Тканевая инженерия в урологии

страницы: 44–46

[*]

Элементарные понятия

Тканевая инженерия в урологии

Эволюция тканевой инженерии

Перспективы

 

Предлагаем вашему вниманию обзор статьиN. Chopra и O. Kayes касательно существующих методов создания новых тканей для терапевтической реконструкции поврежденного органа. В широком смысле слова тканевая инженерия – это сочетание клеток, технических методов, биохимических и физико-химических факторов, которые позволяют улучшить или заменить биологические функции.

 

Тканевая инженерия и технологии стволовых клеток сейчас находятся на передовой линии научных достижений и содержат новые методы регенерации и воссоздания ткани. При этом существует осторожный оптимизм в отношении того, что тканевая инженерия в будущем сыграет важную роль в лечении ряда урологических заболеваний.

Во все времена мальчишки собирали дождевых червей и наблюдали за тем, как они выживают после разрезания пополам. Несмотря на ужас, который наводило это хобби у большинства родителей, усилия этих «молодых ученых» вызвали последующий интерес относительно новых экспериментальных исследований регенерации тканей в начале 18-го века.

Элементарные понятия В начало статьи

В природе существует множество организмов, способных к регенерации целых частей тела. Хотя человеческий организм не обладает такими способностями, однако в нем постоянно происходит замена потерянных клеток, например самопополнение крови, заживление ран и восстановление слизистой кишечника.

Однако процесс регенерации у пресноводных плоских червей планарий более эффектный. Разрежьте одно из этих существ пополам, а через неделю из кусочков образуются два полностью жизнеспособных червя. Кроме того, из отрезанной части, равной 1/279 его размера, также вырастет полноценный червь.

У обезглавленных улиток могут вырастать новые головы, а у головастиков, обработанных витамином А, будут развиваться аномально длинные конечности. Еще одним животным, наслаждающимся «славой регенерации», является саламандра. Ученые сообщают о ее способности к регенерации потерянных конечностей в течение всей жизни.

Дедифференциация клеток*, так же как и привычное их развитие (пролиферация и дифференциация) находится под контролем конкретных генов развития. После травмы в месте повреждения формируется бластема (скопление клеток, способных к росту и регенерации), а затем происходит ее дифференциация в определенные типы клеток и регенерация утерянной ткани. Очевидно, что последние достижения в области тканевой биоинженерии приблизили ученых к возможности выращивать отдельные органы в лабораторных условиях, что предполагает беспрецедентный уровень персонализированной медицины, о котором ранее можно было только читать в научно-фантастических романах.

Тканевая инженерия в урологии В начало статьи

Врожденные нарушения, рак, травмы и воспалительные заболевания мочеполового тракта могут привести к значительным повреждениям или к потере функции органов, а основной целью тканевой инженерии и регенеративной медицины является восстановление и поддержание нормальной функции органа.

Согласно текущим оценкам, около 7000 пациентов в Великобритании состоят в списках ожидания почечной трансплантации, а риск смерти до момента пересадки почки может составлять около 10%. Кроме того, в трансплантации почек нуждаются еще приблизительно 14 000 пациентов. Следовательно, существует огромная потребность в альтернативных методах решения данной проблемы. Это может быть регенерация почек с помощью тканевой инженерии в сочетании с новыми методами трансплантации.

Поражение органов-мишеней урологических больных часто является ожидаемым событием. В то же время замена органа с использованием собственного клеточного матрикса пациента поможет избежать распространенных проблем, связанных с трансплантацией почек: отторжение, неспособность органа выполнять функцию, состояния иммуносупрессии (инфекции, вторичные ракове опухоли) и осложнения, связанные с препаратами. Кроме того, новые, надежные биоматериалы крайне необходимы, чтобы помочь улучшить результаты хирургического увеличения мочевого пузыря, уретропластики, хирургического лечения недержания мочи, эректильной дисфункции и реконструкции полового члена.

