Биоматериал

Перспективы применения стволовых клеток

Стволовые клетки — огромное поле для исследований, за которыми будущее. Кажется невероятным, но они способны восстанавливать поврежденные ткани. Например, активизируются при получении травмы, заболевании и заменяют клеточки, которые начали отмирать, оказывая неоценимую поддержку нашему здоровью.

Стволовые клетки человека считаются перспективными для лечения многочисленных болезней человека, беспокоящих его на протяжении всей жизни. В их перечень входят недуги сердечно-сосудистой системы, травмы спинного мозга, рассеянный склероз и даже рак. Несколько видов трансплантации стволовых клеток, например, костного мозга, уже доступны пациентам, а их безопасность и эффективность подтверждена многими исследованиями.

Лучшим примером использования стволовых клеток человека является трансплантация костного мозга пациенту с лейкозом: именно с этой процедуры и начался успешный опыт их применения. Впервые такую пересадку, которая сопровождается заменой элементов кроветворной системы, провел американский врач Д. Томас в 1969 году, а в 1990 получил Нобелевскую премию. С тех пор этот метод лечения лейкоза остается актуальным, но исследование стволовых клеток не останавливается. В этой области работает около 200 мировых компаний, в основном из США, Западной Европы, Индии, Китая и Японии, с капитализацией более 2 млрд долларов.

Возможности клеточной терапии в области косметологии не менее выдающиеся, чем лечение тяжелых заболеваний, при использовании омолаживающих стволовых клеток получится оттянуть старение и возрастные изменения кожи. Тема их применения уже несколько десятилетий остается горячей, подобное омоложение повсеместно расхваливают в рекламных роликах.

Безусловно, за этой технологией будущее, однако надо понимать, что исследования еще не закончены, а многие революционные заявления косметологов являются не более чем маркетинговым ходом, основанным на незнании рядовым человеком особенностей биотехнологий. Например, стволовые клетки не заменят стареющую кожу и не обеспечат эффект омоложения в течение последующих 20 лет, после того как была проведена процедура.

Несмотря на выдающиеся возможности стволовых клеток в США официально одобрен только один вид терапии, состоящий в поддержании кроветворения, хотя там же действует множество клиник, предлагающих купить стволовые клетки и предоставляющих самые различные услуги их применения. Однако это не сугубо американский феномен, подобная ситуация наблюдается и в ряде других стран.

В России применять стволовые клетки начали только в начале 2017 г. До сих пор встречается довольно много сомнительных технологий использования биоматериала

Также важно убедиться, действительно ли это стволовые клетки, а не простой клеточный материал

Обратите внимание! Исследования стволовых клеток не останавливаются и по сей день. Для этих целей часто используют абортивные материалы.

Как работает биопринтер

Процесс биопринтинга можно разделить на несколько этапов23:

1. Моделирование. Чтобы создать модель органаили ткани, в медицине используют диагностические изображения. Рентгенограммы, КТ- и МРТ-снимки преобразуются в цифровую форму, подходящую для технологии трёхмерной печати.

2. Изготовление биочернил. Выбирают подходящий гидрогелевый или силиконовый биоматериал. Затем проводят забор образца ткани пациента. Целевые стволовые клетки выделяют и размножают в лаборатории.

3. Создание печатной структуры. Биочернила наносят на рабочую подложку согласно цифровой модели.

4. Созревание. Напечатанная ткань или органпомещается в биореактор, где поддерживается их жизнедеятельность. Клетки находятся в комфортной среде с оптимальной температурой, получают нужные питательные вещества и кислород. Чтобы ткань созрела, её подвергают специальному химическому и механическому воздействию.

Какие биопринтеры используют чаще всего20,22,24:

1. Струйный (Inkjet-based). Рядом с печатным соплом расположен нагревательный элемент. Он повышает температуру, что приводит к образованию пузырьков в биочернилах. Они наносятся на рабочую подложку в виде капель. Температура не влияет на клетки, так как воздействие недолгое, длится всего пару микросекунд. В пьезоэлектрических струйных биопринтерах вместо нагревания используется вибрация.

