Регенеративная биомедицина: стратегия от эксперимента к клиническим исследованиям

Размещено на http://www.allbest.ru/

Регенеративная биомедицина: стратегия от эксперимента к клиническим исследованиям

С.С. Целуйко, ФГБОУ ВО Амурская ГМА Минздрава России

Резюме

Успешное развитие регенеративной биомедицины как наукоемкой области, призванной стать новой технологической платформой медицины будущего, требует комплексного подхода, скоординированных междисциплинарных усилий, а также создания и совершенствования законодательной и нормативной базы для обеспечения разработки, исследований, научной экспертизы, регистрации, производства, контроля качества и медицинского применения биомедицинских клеточных продуктов.

Ключевые слова: регенерация, механизмы регенераторных процессов, методы клеточной терапии, тканевая инженерия.

Abstract

Regenerative biomedicine: strategy from experiment to clinical studies

S.S. Tseluyko, FSBEI HE Amur State Medical Academy of the Ministry of Health of the Russian Federation

The successful development of regenerative biomedicine as a science-intensive field, designed to become a new technological platform for the medicine of the future, requires an integrated approach, coordinated interdisciplinary efforts, as well as the creation and improvement of the legislative and regulatory framework to ensure the development, research, scientific examination, registration, production, quality control and medical application of biomedical cell products.

Key words: regeneration, mechanisms of regenerative processes, methods of cell therapy, tissue engineering.

В настоящий момент медицинская наука вступила в период, когда наибольшие успехи достигнуты в лечении тех заболеваний, которые раньше были неизлечимыми. В условиях бурного технического прогресса основная дилемма будущего - будет ли достигнуто физическое бессмертие людей или произойдёт глобальная катастрофа. Выбор между этими путями придется сделать уже в этом веке.

Люди умирают от болезней, а не от старости, причем очень часто в молодом, продуктивном возрасте. Если рано выявлять не болезнь, а факторы риска, которые приводят к заболеваниям, то, занимаясь профилактикой и устраняя факторы риска, можно продлить людям жизнь, делая ее активной и продуктивной. Это и есть технологии молодости, которые работают крайне эффективно. Регенеративная биомедицина формируется на стыке биологии, медицины и инженерии. Считают, что она способна коренным образом изменить способы улучшения здоровья путем восстановления, поддержания и улучшения функций органов и тканей. Регенеративная медицина - одна из наиболее высокотехнологичных и бурно развивающихся отраслей биомедицинской индустрии.

Использование новых технологий создаст условия для дальнейшего развития трансплантологии, решит проблему обеспечения иммунотолерантности и определит направление развития медицины на основе новых технологических принципов. Ряд завершенных или находящихся на завершающих стадиях разработки проектов уже в настоящее время востребованы и будут внедрены в клиническую практику [1-8, 22-23].

Термин «регенерация» предложен в 1712 французским учёным Р. Реомюром, изучавшим регенерацию ног речного рака. У многих беспозвоночных возможна регенерация целого организма даже из кусочка тела. У высокоорганизованных животных такой процесс невозможен - регенерируют лишь отдельные органы или их части. Регенерация может происходить путём роста тканей на раневой поверхности, перестройки оставшейся части органа в новый, или путём роста остатка органа без изменения его формы. Представление об ослаблении способности к регенерации по мере повышения организации животных ошибочно, т. к. процесс регенерации зависит не только от уровня организации животного, но и от многих других факторов и характеризуется изменчивостью.

Неправильно так же утверждение, что способность к регенерации закономерно падает с возрастом: она может и повышаться в процессе онтогенеза, но в период старости часто наблюдают её снижение. Всем клеткам, тканям и органам свойственна регенерация. Регенерация (от лат. regeneratio - возрождение) - восстановление (возмещение) структурных элементов ткани взамен погибших. В биологическом смысле регенерация представляет собой приспособительный процесс, выработанный в ходе эволюции и присущий всему живому. Регенерация - это естественный физиологический процесс. В жизнедеятельности организма каждое функциональное отправление требует затрат материального субстрата и его восстановления. Следовательно, регенерация предусматривает самовоспроизведение живой материи, причем это самовоспроизведение живого отражает принцип ауторегуляции и автоматизации жизненных отправлений. Регенераторное восстановление структуры может происходить на разных уровнях: молекулярном, ультраструктурном, клеточном, тканевом, органном. Однако всегда речь идет о возмещении той структуры, которая способна выполнять специализированную функцию.

В ответ на действие экстремального фактора и нарушение тканевой организации органа возникает комплекс реакций с вовлечением всех структурных уровней организации живого. Можно лишь условно выделить те процессы, которые характерны для тканевого уровня, а именно, процессы регенерационного гистогенеза.

Таким образом, изучение условий успешной регенерации тканей возможно на путях более глубокого изучения гистогенезов, ибо оптимизация посттравматической регенерации должна проводиться с учетом особенностей физиологической регенерации конкретной ткани. В ходе регенерации складываются сложные взаимоотношения между эпителиями, соединительными и нервными тканями. Воспалительные разрастания соединительной ткани в значительной степени определяют исход восстановительного процесса. Взаимодействия различных тканей с нервной, эндокринной, сосудистой, иммунной системами оказывают существенное влияние на характер их реактивности и регенерации. Регенерация осуществляется под воздействием различных регуляторных механизмов: гуморальные регуляторы синтезируются как в клетках поврежденных органов и тканей (внутритканевые и внутриклеточные регуляторы), так и за пределами поврежденных органов и тканей (гормоны, гемопоэтические факторы, факторы роста и т. д.). Иммунологические механизмы регуляции связаны с «регенерационной информацией», переносимой лимфоцитами. В связи с этим следует заметить, что механизмы иммунологического гомеостаза определяют и структурный гомеостаз.

Нервные механизмы регенераторных процессов связаны, прежде всего, с трофической функцией нервной системы, а функциональные механизмы -- с функциональным запросом органа, ткани, который рассматривается как стимул регенерации. Развитие регенераторного процесса во многом зависит от ряда общих и местных условий или факторов. К общим следует отнести возраст, конституцию, характер питания, состояние обмена и кроветворения, к местным - состояние иннервации, крово- и лимфообращения ткани, пролиферативную активность ее клеток, характер патологического процесса.

Направления развития регенеративной биомедицины многогранны и включают следующие задачи: исследование молекулярных механизмов регуляции процессов клеточной дифференцировки, миграции и пролиферации; выявление ключевых биологически активных молекул (факторов роста, цитокинов, физиологически активных веществ, других продуктов культивирования клеток) для стимуляции восстановления структуры и функций органов и тканей [16 - 17]; биомедицинские клеточные и тканеинженерные продукты для замещения тканей и органов, структур организма [9 - 15], искусственные органы; биомедицинские препараты на основе продуктов культивирования клеток; биомедицинские клеточные и тканеинженерные продукты для стимуляции регенерации тканей, органов; использование анализа клеточных популяций для диагностики функциональных и патологических состояний организма; создание клеточных систем доставки терапевтических препаратов, в том числе противоопухолевых, и стимуляторов управляемой регенерации; поиск научно-методических подходов перепрограммирования клеток, дифференцировки и трансдифференцировки, технологии терапевтического клонирования; создание биоматериалов с заданными свойствами, биополимерных носителей, новых биосовместимых материалов с регулируемыми параметрами биодеградации, индуктивными свойствами; создание и развитие инфраструктуры для исследований, разработок и внедрения клеточных и регенеративных технологий [1 - 7].

Концепция физиологической регенерации предполагает наличие в организме человека компенсаторных резервов в виде тканеспецифических стволовых клеток. Целевая стимуляция стволовых клеток приводит к направленной регенерации утраченных структур, восстановлению функций. В настоящее время накоплен значительный объем информации о регуляторных механизмах, факторах стимуляции пролиферации и дифференцировки столовых клеток различного типа. Возможна эффективная индукция стволовых клеток рекомбинантными факторами роста, цитокинами и специфическими матриксными белками для запуска программы восстановления структур или функций организма [9 - 14].

Сегодня возможно использование специфических факторов роста для стимуляции раневого заживления, тканевого метаболизма, поддержания трофических функций, стимуляции васкуляризации, нейрогенеза, остеогенеза и других. Использование рекомбинантных факторов роста, цитокинов позволит создать линейку новых продуктов, обладающих специфическим действием, для лечения язв и трофических ран, эпителиальных повреждений, поражений роговицы, предотвращения деградации сетчатки, стимуляции мозговых функций, стимуляции остео- и хондрогенеза и других [21] . Такие лекарственные средства должны быть представлены в различных формах - гели, мази, капли, назальные, инъекционные формы, комплексы с биополимерами и другие.

Отдельные факторы роста могут быть весьма эффективны, но, к сожалению, не в состоянии полностью воспроизвести все регуляторные гуморальные и контактные взаимодействия с помощью которых стволовые клетки осуществляют свою регенераторную активность. В связи с этим перспективна разработка и внедрение лекарственных средств на основе продуктов культивирования стволовых клеток. Культивирование стволовых клеток в различных условиях и различном окружении позволит получать препараты с необходимыми для лечения достаточно большого числа патологических состояний. Подход, включающий попытку максимально возможного воспроизведения в лекарственном средстве значимых регуляторных факторов, действующих в организме, получил название фармакобионики [15-18].