Современные методы тканевой инженерии заключаются в использовании бесклеточного или клеточного подхода. Бесклеточной способ состоит в имплантации матрицы (scaffold), на которую подсаживаются (засеваются) клетки человека, с последующей дифференциацией их в определенный тип ткани. Матрица может состоять либо из натурального коллагена, либо из синтетического материала (например полигликолевой кислоты, PGA), который в конечном итоге заменяется тканью хозяина (аутологичной), аллогенной или даже ксеногенной тканью, которая модифицируется для удаления клеточных компонентов, а затем имплантируется. Матрица определяет трехмерную структуру ткани, которая требуется для создания органа.

Клеточный подход включает применение донорских клеток, которые используются либо самостоятельно (подход стволовых клеток), либо «высеиваются» на матрицу. Мультилинейные свойства стволовых клеток позволяют им дифференцироваться в любой желаемый тип ткани. Они могут быть тотипотентными (способными дифференцироваться во все типы клеток), плюрипотентными (способными дифференцироваться во все три зародышевых листка) или мультипотентными (способными дифференцироваться только в тесно связанные типы клеток).

Существуют три потенциальных источника клеток:

  • эмбриональные стволовые клетки. Их получение связано с этическими вопросами; также они сохраняют аллогенный потенциал;
  • гестационные клетки (из пуповины, плаценты и амниона) – их добывание более легко осуществимо и связано с меньшим количеством этических проблем;
  • взрослые стволовые клетки, полученные из костного мозга, образцов крови, жировой/соединительной ткани и скелетных мышц; в отличие от других стволовых клеток, они обладают низким онкогенным потенциалом.

Достижения в области лабораторных методов и улучшение финансирования привели к появлению эффективных способов получения больших количеств ткани за относительно короткие периоды, с одновременным устранением риска их отторжения. Поступательное воздействие этого исследования в урологии, несомненно, в будущем приведет к улучшению лечения целого ряда клинических состояний.

Эволюция тканевой инженерии В начало статьи

Мочевой пузырь

Повреждение клеток, вызванное воспалительными, неврологическими и онкологическими заболеваниями мочевого пузыря, может привести к развитию различных симптомов, в т.ч. к нарушению мочеиспускания, рецидивирующим инфекциям, формированию камней и появлению болевых ощущений. Эти симптомы часто имеют повторяющийся характер, устойчивы к консервативным методам лечения и оказывают негативное влияние на качество жизни пациентов.

Современные методы хирургической реконструкции мочевого пузыря с использованием желудочно-кишечных сегментов связаны с конкретными ограничениями, включая инфекции, образование камней, слизи и злокачественную трансформацию ткани. Кроме того, с помощью тканевой инженерии можно решить и такие проблемы, как длительная катетеризация и/или прерывистая самостоятельная катетеризация, которые так тягостно воспринимают пациенты.

Поиски альтернативного резервуара, способного заменить мочевой пузырь, остаются безрезультатными. Первоначально с этой целью использовались синтетические материалы, не поддающиеся биохимическому разложению, такие как силикон, резина, политетрафторэтилен и полипропилен. Однако эти трансплантаты быстро покрывались отложениями, были склонны к инфицированию и сопровождались реакциями отторжения.

В ходе различных исследований ученые пытались использовать бесклеточные методы увеличения мочевого пузыря, но несмотря на трехслойную структуру трансплантатов, они получали разнородные результаты. Первоначальные биологические и функциональные достижения нивелировались сжатием трансплантата и ухудшением его функции со временем. Вероятно, это происходит вследствие неэффективной неоваскуляризации. В настоящее время изучаются методики, призванные вызвать дифференциацию стволовых клеток в уротелий и поощрять дальнейший рост трансплантатов. Эта работа закладывает основу для клинических исследований, в которых в качестве альтернативы для обычной энтероцистопластики используются аутологичные ткани мочевого пузыря, полученные с помощью биоинженерии.

