Технологии регенеративной биологии и медицины в 21 веке

Регенеративные технологии 21 века 

К сожалению, тело человека бренно, оно не приспособлено к тому, чтобы не изнашиваться, и подвержено травмам, ранениям и ожогам. Органы человека из-за старения и вследствие различных болезней могут перестать должным образом функционировать, понижая качество жизни их хозяина и укорачивая его жизнь.

Неудивительно поэтому, что на протяжении многих веков ученые восторженно и с завистью смотрели на феноменальные способности ряда организмов к регенерации и пытались найти способы лечения и омоложения людей, изучая природные механизмы, лежащие в основе этих процессов. Так, например, ещё в 1895 году Томас Морган, удалив часть раннего зародыша лягушки, обнаружил, что оставшаяся его часть способна, тем не менее, воссоздать цельный эмбрион. Это означало, что клетки, при необходимости, способны изменять направление своей специализации, и такое изменение скоординировано. Успехи, достигнутые в молекулярной биологии, генетике, гистологии, биологии развития, а главное – открытие методов выделения и культивирования стволовых клеток (от нем. Stammzelle – термин введенный Александром Максимовым в 1909 году для клеток которые, делясь, обеспечивают постоянную замену изношенных клеток новыми) привели к созданию в 21 веке нового направления медицинской науки: «Регенеративной биологии и медицины». Предполагается, что «Регенеративная биология и медицина» может стать важнейшим направлением развития медицины будущего [[i]      [ii]].

C помощью методов регенеративной медицины ученые надеются  разрешить целый ряд медицинских проблем, в частности:

1) Снабдить организм стволовыми клетками, выращенными  вне организма и продуктами их секреции, чтобы облегчить обновление клеток и помочь ему активировать регенерацию в органах и тканях нуждающихся в ремонте;

2) Суметь задействовать скрытые регенеративные способности человеческого организма путем направленного воздействия на  генетический аппарат, в частности: заставить организм вместо того чтобы идти по пути формирования рубцовой ткани осуществлять полноценную регенерацию с полным восстановлением функций на месте повреждения;

3) Разработать методы выращивания и морфоинженерии органов и тканей для трансплантации, и таким образом избавиться от проблем поиска доноров и реакций отторжения чужеродного органа;

4) Найти способы борьбы с функциональными расстройствами,  вызванными старческим дряхлением;

5) Найти способы борьбы с раковыми заболеваниями, в частности, найти способы предотвратить переход (трансдифференциацию) эпителиальных раковых стволовых клеток в мезенхимальные, что значительно повышает их инвазивность, способность образовывать метастазы и устойчивость к лекарствам.

Решение  столь грандиозных проблем требует глубокого знания фундаментальных процессов лежащих в основе регенерации. Поэтому целью регенеративной биологии и медицины как науки,  является создание единой фундаментальной картины механизмов регенерации на основе достижений современной биологической науки и использование этих знаний для решения медицинских проблем [[iii]].
Американскими учеными Робертом Бриггсом и Томасом Кингом, а также английским исследователем Джоном Гёрдоном ещё в середине прошлого века была разработана технология клонирования животных SCNT (somatic cell nuclear transfer) путем переноса ядра соматической клетки в яйцеклетку. Этим они доказали, что клеточные часы при определенных условиях можно отмотать назад.

