Вместе с группой аспирантов и молодых ученых со школы-конференции «Биология — наука XXI века» я отправилась на экскурсию в лабораторию роста тканей и органов, которой заведует кандидат физико-математических наук Ирина Селезнева. До сих пор я знала ее как депутата из команды главы города Ивана Савинцева, председателя бюджетного комитета и активного пользователя местного форума с ником irka. Но все же основная работа Ирины Ивановны — в стенах научного института. Под ее началом трудится коллектив ученых и аспирантов, продолжая дело профессора Бориса Гаврилюка, стоявшего у истоков изобретения «искусственной кожи» — полимерного препарата «Биокол».
Первым делом мы надеваем белые халаты и шлепанцы и отправляемся смотреть лабораторию, где работают с культурами клеток, в том числе со стволовыми клетками, которые служат основой для выращивания органов. Аспирантка Елена Миронова показывает нам образцы клеток и объясняет, что они нужны для самых разных опытов, здесь смотрят, как делятся стволовые клетки, взятые из плаценты, а также раковые клетки при воздействии на них различных химических соединений. Стволовые клетки открыл в 1909 году русский ученый Александр Максимов, напоминает Ирина Селезнева, так что для наших ученых — дело чести продолжить начинание знаменитого соотечественника.
Известно, что организм человека не отторгнет пересаженный орган, если он выращен из его собственных стволовых клеток. Проблема однако в том, что у взрослого организма стволовых клеток очень мало, их попросту недостаточно для регенерации. Поэтому ученые придумали создавать стволовые клетки из других типов клеток. Вот только полученные таким образом стволовые клетки могут начать делиться неконтролируемо и вызвать рак. Как с этим бороться — пока неясно, но если проблему устранят, то мы сможем чинить себя не хуже планарий. Эти беспозвоночные животные умеют отращивать из маленького кусочка ткани хоть весь организм, включая голову (см. нашу статью «Равнение на планарий» в №15 от 6 апреля 2016).
***
Помимо плаценты, источником собственных стволовых клеток человека служат костный мозг, слизистая носоглотки и жировые ткани. Теперь задача ученых состоит в том, чтобы создать биоматериалы, которые можно заселить стволовыми клетками и сделать таким образом искусственные ткани и органы. Эта технология — альтернатива трансплантации человеческих органов.
Как во многих пионерских начинаниях, в исследованиях со стволовыми клетками и искусственными органами не обходится без скандалов. Недавно мировые СМИ написали об итальянском хирурге Паоло Маккиарини, который имплантировал искусственные трахеи пациентам с онкологией или потерявшим трахею в результате несчастного случая. Маккиарини использовал искусственную трахею из полимерного каркаса, обсыпанного выращенными в биореакторе стволовыми клетками. К сожалению, большинство оперированных Маккиарини пациентов умерли, в том числе трое человек, прошедших трансплантацию в Краснодарском крае. В результате служебного расследования хирург был уволен за нарушение научной этики. Почему же искусственная трахея со стволовыми клетками не прижилась? Как пояснила Ирина Селезнева, каждая подобная операция уникальна, и то, что подойдет одному пациенту, отторгается у другого. Успешные опыты на животных также не дают гарантии приживаемости органа у человека, поскольку в этом случае животные не вполне идеальные модели. Слишком много факторов вступает в дело при трансплантации, хороший результат пока получается только если для реконструкции поврежденного или патологически измененного органа использовать собственные ткани пациента (венозные сосуды, хрящ, кость) и его собственные стволовые клетки. Предстоит еще много экспериментов, прежде чем ученые и медики добьются гарантированного результата при трансплантации искусственных органов, а пока каждая такая операция — огромный риск. И все же состояние исследований в этой области таково, что органы на основе искусственных материалов — это дело недалекого будущего. Так же обстояло в недалеком прошлом дело со стентами — искусственными каркасами, вставляемыми в сосуд или орган для расширения. Первую операцию со стентом выполнили в 1986 году, далее материалы и технологии усовершенствовали, а теперь эти операции поставлены на поток.
***
Как побудить клетки в поврежденных тканях расти и заживлять рану? Эта задача тоже находится в центре внимания лаборатории Селезневой. В некоторых случаях у организма не хватает собственных ресурсов для заживления. К примеру, если кость сильно раздроблена и в результате операции изъяты ее куски, клеткам кости, остеобластам, некуда ползти и размножаться. В помощь остеобластам ученые придумывают особые композитные материалы, содержащие набор веществ, стимулирующих рост костной ткани. Залатав кость таким материалом, можно запустить процессы регенерации, ускорить их и, когда кость восстановится, она заместит искусственный материал.
Здесь, в лаборатории, как раз и исследуют взаимодействие клеток млекопитающих с трехмерным окружением, создают композитные материалы, которые смогут составить основу для реконструкции органов и тканей. Теоретически такой композитный полимерный материал, заселенный стволовыми клетками, можно вставить в качестве своеобразной «заплатки» человеку, заменяя ткани, утраченные в результате травмы или болезни. Идея состоит в том, чтобы дать основу и толчок для роста и миграции стволовых клеток с тем, чтобы по мере рассасывания биодеградируемого материала «заплатки», собственные ткани человека, регенерируя, постепенно заместили имплантат. При этом полимерный материал, помещаемый в организм даже на время, должен быть биосовместимым, то есть не отторгаться тканями, а после биодеградации его остатки должны беспрепятственно выводиться из организма.
