Биоинжиниринг. Обзор технологических достижений в период с 2015 по 2019 год

HumDes Community

Искусственное создание живых тканей, органов и даже целых организмов на протяжении всей истории человечества было предметом мифов, легенд и фантастических историй, и не давало покоя человеческому воображению.

Оглавление статьи

Кожа и внутренний каркас скелета ⏩
Внутренние органы и системы организма ⏩
Сердечно-сосудистая и кровеносная система ⏩
Железы внутренней секреции ⏩
Органы сенсорного восприятия ⏩
Мозг и сложные элементы нервной системы ⏩
Заключительная часть исследования ⏩

В настоящее время в мире активно ведутся работы по выращиванию практически всех тканей и органов человеческого тела.

Некоторые из них уже находятся в клиническом использовании, другие - еще на испытаниях и в разработке.

В предыдущей статье я коротко рассказал вам про основные технологии Биоинжиниринга. Теперь давайте перейдем от теории к практике и вместе посмотрим на то, чего удалось достичь биоинженерам за последние пять лет.

Кожа и внутренний каркас скелета

В 2015 году группа биотехнологов из Массачусетской общей больницы в Бостоне, которые создали первую в мире искусственную бионическую конечность крысы, вырастив ее мускулы, суставы и сосуды из стволовых клеток.

Создана так называемая "мускульная" ткань, реагирующая на сигналы поступающие от нерва. Это стало возможным благодаря нервно-мышечному соединению, выращенному из клеток мышечной ткани и нейрональных клеток.

Эта ткань потенциально может быть использована для фармакокинетических анализов, для создания привода мышц биороботов и биопротезов.

Разработана технология получения мышц из ИПСК, которые можно неограниченно размножать культивацией, что позволит выращивать мышечную ткань в больших количествах.

В 2016 году ученые из медицинского центра Рочестерского университета (США) обнаружили стволовые клетки, которые могут реконструировать кости лицевого отдела черепа и черепную коробку мышей. Исследование опубликовано в "Nature Communications".

В 2016 году команда австралийских инженеров и хирургов разработала устройство для тонкой трехмерной биопечати, которое позволяет создавать персонифицированные хрящевые импланты из стволовых клеток непосредственно во время операции. Результаты работы опубликованы в журнале "Biofabrication".

В 2016 году международная группа ученых под руководством Рамиллы Шах предложила новейшую разработку – технологию гиперэластичных костей. Гиперэластичные кости состоят из такого минерала как гидроксиапатит.

В 2016 году биологи из института RIKEN (Япония) вырастили из стволовых клеток полноценную кожную ткань, которую успешно имплантировали в тело мыши.

В 2016 году в журнале "Biofabrication" учёные из Испании рассказали о новом 3D-принтере, печатающем кожу, полностью идентичную человеческой за короткие сроки. Данное изобретение незаменимо в трансплантологии, при обширных ожогах, в косметологии.

Метод печати кожи, разработанный специалистами из Испании уникален и тем, что за столь короткое время с его помощью можно напечатать необходимый для пересадки фрагмент кожи для конкретного человека.

В 2017 году ученые провели эксперимент по выращивания клеток в виде сфероидов в висячей капле. Она была использована для культивации клеток, которые способны заново индуцировать образование волосяных фолликулов в коже человека.

В 2017 году в Китае детям с врожденным дефектом уха пересадили 3D-печатные уши.

В 2018 году ученые из Института регенеративной медицины в Уэйк Форесте создали Систему печати интегрированных тканей и органов.

Для доказательства работоспособности своего изобретения ученые напечатали часть челюстной кости, мышцу, а также различные хрящевые структуры, в том числе и удивительно пропорциональное человеческое ухо.

В 2019 году ученые из Сеченовского университета совместно с коллегами из Института фотонных технологий ФНИЦ "Кристаллография и фотоника" создали инновационный биопринтер BioDrop, который произведет переворот в регенеративной медицине.

В частности, он даёт возможность в разы повысить качество таких сверхчувствительных биоматериалов, как барабанная перепонка.

Внутренние органы и системы организма

Важный шаг на пути к выращиванию в лаборатории органов в 2015 году сделали исследователи из Японии.

Имитируя условия эмбрионального развития зачатка, им удалось создать простую, но вполне функциональную печень человека.

При трансплантации этих зачатков печени мышам было обнаружено, что они примерно за 48 часов образуют связи с близлежащими кровеносными сосудами и способны выполнять характерные для печени функции.

Сейчас знаменитый биоинженер работает над созданием искусственного пениса, который подошел бы жертвам несчастных случаев и мужчинам с врожденными патологиями репродуктивной системы.

