Экспериментальные подходы к тканевой инженерии

Меня зовут Али Камаси, я являюсь ассистентом профессора в отделе наук о здоровье и технологиях Гарварда и Массачусетского технологического института (Harvard MIT's Division of Health Sciences and Technology). Также я занимаю совместную должность в Гарвардской медицинской школе, в частности, в больнице Бригама и Женщин (Brigham and Women's Hospital), которая является аффилированным учреждением Гарвардской медицинской школы. Мои области исследований — микромасштабная тканевая инженерия и биомеханика.

Моя академическая подготовка изначально была связана с химическим машиностроением. Я получил степень бакалавра в области химического машиностроения в Университете Торонто, после чего мой интерес сместился в сторону биоинженерии. В связи с этим я окончил магистратуру по биомедицинской инженерии, также в Университете Торонто, где специализировался на дифференцировке стволовых клеток.

Затем я поступил в MIT, где в области биоинженерии получил степень PhD под руководством профессора Роберта Лангера. После нескольких месяцев постдокторантуры я занял свою нынешнюю должность. Области исследований, на которых мы фокусируемся, находятся на стыке биологии, инженерии и материаловедения.

Таким образом, мы стремимся найти ответы на вопросы, которые биологи пытаются решить на протяжении долгого времени, но пытаемся сделать это способами, которые ранее были недоступны, внедряя новые технологии и новые подходы к пониманию этих проблем. Одной из главных медицинских проблем, которую мы пытаемся решить, является дефицит органов. Как создать трехмерные органы, которые потенциально можно было бы трансплантировать, учитывая, что существует огромная нехватка донорских органов, многие пациенты нуждаются в трансплантации, и существуют огромные списки ожидания.

Одна из задач, которую мы и другие специалисты в области тканевой инженерии стремимся решить, заключается в разработке подходов для создания искусственных тканей. Следуя той же концепции, одной из главных проблем на сегодняшний день, которая также актуальна для разработки и поиска новых лекарственных препаратов, является создание более совершенных моделей тканей вне организма. Это необходимо для того, чтобы мы могли тестировать лекарства и химические вещества и оценивать их воздействие на подобные ткани. И когда мы сможем делать это правильно, мы получим гораздо более точные прогнозы относительно того, какие препараты действительно будут эффективны.

Таким образом, можно избежать, знаете ли, отзывов препаратов после их одобрения и появления побочных эффектов, что позволяет значительно улучшить процесс разработки лекарств. Микрофлюидные устройства являются подразделом того, что мы называем микромасштабными технологиями. И прежде всего я, пожалуй, объясню, что представляют собой эти микромасштабные технологии.

Их цель заключается в том, чтобы имитировать сложность биологических тканей или биологических систем. Большинство клеток имеют размер порядка десятков микрометров. И чтобы действительно понять работу клеток в таких масштабах, необходимы технологии, позволяющие проектировать то, что клетка видит и что она ощущает на пространственных уровнях, варьирующихся от значений значительно меньше 10 микрометров до значений более 10 микрометров.

Таким образом, можно работать с отдельными клетками и иметь возможность манипулировать их окружением. Система микрофлюидики позволяет нам осуществлять очень точный контроль над тем, как растворимые факторы доставляются к клеткам. Примером этого может служить использование микрофлюидного канала для создания градиента концентрации хемокина, фактора роста или цитокина.

Теперь это позволяет нам пытаться имитировать процессы, происходящие при нормальном развитии или внутри биологических систем, где по всему организму существуют градиенты концентрации, которые фактически определяют поведение клетки. С помощью микрофлюидных систем мы можем воспроизводить подобные виды биологической сложности в очень быстром и контролируемом режиме, а затем анализировать поведение клеток непосредственно при воздействии таких градиентов концентрации или биологически и пространственно ориентированных сигналов. Тканевая инженерия возникла, вероятно, около 20–30 лет назад с идеей использования трансплантируемых клеток и их объединения с материалами, чтобы мы могли создавать более совершенные трехмерные ткани; изначально исследователи пытались использовать биоразлагаемые материалы для изготовления из них пен.

Таким образом, вы понимаете, что они представляют собой очень пористые структуры. Затем эти пены засевают клетками. По мере перемещения клеток внутри такой пены они оседают в определенных местах, и со временем клетки начинают вырабатывать собственный биологический матрикс.

