Вокруг Света - Журнал «Вокруг Света» №8 за 2003 год
Источниками стволовых клеток являются не только эмбриональные ткани, но и постоянно регенерирующиеся ткани взрослого человека. Например, мезенхимальные стволовые клетки выделяют из костного мозга, а стволовые клетки эпидермиса кожи берут из волосяных фолликул – специализированных структур, ответственных за рост волос.
Выделение стволовых клеток из «взрослых» тканей связано с проблемой их идентификации, а значит, с поиском молекулярных маркеров (специфических белков на клеточной мембране), которые помогают распознать и отделить ее от общей клеточной массы.
Тем не менее ряд таких маркеров идентифицирован и есть возможность получать клеточные культуры из стволовых клеток взрослых тканей. Замечательным свойством «взрослых» клеток является способность к трансдифференцировке, иначе говоря, к перемене специализации. О том, что во взрослом организме существуют клетки, способные превращаться в любые другие, биологи узнали почти что случайно. После одной из пересадок женского костного мозга мужчине при последующих биохимических анализах оказалось, что в клетках печени и других органов мужчины успешно функционируют соответствующие специализированные клетки, имеющие женский набор хромосом. Так был открыт механизм уникальной способности живых организмов восстанавливать то, что «сломалось» или погибло в процессе жизнедеятельности. Так, стволовые клетки мозга способны превращаться в клетки крови, а стволовые клетки кроветворной системы могут дифференцироваться, в зависимости от молекулярных сигналов, в клетки сердечной мышцы или печени. Однако проблема эффективного распознавания и выделения стволовых клеток из общей клеточной массы, а также управление процессами дифференцировки стволовых клеток еще далеки от своего разрешения.
Универсальные солдатыНа начальных этапах реконструкции ткани клетки интенсивно размножаются, а на заключительных – приобретают специфические функции, то есть дифференцируются. В ходе культивирования происходит как бы переключение программы клетки с пролиферации (деления) на дифференцировку (специализацию). Всего в человеческом организме существует около 220 типов клеток, и для многих из них механизмы такого переключения пока неизвестны. Исключительно перспективным в тканевой инженерии считается применение эмбриональных стволовых клеток, из которых формируются различные ткани и органы в процессе внутриутробного развития. Эти клетки обладают высокой пролиферативной активностью и способны к самой разнообразной дифференцировке. Эмбриональные стволовые клетки человека выделяют на стадии развития эмбриона, которую именуют бластоцистой, что соответствует пятому дню от момента оплодотворения яйцеклетки. На этой стадии сферическая бластоциста состоит из 150 клеток, из которых 30 – стволовые. Используя это совсем небольшое количество клеток, в дальнейшем нарабатывается необходимая клеточная масса для реконструкции ткани. Обычно в работах по тканевой инженерии экспериментатору приходится оперировать с клеточными культурами, содержащими от десятков тысяч до сотен миллионов клеток, а это означает, что клетки в культуре прошли несколько десятков циклов деления. Однако лишь в 1998 году удалось получить устойчивую культуру стволовых клеток человека, делившуюся более 6 месяцев (аналогичная линия мышиных стволовых клеток была получена еще в 1981 году).
Рыночное производствоПосле того как стали понятны общие закономерности получения тканей и органов при помощи клеточных культур, работы по тканевой инженерии встали на поток. Уже в 1980-х годах была реконструирована хрящевая ткань, немногим позже – костная и мышечная, кровеносные сосуды и, частично, – проводящая система сердца. Получены также фрагменты печени и почек. При помощи клеточных культур репарируются дефекты нервных волокон. Не будет преувеличением сказать, что на сегодня в лабораторных условиях получены аналоги практически всех тканей и органов.
Первые же успехи тканевой инженерии привлекли к себе внимание американских производителей, работающих в области высоких технологий. Еще в 80-е годы в Калифорнии и Массачусетсе на базе университетов было создано несколько компаний, специализирующихся на тканевой инженерии. Однако путь к коммерческим продуктам оказался тернистым и долгим из-за большого количества чисто технологических проблем. В частности, пришлось разработать методы криоконсервации искусственных тканей и создать низкотемпературные хранилища тканевых эквивалентов. И только после этого удалось перейти к «поточному производству».
