Мышца бедра Рона Стренга была уничтожена бомбой, но имплантированный свиной матрикс помог вырастить новую
«Всё началось с небольшого воспаления в районе колена. Кажется, это был комариный укус», – вспоминает Элизабет Лобоа. Однако антибактериальная мазь не помогала. Через две недели на месте одной ранки было уже три. Осмотрев ногу, врач пришел к выводу, что всему виной метициллин-устойчивый золотистый стафилококк (МЗС), и выписал сильные антибиотики последнего поколения. Однако к тому моменту Элизабет уже не могла справиться с искушением. «Вместо того чтобы начать пить лекарства, я решила опробовать на себе своё собственное изобретение», – рассказывает она.
Элизабет оказалась необычным пациентом, она является разработчиком особого саморазрушающегося пластыря, способного быстро залечивать инфицированные раны без применения стандартных антибиотиков
Элизабет оказалась необычным пациентом. Как раз тогда в её лаборатории в Университете штата Северная Каролина в г. Роли (США) инженеры-материаловеды трудились над созданием особого саморазрушающегося пластыря, способного быстро залечивать инфицированные раны без применения стандартных антибиотиков.
В основе изобретения лежал материал, который с течением времени полностью разлагается, не оставляя после себя ничего, кроме ваших собственных новеньких здоровых клеток. Теоретически с его помощью можно лечить всё – от разорванных мышц и поврежденных тканей кишечника до сломанных костей. Некоторые исследователи уже научились подобным способом выращивать с нуля целые органы и даже пробуют восстанавливать клетки мозга. «Это просто потрясающе: ты как будто создаешь новое человеческое существо», – говоритСучитра Сумитран-Холгерссон из Гётеборгского университета (Швеция).
Что же это за чудо-материал? Представьте, что вы сняли все живые клетки, скажем, со стенки кровеносного сосуда, с органа или кусочка кожи. То, что осталось, носит название «внеклеточный матрикс» и представляет собой ту основу, которая обеспечивает целостность различных частей нашего тела и отвечает за их форму.
Но, как выяснилось, это ещё далеко не всё. «Раньше мы думали, что такого рода подложка выполняет чисто соединительную функцию», – рассказывает Стивен Бэдилак, специалист по регенеративной медицине из Питтсбургского университета в Пенсильвании (США). Он и его коллеги на протяжении долгого времени пытались выращивать органы на основе матрикса, отводя ему роль хорошего каркаса, но не более того. К примеру, учёные брали почку животного и снимали с неё «родные» клетки с помощью специальных химикатов. Оставшуюся структуру использовали в качестве шаблона, на котором заново воссоздавали живую плоть, нанося на него стволовые клетки.
Однако несколько лет назад исследователи пришли к выводу, что матрикс играет не только эту, пассивную, роль. «Сегодня мы понимаем, что он не просто каркас, а выполняет и множество других очень важных функций», – отмечает Бэдилак.
Во-первых, матрикс никак не назовешь биологически бездеятельным образованием. Конечно, он состоит главным образом из инертных белков, таких как коллаген и эластин, но в его состав также входят белки (например, крючкообразные молекулы под названием «фибронектины» и «интегрины»), которые, действуя наподобие застежки-липучки, направляют нужные клетки в нужное место и в нужное время.
Собрав вместе необходимые стволовые клетки, матрикс проделывает очередной фокус: он заставляет их превращаться в различные ткани, сообщая им разной силы натяжение.
В вашем теле это натяжение создается как побочный эффект ежедневной работы мышц. В лаборатории его получают, манипулируя эластичностью подложки. Так, на жестких матриксах образуются мышечная и костная ткани, на более мягких – жировая (New Scientist, британская версия, 13 февраля 2010, с. 36).
Получив приказ развиваться в том или ином направлении, клетки начинают формировать более крупные структуры. И в этом им тоже помогает матрикс: он содержит мощные факторы роста, необходимые для развития кровеносных сосудов, по которым к растущим частям тела поступает кислород.
Данные открытия произвели революцию в выращивании органов. В начале года Харальд Оттиз Массачусетского госпиталя общего профиля в Бостоне (США) создал первую в миреискусственную почку, обладающую всеми функциями настоящей. Ранее считалось, что для получения столь сложного органа требуется множество разных типов клеток. Однако Отт, к собственному удивлению, обошелся всего двумя. В кровеносные сосуды почечного матрикса он ввёл кровеподобные стволовые клетки, а в сложную систему фильтрующих клубочков – эндотелиальные. В итоге все недостающие ткани сформировались сами собой в тех местах, где им положено находиться. Эксперименты по пересадке таких почек крысам прошли весьма успешно, и теперь учёный тем же способом выращивает сердца, легкие и поджелудочные железы. Подобные исследования ведутся не только в его лаборатории. «В настоящее время мы работаем над созданием самых разных искусственных органов – печени, сердца, почек, пищевода, гортани и тонкого кишечника», – говорит Сумитран-Холгерссон.
Однако людям нужны не только запасные органы. Бэдилак очень скоро понял, что на основе матрикса можно воссоздавать утраченную мышечную ткань. Травмированные мышцы способны сами восстанавливаться до определённой степени, но если рана слишком большая, то на её месте образуется рубец, который препятствует дальнейшему росту новых тканей.
Единственный выход на сегодняшний день – пересадка мышц с других частей тела, а это, к сожалению, малоэффективно. В особо тяжёлых случаях приходится ампутировать конечность и заменять её протезом.
Бэдилак предположил, что матрикс мог бы стимулировать естественное развитие мышечной ткани пациента. Похожие эксперименты до того уже успешно осуществляли на практике: очищенные от клеток трахеи, взятые у мёртвых доноров, обрастали новыми клетками и нормально функционировали после пересадки живым людям. Для выращивания человеческих мускулов учёный решил использовать матрикс свиного мочевого пузыря. В первых испытаниях приняли участие шестеро добровольцев, потерявших большую часть одной из крупных мышц в автокатастрофе или при иных обстоятельствах. Среди них оказался Рон Стренг, 28-летний морской пехотинец, чей квадрицепс был уничтожен придорожной миной в Афганистане. «Рон не мог даже встать с кресла без посторонней помощи», – рассказывает Бэдилак.
После хирургического удаления рубцовой ткани исследователь помещал в образовавшееся пространство полоску матрикса, достаточно жёсткого для того чтобы превращать стволовые клетки в мышцы, а не в жир.
Первые же результаты поразили всех. Через шесть месяцев после операции от свиного матрикса не оставалось и следа: на его месте был уже человеческий, созданный организмом самого пациента и производящий недостающую мышечную ткань.
«Сейчас я хожу в походы и могу кататься на велосипеде», – говорит Стренг. Кроме того, он занялся футболом и баскетболом. Состояние остальных добровольцев тоже значительно улучшилось. «Те, кто раньше не мог даже стоять, сегодня совершают велопрогулки в горы», – делится успехом Бэдилак. Его следующая цель – восстановить по меньшей мере 25% утраченных функций еще у 80 пациентов.
Итак, мышцы выращивать можно, но как насчёт починки сломанных костей? Именно это пытается сейчас делать фирма Carmell Therapeutics, функционирующая на базе Университета Карнеги-Меллон в Питтсбурге. В работе исследователи используют не совсем обычный матрикс, созданный из человеческой крови. «По сути, он представляет собой высококонцентрированный кровяной сгусток», – говорит руководитель компании Алан Вест. Эксперименты с животными прошли успешно, и теперь материал испытывают на людях.
Эта похожая на пластилин масса содержит высокие концентрации факторов роста, стимулирующих срастание костной ткани.
В ходе клинического исследования, проходившего в Южной Африке на протяжении целого года, такой матрикс испытывали на 10 добровольцах – им лечили переломы больших берцовых костей. Вест говорит, что о результатах докладывать ещё рано, однако выздоровление пациентов протекает явно быстрее обычного. Так что, возможно, компания получит разрешение провести более широкие испытания – на сей раз в Европе.