Основные задачи до 2021 года - разработать отечественные среды для получения бесклеточных продуктов культивирования стволовых клеток, создать технологии культивирования стволовых клеток, ориентированных на максимальный выход целевого продукта, технологии выделения и очистки бесклеточных продуктов из кондиционированных сред. По крайней мере, у регенеративной биомедицины в России теперь есть своя «дорожная карта». В разработке плана развития этой молодой и перспективной области участвует более двух десятков отечественных и зарубежных специалистов. Среди научных аспектов -- терапевтическое клонирование, восстановление регенеративных способностей, технологии мониторинга, диагностики и хранения стволовых клеток, клеточная терапия и тканевая инженерия. Задача такой «дорожной карты» -- формирование сотрудничества, создание единых стандартов, постановка чётких задач и сроков, формирование заказов для структур, обеспечивающих финансирование.

В последние несколько лет внимание исследователей обоснованно приковано к области биологии стволовой клетки (СК). Открытие стволовых клеток стоит в одном ряду с такими великими достижениями человечества, как открытие двуспиральной цепочки ДНК или расшифровка генома человека. Журнал Science назвал 1999 год «годом стволовой клетки».

Сейчас уже стало ясно и практически доказано, что такие клетки - это универсальные «запасные» части, которые используются организмом для восстановления или «починки» разных тканей.

Методы клеточной терапии относятся к высоким медицинским технологиям и направлены на восстановление компенсаторных возможностей организма человека. В основу этих методов положен принцип избирательного биологического стимулирования утраченной или прогрессивно утрачиваемой функции органов, тканей или их систем. Преимуществом применения тканевых и клеточных биопрепаратов является то, что пациент получает ряд биологически активных, сбалансированных соединений естественного происхождения, способных оказывать влияние на различные стороны метаболизма целостного организма, а также клетки, способные выполнять заместительные функции.

Стволовые клетки таят в себе невиданные возможности: от регенерации поврежденных органов и тканей до лечения заболеваний, не поддающихся лекарственной терапии. Кроме восстановления утраченных функций органов и тканей, стволовые клетки способны тормозить неконтролируемые патологические процессы, такие как воспаления, аллергии, онкологические процессы, старение и т.д. Именно клеточные технологии являются основой генной терапии, с которой связаны надежды на разработку индивидуальных схем лечения пациентов с самыми тяжелыми заболеваниями, в том числе наследственными. Клеточные технологии и генная терапия представляют собой наиболее универсальные современные подходы к лечению.

Сочетание «медицина + биотехнология» нашло свое отражение в тканевой инженерии - технологии, открывающей возможность восстановления утраченных органов без трансплантации. В последние десятилетия стали отчетливо проявляться тревожные тенденции старения населения, роста количества заболеваний и инвалидизации людей трудоспособного возраста, что настоятельно требует освоения и внедрения в клиническую практику новых, более эффективных и доступных методов восстановительного лечения больных.

Принципиально новый подход состоит в том, то клеточная и тканевая инженерия, является последним достижением в области молекулярной и клеточной биологии. Этот подход открыл широкие перспективы для создания эффективных биомедицинских технологий, с помощью которых становится возможным восстановление поврежденных тканей и органов и лечение ряда тяжелых метаболических заболеваний человека [19- 21].

Для направления организации, поддержания роста и дифференцировки клеток в процессе реконструкции поврежденной ткани, необходим специальный носитель клеток - матрикс, представляющий из себя трехмерную сеть, похожую на губку или пемзу. Для их создания применяют биологически инертные синтетические материалы, материалы на основе природных полимеров (хитозан, альгинат, коллаген) и биокомпозиты [24].

Большие надежды были связаны с исследованиями эмбриональных стволовых клеток, которые, как полагали, дадут возможность решить проблему получения любых специализированных клеток организма, в том числе и иммуносовместимых, для трансплантации реципиенту. Эти исследования столкнулись с массой неразрешимых социально-этических, научных и технологических проблем и не привели к искомым результатам. Выходом казалось использование клеток с индуцированной плюрипотентностью, которые были получены в результате выдающегося исследования С. Яманака (2007), которое в 2012 г. было отмечено Нобелевской премией. Клетки с индуцированной плюрипотентностью могут быть получены из любых клеток человека, приобретая при этом многие характеристики эмбриональных стволовых клеток. Свойство плюрипотентности состоит в возможности дифференцировать клетки в любые специализированные типы. Таким образом, открылась возможность получать специализированные клетки индивидуально для любого пациента. Такая технология может стать ярким примером персонифицированной медицины, поскольку клеточные продукты для замещения пораженных тканей или органов станут готовиться непосредственно для конкретного пациента из его образцов биоматериала.