Кардинально преобразило тканевую инженерию наличие банков искусственных тканей. Если на первых этапах развития каждый кусочек кожи был уникален и «подгонялся» к конкретному пациенту, то сейчас ситуация больше напоминает процедуру по переливанию крови. Усовершенствовалась и транспортировка эквивалентов, которая в отдельных случаях напоминает отрывки из фильмов с погонями. Судите сами: тканевый элемент в специальном контейнере доставляется курьером-мотоциклистом из лаборатории к трапу самолета, в аэропорту прибытия эстафету принимает другой мотокурьер, доставляющий ожидаемое изделие непосредственно в операционную, где в режиме ожидания уже находится бригада врачей.
Существенно снизить цену на тканевые эквиваленты позволило наличие специальных хранилищ. Если стоимость первых успешных пересадок оценивалась в десятки тысяч долларов, то сейчас расценки выглядят более умеренно. Так, стоимость аналога дермального слоя кожи составляет 500 долларов за 1дм2 . А вот полнослойный эквивалент кожи – уже дороже, около 1 500 долларов.
Как нередко бывает в области высоких технологий, цены здесь слабо коррелируют с себестоимостью производства. Прежде всего они адекватны американской медицинской системе и текущей рыночной ситуации. Например, популярное в США перевязочное покрытие «Biobrane», которое выпускается уже более двух десятилетий и активно используется при лечении ожогов, стоит несколько десятков долларов за 1 дм2 . В то же время основными компонентами этого материала являются синтетические полимеры на основе нейлона и силикона, а также желатин, понятно, что цена в данном случае во много раз превышает себестоимость.
Еще немного – и все готовоВпрочем, роль хай-тек-компаний не свелась только к тиражированию продуктов и продвижению их на рынок. Именно биотехнологические фирмы провели весь цикл доклинических и клинических испытаний. Их результаты дали ответы на ряд принципиальных вопросов, без которых невозможно было бы широкое внедрение тканевой инженерии.
Дело в том, что клетки при культивировании могут изменять свои свойства и превращаться из нормальных в трансформированные, близкие по характеристикам к опухолевым. Причины таких изменений могут быть самыми разнообразными, и молекулярные механизмы этого процесса неясны и по сей день. Вероятность перерождения возрастает при стимулировании размножения клеток. Разумеется, риски подобного рода должны быть минимизированы. На практике это означает более строгий контроль за клетками в культуре, включая анализ их генетического аппарата. При любой трансплантации существует проблема иммунного ответа организма на донорские аллоклетки. Эта реакция связана с наличием на клеточной мембране пересаживаемых клеток особых сигнальных молекул, которые и распознаются иммунной системой реципиента по принципу «свой—чужой».
В ходе экспериментов на клеточных культурах выяснилось, что в процессе культивирования клетки перестают вырабатывать иммуногенные молекулы, а значит, теряют иммунологическую реактивность. Это счастливое обстоятельство, механизм которого до конца не изучен, позволяет осуществлять пересадки выращенных органов без применения иммунодепрессантов, которые приводят к многочисленным осложнениям при обычной пересадке, в том числе чужого сердца или почек.
Разумеется, любой донорский материал должен быть протестирован на наличие вирусов и микроорганизмов. Однако сам процесс культивирования содержит в себе реальную возможность заражения клеток. Источником могут являться питательные среды, сыворотки или нарушение регламента работ. Контроль стерильности, строжайшее выполнение лабораторных протоколов – необходимейшее условие тканевой инженерии, поскольку инфицирование клеточной культуры не оставляет никаких шансов на успешную реконструкцию ткани.
Масштаб проблем, с которыми столкнулись биотехнологические компании, специализирующиеся в области тканевой инженерии, наглядно иллюстрирует статистика результатов испытаний новых продуктов. В настоящее время в США (именно там находятся основные фирмы-производители) лишь 4 коммерческих продукта получили разрешение на применение в клинической практике (все они предназначены для реконструкции кожи), 9 продуктов проходят клинические испытания, 7 эти испытания не прошли.