Группа ученых во главе с профессором Энтони Атала (Anthony Atala) в настоящее время занимает лидирующее место в мире в области фундаментальных научных и клинических исследований относительно тканевой инженерии мочеполового тракта. Исследователи проводили аугментационную цистопластику у семи пациентов с расщеплением позвоночника (spina bifida) и нейрогенным мочевым пузырем.PGA-трансплантаты с аутологичными уротелиальными и гладкомышечными клетками были успешно имплантированы с помощью обертывания сальником, что способствует васкуляризации тканей. Хотя гистологические данные 5-летнего периода наблюдения отображали трехслойную архитектуру, включающую уротелий, подслизистый и мышечный слой, отмечалась значительная изменчивость функциональных параметров емкости, комплаенса и давления утечки мочи из мочевого пузыря. Только у одного из семи пациентов удалось достичь увеличения емкости мочевого пузыря и улучшения комплаенса, что регулярно наблюдается при обычной энтероцистопластике. Кроме того, мужчины не могли самостоятельно мочиться и по-прежнему требовали проведения периодической катетеризации мочевого пузыря.

Уретра

Стриктура уретры – это довольно распространенное заболевание, которое ассоциируется с высоким уровнем рецидивирования и необходимостью повторного лечения. Заместительная уретропластика включает имплантацию здоровой ткани (например слизистой щеки) для того, чтобы улучшить результаты. Однако ограниченные ресурсы ткани и связанные с донорской тканью осложнения влияют на общие показатели успеха.

Raya-Rivera et al. отбирали ткань мочевого пузыря у пяти мальчиков (средний возраст 11 лет) с дефектами уретры в результате травмы и пересаживали ее на синтетическую матрицу из полилактогликолевой кислоты (PLGA) для того, чтобы создать новую уретру. По истечении трех месяцев во всех случаях образовалась нормальная архитектура уретры с удовлетворительными функциональными результатами.

Bhargava et al. продемонстрировали разработку аутологичного тканеинженерного слизистого трансплантата в результате культивирования всего нескольких клеток со слизистой щеки Данная методика является перспективной, несмотря на то, что большинство пациентов требовало дальнейшей хирургической модификации. Результаты соизмеримы с теми, что были достигнуты при работе с существующими материалами, хотя небольшое количество участников и короткий период наблюдения являются очевидными ограничениями в этих исследованиях.

Пролапс тазового дна

Аутотрансплантаты, такие как ректальная фасция, и вагинальные слинги могут быть слабыми и часто требуют проведения двух стадий операции: отбора и имплантации. Аллотрансплантаты, в т.ч. трупные ткани, связаны с меньшим риском инфицирования и эрозий, чем синтетические аналоги, но являются более слабыми. Использование ксенотрансплантатов (петли тонкого кишечника свиньи) ограничено из-за инфекций и этических соображений.

Перспективы В начало статьи

Очевидно, что в области тканевой инженерии был достигнут значительный прогресс. Однако в настоящее время существуют ограничения относительно количества используемых типов клеток и технической способности выращивать из них трехмерную органную структуру, которая была бы полностью функциональной, безопасной в использовании и соответствующей этическим нормам.

Понимание того, как клетки участвуют в регенеративном процессе, а также механизмов, которые влияют на их участие, имеет решающее значение для определения ключевых клеточных и молекулярных звеньев органогенеза. При осуществлении этих целей исследователи смогут адаптировать свои достижения в области материалов и биологии для применения в клинической практике. Для этого необходимы постоянная разработка и дополнительные инновации, прежде чем реализуется более широкое их клиническое применение. Тем не менее существует осторожный оптимизм по поводу того, что тканевая инженерия в будущем сыграет важную роль в лечении целого ряда урологических заболеваний.

 

Обзор подготовил Александр Шмерхлев


По материалам N. Chopra, O. Kayes
Tissue engineering for urologist.
Trends in urology & men’s health, 2013

 

[*] Дедифференциация – упрощение структуры клеток, связанное с временной потерей признаков их специализации, когда дифференцированная клетка вновь становится эмбриональной. Возникает под действием механических, термических, химических и лучевых агентов, а также при культивировании тканей. При благоприятных условиях дедифференцированные клетки способны к прогрессивному развитию.
 

В начало статьи

 

Поделиться с друзьями: