Исследователи из Америки впервые решились пройти весь путь превращения специализированных клеток человека (фибробластов кожи и клеток костного мозга) в костную ткань.
Для изменения специализации клеток, они были превращены в клетки, которые могут приобретать разную специализацию (индуцированные плюрипотентные клетки). Из этих клеток получили клетки костной ткани, выращенные в специальном биореакторе для получения искусственных косточек. Выращенные кости обладают свойствами натуральных костей человека – сходная плотность клеток, содержание необходимых белков, выделение необходимых внеклеточных веществ. По истечении 12 недель после имплантации мышам, кости сохраняли свойства.
В настоящее время поврежденные органы и ткани пациенту заменяют донорскими органами, искусственными трансплантатами, а также аутологичной трансплантацией (пересадкой собственных тканей пациента). Все эти методы имеют существенные недостатки: донорские органы могут быть атакованы иммунной системой организма, искусственные трансплантаты с природными органами сходятся не по всем параметрам, аутологичную трансплантацию нельзя применять, если пациент страдает патологией тканей, необходимых для пересадки, и не всегда может применяться из-за повреждений участков тела, из которых берут клетки.
По этой причине и возникла необходимость создания органов из собственных клеток для минимализации травматизма пациента. Такие органы, как и аутотрансплантаты, будут обладать свойствами натуральных клеток, и не будут отторгаться организмом. Работы в этой области уже ведутся: в 2010 году опубликована статья, авторы которой вырастили фрагмент кости нижней челюсти из клеток пациента, выделенных из костного мозга. Чтобы получить кость, нужно было запустить процесс превращения их в клетки костной ткани и выращивать их на основе анатомической формы.
Выделение мезенхимальных клеток – процесс трудоемкий, поэтому следующим шагом ожидается, что кости будут получать из клеток, которые добыть легче. Но такие клетки не природные предшественники клеток костной ткани, поэтому, чтобы получить костную ткань, их нужно «перепрограммировать».
Теоретически это возможно, потому, что в каждой клетке организма человека заложена информация, которая необходима для функционирования всех типов клеток. Однако специализированные клетки большую часть этой информации не используют: существуют гены, которые делают нервную клетку нервной клеткой, но все они молчат в печени, сетчатке, клетках сердечной мышцы, и всех остальных, обладающих другой специализацией. Для изменения специализации клетки, необходимо сразу «отключить» ее специализацию – перевести из дифференцированного состояния в плюрипотентное (pluralis – множественный, potentia – сила, мощь). Достигается это введением в дифференцированную клетку молекул ДНК, которые кодируют четыре фактора плюрипотентности – оказывается, что достаточно всего четыре фактора для отключения текущей специализации клетки и перевода ее в состояние, в котором она может стать клеткой другого типа. Такие клетки называют индуцированными плюрипотентными клетками. Из них, добавлением специальных факторов, получают клетки требуемого типа.
Авторы статьи в журнале PNAS, осуществили всю последовательность действий и получили «искусственную» кость. Исходными клетками использовались фибробласты кожи и клетки костного мозга. Эти клетки превращались в плюрипотентные, затем переводились в мезенхимальные, которые могут быть предшественниками клеток костной ткани, хряща и жировых клеток. Из мезенхимальных клеток при помощи добавки специальной среды получали клетки костной ткани. Для образования кости необходимой формы и структуры, клетки выращивались на основе, которая представляет собой фрагмент кости теленка, очищенный от клеток.
Чтобы образовывалась ткань, схожая с природной, на основу наносится некоторое количество мезенхимальных клеток. Затем будущую кость пять недель выдерживают в специальном биореакторе, где она регулярно промывается питательной средой. Среда содержит факторы, которые способствуют превращению мезенхимальных клеток в клетки костной ткани. Характеристики среды влияют на свойства получаемой кости, и, меняя поток среды через разные части кости, можно достичь разной плотности клеток в разных частях. Тщательное изучение влияния потока среды на развитие клеток, очень важно для выращивания костей анатомических форм.
Оказывается, что полученные искусственно человеческие клетки, успешно заселяют такую основу и, выращиваясь в соответствующей среде, превращаются в клетки костной ткани. Специализированные клетки костной ткани, которые образовались, будут выделять внеклеточные компоненты, которые завершат формирование искусственной кости.
Проверяя неизменность свойств выращенных костей, их вживляли мышам, через 12 недель извлекали для проверки свойств костей. Так, как кости выращивали, используя человеческие клетки, а эксперимент проводили на мышах, то чтобы исключить атаку иммунной системы, использовали иммунодефицитных мышей. Оказалось, что в искусственные кости и в живом организме остаются стабильными – жизнеспособными. В них работают те же гены, что и до имплантации. За 12 недель организм начинал воспринимать кость как свою: в нее прорастали сосуды, в ней обнаружили хозяйские клетки-остеокласты. которые перестраивали костную ткань. Вокруг костей начали образовываться капсулы, состоящие из рыхлой соединительной ткани.
Авторами также было изучено, какие клетки лучше подходят для основы выращивания искусственных костей. В работе проведено сравнение свойств костей, которые получены из костного мозга и из кожных фибробластов. Помимо этого, при получении плюрипотентных клеток использовались разные способы доставки фрагментов ДНК, которые кодируют факторы плюрипотентности. Чтобы доставить чужеродную ДНК в клетку, используются молекулы вирусной ДНК, в которой все гены, отвечающие за развитие вируса, удалены. Такой вирус неинфекционен, но обладает способностью внести в клетку новый ген, который включен в состав вирусной ДНК.
Набор факторов в разных экспериментах также был разным. Оказывается, что плюрипотентные клетки, которые получены различными способами, в итоге дают ткань, которая имеет различные свойства. Наилучшие показатели у клеток костной ткани, которые получены из фибробластов с введением факторов ОСТ4, SOX2, KLF4 и C-MYC при помощи вектора на основе вируса Сендай.
Пока не совсем понятно, какие клетки больше подходят для выращивания костей реальным пациентам: пока все опыты проведены на мышах и на модельных культурах человеческих клеток, а для того чтобы подобрать оптимальные клетки нужны серьезные сравнительные исследования. Помимо этого, остаются неизвестными механизмы, которыми клетки разных типов по-разному перепрограммируются в клетки костной ткани. Такая же ситуация сложилась с факторами плюрипотентности и векторными молекулами, пока только подбираются оптимальные комбинации, но утверждать почему та или иная комбинация лучше, и как она будет влиять на клеточное будущее еще сложно.
Но, тем не менее, в работе проделан важный шаг на пути получения необходимых пациенту органов, выращенных из его собственных, легко выделенных клеток. На данный момент стало понятно, что такая технология применима для выращивания костей. Пока затруднительно ответить на вопрос, а можно ли таким образом получать другие органы. Однако, эти задачи хоть и являются сложными, но они вполне решаемы, и у нас есть основания верить в развитие медицины нового типа.
Ваше мнение