Исследования в области регенеративной медицины логически продолжают идеи и работы основателя лаборатории Бориса Карповича Гаврилюка. Разработанная им искусственная кожа «Биокол-1» представляет собой пленку из слоев искусственных и природных полимеров, которые создают условия для роста и миграции клеток кожи, ускоряя заживление раны. Искусственную кожу испытали в 1989 году при спасении пассажиров двух скорых поездов под Уфой, загоревшихся на ходу от электрической искры. Затем «Биокол» применили для лечения горняков, обгоревших при взрыве шахты на Донбассе, в Самаре, где пострадали люди при пожаре, и в Москве при лечении обгоревших при взрыве бензовоза людей. К сожалению, перспективная разработка остается недоступной для массового использования, ее до сих пор не пускают на рынок, предпочитая закупать дорогостоящие зарубежные аналоги.
***
Нанобиотехнологии — еще одно направление исследований лаборатории роста клеток и тканей. Поскольку коллектив очень маленький, то для решения задач этого направления сотрудники, как правило, присоединяются к какой-либо большой международной научной группе. Так молодой научный сотрудник Антон Попов недавно вернулся со стажировки в Великобритании, где изучал наночастицы диоксида церия в лаборатории биоматериалов у профессора Университета Лондона Глеба Сухорукова. Сухоруков родился и вырос в Пущино, и хотя много лет работает за рубежом, добился там выдающихся результатов, стяжал славу — он входит в топ-10 самых известных российских ученых по версии журнала «Форбс» — но связей с родиной не потерял. В день открытия конференции он приехал в Пущино, чтобы сделать доклад о дистанционном управлении доставкой веществ в биологических системах. В лаборатории Сухорукова Антон Попов изучал новые методы доставки в организм наночастиц с помощью капсул.
Диоксид церия давно известен в науке, его используют как добавку в различные сплавы. Если же синтезировать нанометровые кристаллы диоксида церия, что составляет десять в минус девятой степени метра, то они начинают проявлять совершенно новые свойства, в частности, каталитические и антиоксидантные, а значит, их можно использовать в медицине.
Ученые научились создавать из диоксида церия нанокапсулы и отправлять их в живую клетку. А дальше им предстоит разработать такие методы, чтобы следить за нанокапсулами и регулировать их воздействие на живую ткань. Это только самые первые шаги в наномедицине, поскольку никто пока точно не знает, как будут вести себя инородные наночастицы в клетках, как сделать их безопасными для организма.
***
Раньше Ирина Селезнева сама занималась нанокристаллами диоксида церия, а теперь, передав тему молодому сотруднику для подготовки кандидатской диссертации, переключилась на новое для Пущино направление — 3D биопринтинг.
3D биопринтинг — это буквально печать искусственных органов для протезирования. В России это направление развивают два наших соотечественника — Владимир Миронов и Борис Чичков.
Профессор Миронов работает в Университете штата Вирджиния в США и руководит компанией «3Д биопринтинг солюшенс», созданной в России. Ученые этой компании печатают имплантаты по технологии, похожей на струйный принтер, где в качестве чернил используют гидрогелевые материалы и конгломераты клеток (сфероиды). В этом году коллективу Миронова удалось напечатать искусственную щитовидную железу и вживить ее мыши.
Борис Чичков заведует кафедрой наноинженерии в Университете города Ганновер в Германии. В 2013 году по программе поддержки ведущих ученых, в народе именуемой программой мегагрантов, Чичков основал лабораторию лазерной наноинженерии в Троицке в Институте проблем лазерных и информационных технологий РАН. Его технология лазерной печати органов несколько отличается от мироновской. Для печати он использует управляемый компьютером лазер, фемтосекундный импульс которого помогает точнейшему переносу мельчайших капель гидрогелей и живых клеток и позволяет слой за слоем создавать объемные конструкции из единичных клеток.
Лаборатория роста клеток и тканей ИТЭБ РАН сотрудничает с проектами Миронова и Чичкова. Здесь разрабатывают и исследуют новые биоматериалы на основе синтетических и природных полимеров для биопринтинга. По аналогии с технологиями обычной печати эти материалы можно назвать «биобумагой», на которой печатают живыми клеточными чернилами. Ученые уверены, что иммобилизация в композитном гидрогеле или в составе сухих композитов различных биологически активных факторов позволит управлять процессами самоорганизации клеток и роста тканей. Как объяснила старший научный сотрудник лаборатории Галина Давыдова, работа эта еще в самом начале. Напечатав на 3D биопринтере небольшие фрагменты тканей, ученые показали принципиальную возможность этого метода, а до реально работающей в медицине технологии еще очень далеко.
3D биопринтинг — очень перспективное направление, которое быстро развивается в мире, и ничто не мешает заняться им тем, кто делает первые шаги в науке. Да хотя бы тем ребятам, что пришли вместе со мной на экскурсию. Не случайно сотрудники лаборатории активно зазывали молодежь поступать к себе в аспирантуру, чтобы подключаться к этим прорывным исследованиям.