Война с супермикробами
И всё-таки возможности природного матрикса не безграничны. К примеру, сам по себе он не имеет антибактериальных свойств. Лобоа осознала, что это проблема, когда её другу в ходе операции на лодыжке попала в рану супербактерия МЗС. «В итоге пришлось ампутировать ногу ниже колена», – рассказывает она. Случившееся стало для неё сигналом к действию. «С каждым днем мы узнаем всё больше о том, как восстанавливать самые разные ткани, – говорит она. – Но как уберечься от заражения в век устойчивых к антибиотикам микробов?»
Лобоа решила создать синтетический матрикс, который обладал бы антибактериальным действием. Он должен был медленно превращаться в собственные ткани пациента и одновременно служить надежным барьером на пути проникновения инфекции. «Требовалась повязка, которую вообще не нужно менять», – говорит исследовательница.
Обычно матрикс берут у мёртвых доноров – людей или свиней. Для своей версии Лобоа взяла полимолочную кислоту – биоразлагаемый материал, часто используемый в медицинских имплантатах, – и сделала из неё волокнистую основу, имитирующую строение кожи. «Новшество заключается в выборе структуры этих волокон, – отмечает она. – Мы можем сделать их цельными, пористыми или пустыми внутри». Лобоа выбрала пористый материал, в который можно было закачать «коктейль» из противовоспалительных лекарств и препарата под названием Silvadur, содержащего в малых концентрациях ионы серебра, смертельные для большинства супербактерий, в том числе МЗС. Материала «работает» в два этапа.
Расправившись со всеми присутствующими в ране микробами, он продолжает потихоньку выделять антибактериальный раствор, мгновенно уничтожая новых «непрошеных гостей».
Его структура определяет ту скорость, с которой ионы серебра и другие вещества поступают к повреждённым тканям. Лобоа протестировала свое изобретение на свиньях и увидела, что даже четырехсантиметровые раны, инфицированные МРЗС или кишечной палочкой, оставались абсолютно чистыми.
После многочисленных опытов на животных исследовательница решила испытать новинку на себе. Результат не заставил себя долго ждать: через три дня ранки на ноге полностью затянулись. Вскоре исчез и сам матрикс, оставив после себя лишь тёмный рубец, которого сейчас уже практически не виден. Лобоа готовит к публикации отчёт о своей работе. «В него входит всё, кроме данных о моей ноге», – говорит она с улыбкой.
Организм больного трижды в неделю подключают к очищающей кровь машине, для чего большую вену руки прокалывают и вводят в неё катетер
Синтетический матрикс может быть использован в качестве основы для построения частей тела, более прочных, чем натуральные. Это могло бы принести огромную пользу многим группам пациентов, в частности миллионам людей, вынужденных ежегодно проходить процедуру гемодиализа.
Процесс диализа чреват осложнениями. Организм больного трижды в неделю подключают к очищающей кровь машине, для чего большую вену руки прокалывают и вводят в неё катетер. Чтобы за несколько часов сделать то, что почки делают за несколько дней, кровь прогоняют через систему с большой скоростью. Из-за столь неделикатного обращения вены часто спадаются, и врачам приходится открывать их заново. Если же они совсем выходят из строя, их пересаживают из других частей тела. Однако полноценно функционировать трансплантированный сосуд начинает лишь спустя несколько месяцев, а до тех пор пациенту устанавливают пластиковую вену с катетером, которая часто инфицируется. «Всё это весьма травматично и болезненно», – отмечает Лора Никласон, специалист по инженерии тканей из Йельского университета (США).
Никласон и её коллеги научились изготавливать «на заказ» искусственные сосуды, которые по прочности превосходят настоящие.
Вначале из биоразлагаемого полимера создают трубку, по размерам аналогичную нужной вене, только с более толстыми стенками. Далее синтетический каркас покрывают клетками гладкой мускулатуры человека. Через несколько дней полимер полностью разрушается и заменяется натуральным коллагеном.