2. Экструзионный (Extrusion-based). Биочернила наносятся на рабочую подложку под давлением. При пневматической экструзии давление обеспечивается потоком воздуха, а при механической — поршнем или винтом.

3. Лазерный (Laser-assisted). На донорскую ленту, покрытую гидрогелевым биоматериалом, воздействуют лазером. Из-за лазерного импульса биочернила отделяются от ленты и в виде капель переходят на рабочую подложку.

Напечатанная ткань или орган используются в трансплантации, при испытании новых лекарств, в научных исследованиях23.

Биопринтеры в России

В России технологии и материалы для биопринтинга создаёт лаборатория 3D Bioprinting Solutions, основанная компанией INVITRO. Отечественные принтеры Fabion и Fabion 2, разработанные лабораторией, поддерживают печать с помощью тканевых сфероидов и гидрогелей на основе коллагена, альгината и желатина37.

Несмотря на небольшое количество крупных игроков, интерес к биопринтингу в России растёт. У 3D-печати есть немалый потенциал: напечатанные органы могут решить проблему недостатка доноров, улучшив жизнь пациентов с тяжёлыми заболеваниями. Однако исследователи указывают на камень преткновения на пути к трансплантации будущего — сложность сертификации технологии при недостаточном субсидировании отрасли38.

В инновационном центре «Сколково» обсуждают, как продукт может покинуть лабораторию и оказаться на рынке. Российские специалисты обозначают основные «рельсы»: стандартизация процесса, привлечение инвесторов и постоянный обмен идеями между участниками сообщества39.

Источники

Как происходит процедура омоложения стволовыми клетками?

На фото показано, как делают омоложение стволовыми клетками

Свойства стволовых клеток в косметологии до конца не изучены, и их применение находится еще на стадии исследования. Сложно спрогнозировать результат при использовании постороннего биоматериала от другого человека, так как он может повести себя непредсказуемо. По этой причине в косметологических клиниках используются стволовые клетки, взятые у самого пациента.

Как происходит процедура омоложения стволовыми клетками:

1. Обследование. Пациент проходит клинико-диагностические исследования, результатом которых становится составление «Паспорта здоровья». Также его ждет компьютерная диагностика кожи, в рамках которой сравнивают ее состояние (биологический возраст) с предположительным после курса инъекций стволовых клеток. Детальное обследование поможет удостовериться, что пациент готов к омоложению.
2. Забор стволовых клеток. После диагностики доктор производит забор биоматериала для дальнейшего культивирования колонии. Процедура проводится под местной анестезией и представляет по сути мини-липосакцию. Биоматериал можно хранить в банке стволовых клеток и воспользоваться им в любой момент, даже через 30 или 50 лет.
3. Размножение клеток. Биоматериал отправляют в культуральную лабораторию, где над ним начинают работать биотехнологи. Из образца выделяют стволовые клетки, которые размножают в течение 3-8 недель. Далее среди них будут отобраны самые молодые.
4. Инъекции стволовых клеток. Их делают непосредственно в необходимые зоны, предварительно согласовав с пациентом. Могут вводить в кожу лица, шеи и т.д. Процедура введения стволовых клеток осуществляется по международным протоколам.
5. Оценка результата. Первые изменения заметны спустя несколько недель после введения стволовых клеток, но полноценный эффект можно оценить в течение 1-3 месяцев. Результативность омоложения определяется индивидуальными особенностями организма человека и отличается в каждом конкретном случае.
6. Хранение биоматериала. Не использованный концентрат стволовых клеток хранится в специальном банке, где созданы условия его глубокой заморозки, и он может быть использован для дальнейших процедур в течение многих лет. Криохранение биоматериала, после того как заморозили стволовые клетки, подтверждается выдачей специального сертификата.

Что такое биоматериалы?

В биоматериалы, также известный как биосовместимые материалы, определяются как любое вещество или комбинация веществ, природных или синтетических, которые могут использоваться в биологической системе в течение определенного времени и с определенной функцией.

Этот термин широко используется в области медицины для определения материалов, используемых в терапевтических или диагностических целях, а также широко признан в области биологических и химических наук, а также в материаловедении.

В ближайшее время на 3D-принтерах будут печатать органы

Применение биоматериалов в медицине чрезвычайно широко, и благодаря этим материалам в этой области произошел важный прогресс, позволивший значительно улучшить качество жизни людей по сравнению с прошлыми временами.

Точно так же эти материалы также находят применение в других областях здравоохранения, таких как стоматология, сестринское дело и ветеринария. В частности, биоматериалы обычно используются в медицине для:

• Заменить конечности, участки тканей и органы тела.
• Ремонт и лечение сломанных костей.
• Ремонт и замена зубов.
• Помогите слуху и зрению.
• Лечить раны, делать операции, вводить в организм вещества.
• «Улучшить внешний вид тела» с помощью косметических операций.
• Улучшить функции некоторых органов.
• Исправьте аномалии.

Важно уточнить, что биоматериалы или биосовместимые материалы отличаются от биологических материалов, которые производятся живыми биологическими системами (кожа, хрящ, кость, артерии и т. Д.) И обычно состоят из клеток или клеточных продуктов

Самосборка

Самосборка — наиболее распространенный термин, используемый в современном научном сообществе для описания спонтанной агрегации частиц (атомов, молекул, коллоидов, мицеллы и др.) Без воздействия каких-либо внешних сил. Известно, что большие группы таких частиц собираются в термодинамически стабильные, структурно четко определенные массивы, весьма напоминающие одну из 7 кристаллических систем, обнаруженных в металлургии и минералогии (например, гранецентрированный кубический, объемноцентрированный кубический и т. Д.). Принципиальное различие в равновесной структуре заключается в пространственном масштабе элементарной ячейки (или параметра решетки) в каждом конкретном случае.

Самосборка молекул широко распространена в биологических системах и составляет основу множества сложных биологических структур. Это включает в себя новый класс механически превосходных биоматериалов, основанных на микроструктурных особенностях и конструкциях, встречающихся в природе. Таким образом, самосборка также становится новой стратегией в химическом синтезе и нанотехнологии. Молекулярные кристаллы, жидкие кристаллы, коллоиды, мицеллы, эмульсии, полимеры с разделением фаз, тонкие пленки и самоорганизующиеся монослои — все они представляют собой примеры типов высокоупорядоченных структур, которые получают с использованием этих методов. Отличительной чертой этих методов является самоорганизация.

Научные цели

В то же время профессор Сколковского института науки и технологий и Ратгерского университета США Константин Северинов в разговоре с RT ранее отмечал, что образцы РНК могут собирать в научных целях.

«Чем больше вы знаете о генетическом разнообразии людей, тем больше у вас возможностей, в частности, для того, чтобы лечить и диагностировать заболевания. Все люди отличаются друг от друга. То есть генетическая подоплёка и причины того, насколько различия в генах отвечают за какие-то другие различия в людях, до сих пор непонятны и являются предметом активного изучения», — заявил эксперт.

Генетик и глава компании Genotek Валерий Ильинский подтвердил мнение Северинова о том, что образцы, скорее всего, необходимы для фундаментальных исследований.

«Методов анализа РНК огромное количество, есть очень дешёвые и очень дорогие. Существует огромное множество вариаций таких исследований, конкретно сказать сложно», — пояснил он.

Инициатором контракта на закупку образцов живых тканей, о котором в июле сообщал RT, стало Учебное авиационное командование ВВС США, занимающееся профессиональным отбором лётчиков и техников, а также подготовкой технического персонала для американских ВВС. При этом тендером заинтересовалась американская компания ProteoGenex, специализирующаяся на сборе человеческих тканей, в том числе РНК, которая извлекается из крови донора.

В Москве у фирмы есть свой филиал — «Лаборатория биоресурсов». Генеральный директор российского представительства компании ProteoGenex Наталья Дьякова заявила RT, что «Лаборатория биоресурсов» не собирает образцы молекул РНК и синовиальной ткани и ей ничего не известно о контракте на поставку образцов ВВС США.

«Ничего об этом не знаю, нас ни о чём подобном не информировали. Мы ведём для них (ProteoGenex. — RT) только определённый уровень исследований, и не более того», — сказала Дьякова.

3D-печать и биопринтинг в медицине

Аддитивное производство широко применяется в медицине, например в фармакологической промышленности. С его помощью можно изготавливать препараты с контролируемым высвобождением, которые трудно сделать традиционными методами. Можно составлять сложные комбинации из нескольких активных веществ15.

С помощью 3D-печати из пластмасс, металлов или керамики можно изготавливать16,17.18:

• зубные протезы и импланты;

• модели анатомических структур;

• инструменты и детали для медицинских изделий;

• ортопедические направляющие и шины.

Биопринтинг — подраздел аддитивного производства, тесно связанный с регенеративной медициной. Биопринтинг изучает методы создания клеточных структур, имитирующих ткани человека. Для этого используется органический материал — жизнеспособные клетки и биологические молекулы19.

Хитозан[]

Хитозан представляет собой полисахарид, состоящий из случайно распределенных β- (1-4) -связанный D-глюкозамином (деацетилированныая единица) и N-ацетил-D-глюкозамина (ацетилированная единица). Он получен из N-деацетилирования хитина и был использован в нескольких программах, таких как доставка лекарств, заполнение пространства имплантатов и в перевязочных. Однако недостатком этого полимера является его слабые механические свойства и, таким образом, часто в сочетании с другими полимерами, такой коллаген с образованием полимера имеет сильные механические свойства для программ инкапсуляции клеток.

Зарождение биологической печати

В 1988 году появился метод микропозиционирования клеток12:

1. Клетки размещаются в заранее заданных точках на субстрате под компьютерным контролем.

2. Формируется двухмерный слой толщиной в одну клетку — монослой.

3. Монослои можно объединять, чтобы создавать трёхмерные ткани.

В 2003 году Томас Боланд создал метод струйной печати с использованием жизнеспособных клеток и запатентовал его три года спустя. Впечатляющая разработка вдохновлена обычным офисным принтером. Чтобы напечатать картинку, устройство оставляет на бумаге чернила в соответствии с цифровым изображением. Учёный заменил чернила на жидкость, содержащую клетки, а бумагу — на специальный субстрат. Ему удалось напечатать структуры из клеток бактерий и млекопитающих13.

В 2009 году появляется один из первых коммерческих 3D-биопринтеров — Novogen MMX14.

Сульфат целлюлозы[]

Сульфат целлюлозы получен из хлопка и, после обработки должным образом, может быть использован в качестве биосовместимой базы, в которой происходит задержка клеток. Когда раствор сульфат целлюлозы поли-анионнов погружают во второй, поли-катионный раствор (например, pDADMAC), в результате гелеобразования между двумя поли-ионами вокруг взвешенных клеток формируется полупроницаемая мембрана. Обе линии млекопитающих клеток и бактериальных клеток остаются жизнеспособными и продолжают репликации внутри капсулы мембраны, чтобы заполнить выход капсулу. Таким образом, в отличие от некоторых других материалов инкапсуляции, капсулы могут быть использованы для роста клеток и действуют в качестве, таких как мини-биореактор. Биосовместимый характер материала был продемонстрирован в ходе наблюдений исследований с использованием клеточных заполненных капсул для имплантации, а также капсулы изолированного материала. Капсулы из сульфата целлюлозы были успешно использованы, показывая эффективность и безопасность в клинических и доклинических испытаний, как у людей, так и у животных, в первую очередь, как противоопухолевое лечение, но также изучают возможности применения для генной терапии или терапии антител. Использование сульфата целлюлозы стало возможностью для изготовления инкапсулированных клеток в качестве фармацевтического продукта в больших масштабах и выполнено по стандартам Good Manufacturing Process. Это было достигнуто за счет компании Austrianova в 2007 году.

