Эксперт по тканевой инженерии и регенерации органов, доктор Екатерина Беришвили, обсуждает прогресс, возможности и проблемы регенерации и восстановления при трансплантации органов.
Растущее бремя неинфекционных заболеваний идет рука об руку с растущей потребностью в устранении дефектов тканей и потери органов. является ключом к улучшению выживаемости и качества жизни пациентов, а также к снижению существенных социально-экономических издержек. В Европе в 2021 году к и без того огромному списку ожидания, насчитывающему десятки тысяч пациентов, добавилась еще тысяча пациентов – или почти пять пациентов в час. В то время как список ожидания постоянно рос, только 36 000 пациентов получили трансплантацию. Подсчитано, что из тех, кто находится в списке ожидания, до 4% пациентов умрут до прохождения процедуры трансплантации. Это сохраняющееся и увеличивающееся несоответствие между спросом и предложением говорит о потребности в источниках органов и тканей, выходящих за рамки обычных способов донорства. Enter (RM) – развивающаяся область биомедицинских наук, направленная на замену, восстановление или регенерацию дефектных тканей и органов.
Регенеративная медицина
В отличие от традиционной трансплантационной медицины, регенеративная медицина (RM) направлена на создание новых частей тела с помощью комбинации стратегий, таких как клеточная терапия, генетические манипуляции, иммуномодуляция и тканевая инженерия. Этот последний подход касается засева биосовместимых каркасов клетками ex vivo для изготовления тканей. Возможно, самое раннее документально подтвержденное клиническое применение тканевой инженерии, а следовательно, и RM, включало комбинацию фибробластов, кератиноцитов и каркаса для получения замены кожи, предназначенной для ускорения заживления ран.
Более 40 лет прошло с тех первых дней биоинженерии, и все же, несмотря на обещание изготавливать органы, выращенные в лаборатории по индивидуальному заказу, заменители кожи, возможно, по-прежнему представляют собой золотой стандарт коммерческих продуктов тканевой инженерии. Замедлился ли прогресс в RM?
Появление регенеративной медицины и текущий прогресс
Первым коммерчески доступным продуктом RM была Integra®, основа для регенерации кожи, состоящая из двух слоев: наружного эпидермального слоя на основе кремния и внутреннего слоя матрицы на основе коллагена. Впервые он был одобрен Управлением по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов США в 1996 году и положил начало тому, что сегодня является широким спектром продуктов, одобренных для заживления ран и лечения рубцов, включая бесклеточные и клеточно-клеточные платформы на основе различных биологических и синтетических матриц. Некоторые одобренные показания включают кожные венозные язвы, язвы диабетической стопы и другие хронические раны.
Восстановление хряща – еще одно распространенное применение RM, использующее относительно простые структуры, в которых отсутствует прочная сосудистая сеть, а также нервные или лимфатические компоненты – характеристики, которые препятствуют естественному заживлению in vivo, но позволяют избежать значительных осложнений в биоинженерии тканей. Использование аутологичных хондроцитов для восстановления хряща было предпринято еще в 1994 году, с последующим одобрением имплантации аутологичных хондроцитов с матриксной поддержкой в 2001 году, что привело к запуску аналогичных продуктов, предназначенных для лечения дефектов коленного сустава. В этих продуктах обычно используются каркасы на основе коллагена, за некоторыми исключениями, включая Osteopore®, которая продает бесклеточные биорезорбируемые поликапролактоновые имплантаты с 3D-печатью для ускорения заживления черепно-лицевых костей.
Другие многообещающие методы лечения RM в настоящее время изучаются в клинических испытаниях, таких как лечение диабета 1 типа Vertex VX-880, в котором используются функциональные островковые клетки поджелудочной железы, полученные из эмбриональных стволовых клеток (ESC), для восстановления выработки инсулина. Биоискусственные поджелудочные железы также изучаются в доклинических исследованиях, таких как финансируемый ЕС проект VANGUARD, целью которого является сборка органоидов, продуцирующих инсулин, и отредактированных геномом клеток в васкуляризованный и функциональный орган для трансплантации без необходимости пожизненной иммуносупрессии.
Однако единственным полноценным человеческим органом, который на сегодняшний день подлежит биоинженерии для трансплантации, является мочевой пузырь, который можно рассматривать как низко висящий плод для РМ – будучи тонким и полым, он относительно несложен по сравнению с другими органами.
Были достигнуты успехи в лечении более сложных органов, однако одобренные на сегодняшний день препараты по-прежнему используются для ускорения заживления, а не для замены дефектных тканей или органов. Например, Holoclar был одобрен Европейским агентством по лекарственным средствам в 2015 году для регенерации роговицы после ожогов глаза. Также были одобрены продукты для регенерации сердца, в том числе CardioCel®, бесклеточный коллагеновый каркас, предназначенный для содействия восстановлению поврежденной сердечной ткани эндогенными клетками.