В 2016 году ученым удалось вырастить иннервированные ткани кишечника. Впервые учёные вырастили в лабораторных условиях ткань кишечника и успешно пересадили её в организм мышей. Исследование опубликовано в "Nature Medicine".

В 2018 году две независимые исследовательские команды из университета в Цинциннати (США) сделали очередной шаг вперед в выращивании человеческих органов из стволовых клеток.

Создана подложка и специальный инкубатор для выращивания человеческого пищевода из клеток пациента.

По данным на начало 2019 года, на чипах удалось воспроизвести работу почки, печени, а также кишечника с микробиомом и перистальтикой.

Сердечно-сосудистая и кровеносная система

В 2015 году китайская биотехнологическая компания "Sichuan Revotek" объявила о создании первого в мире 3D-биопринтера, печатающего кровеносные сосуды для создания персонализированных человеческих органов.

В 2016 году российскому биоинженеру Шкуматову удалось получить кардиоваскулярные органоиды (прототип сердца), способные к сокращению.

В 2016 году американским биологам удалось вырастить первое биоинженерное сердце человека с функционирующей сердечной мышцей.

Группа ученых из Общеклинической больницы штата Массачусетс в США "превратила" клетки кожи в стволовые клетки, используя их матричную РНК.

Затем полученные плюрипотентные стволовые клетки обработали так, чтобы те развились в клетки сердечной мышцы. Работа ученых опубликована в журнале "Circulation Research".

В 2017 году ученым удалось получить органоиды лёгких человека, состоящие из эпителиальных и мезенхимальных компонентов лёгких, со структурными особенностями, характерными для легочных тканей.

В 2018 году исследователи из Школы инженерных и прикладных наук Гарварда Джона А. Полсона воспользовались методом скручивания биополимеров, чтобы создать искусственный желудочек сердца.

Они говорили о том, что для формирования полноценного четырехкамерного сердца потребуется много времени. Однако биоинженеры из Тель-Авивского университета смогли создать миниатюрную копию человеческого сердца уже сейчас.

В 2019 году исследователи из Тель-Авивского университета напечатали на 3D-принтере первое в мире искусственное сердце, используя собственные клетки пациента и его биологические материалы.

В 2019 году команда ученых из компании Humacyte Inc., Университета Дьюка и Йельского университета заявили, что они практически вплотную приблизились к первому в истории медицины клиническому использованию кровеносных сосудов, выращенных методами биоинженерии.

Железы внутренней секреции

В 2015 году российская компания "3D Bioprinting Solutions" впервые в мире сумела создать функционирующую щитовидную железу мыши с помощью 3D-биопринтинга.

Для печати щитовидной железы из клеток, взятых у мышей, использовался российский биопринтер FABION. Напечатанные органы пересаживали мышам, щитовидная железа которых была разрушена с помощью радиоактивного йода.

Результаты работы были представлены авторами на различных научных конференциях и опубликованы в рецензируемых изданиях для специалистов.

Два года назад исследователи Датского центра стволовых клеток разработали метод трёхмерной (3-D) культуры в геле Matrigel со специально подобранным составом среды, который может быть использован для выращивания миниатюрных "затравок" поджелудочной железы.

в 2018 году 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 при помощи искусственно созданных элементов.

Органы сенсорного восприятия

В 2015 году канадский окулист Гарт Уэбб из Университета Британской Колумбии разработал бионические линзы, которые имплантируются в глаз и позволяют видеть в три раза лучше по сравнению со стандартом определения остроты зрения.

В 2016 году американские и китайские молекулярные биологи смогли превратить стволовые клетки в "заготовки" хрусталика и успешно заменили им поврежденную "линзу" в глазах 12 пациентов с катарактой.

Аналогичная технология была использована для разработки способов получения органоидов сенсорного эпителия внутреннего уха.

В 2017 году ученым впервые удалось вырастить ткани глаза из стволовых клеток. Международная команда исследователей использовала человеческие стволовые клетки для создания нескольких слоёв глазной ткани.

Учёные уверены, что данное достижение - важный шаг на пути к будущему, в котором дефекты зрения будут излечиваться благодаря лабораторно созданным компонентам глазного яблока.

В 2018 году группа южно-корейских учёных сумела с помощью 3D-принтера получить искусственную роговицу, используя биологические «чернила», состоящие из очищенной от клеток роговичной основы и стволовых клеток.

Такая роговица биологически совместима с тканью глаза и её прозрачность сходна с прозрачностью естественной роговицы.

Мозг и сложные элементы нервной системы

Самое интересное, что путем имитации эмбрионального развития можно получить даже зачатки мозга человека.

Первые человеческие церебральные (мозговые) органоиды были созданы пять лет назад. Их основой послужили так называемые индуцированные плюрипотентные стволовые клетки, полученные путем особой стимуляции из обычных соматических клеток человека.