В результате исследований 2012 г. из клеток с индуцированной плюрипотентностью удалось получить половые клетки - яйцеклетку, а ранее - сперматозоид, что открывает возможность получения вне организма оплодотворенных яйцеклеток из соматических клеток человека. Эти исследования открывают фантастические перспективы, реализация которых в течение ближайших 25-30 лет приведет к смене фундамента медицины, предоставит неизвестные ранее возможности, но потребует создания новой этики, нормативной и технологической платформ.

регенерация стволовой клетка плюрипотентность

Литература

1. Murphy S., Atala A. 3D bioprinting of tissues and organs // Nat Biotechnol. 2014; 32(8):773-785.

2. Sinha G. Cell presses // Nat Biotechnol. 2014;32(8):716-719.

3. Martin I., Simmons P., Williams D. Manufacturing Challenges in Regenerative Medicine // Science Translational Medicine. 2014;6(232):232fs16- 232fs16.

4. Pati F., Jang J., Ha D. et al. Printing threedimensional tissue analogues with decellularized extracellular matrix bioink //Nature Communications. 2014; 5.

5. Zopf D., Hollister S., Nelson M., Ohye R., Green G. Bioresorbable Airway Splint Created with a Three-Dimensional Printer // New England Journal of Medicine. 2013;368(21):2043-2045.

6. Ozbolatl Yin.Yu. Bioprinting Toward Organ Fabrication: Challenges and Future Trends // IEEE Transactions on Biomedical Engineering. 2013; 60(3):691-699.

7. Jakab K., Norotte C., Marga F., Murphy K., Vunjak-Novakovic G., Forgacs G. Tissue engineering by self-assembly and bioprinting of living cells // Biofabrication. 2010;2(2):022001.

8. Koch L., Deiwick A., Schlie S. et al. Skin tissue generation by laser cell printing. Biotechnol Bioeng. 2012;109(7):1855-1863.

9. Fullerton J., Frodsham G., Day R. 3D printing for the many, not the few // Nat Biotechnol. 2014; 32(11):1086-1087.

10. Seitz H., Deisinger U., Leukers B., Detsch R., Ziegler G. Different Calcium Phosphate Granules for 3-D Printing of Bone Tissue Engineering Scaffolds // Advanced Engineering Materials. 2009;11(5):B41-B46.

11. Bose S., Vahabzadeh S., Bandyopadhyay A. Bone tissue engineering using 3D printing. // Materials Today. 2013;16(12):496-504.

12. Chia H.Wu.B. Recent advances in 3D printing of biomaterials // J Biol Eng. 2015;9(1).

13. Tasoglu S., Demirci U. Bioprinting for stem cell research // Trends in Biotechnology. 2013;31(1):10-19.

14. Song Jott H. Bioartificial Lung Engineering. American Journal of Transplantation. 2011;12(2):283- 288.

15. Jungebluth P., Alici E., Baiguera S. et al. Tracheobronchial transplantation with a stem-cell-seeded bioartificial nanocomposite: a proof-of-concept study // The Lancet. 2011;378(9808):1997- 2004.

16. Macchiarini P., Jungebluth P., Go T. et al. Clinical transplantation of a tissue-engineered airway // The Lancet. 2008; 372(9655):2023-2030.

17. Reiffel A., Kafka C., Hernandez K. et al. High Fidelity Tissue Engineering of Patient-Specific Auricles for Reconstruction of Pediatric Microtia and Other Auricular Deformities // PLoS ONE. 2013; 8(2):e56506.

18. Zopf D., Hollister S., Nelson M., Ohye R., Green G. Bioresorbable Airway Splint Created with a Three-Dimensional Printer // New England Journal of Medicine. 2013;368(21):2043-2045.

19. Fritsche C., Vacanti J., Sodian R., Luders Theuerkauf C., Stamm C., Hetzer R. Dual-compartment biocompatible polymer constructs with integrated vascular tree for pulmonary tissue engineering // The Thoracic and Cardiovascular Surgeon. 2008; 56 (S 1).

20. Horvath L., Umehara Y., Jud C., Blank F., Petri-Fink A., Rothen-Rutishauser B. Engineering an in vitro air-blood barrier by 3D bioprinting // Sci Rep. 2015;5

21. Filipino students develop 3D printed trachea using stem cells from patients.

22. Tseluyko S.S., Kushnarev V.A. Regenerative biological medicine: Achievements and Prospects // Amur Medical Journal, №1 (13), 2016, 7-15.

23. Tseluyko S.S., Krasavina N.P., Zabolotsky T.V., Sayapina I.Yu., Semenov D.A., Korneeva L.S., Ogorodnikova T.L., Kozlova V.S., Regeneration of tissue and human bodies training manual / Blagoveshchensk, 2019, 303 P.

24. Tseluyko S.S., Kushnarev V.A. // 3D bioprinting at the respiratory system (review of literature), Bulletin of physiology and pathology of respiration. 2016. No. 61. S. 128-134.

Размещено на Allbest.ru