До недавнего времени, несмотря на огромное количество подобных исследований, попытки замены или ремонта частей человеческого тела не отличались особым успехом. Однако с началом 21 века прогресс в сфере биотехнологий дал новые и не беспочвенные надежды на омоложение и лечение ранее неизлечимых болезней [[iv]]. В 2007 году впервые в истории человечества удалось без помощи яйцеклетки омолодить клетки кожи человека до эмбрионального состояния. Более того, используя метод эпигенетического перепрограммирования, в 2011 году удалось точно также омолодить клетки людей достигших 100 летнего возраста и, таким образом, доказать обратимость старения клеток организма [[v], [vi]]. В 2016 году с помощью частичного перепрограммирования клеток в молодые, в организме мыши с прогерией (болезнью преждевременного старения),  удалось продлить её жизнь на 30%. Предполагается, что точно также удастся омолаживать и продлевать жизнь мышек с обычным физиологическим старением [[vii]] причем в большей степени, чем у мышей с прогерией, поскольку из-за болезни у них уже через 8 дней после перепрограммирования признаки старения возвращаются (что было известно и ранее [[viii]]).  Опыты этих же авторов с культурой человеческих клеток позволяют надеяться, что подобным образом можно будет омолаживать и клетки человека. По личным заверениям  Ira Pastor (работа пока не опубликована) аналогичным воздействием препарата из цитоплазмы ооцитов, названным BQ-A [[ix]], удалось продлить жизнь здоровой мыши в 1.7 раза, что при пересчете на среднюю продолжительность жизни человека в 72 года означало бы повышение средней продолжительности жизни до 122 лет. Поскольку с разработкой технологии перепрограммирования клеток кожи в ооциты (пока только мышек) [[x]] появилась возможность производить подобные препараты в промышленных масштабах, возможно, что вскоре он станет доступен широкому кругу исследователей. Появление таких препаратов и дешевых, но высокоэффективных технологий перепрограммирования и дифференцировки в микрообъёмах жидкости [[xi]]  значительно ускорит развитие технологий омоложения воздействием на эпигеном.

К сожалению, появятся такие технологии омоложения организма, тем не менее, не скоро. Причиной тому возможность ракового перерождения клеток в процессе перепрограммирования (хотя авторы этих технологий уверяют, что в их экспериментах опухоли не образовывались, необходимо достаточно длительное наблюдение, поскольку ранее подобные трансформации были зафиксированы в других исследованиях со стволовыми клетками [[xii]], причем, иногда через год-два после удачного результата).

Важно отметить, что перепрограммирование восстанавливало связанную со старением потерю определённых гистонов и метилирования ДНК на участках ретротранспозонов, ведущих к повышению их мобильности, что считается одной из первопричин болезней старческого возраста (в том числе и рака)  [[xiii]].

Успехи в области эпигенетики не отменяют необходимости поиска и других способов воздействия на процессы, ведущие к старению.

Есть успехи и в других областях регенеративной медицины. В частности, 3D-принтеры могут послойно печатать ткани и органы, которые в некоторых случаях (кости, хрящи, уретра, мочевой пузырь) могут функционировать почти так же, как природные [[xiv]     [xv]]. Разрабатывается технология создания печатных кровеносных сосудов. Напечатанный искусственный сосуд сросся с природными кровеносными сосудами уже через месяц после трансплантации обезьянам [[xvi]]. Однако создавая напечатанные органы и ткани нельзя забывать о том, что необходимо по возможности создавать такое микроокружение клеток которое они имели бы в натуральном органе. В противном случае через некоторое время клетки могут погибнуть или начнут вести себя неадекватно нарушая морфологию и функционирование напечатанного органа-ткани [[xvii]].

bioprinting1-rus1

Неисчерпаемые возможности для лечения различных болезней старческого возраста открывают молоденькие индуцированные мезенхимальные стволовые клетки и ММСК, которые теперь можно получать в неограниченном количестве из индуцированных плюрипотернтных стволовых клеток  [[xviii],  [xix]]. Так, например, обнаружено, что трансплантация стволовых клеток разработанных фирмой Asterias, способна вернуть подвижность рук людям с травмой позвоночника [[xx]].

