Выращивание органов — это прорывная область исследований, направленная на выращивание здоровых человеческих органов и клеток в лаборатории для трансплантации в организм человека.
Эта область несет огромные перспективы для лечения различных тяжелых заболеваний, включая хронические болезни, серьезные травмы и врожденные патологии.

Идея выращивания человеческих органов в лаборатории существует уже много лет, но только в последние годы был достигнут значительный прогресс в этой области.
Начало пути характеризовалось попытками выращивать отдельные клетки в лаборатории, а затем ученые продвинулись к выращиванию простых тканей.
Значительный прорыв в тканевой инженерии произошел в 1990-х годах. Сама 3D-печать была изобретена еще в 1984 году (стереолитография, Чарльз Халл), а печать живых клеток (биопечать) была впервые продемонстрирована в 2003 году. Сочетание этих технологий позволило создавать более сложные трехмерные структуры.

Тканевая инженерия:

Эта технология фокусируется на выращивании человеческих клеток на трехмерных каркасах, создавая структуру и функцию, подобные органу. Этот процесс осуществляется в несколько этапов:

Выбор клеток: Подходящие человеческие клетки берутся из различных источников, таких как биопсия пациента, стволовые клетки или эмбриональные клетки.
Размножение клеток: Клетки размножаются в лаборатории в контролируемых условиях.
Каркас: Создание трехмерного каркаса из биологических или синтетических материалов, служащего основой для роста ткани.
Засев: Клетки помещаются на каркас.
Созревание: Создание оптимальных условий для роста ткани с обеспечением питательными веществами и кислородом.
Трансплантация: После того как ткань выросла и развилась в достаточной степени, ее можно пересадить в организм пациента.

Тканевая инженерия позволяет выращивать широкий спектр тканей, включая:

Кожа: Для лечения ожогов, хронических ран и пластических операций.
Кость: Для лечения переломов, травм и ортопедических операций.
Мышцы: Для лечения мышечных травм, мышечной дистрофии и атрофии мышц.
Хрящ: Для лечения артрита, травм хряща и ортопедических операций.
Кровеносные сосуды: Для лечения сердечно-сосудистых заболеваний, трансплантации органов и сложных операций.

Основные проблемы в области тканевой инженерии:

Создание кровеносных сосудов: Обеспечение кислородом и питательными веществами всех частей ткани имеет решающее значение для ее успеха.
Нервная интеграция: Установление правильной нервной связи между пересаженной тканью и организмом пациента.
Иммунное отторжение: Предотвращение отторжения пересаженной ткани иммунной системой организма.

3D-печать органов:

Эта прорывная технология позволяет создавать искусственные органы с помощью печати человеческих клеток и биологических материалов. Процесс печати осуществляется послойно с использованием специальных 3D-принтеров.

Преимущества 3D-печати:

Точность: Создание органов со сложной и точной структурой.
Индивидуальная настройка: Печать органов, адаптированных под конкретного пациента, с использованием его собственных клеток.
Доступность: Потенциал для увеличения количества органов, доступных для трансплантации.

Основные проблемы в области 3D-печати:

Материалы: Разработка подходящих биологических материалов для печати и нормального функционирования органа.
Кровеносные сосуды: Создание эффективной системы кровеносных сосудов внутри напечатанного органа.
Созревание: Создание оптимальных условий для развития напечатанной ткани.

Трансплантация стволовых клеток:

Стволовые клетки — это недифференцированные клетки с высокой способностью к дифференцировке. Эти клетки могут развиваться в широкий спектр типов клеток, что делает их потенциальным решением для лечения различных заболеваний.

Проблемы, стоящие перед этой областью:

Тканевая инженерия сложных органов: Создание органов с полной функциональностью, таких как система кровеносных сосудов и нервов. На сегодняшний день ученым удалось вырастить только относительно простые органы, и все еще отсутствует способ создавать сложные органы с полной функциональностью.
Иммунное отторжение: Предотвращение отторжения пересаженного органа иммунной системой организма. Возможным решением этой проблемы является выращивание органов из генетически совместимых с пациентом клеток или использование иммуносупрессивных препаратов.
Этические проблемы: Выращивание человеческих органов в лаборатории поднимает сложные этические вопросы, такие как:
- Распределение органов: Как будет решаться, кто получит пересаженный орган, а кто останется в листе ожидания?
- Коммерциализация органов: Будут ли органы доступны всем или только тем, кто может себе это позволить?
- Создание «человеческих питомцев»: Допустимо ли выращивать человеческие органы для трансплантации животным?