Поскольку эти материалы биоразлагаемы, со временем они распадаются, и в итоге остается полностью биологическая ткань. Этот подход оказался особенно полезным для создания некоторых простых органов, например, хряща. Более того, были созданы такие разработки, как наша искусственная кожа, которая уже получила одобрение FDA.

Таким образом, этот метод оказался клинически жизнеспособным. Однако данный подход может потребовать доработки применительно к более сложным структурам, таким как сердце или печень, где наблюдаются строго определенные межклеточные взаимодействия, а также высококонтролируемая сложность и архитектура на микроуровне. Одной из первоначальных идей тканевой инженерии было то, что при посадке клеток они способны самостоятельно перестраиваться, чтобы создать часть той сложности, которая наблюдается в обычном организме.

Но это — и такое действительно происходит до определенной степени — происходит не полностью. Таким образом, созданный методами тканевой инженерии орган на микроструктурном уровне все равно будет отличаться от истинной нативной биологической ткани. Это связано с тем, что клетки просто не собираются в структуры так, как это происходит полностью в процессе развития.

Таким образом, в контексте микромасштабной тканевой инженерии мы стремимся воссоздать эту сложность. Как же мы это делаем? И какие именно сложные структуры мы хотим создать?

Прежде всего, стоит отметить, что васкуляризированные ткани очень обильно снабжены сосудами, которые обеспечивают ткань кислородом, питательными веществами и другими необходимыми компонентами. Поэтому в настоящее время крайне сложно создавать крупные тканевые структуры и обеспечивать все клетки достаточным количеством питательных веществ и кислорода. Одной из возможностей, которые предоставляют микромасштабные технологии, является потенциальная возможность прямого конструирования микрососудистой сети непосредственно в наших трехмерных структурах.

Еще одна возможность, которую предоставляют микромасштабные технологии, — это попытка контролировать взаимодействие различных типов клеток внутри этой трехмерной структуры. Например, может потребоваться разместить определенный тип клеток в конкретной структуре, а рядом с ними — вторичный тип клеток, имитируя их расположение в организме. Используя микромасштабные технологии, мы можем попытаться воссоздать в нашей трехмерной структуре подобные геометрии и сложности, которые присутствуют в живом организме.

Таким образом, нам не обязательно полагаться на то, что они самособерутся непосредственно внутри скаффолдов. Существует ряд проблем. Одной из главных проблем в области инженерии тканей является то, что даже если нам удается создать трехмерную ткань, она все равно должна быть функциональной; при этом нормальные ткани выполняют целый спектр механических, биохимических и метаболических функций, которые эти искусственно созданные органы должны, по сути, восстановить и имитировать.

На данный момент основной проблемой является то, что многим органам, созданным методами тканевой инженерии, не хватает нативных биологических характеристик. Частично это связано с типами используемых сейчас материалов, которые не всегда оптимизированы для различных областей применения. Кроме того, нам все еще необходимо лучше изучить биологию развития и биологию заживления ран, чтобы иметь возможность воссоздать условия, которые позволят клеткам внутри этих трехмерных каркасов полностью реализовать тот потенциал, который они имеют в организме при нормальном развитии или заживлении ран, чтобы в итоге получить структуры, которые действительно имитируют полноценно регенерированные или развитые ткани.

Кроме того, биологические аспекты все еще изучаются и развиваются. Таким образом, одним из факторов является биология, другим — поиск более подходящих материалов. И, наконец, я считаю, что серьезной проблемой по-прежнему остается источник клеток.

Понимаете, именно поэтому очень важно пытаться исследовать альтернативные источники клеток, так как клетки нашего организма, например, взрослые стволовые клетки, являются очень перспективным и потенциально жизнеспособным источником. Также существуют такие варианты, как эмбриональные стволовые клетки, а также новые подходы, которые находят исследователи, используя, скажем, клетки кожи или другие типы клеток для получения примитивных клеток, дифференцировку которых можно направлять для получения жизнеспособного источника клеток. Таким образом, я бы сказал, что в ближайшие пять лет основными проблемами будут три: создание более совершенных материалов, более глубокое понимание биологии и поиск более подходящего источника клеток.

Ожидается множество изменений, которые сделают эти микромасштабные технологии более доступными как для биологов, так и для инженеров по тканевой инженерии. Думаю, сейчас многие осознают, насколько важно детально изучать биологию и создавать ткани с микромасштабным разрешением. И я полагаю, что эта тенденция будет только усиливаться в ближайшие несколько лет.