Серьёзным препятствием на пути к использованию таких методов регенеративной медицины, каковым является  клеточная терапия, остается реакция иммунной системы организма, приводящая к отторжению пересаженного органа или ткани. Поэтому чтобы защитить пересаженный орган, ткань или клетки приходится тщательно проверять их на совместимость, либо инкапсулировать в оболочку, защищающую от нападений иммунных клеток [[xxi], [xxii], [xxiii]]. Чтобы инкапсулированные клетки не обрастали тканью препятствующей доступу к ним питательных веществ, в качестве материала для инкапсуляции используют триазол-тиоморфолин-диоксид-альгинат (triazole–thiomorpholine dioxide alginate). В таких капсулах клетки остаются живыми в организме мышек и обезьян, по меньшей мере, пол года [[xxiv]].  Другим решением проблемы защиты от реакции иммунной системы является использование вместо клеток секретируемых ими внеклеточных пузырьков – экзосом. В отличие от клеток, экзосомы не могут сами размножаться и поэтому не могут выйти из под контроля, не могут образовывать опухоли, а значит терапия экзосомами более безопасна, чем клеточная терапия. Благодаря липидной оболочке экзосомы предохраняют свое содержимое от разбавления и разрушения, что особенно важно, если лекарством является фермент или нуклеиновая кислота. Благодаря рецепторам на их поверхности они избирательно находят клетки-мишени, тем самым повышая эффективность переноса лекарственных препаратов, белков и РНК и снижая возможность побочных эффектов. Их можно использовать для перепрограммирования клеток организма in vivo, особенно в тех случаях, когда используется большая генно-инженерная конструкция, не вмещающаяся в оболочку вируса [[xxv]].

Поразительной способностью отрастить потерянную конечность с помощью процесса, называемого эпиморфной регенерацией, обладают амфибии. Процесс регенерации у них начинается с формирования бластемы, состоящей из недифференцированных усиленно делящихся клеток [[xxvi]]. Нечто подобное можно наблюдать и у человека – кончики пальцев, особенно у детей, способны к регенерации. Более того новорожденный младенец способен полностью регенерировать свое сердце после тяжелого инфаркта [[xxvii]]. Взрослый человек такую способность, к сожалению, не сохраняет. Задача исследователей вернуть эту способность. Помочь им в этом поможет знание эпигенетики этих процессов [[xxviii]]. Особые надежды на это вселяют успехи, достигнутые с помощью модифицированных РНК [[xxix]]. Способен человек восстанавливать и переломы костей, но не ампутированную конечность. Очевидно, необходимо разработать такую стратегию воздействия костным морфогенетическим белком BMP2 на потерянную конечность, которая бы не позволяла процессу регенерации оборваться в случае с потерянной конечностью [[xxx]    [xxxi]].

Подводя итог вышеизложенному можно с уверенностью сказать, что нам посчастливилось жить в 21 веке, веке небывалых биотехнологий, веке, когда мечты фантастов постепенно стали претворяться в жизнь.


[i] Herb Brody (2016). Regenerative medicine. Nature, 540(7632),  S49   doi:10.1038/540S49a  http://www.nature.com/nature/journal/v540/n7632_supp/full/540S49a.html

[ii] Stratmann, H. G. (2016). Stem Cells and Organ Transplantation: Resetting Our Biological Clocks. In Using Medicine in Science Fiction (pp. 429-466). Springer International Publishing.    DOI: 10.1007/978-3-319-16015-3_13  http://link.springer.com/chapter/10.1007/978-3-319-16015-3_13

[iii]  Horch, R. E., Popescu, L. M., & Polykandriotis, E. (2016). History of Regenerative Medicine. In Regenerative Medicine-from Protocol to Patient (pp. 1-19). Springer International Publishing.  http://link.springer.com/chapter/10.1007/978-3-319-28293-0_1

[iv] Willyard, C. (2016). Timeline: Regrowing the body. Nature, 540(7632), S50-S51. doi:10.1038/540S50a http://www.nature.com/nature/journal/v540/n7632_supp/full/540S50a.html

[v]  Lapasset, L., Milhavet, O., Prieur, A., Besnard, E., Babled, A., Aït-Hamou, N., … & Lehmann, S. (2011). Rejuvenating senescent and centenarian human cells by reprogramming through the pluripotent state. Genes & development, 25(21), 2248-2253.  DOI:10.1101/gad.173922.111

[vi] Milhavet, O., & Lemaitre, J. M. (2014). Senescent-derived pluripotent stem cells are able to redifferentiate into fully rejuvenated cells. In Tumor Dormancy, Quiescence, and Senescence, Volume 2 (pp. 265-276). Springer Netherlands. DOI: 10.1007/978-94-007-7726-2_25   http://link.springer.com/chapter/10.1007/978-94-007-7726-2_25