Сноски

1. ^Понятие эксплуатации включает полезность для приложений и фундаментальных исследований для понимания взаимных возмущений также.
2. ^Определение «нежизнеспособный материал, используемый в медицинском устройстве, предназначенный для взаимодействия с биологическими системами», рекомендованное в исх. не может распространяться на область окружающей среды, где люди имеют в виду «материал природного происхождения».
3. ^Этот общий термин не следует путать с терминами биополимер или биомакромолекула. Использование «полимерного биоматериала» рекомендуется, когда кто-то имеет дело с полимером или полимерным устройством, представляющим терапевтический или биологический интерес.

Борьба за рынок

Полученные ДНК российские ученые в рамках исследований отправляют на секвенирование в США и Европу. Последнее в интерпретации представителей спецслужб или чиновников, имеющих «доступ к телу», могло не понравиться президенту. И если в Центре геномной биоинформации говорят о доступности и открытости базы геномов для ученых со всего мира, то, к примеру, у коммерческой компании Genotek, по словам ее директора, генетика Валерия Ильинского, этого доступа нет, и он призывает проводить анализ биологических материалов исключительно в России. Не лишним будет сказать, что в совет директоров молодой и развивающийся компании входит бывший глава администрации президента Александр Волошин.

Тем не менее, как бы неоднозначно и зловеще не звучало словосочетание «биологический материал», надо понимать, что это обычный анализ крови в поликлинике. Генетические образцы собирают в прикладных целях: для изучения наследственности и предрасположенности к болезням, а также сугубо научных: прослеживают развитие отдельного народа или этноса, его расселение, пути миграции, скрещивание. Так, в 2015 году вышло исследование о генофонде славянского народа, однако славяне – не единственный этнос, которым интересуются ученые. Это надо понимать, чтобы не впасть в манию величия, а затем сразу – в манию преследования.

Между тем на волне, поднятой президентом, развернулась настоящая и давно назревавшая борьба за узкоспециализированный рынок. Очевидно, что через спецслужбы и другие каналы будут лоббироваться законы и меры, которые закроют страну от достижений глобального мира. Для этого специально используются «страшилки» о «гипотетической атаке» на гены российских граждан. Вряд ли спецслужбы разбираются в ДНК и понимают основы генетики. Однако они отлично умеют манипулировать информацией и создавать мифы. Например, о генетическом оружии.

О возможной биологической войне сегодня активно говорят в Совете Федерации: якобы можно разработать некое оружие, которое будет поражать исключительно россиян, приводить их к болезни и смерти. Одно время эту идею продвигал глава Совета безопасности Николай Патрушев. Благодаря его стараниям в 2007 году из России некоторое время нельзя было вывозить образцы ДНК, что ударило по десяткам тысяч граждан, которым в срочном порядке нужны были донорские органы и трансплантация. Как писали СМИ, на тот момент ситуация была связана с переделом фармацевтического рынка.

Сегодня ДНК и биоматериалы вывозить из страны разрешается. Однако компании, работающие на перспективном рынке, настаивают, что государство должно регулировать его, ведь иностранные компании не платят налоги в России и не оформляют лицензии в российской юрисдикции, а также не выполняют законы в области здравоохранения. Так, например, считает основатель Центра генетики и репродуктивной медицины Genetico Артур Исаев.

При этом полный анализ ДНК в России (вероятно, с учетом налогов, лицензии и прочих специфических нюансов) стоит около 5 тыс. долларов, тогда как в Германии – 1 тыс. Понятно, почему граждане в тяжелых случаях обращаются в благотворительные фонды и выезжают на лечение за границу. Этим же объясняется сотрудничество российских ученых с иностранными партнерами.