Захватывающие доклинические достижения, подкрепленные дополнительным прогрессом в технологиях стволовых клеток и генетической модификации, привели к созданию функциональных тканей и органов in vitro, обычно путем децеллюляризации и рецеллюляризации целых органов. Первые биоискусственные сердца были созданы из трупных сердец крыс в 2008 году, и этот успех был воспроизведен в других тканях и более крупных органах человеческого размера… Итак, в чем же заключаются узкие места при внедрении этих выращенных в лаборатории органов в повседневную клиническую практику?
Проблемы и возможности
Поскольку технология RM эволюционировала от бесклеточных каркасов к клеточным материалам, ключевым фактором, который необходимо учитывать, был оптимальный выбор источника и типа клеток. Источники аутологичных клеток обеспечивают очевидные преимущества, устраняя необходимость в иммуносупрессии для предотвращения отторжения новой ткани или органа; однако получение достаточных количеств подходящей ткани остается проблемой.
Использование стволовых клеток может обойти эту проблему, поскольку они могут быть выделены, размножены и дифференцированы ex vivo в клетки желаемого типа для целей RM. Плюрипотентные стволовые клетки особенно удобны, поскольку они обладают потенциалом для дифференцировки в большинство типов клеток. ЭСК являются аллогенными и сопряжены с этическими проблемами; вместо этого появление и усовершенствование технологии индуцированных плюрипотентных стволовых клеток (iPSC) обеспечило практически неограниченный источник аутологичных стволовых клеток для применения в тканевой инженерии. Несмотря на относительную дороговизну и сохраняющиеся проблемы с безопасностью, ожидается, что продолжающееся совершенствование протоколов производства iPSC и дифференциации сведет к минимуму влияние этих проблем.
Одним из наиболее существенных препятствий на пути клинической трансляции выращенных в лаборатории тканей является трудность создания соответствующей сосудистой сети
С другой стороны, важная веха в ксенотрансплантации была достигнута в январе 2022 года, когда сердце свиньи, генетически модифицированное для минимизации иммуногенности, впервые было успешно пересажено живому человеку. Это подчеркивает новые возможности использования животных в качестве потенциального источника органов (или клеток, из которых можно создавать биоискусственные органы) без иммуносупрессии, хотя и с оговорками, касающимися физиологических различий между видами, потенциальной возможности заражения и этических соображений, связанных с благополучием животных и общественным здравоохранением.
ЕСМ, полученный из децеллюляризованных органов животных, может представлять собой особенно практичный каркас для засева человеческими клетками при создании биоискусственных органов, поскольку он гораздо более доступен, чем ЕСМ человеческих органов; однако для поддержки тканевой инженерии было использовано множество биоматериалов. Биоматериалы различаются по таким аспектам, как биосовместимость, биоразлагаемость, механические свойства, пористость и внутренняя иммуногенность. Кроме того, они могут быть пропитаны факторами роста и другими биологически активными молекулами для стимулирования роста и заживления. Более того, разрабатываемые в настоящее время интеллектуальные биоматериалы могут изменять свои свойства в ответ на внешний стимул, предоставляя средства для модулирования таких факторов, как дифференцировка и созревание клеток.
Сообщалось о самособирающихся 3D-культурах органоидов, полученных из стволовых клеток, для тканей человека. Хотя органоиды потенциально обладают большей физиологической и морфологической точностью, чем биоискусственные органы, полученные в результате посева бесклеточных каркасов, степень их сходства с реальными органами ограничена. Выращиваемые в биореакторе органоиды, полученные из iPSC, лишены физиологической микросреды и/или сенсорного воздействия, что обычно приводит к незрелому фенотипу, который может препятствовать их способности созревать в функциональные органы in vivo. Достигнут прогресс в контроле созревания с помощью электрических или механических стимулов, химических сигналов или даже воздействия циркадных ритмов. Кроме того, редактирование генов используется для влияния на созревание и дифференцировку, а также на свойства клеток-мишеней, включая иммуногенность и способность секретировать терапевтические факторы роста.
Одним из наиболее существенных препятствий на пути клинической трансляции выращенных в лаборатории тканей является трудность создания соответствующей сосудистой сети. Клетки должны находиться в пределах ~ 100-200 мкм от кровеносного сосуда для адекватного газообмена и доставки питательных веществ; без надлежащей сети кровеносных сосудов наращивание плотных инженерных тканей до пригодных для трансплантации органов становится проблематичным. Был достигнут больший контроль над ангиогенезом, но им часто не удается достаточно быстро взаимодействовать с эндогенной сосудистой сетью после трансплантации, что приводит к отмиранию ткани.
появился в качестве потенциального решения этой проблемы.
