Биоинжиниринг. Игры в Бога или научная революция XXI века?

HumDes Community

Биоинжиниринг - наука о создании искусственных биологических органов человека и тканей живых организмов.

Идея об искусственном выращивании человеческих органов появилась в середине XX века, с того момента, как людям начали пересаживать органы доноров.

Оглавление статьи

Преодоление иммунного отторжения органов ⏩
Выращивание на биологическом каркасе ⏩
Имитация эмбрионального развития ⏩
Перепрограммирование ДНК стволовых клеток ⏩
3-D биопечать отдельных органов и тканей ⏩
Человеческие органы на чипе ⏩

Преодоление иммунного отторжения органов

Важным препятствием при трансплантации тканей и органов является их отторжение.

Даже если аллотрансплантация прошла успешно, пациенту с пересаженным органом как правило приходится всю оставшуюся жизнь принимать препараты, препятствующие отторжению.

Чтобы сделать трансплантат "невидимым" для иммунной системы человека, была создана культура человеческих эмбриональных стволовых клеток, которые синтезируют две молекулы подавляющие активность так называемых "Т-клеток".

Это значит, что трансплантацию органов и тканей выращенных из этих "универсальных" клеток можно будет проводить без предварительной проверки этих органов на биологическую совместимость с организмом пациента.

Выращивание на биологическом каркасе

Чтобы получить полноценный искусственный орган, сначала готовят каркас анатомической формы, а затем заселяют его клетками будущего реципиента.

В качестве инкубатора для выращивания клеток использовали живую мышь. Ей вживили каркас будущего уха из полиэстера, засеянный хондроцитами теленка.

В процессе роста клеток полиэстерная основа деградировала, так что в итоге получился чистый хрящ в форме человеческого уха.

В России тоже идут работы по получению искусственных органов из собственных клеток пациентов.

В 2012 году в Краснодарской краевой клинической больнице № 1 была проведена трансплантация трахеи и части гортани, полученных из клеток пациентки повредившей трахею в автомобильной аварии.

Имитация эмбрионального развития

Еще один способ получить орган искусственным путем - это скопировать у природы не его окончательный вид, а лишь начальные этапы его развития.

В идеале, если правильно подобрать условия, зачаток самостоятельно будет развиваться так же, как в эмбрионе.

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.

Научные открытия и достижения последних лет в области генетики открывают перед этой технологией просто невероятные возможности!

Перепрограммирование ДНК стволовых клеток

Семь лет назад двое выдающихся учёных Джон Гардон (John B. Gurdon) и Шинья Яманака (Shinya Yamanaka) из Университета Киото получили Нобелевскую премию, совершив научную революцию в биологии.

Открытие Гардона и Яманаки - важнейшее фундаментальное открытие в биологии, поскольку именно оно впервые продемонстрировало, что дифференцированная клетка может снова вернуться в "детство" и стать плюрипотентной.

Весьма простая технология получения ИПСК* мгновенно была взята на вооружение сотнями лабораторий по всему миру.

Ранее считалось, что процесс клеточной дифференциации - это "билет в один конец". И клетки обретшие свою специализацию уже никогда не могут вернуться в первичное состояние.

Группа учёных под руководством Яманаки первой сообщила о своих результатах в журнале Cell.

Недавно разработанные методы перепрограммирования специализированных клеток в стволовые значительно облегчили процедуры выращивания искусственных органов из клеток пациентов.

В 2018 году биоинженеры из Массачусетсткого Технологического Института в США создали язык программирования позволяющий быстро создавать комплексные, написанные в коде ДНК цепи, придающие новые функции живым клеткам.

3D-биопечать отдельных органов и тканей

Одна из самых зрелищных демонстраций технологии 3D-биопечати прошла в 2011 году. На конференции TED-2011 специальный 3D-принтер напечатал макет человеческой почки прямо во время выступления американского хирурга и биоинженера Энтони Аталы.

Американская компания Organovo, расположенная в Сан-Диего, стала первой компанией осуществившей коммерциализацию технологии 3D-биопринтинга.

Компания использует технологию NovoGen MMX Bioprinter.

Группа специалистов из этой компании в 2015 году напечатала первую в мире ткань почки, которую можно использовать для проведения доклинических испытаний лекарственных препаратов.

С 2018 года исследовательская группа из университета Суонси в Великобритании использует технологии 3D-биопринтинга для изготовления мягких тканей и искусственных костей для возможного использования в восстановительной хирургии.

Габор Форгач - знаменитый биоинженер и предприниматель от науки. Под его руководством был создан первый коммерческий 3D-биопринтер на котором уже напечатаны образцы многих тканей.

В 2019 году была открыта новая технология 3D-печати органов и тканей без био-разлагаемого каркаса.

Вместо "строительных лесов", которые поддерживают структуру желаемого органа или ткани, ученые из США использовали гидрогелевые шарики внутри которых печатается искусственный орган.

Такие временные "ванночки" позволяют напечатанным клеткам легко соединяться без дополнительного каркаса, сообщается на сайте Иллинойского университета в Чикаго. Статья с результатами опубликована в журнале "Materials Horizons".

Человеческие органы на чипе

Дональд Ингбер - биолог знаменитый своим "инженерным взглядом" на живые объекты. Благодаря ему учёный сделал несколько сенсационных открытий в области биологии клетки (например, о влиянии механических воздействий на активность генов).

Ему удалось создать работающую модель простейшей клеточной системы расположенной на пластинке стандартного размера и воспроизводящей основные функции моделируемого органа.

Особенно интересной для клинических исследований оказалась разработка в 2018 году чипа отражающего устройство гематоэнцефалического барьера.

Разработчики воспроизвели и плотные контакты между клетками сосудов мозга, и само расположение глиальных клеток - особенности, благодаря которым многие молекулы из крови не могут легко проникнуть в мозг.

Буквально через три дня после публикации этой статьи в нашем Телеграм Канале, на YouTube Канале Пост.Наука по какому-то невероятному совпадению вышло замечательное видео, которое просто и наглядно объясняет некоторые разделы этой темы в интересных деталях.