Однако миф быстро закрепляется в общественном сознании. Новость о закупке Пентагоном боматериала россиян для изучения опорно-двигательного аппарата подтвердила конспирологическую версию президента, который так и не ответил на вопрос, зачем иностранцы исследуют ДНК граждан России. То, что это было повторное исследование, для чистоты которого требовались аналогичные образцы (а изначальный набор на конкурсной основе поставили из России), уже никого не интересует и не убеждает.

Вместе с тем, современной медицине крайне необходимо международное сотрудничество, чтобы продвигаться в борьбе с болезнями и разрабатывать новые фармакологические средства. Речь идет, в первую очередь, о жизнях людей, а не о власти, рынках или оружии. К возможности же создать «генетическое» оружие уважаемые ученые, в отличие от представителей власти, относятся весьма скептически: крупные народы и этносы последние тысячи лет не живут изолировано друг от друга, сильно перемешаны и генетически не отличимы, чтобы можно было выделить конкретную комбинацию генов русских или англичан и воздействовать исключительно на них.

К сожалению, в нашей действительности мифы сильнее фактов, а теории заговора всегда привлекательнее правды.

Моделирование тканей для исследовательских задач

В течение последних нескольких лет начала формироваться совершенно новая область применения тканеинженерных скаффолдов и реконструированных тканей на их основе. Во-первых, выяснилось, что такие ткани, в отличие от донорских, можно довольно долго поддерживать в жизнеспособном состоянии вне организма, in vitro. Во-вторых, оказалось, что c помощью тканевой инженерии можно создавать не только здоровые, но и больные ткани, например опухоли. Клетки, растущие на скаффолдах, повторяют биологические свойства, закономерности роста тканей и хода заболеваний гораздо более точно, чем это делают клетки, растущие на плоских и жестких пластиковых и стеклянных поверхностях в виде тонких слоев, скажем на чашках Петри. Клетки, растущие в монослое, часто ведут себя аномально из-за пластикового плоского субстрата, нарушенных клеточно-матриксных и клеточно-клеточных взаимоотношений. Поэтому реконструированные ткани могут служить моделями для изучения развития и регенерации органов и механизмов заболеваний. Далее пришло понимание того, что тканеинженерные технологии могут быть использованы для тестирования лекарственных препаратов, медицинских наночастиц и биоматериалов. Такой подход позволит сократить потребность в исследованиях на животных и в то же время обеспечить более биологически точные результаты.

Металлические биоматериалы

Это биоматериалы, состоящие из одного или нескольких металлических элементов, например, из группы железа (Fe), никеля (Ni), алюминия (Al), меди (Cu), цинка (Zn) и титана (Ti ), смешанный с небольшими количествами других неметаллических элементов, таких как углерод (C), азот (N) и кислород (O).

В металлических биоматериалах или их сплавах атомы сильно упорядочены, связаны друг с другом благодаря притягивающим электростатическим силам между отрицательно заряженными электронными облаками и положительно заряженными металлическими ионами, как если бы свободные электроны функционировали как «клей».

Следовательно, эти материалы характеризуются хорошими проводниками тепла и электричества, а также их твердостью и пластичностью.

Однако они страдают от коррозии при воздействии влаги, соленой воды, земли и живых тканей, поскольку ионы металлов спонтанно реагируют с кислородом, водородом и солями с образованием оксидов металлов. По этой причине его долговечность и использование зависят от его устойчивости к коррозии.

Эти материалы находят множество применений в медицине для решения проблем с человеческим телом:

• Стоматологические амальгамы.
• Винты из нержавеющей стали для фиксации кости.
• Чехол для кардиостимулятора из титана-союзника.
• Стент заводная головка из смеси титана и никеля.
• Полный протез бедра из кобальта.
• Среди прочего.