Вирощування органів — це проривна галузь досліджень, яка прагне вирощувати здорові людські органи та клітини в лабораторії для трансплантації в організм людини.
Ця галузь має величезний потенціал для лікування різноманітних важких захворювань, включаючи хронічні хвороби, серйозні травми та вроджені вади.

Ідея вирощування людських органів у лабораторії існує вже багато років, але лише останніми роками відбувся значний прогрес у цій галузі.
Початок шляху характеризувався спробами вирощувати окремі клітини в лабораторії, а згодом вчені перейшли до вирощування простих тканин.
Значний прорив у тканинній інженерії стався в 1990-х роках. Сам 3D-друк був винайдений ще в 1984 році (стереолітографія, Чарльз Халл), а друк живих клітин (біодрук) був вперше продемонстрований у 2003 році. Поєднання цих технологій дозволило створювати складніші тривимірні структури.

Тканинна інженерія:

Ця технологія зосереджена на вирощуванні людських клітин на тривимірних каркасах, створюючи структуру та функцію, подібні до органів. Цей процес відбувається в кілька етапів:

Вибір клітин: Відповідні людські клітини беруться з різних джерел, таких як біопсія пацієнта, стовбурові клітини або ембріональні клітини.
Розмноження клітин: Клітини розмножуються в лабораторії в контрольованих умовах.
Каркас: Створення тривимірного каркасу з біологічних або синтетичних матеріалів, який служить основою для росту тканини.
Посів: Клітини розміщуються на каркасі.
Дозрівання: Створення оптимальних умов для росту тканини із забезпеченням поживними речовинами та киснем.
Трансплантація: Після того, як тканина достатньо виросла та розвинулася, її можна трансплантувати в організм пацієнта.

Тканинна інженерія дозволяє вирощувати широкий спектр тканин, зокрема:

Шкіра: Для лікування опіків, хронічних ран та пластичних операцій.
Кістка: Для лікування переломів, травм та ортопедичних операцій.
М'яз: Для лікування м'язових травм, м'язової дистрофії та атрофії м'язів.
Хрящ: Для лікування артриту, травм хряща та ортопедичних операцій.
Кровоносні судини: Для лікування серцево-судинних захворювань, трансплантації органів та складних операцій.

Основні виклики в галузі тканинної інженерії:

Створення кровоносних судин: Забезпечення киснем та поживними речовинами всіх частин тканини є життєво важливим для її успіху.
Нервова інтеграція: Створення належного нервового зв'язку між трансплантованою тканиною та організмом пацієнта.
Імунне відторгнення: Запобігання відторгненню трансплантованої тканини імунною системою організму.

3D-друк органів:

Ця проривна технологія дозволяє створювати штучні органи шляхом друку людських клітин та біологічних матеріалів. Процес друку відбувається пошарово з використанням спеціальних 3D-принтерів.

Переваги 3D-друку:

Точність: Створення органів зі складною та точною структурою.
Індивідуальний підхід: Друк органів, індивідуально підібраних для пацієнта, з використанням його власних клітин.
Доступність: Потенціал для збільшення пропозиції органів, доступних для трансплантації.

Основні виклики в галузі 3D-друку:

Матеріали: Розробка відповідних біологічних матеріалів для друку та належного функціонування органу.
Кровоносні судини: Створення ефективної системи кровоносних судин всередині надрукованого органу.
Дозрівання: Створення оптимальних умов для розвитку надрукованої тканини.

Трансплантація стовбурових клітин:

Стовбурові клітини — це недиференційовані клітини з високою здатністю до диференціації. Ці клітини можуть розвиватися в широкий спектр типів клітин, що робить їх потенційним рішенням для лікування різноманітних захворювань.