Научный прогресс в этой области:

В последние годы был достигнут значительный прогресс в области выращивания органов. Ученым удалось вырастить в лаборатории относительно простые органы, такие как мочевой пузырь и уретра, и даже успешно пересадить их пациентам. Кроме того, были достигнуты значительные успехи в выращивании более сложных тканей, таких как сердце и печень.

Будущее выращивания органов:

Область выращивания органов, как ожидается, произведет революцию в медицине.
В будущем, возможно, можно будет выращивать в лаборатории органы и клетки для каждого человека, индивидуально, и таким образом лечить тяжелые заболевания и улучшать качество жизни миллионов людей по всему миру.

Прорывные эксперименты в этой области:

Тканевая инженерия:

Команда ученых из Университета Уэйк Форест (под руководством доктора Энтони Атала) смогла вырастить человеческий мочевой пузырь в лаборатории из клеток самого пациента и успешно пересадить его пациентам (2006).
Команда ученых из Института регенеративной медицины Уэйк Форест (исследование под руководством доктора Атлантиды Райя-Риверы, проведенное в Мехико) смогла вырастить человеческую уретру в лаборатории из клеток пациентов и успешно пересадить ее пяти мальчикам (2011).

3D-печать органов:

Команда ученых из Института Висса при Гарвардском университете смогла напечатать на 3D-принтере почечные канальцы человека, соединенные с кровеносными сосудами, имитирующие функцию реабсорбции почки (2019).
Команда ученых из Тель-Авивского университета смогла напечатать на 3D-принтере миниатюрное человеческое сердце размером с вишню из клеток пациента. Это лишь доказательство концепции: клетки сокращались, но сердце еще не было способно перекачивать кровь (2019).
Команда ученых из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе (UCLA) смогла вырастить из стволовых клеток трехмерный органоид легкого («легкое на чашке»), миниатюрную структуру, имитирующую воздушные мешочки легкого (это выращивание из клеток, а не 3D-печать).

Трансплантация стволовых клеток:

Команда ученых из Японии (Институт RIKEN, под руководством доктора Масаё Такахаши) в 2014 году провела первую в мире трансплантацию клеток, полученных из индуцированных плюрипотентных стволовых клеток (iPS), в глаз пациента с возрастной макулярной дегенерацией (AMD). Целью эксперимента была в основном проверка безопасности, и он позволил остановить прогрессирование ухудшения (значительного улучшения зрения не доказано).
Команда ученых из США смогла пересадить стволовые клетки пациенту с параличом позвоночника с целью улучшения двигательной функции.
В США (UCSF, под руководством доктора Типпи Маккензи) было проведено первое в мире клиническое испытание по трансплантации стволовых клеток в матку плодам, страдающим тяжелой альфа-талассемией, с использованием клеток костного мозга матери. Испытание (фаза 1) доказало безопасность и осуществимость, но не привело к полному излечению заболевания.

.
Ссылки:

https://newsroom.wakehealth.edu/news-releases/2006/04/wake-forest-physician-reports-first-human-recipients-of-laboratorygrown-organs
https://www.cnbc.com/2016/02/16/wake-forest-university-scientists-print-living-body-parts.html
https://school.wakehealth.edu/research/institutes-and-centers/wake-forest-institute-for-regenerative-medicine
https://healthland.time.com/2011/03/08/scientistis-grow-a-new-urethra-and-possibly-many-other-human-organs-in-the-lab/
https://www.ynet.co.il/articles/0,7340,L-5494600,00.html
https://wyss.harvard.edu/news/a-step-forward-in-building-functional-human-tissues/
https://news.harvard.edu/gazette/story/2019/03/harvard-scientists-bioprint-3-d-kidney-tubules/
https://www.ft.com/content/5bb992ca-5390-11e4-929b-00144feab7de
https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC9537826/