[vii]  Alejandro Ocampo, Pradeep Reddy, Paloma Martinez-Redondo ….  &   Juan Carlos Izpisua Belmonte  (2016). In Vivo Amelioration of Age-Associated Hallmarks by Partial Reprogramming. Cell. Volume 167(7), p1719–1733.e12,   DOI: 10.1016/j.cell.2016.11.052     http://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(16)31664-6

[viii] Liu, G. H., Barkho, B. Z., Ruiz, S., Diep, D., Qu, J., Yang, S. L., … & Thompson, J. (2011). Recapitulation of premature ageing with iPSCs from Hutchinson-Gilford progeria syndrome. Nature, 472(7342), 221-225.         doi:10.1038/nature09879

[ix]  Tokmakov, A. A., Iwasaki, T., Sato, K. I., & Kamada, S. (2016). Reprogramming of somatic cells and nuclei by Xenopus oocyte and egg extracts.     Int. J. Dev. Biol. 60: 289 – 296
doi: 10.1387/ijdb.160163at  http://www.ijdb.ehu.es/web/paper/160163at/reprogramming-of-somatic-cells-and-nuclei-by-xenopus-oocyte-and-egg-extracts

[x] Hikabe, O., Hamazaki, N., Nagamatsu, G., Obata, Y., Hirao, Y., Hamada, N., … & Hayashi, K. (2016). Reconstitution in vitro of the entire cycle of the mouse female germ line. Nature. 539(7628), 299–303  doi:10.1038/nature20104    http://www.nature.com/nature/journal/v539/n7628/full/nature20104.html

[xi] Luni, C., Giulitti, S., Serena, E., Ferrari, L., Zambon, A., Gagliano, O., … & Elvassore, N. (2016). High-efficiency cellular reprogramming with microfluidics.Nature methods, 13(5), 446-452. doi:10.1038/nmeth.3832  http://www.nature.com/nmeth/journal/v13/n5/abs/nmeth.3832.html

[xii] Abad, M., Mosteiro, L., Pantoja, C., Cañamero, M., Rayon, T., Ors, I., … & Manzanares, M. (2013). Reprogramming in vivo produces teratomas and iPS cells with totipotency features. Nature, 502(7471), 340-345. doi:10.1038/nature12586  http://www.nature.com/nature/journal/v502/n7471/full/nature12586.html

[xiii]  Pal, S., & Tyler, J. K. (2016). Epigenetics and aging. Science Advances, 2(7), e1600584. DOI: 10.1126/sciadv.1600584    http://advances.sciencemag.org/content/2/7/e1600584.full

[xiv] Savage, N. (2016). Technology: The promise of printing. Nature, 540(7632), S56-S57. doi:10.1038/540S56a   http://www.nature.com/nature/journal/v540/n7632_supp/full/540S56a.html

[xv] Последние достижения в области 3D принтинга.   http://www.3ders.org/index.html

[xvi] Benedict (2016). Monkeys undergo successful 3D printed blood vessel transplant in major stem cell biotech breakthrough. 3D printer and 3D printing news.  http://www.3ders.org/articles/20161212-monkeys-undergo-successful-3d-printed-blood-vessel-transplant-in-major-stem-cell-biotech-breakthrough.html

[xvii] Badylak, S. (2016). Perspective: Work with, not against, biology. Nature,540(7632), S55-S55.  doi:10.1038/540S55a  http://www.nature.com/nature/journal/v540/n7632_supp/full/540S55a.html

[xviii]  Luzzani, C. D., & Miriuka, S. G. (2016). Pluripotent Stem Cells as a Robust Source of Mesenchymal Stem Cells. Stem Cell Reviews and Reports, 1-11.  DOI: 10.1007/s12015-016-9695-z