Виклики, що стоять перед галуззю:

Інженерія складних тканин: Створення органів з повною функціональністю, таких як система кровоносних судин і нервів. На сьогодні вченим вдалося виростити лише відносно прості органи, і все ще бракує способу створювати складні органи з повною функціональністю.
Імунне відторгнення: Запобігання відторгненню трансплантованого органу імунною системою організму. Можливим вирішенням цієї проблеми є вирощування органів з генетично ідентичних пацієнту клітин або використання імуносупресивних препаратів.
Етичні зобов'язання: Вирощування людських органів у лабораторії порушує складні етичні питання, такі як:
- Розподіл органів: Як буде визначено, хто отримає трансплантований орган, а хто залишиться в списку очікування?
- Маркетинг органів: Чи будуть органи доступні для всіх, чи лише для тих, хто може собі це дозволити?
- Створення "людських домашніх улюбленців": Чи доречно вирощувати людські органи для трансплантації тваринам?

Науковий прогрес у галузі:

Останніми роками відбувся значний прогрес у галузі вирощування органів. Вченим вдалося виростити в лабораторії відносно прості органи, такі як сечовий міхур і уретру, і навіть успішно трансплантувати їх пацієнтам. Крім того, було досягнуто значного прогресу у вирощуванні складніших тканин, таких як серце та печінка.

Майбутнє вирощування органів:

Очікується, що галузь вирощування органів здійснить революцію в медицині.
У майбутньому, можливо, можна буде вирощувати в лабораторії органи та клітини для кожної людини індивідуально, таким чином лікуючи важкі захворювання та покращуючи якість життя мільйонів людей у всьому світі.

Проривні експерименти в галузі:

Тканинна інженерія:

Команда вчених з Університету Вейк Форест (під керівництвом д-ра Ентоні Атали) змогла виростити людський сечовий міхур у лабораторії з клітин самого пацієнта та успішно трансплантувати його пацієнтам (2006).
Команда вчених з Інституту регенеративної медицини Вейк Форест (дослідження під керівництвом д-ра Атлантіди Рая-Рівери, проведене в Мехіко) змогла виростити людську уретру в лабораторії з клітин пацієнтів та успішно трансплантувати її п'ятьом хлопчикам (2011).

3D-друк органів:

Команда вчених з Інституту Вісса Гарвардського університету змогла надрукувати на 3D-принтері людські ниркові канальці, з'єднані з кровоносними судинами, які імітують функцію всмоктування нирки (2019).
Команда вчених з Тель-Авівського університету змогла надрукувати на 3D-принтері крихітне людське серце розміром з вишню з клітин пацієнта. Це лише підтвердження концепції: клітини скорочувалися, але серце ще не було здатне перекачувати кров (2019).
Команда вчених з Каліфорнійського університету в Лос-Анджелесі (UCLA) змогла виростити зі стовбурових клітин тривимірний органоїд легені ("легеня на чашці"), крихітну структуру, що імітує повітряні мішечки легені (це вирощування з клітин, а не 3D-друк).

Трансплантація стовбурових клітин:

Команда вчених з Японії (Інститут Рікен, під керівництвом д-ра Масайо Такахаші) у 2014 році виконала першу у світі трансплантацію клітин, отриманих з індукованих плюрипотентних стовбурових клітин (iPS), в око пацієнта з віковою макулярною дегенерацією (ВМД). Метою експерименту було переважно тестування безпеки, і він зміг зупинити прогресування погіршення (не було доведено значного покращення зору).
Команда вчених зі Сполучених Штатів змогла трансплантувати стовбурові клітини пацієнту з паралічем спинного мозку з метою покращення рухової функції.
У Сполучених Штатах (UCSF, під керівництвом д-ра Тіппі Маккензі) було проведено перше у світі клінічне випробування трансплантації стовбурових клітин у матку плодам, які страждають на важку альфа-таласемію, з використанням клітин кісткового мозку матері. Випробування (фаза 1) довело безпеку та здійсненність, але не призвело до повного лікування хвороби.

.
Посилання:

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/