Полученный матрикс идентичен тому, который создает организм самого пациента, и отличается от него лишь большей прочностью и способностью выдерживать более серьезные нагрузки в процессе гемодиализа. Затем наконец трубки очищают от клеток и имплантируют в тело. Никласон провела уже 30 таких операций в Польше и собирается провести еще 20 в США. Она надеется, что этим же способом можно будет выращивать байпасы для аортокоронарного шунтирования.
И все же искусственный матрикс уступает настоящему по количеству функций. Сумитран-Холгерссон отмечает, что, несмотря на большой потенциал синтетических каркасов, натуральные всегда будут их превосходить, поскольку они продолжают вырабатывать все разнообразие веществ, необходимых для связывания и дифференцирования клеток.
Тем не менее в некоторых случаях возможно создание гибридов, совмещающих в себе лучшие качества тех и других. Это открывает перед нами новые пути борьбы с различными заболеваниями, и в частности с одним из самых тяжелых осложнений болезни Крона – перианальными фистулами.
Фистула представляет собой абсцесс, ведущий к образованию канала, по которому содержимое из кишечника начинает вытекать наружу, а в наихудшей ситуации – в полость тела. «Такое наблюдается у половины пациентов, страдающих болезнью Крона более 20 лет, – говорит Юджин Боланд, глава компании Techshot (Гринвилл, штат Индиана, США), изготавливающей на заказ медицинскую аппаратуру. – Половине из них так и не удается излечиться». Прогноз в таких случаях неутешителен: больные обречены принимать обезболивающие и пользоваться подгузниками до конца своих дней.
Совместно со специалистами из Кентуккийского университета в Луисвилле (США) Боланд разработал на основе матрикса пробку для фистулы. Он использовал поликапролактон, который, как и волокна Лобоа, предоставляет возможности для создания дополнительных ниш для клеток. Кроме того, в материале присутствует фибриноген – компонент натурального матрикса, способствующий заживлению ран.
Реконструкция мозга
Боланд покрыл два гибридных каркаса клетками, выделенными из собственной жировой ткани пациентов, и имплантировал их в фистулы, не поддававшиеся лечению на протяжении нескольких лет. Метод сработал в обоих случаях. «Каналы закрылись всего через две недели», – говорит учёный. Он надеется вылечить таким способом ещё не менее 20 больных, после чего перейти к полномасштабным клиническим испытаниям.
С матриксом у исследователей связана масса планов на будущее. Лобоа, к примеру, разрабатывает многослойную версию своей повязки, которая сможет восстанавливать одновременно разные типы тканей при обширных травмах.
Бэдилак и другие изучают возможности использования матрикса для регенерации мозга. Грэг Бикс из Техасского университета A&M в Колледж-Стейшене (США) открыл ключевой компонент, способный стимулировать восстановление нервной ткани при инсульте. Это так называемый пятый домен перлекана (DV) – сигнальная молекула, способствующая росту новых кровеносных сосудов. В испытаниях на мышах и крысах, у которых намеренно вызывали кровоизлияние в мозг, исследователь показал потрясающие результаты. «Через две недели после введения его грызунам никто бы и не подумал, что они перенесли инсульт», – говорит Бикс.
Пройдет ещё немало времени, прежде чем подобные технологии найдут широкое применение, однако Лобоа надеется, что новые средства лечения ран на основе её идеи появятся уже в недалеком будущем. По мнению Отта и других специалистов, полноценные искусственные органы начнут выращивать не ранее чем через 10 лет, но уже сегодня с помощью матрикса можно лечить часто встречающиеся повреждения мышц, костей и мягких тканей, о которых говорят Бэдилак и остальные исследователи.
Даже самый обычный порез на коже может представлять собой большую угрозу из-за огромного количества устойчивых к антибиотикам микробов. В такой ситуации несменяемая повязка Лобоа пришлась бы как нельзя более кстати. «Из-за супербактерий больница стала поистине страшным местом», – отмечает исследовательница.
Материал опубликован в журнале New Scientist | Ноябрь 2013