Такие стволовые клетки дифференцировали в клетки-предшественники нервной ткани, которые культивировали в специальной гелеобразной "матрице", помещенной во вращающийся биореактор с ростовой средой.

К сожалению, они не имели кровеносных сосудов, и когда через несколько недель достигали нескольких миллиметров в диаметре, то начинали испытывать недостаток в кислороде и питательных веществах.

В результате рост органоидов останавливался, а затем наступала гибель. Недолгое «время жизни» церебрального органоида не дает возможность исследовать развитие мозга на более поздних этапах эмбриогенеза.

Однако, ученым удалось найти оригинальное решение.

Благодаря генно-инженерной модификации клетки органоида приобрели способность синтезировать зеленый флуоресцентный белок, который в дальнейшем послужил маркером, позволявшим отличить их от мозговых клеток мыши.

Эксперимент прошел удачно: примерно 80% имплантатов прижилось, и через пару недель в них проросли "мышиные" кровеносные сосуды, снабжающие органоиды достаточным количеством кислорода и питательных веществ.

Сами же органоиды успешно развивались, так что к концу эксперимента находились на стадии, аналогичной поздней эмбриональной или ранней постнатальной стадии формирования тканей человеческого мозга.

Интересно, что синапсы (места контактов аксонов, где происходит передача нервного импульса) формировались не только между нервными клетками одного вида, но и между мышиными и человеческими нейронами.

Ёсики Сасаи - выдающийся японский биоинженер, пионер в области получения мини-органоидов методом воспроизведения первых этапов эмбрионального развития человека.

В 2013 году он воспроизвел начальные этапы развития коры головного мозга, а также глазного бокала и гипофиза зародыша.

В 2015 году ученые из Австрийской академии наук начали со стволовых клеток и подобрали условия, в которых нужно запустить их дифференцировку.

При правильных условиях удается получить зачатки мозга с клетками различной специализации - нейронами и глией.

В 2017 году канадские исследователи из Университета Альберты разработали метод "сварки" нейронов с помощью лазера.

До этого принудительно соединить аксон одной нервной клетки с телом другой никому не удавалось.

В 2018 году исследователи из Университета Джонса Хопкинса создали миниатюрный мозг, который можно использовать для изучения действия лекарств, а также для выяснения причин развития различных нейродегенеративных заболеваний.

Он был получен в начале 2019 года международной группой ученых под руководством австралийского биоинженера Гордона Уэлласа.

Заключительная часть исследования

Фактически, учёные уже научились создавать практически весь спектр искусственных органов и тканей человека.

Прогнозы о сроках реального появления 3-D биопринтеров в каждой крупной больнице, которые были сделаны в разное время двумя компетентными источниками - практически совпадают:

Согласно прогнозу технического директора компании "Google" повсеместное использование биопринтеров в регенеративной медицине начнётся не ранее 2032 года. (Источник: Выступление Р. Курцвейла в 2013 году на международном конгрессе "Глобальное будущее 2045")
Согласно прогнозам и данным из доклада Национального совета по разведке, США (National Intelligence Council) печать трехмерных функциональных тканевых модулей снабженных сосудами, т. е. фактически, печать полноценных органов, начнется в 2030 г. (Источник: Science and Medicine. Vol. 9 (2) April, 2003)

Перспективы развития этой области на ближайшее будущее (до конца 2020 года) можно разделить на рекламные и научно обоснованные. К научно-обоснованным можно уверенно отнести:

Начало практического использования в регенеративной медицине инновационного 3-D биопринтера, наносящий клеточные культуры на матрицу с питательным раствором и формирующий искусственные органы.
Проведение первых медицинских операций по лечению тяжелых ожогов путем нанесения на пораженный участок стволовых клеток, которые в считанные дни образуют новую кожу.
Генетический "ремонт" поврежденных тканей и органов. Это область исследований развивается в геометрической прогрессии, т.к. была включена в приоритетные национальные Проекты некоторых стран и стала лидером по объему привлеченных частных инвестиций в 2019 году.
В результате реализации национального проекта запущенного в Японии в 2013 году ожидается, что примерно 80-90% населения Японии смогут рассчитывать на пересадку органов, выращенных из стволовых клеток созданного банка iPS' клеток уже к 2023 году. (Источник: Аналитический Доклад РАНХиГС "Национальная научно-технологическая политика РФ", 2014)

Но несмотря на головокружительные успехи и достижения биоинжиниринга, тело человека все равно остается крайне хрупким и недолговечным материалом...

Поэтому учёные всего мира полным ходом ведут разработки, которые позволят не просто вернуть человеку утраченные части тела или поврежденные органы, а заменить их на более долговечные и функциональные материалы.