И я полагаю, что еще один аспект заключается в том, что будет гораздо больше взаимодействия между людьми, имеющими отношение к конечному продукту — будь то врачи клиник, представители FDA или других регулирующих органов, а также бизнес-сообществом. Таким образом, будет усиливаться взаимодействие этих структур с учеными-исследователями, чтобы совместно определить основные проблемы коммерциализации некоторых разработок и понять, как реализовать это безопасным и этически ответственным образом.

Я считаю, что и с научной точки зрения предстоит сделать еще серьезные шаги, и в других аспектах предстоит проделать большую работу. Думаю, что первые пять лет станут лишь первыми шагами, а в следующие 10–15 лет ситуация станет действительно интересной в плане того, как будут использоваться эти технологии — в частности, как тканевая инженерия и применение этих технологий в анализах по поиску новых лекарственных препаратов будут внедрены в реальную практику. Это во многом зависит от того, о каком органе и о каком виде применения идет речь. Очевидно, что первым и наиболее очевидным применением искусственных тканей является область поиска лекарств или диагностики, где целью является создание более точных физиологических моделей в культуре тканей вне организма, чтобы иметь возможность анализировать их, исследовать для лучшего понимания биологии или для оценки эффективности химических соединений и препаратов. И я полагаю, что основной проблемой в этой области является создание объекта, который максимально полно имитирует нативную ткань, чтобы если ваша тканевая конструкция указывает на токсичность вещества, вы могли быть полностью уверены, что при введении животному оно также окажется токсичным, и таким образом с высокой точностью предсказывать ответную реакцию организма животного.

Таким образом, я полагаю, что в отношении непосредственного терапевтического применения все еще остается множество препятствий, которые необходимо преодолеть. На мой взгляд, главными из них являются вопросы о том, как эти терапевтические агенты будут вести себя в краткосрочной и долгосрочной перспективе, поскольку до сих пор нет полного понимания того, как инородные клетки — например, полученные методами тканевой инженерии или производные стволовых клеток, полученные из эмбриональных стволовых клеток или от других людей, — будут вести себя в моем или чьем-либо другом организме в долгосрочном периоде. Кроме того, существуют и другие этические вопросы: например, какой источник клеток является наилучшим с точки зрения этической ответственности, а также научной и клинической осуществимости. Что касается непосредственного создания органов, то основным вопросом здесь является возможность создания чего-то, что было бы одновременно безопасным и функционировало бы надлежащим образом. Кроме того, существует множество регуляторных механизмов, которые должен пройти любой вид искусственно созданного органа с помощью тканевой инженерии.

Я полагаю, что на данном этапе FDA начинает изучать способы регулирования биологических тканей, которые создаются с помощью биоинженерии для терапевтического применения. Думаю, уже существует один или два прецедента коммерциализации подобных продуктов, но до сих пор нет четко стандартизированного пути, который позволил бы точно знать, какие этапы необходимо пройти, чтобы превратить лабораторную разработку в конечный продукт. Что касается некоторых из этих искусственных биологических тканей, то здесь все сильно зависит от органа. Например, в случае с кожей такие решения у нас уже есть.

Что касается такого органа, как сердце, полноценное сердце, я бы сказал, что мы еще очень далеки. Наверное, я бы назвал цифру 50 [лет] — я хочу быть очень консервативным в своих оценках. Это может произойти раньше, но существует множество проблем с созданием чего-то, что обладало бы подходящей сложностью и функционировало бы должным образом, как это делает обычная биологическая ткань.

Но я полагаю, что в отношении более мелких структур, таких как ткань сердца, а не целого сердца, мы гораздо ближе к цели. Я бы сказал, что с точки зрения клинического применения и чего-то, что действительно прошло через процесс регуляторного одобрения, вполне возможно в течение, скажем, 15 лет получить трансплантируемые фрагменты сердечной ткани, которые можно будет использовать. И я думаю, что большая часть этого процесса будет сосредоточена на этапе регуляции, поскольку сейчас для одобрения одного препарата требуется 12 лет.

Поэтому даже если сейчас у нас есть решение, которое кажется нам идеальным, потребуется как минимум десятилетие, чтобы убедиться в его безопасности и правильном функционировании, прежде чем мы сможем начать его широкое применение в клинической практике.