[xix] Sabapathy, V., & Kumar, S. (2016). hiPSC-derived iMSCs: NextGen MSCs as an advanced therapeutically active cell resource for regenerative medicine. Journal of cellular and molecular medicine. DOI: 10.1111/jcmm.12839

[xx]   Bourzac, K. (2016). Neuroscience: New nerves for old. Nature, 540(7632), S52-S54.         doi:10.1038/540S52a  http://www.nature.com/nature/journal/v540/n7632_supp/full/540S52a.html

[xxi] Chan, A. T., Karakas, M. F., Vakrou, S., Afzal, J., Rittenbach, A., Lin, X., … & Elisseeff, J. H. (2015). Hyaluronic acid-serum hydrogels rapidly restore metabolism of encapsulated stem cells and promote engraftment. Biomaterials,73, 1-11.  http://dx.doi.org/10.1016/j.biomaterials.2015.09.001

[xxii] Pumberger, M., Qazi, T. H., Ehrentraut, M. C., Textor, M., Kueper, J., Stoltenburg-Didinger, G., … & Perka, C. (2016). Synthetic niche to modulate regenerative potential of MSCs and enhance skeletal muscle regeneration. Biomaterials, 99, 95-108.  http://dx.doi.org/10.1016/j.biomaterials.2016.05.009

[xxiii]  Jiang, W., Li, M., Chen, Z., & Leong, K. W. (2016). Cell-laden microfluidic microgels for tissue regeneration. Lab on a Chip, 16(23), 4482-4506. DOI: 10.1039/C6LC01193D   http://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2016/lc/c6lc01193d#!divAbstract

[xxiv] Dolgin, E. (2016). Diabetes: Encapsulating the problem. Nature, 540(7632), S60-S62.  doi:10.1038/540S60a    http://www.nature.com/nature/journal/v540/n7632_supp/full/540S60a.html

[xxv]   Homsy, M. (2016). Exosome-Based Transfection.     https://kb.osu.edu/dspace/handle/1811/76418

[xxvi]   Tanaka, E. M. (2016). The molecular and cellular choreography of appendage regeneration. Cell, 165(7), 1598-1608.   http://dx.doi.org/10.1016/j.cell.2016.05.038   http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S009286741630589X

[xxvii]  Haubner, B. J., Schneider J., Schweigmann U. et al. & Schweigmann G.M, (2016). Functional Recovery of a Human Neonatal Heart After Severe Myocardial Infarction. Circulation Research. 2016;118(2), 216-221  doi: 10.1161/CIRCRESAHA.115.307017 http://circres.ahajournals.org/content/118/2/216/tab-article-info

[xxviii]  Kang, J., Hu, J., Karra, R., Dickson, A. L., Tornini, V. A., Nachtrab, G., … & Poss, K. D. (2016). Modulation of tissue repair by regeneration enhancer elements.Nature, 532(7598), 201-206.    doi:10.1038/nature17644  http://www.nature.com/nature/journal/v532/n7598/full/nature17644.html

[xxix] Hadas, Y., Katz, M. G., Bridges, C. R., & Zangi, L. (2016). Modified mRNA as a therapeutic tool to induce cardiac regeneration in ischemic heart disease. Wiley Interdisciplinary Reviews: Systems Biology and Medicine. DOI: 10.1002/wsbm.1367   http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/wsbm.1367/full

[xxx]  Dawson, L. A., Simkin, J., Sauque, M., Pela, M., Palkowski, T., & Muneoka, K. (2016). Analogous cellular contribution and healing mechanisms following digit amputation and phalangeal fracture in mice. Regeneration, 3(1), 39-51.   DOI: 10.1002/reg2.51   http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/reg2.51/full

[xxxi]   Yu, L., Han, M., Yan, M., Lee, J., & Muneoka, K. (2012). BMP2 induces segment-specific skeletal regeneration from digit and limb amputations by establishing a new endochondral ossification center. Developmental biology, 372(2), 263-273.    http://dx.doi.org/10.1016/j.ydbio.2012.09.021    http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0012160612005416  

Дмитрий Джагаров – специально для RLEGroup.

Добавить комментарий