши и через 4 нед обнаруживали структуры с маркером амелобластов амелогенином. В другой работе этой же группы [31] было показано, что кокультура дентальных эпителиальных клеток и клеток нервного гребня, полученных из iPSC, экспрессирует маркер одонтобластов костный сиалопротеин. Это означало, что iPSC способны дифференцироваться в одонтобласты. После трансплантации кокультуры в суб-ренальную капсулу мышей формировались зачатки зуба. Эффективность использования iPSC для реконструкции зачатка зуба показали также Wen и соавт. [44].

Проблемы трансляции тканевой инженерии зуба в стоматологию

1. Какой тип клеток выбрать. В эксперименте использование эмбриональных клеток привело к хорошим результатам, но породило много проблем: сложность получения аутологичных клеток и риск образования опухоли [32]. Поэтому исследователи обратили внимание на аутологичные взрослые стволовые клетки. Дентальные эпителиальные клетки есть в сети Малассе на корнях, но их забор весьма сложен. Дентальные мезенхимальные стволовые клетки есть во взрослом зубе. Они подходят для регенерации тканей зуба [36], но не для выращивания целого зуба, потому что не обладают одонтогенным потенциалом. Повысить шансы трансляции биоинженерии зуба в клинику могут iPSC, потому что они могут дифференцироваться в эпителиальные и мезенхимальные клетки [27, 31]. Другой источник клеток для выращивания зуба, вероятно, может быть получен путем репрограммирования фенотипа клеток. Например, минуя стадию iPSC, панкреатические клетки были репрограммированы в β-клетки [51]. Вероятно, аналогичным образом клетки слизистой рта могли бы быть репрограммированы в дентальные клетки.

2. Какую технологию использовать. Выращивать ли ткань in vitro или in situ — сложный вопрос. Условия in vitro более контролируемы. Однако нормальное формирование ткани нуждается в естественном микроокружении, что в условиях in vitro трудно обеспечить. Существующие технологии пока не могут надежно контролировать форму, цвет и число растущих зубов [14]. Частично эта проблема может быть решена так: сначала выращивать корни, а затем добавлять искусственную коронку.

3. Как обеспечить формирование поддерживающих тканей, кровоснабжение и иннервацию биоинженерного продукта. Парадонт играет ключевую роль в прикреплении зуба, а снабжение кровью и иннервация — в регенерации и функционировании зуба. Поэтому для трансляции тканевой инженерии зуба в клинику необходимо, чтобы биоинженерный зуб стимулировал формирование структур парадонта, реваскуляризацию и реиннервацию [7, 33].

4. Каким образом обеспечить приемлемый для клинического использования срок развития биоинженерного зуба. Для выращивания зуба человека требуется много времени, что делает проблематичным использование таких зубов в качестве альтернативы имплантатам. Эту проблему можно решить, разработав способ ускоренного формирования биоинженерных зубов человек.

5. Как при трехмерной тканевой инженерии учитывать четвертое измерение — время. Будет ли пересаженная биоинженерная ткань расти в соответствии с ростом окружающих естественных тканей и как со временем изменятся свойства пересаженной ткани? Есть данные, что через 20—30 лет такая ткань может инициировать рост опухоли.

Не вызывает сомнения, что в следующем десятилетии регенеративная стоматология станет неотъемлемым компонентом лечения многих трудно излечимых заболеваний зубов! Есть много оснований полагать, что технологии тканевой инженерии позволят производить весь зубной комплекс, состоящий из полноценного зуба и пародонта, и в значительной степени заменят существующие методы протезирования зубов. Важно и то, что разработанные в тканевой инженерии зуба подходы могут помочь развитию технологий регенерации других органов и окажут влияние на всю регенеративную медицину.

Благодарности. Авторы благодарны М.А. Морозовой за техническую помощь в оформлении статьи. Обзор написан при поддержке Министерства здравоохранения РФ (Государственное задание Министерства здравоохранения РФ от 2 февраля 2016 г. № 056−00139−16, уникальный номер реест-ровой записи 110 401 000 000 000 000 071 021 02).

Читайте также: