Надежда против ажиотажа: что достигнуто в тканевой инженерии и регенеративной медицине?
Эксперт по тканевой инженерии и регенерации органов доктор Катерина Беришвили обсуждает прогресс, возможности и проблемы регенерации и восстановления при трансплантации органов.
Растущая тяжесть неинфекционных заболеваний идет рука об руку с возрастающей потребностью в лечении дефектов тканей и потери органов. Трансплантация органов является ключевой для улучшения выживаемости и качества жизни пациентов, а также для уменьшения значительных социально-экономических затрат. В Европе в 2021 году к и без того огромному списку ожидания, состоящему из десятков тысяч пациентов, была добавлена еще одна тысяча пациентов – или почти пять пациентов в час. Пока письмо ожидания постоянно росло, трансплантацию сделали только 36 тысячам пациентов. По оценкам, до 4% находящихся в списке ожидания пациентов умрут, не пройдя процедуру трансплантации. Это постоянное и растущее расхождение между спросом и предложением говорит о потребности в источниках органов и тканей вне типичных путей донорства. Введите регенеративную медицину (RM), новую область биомедицинских наук, которая стремится заменить, восстановить или регенерировать дефектные или дефицитные ткани и органы.
Регенеративная медицина
В отличие от традиционной трансплантологии регенеративная медицина (RM) направлена на создание новых частей тела посредством комбинации стратегий, таких как клеточная терапия, генетические манипуляции, иммуномодуляция и тканевая инженерия. Этот последний подход касается засева биосовместимых каркасов клетками ex vivo для производства тканей. Возможно, древнейшее задокументированное клиническое применение тканевой инженерии, и, следовательно, RM, предполагало сочетание фибробластов, кератиноцитов и скелета для получения замены кожи, предназначенной для содействия заживлению ран.
Более 40 лет прошло с первых дней биоинженерии, и все же, несмотря на обещание изготовления органов по заказу в лаборатории, заменители кожи все еще, возможно, представляют золотой стандарт коммерческих продуктов тканевой инженерии. Затормозился ли прогресс в РМ?
Появление регенеративной медицины и современный прогресс
Первым коммерчески доступным продуктом RM был Integra®, каркас для регенерации кожи, состоящий из двух слоев: наружного эпидермального слоя на основе кремния и внутреннего слоя матрицы на основе коллагена. В 1996 году его впервые одобрило Управление по контролю качества пищевых продуктов и медикаментов США, и он стал пионером того, что сегодня является широким набором продуктов, одобренных для заживления ран и лечения рубцов, охватывая бесклеточные и клеточные платформы на основе различных биологических и синтетических матриц. . Некоторые одобренные показания включают в себя кожные венозные язвы, диабетические язвы стопы и другие хронические раны.
Восстановление хряща является еще одним распространенным применением RM, в котором используются относительно простые структуры без крепкой сосудистой сети и нервных или лимфатических компонентов – характеристики, препятствующие естественному заживлению in vivo, но обходят значительные осложнения в биоинженерии тканей. Еще в 1994 году была сделана попытка использовать аутологические хондроциты для восстановления хряща, после чего в 2001 году была одобрена матричная имплантация аутологических хондроцитов, что привело к запуску подобных продуктов, предназначенных для лечения дефектов коленного сустава. В этих продуктах обычно используются каркасы на основе коллагена, за некоторыми исключениями, включая Osteopore®, продающий бесклеточные 3D-печатные биорассасывающие поликапролактоновые имплантаты для содействия заживлению черепно-лицевой кости.
Другие многообещающие RM терапии сейчас исследуются в ходе клинических испытаний, например препарат Vertex VX-880 для лечения диабета 1 типа, который использует функциональные островковые клетки поджелудочной железы, полученные из эмбриональных стволовых клеток (ESC), для восстановления производства инсулина. Биоштучные поджелудочные железы также исследуются в доклинических исследованиях, например в финансируемом ЕС проекте VANGUARD, целью которого является сбор органоидов, производящих инсулин, и измененных геномов клеток в васкуляризированный и функциональный орган для трансплантации без необходимости пожизненной иммуносупрессии.
Однако единственным полным органом человека, который на сегодняшний день подлежит биоинженерии для трансплантации, является мочевой пузырь, который можно рассматривать как низко свисающий плод для RM – будучи тонким и полым, он относительно несложн по сравнению с другими органами.
Были достигнуты успехи в лечении более сложных органов, но одобренные на сегодняшний день продукты все еще используются для содействия заживлению, а не для замены дефектных тканей или органов. Holoclar, например, был одобрен Европейским агентством по лекарственным средствам в 2015 году для регенерации роговицы после ожогов глаза. Продукты для регенерации сердца были также одобрены, включая CardioCel®, бесклеточный коллагеновый каркас, предназначенный для содействия восстановлению поврежденной сердечной ткани эндогенными клетками.
Захватывающие доклинические достижения, дополненные дополнительным прогрессом в технологиях стволовых клеток и генетической модификации, способствовали созданию функциональных тканей и органов in vitro обычно путем децеллюляризации и рецеллюляризации всего органа. Первые биоискусственные сердца были созданы из трупных сердец крыс в 2008 году, и этот успех был воспроизведен в других тканях и больших органах размером с человека… Так где же узкие места в переводе этих выращенных в лаборатории органов в обычную клиническую практику?
Вызовы и возможности
Поскольку технология RM эволюционировала от бесклеточных каркасов к клеточным материалам, оптимальный выбор источника и типа клеток являлся ключевым фактором, который следует учитывать. Источники аутологических клеток обеспечивают очевидные преимущества, устраняя потребность в иммуносупрессии для предотвращения отторжения новой ткани или органа; однако получение достаточного количества соответствующей ткани остается проблемой.
Использование стволовых клеток может обойти эту проблему, поскольку можно выделить, расширить и дифференцировать ex vivo в желаемый тип клеток для целей RM. Плюрипотентные стволовые клетки особенно удобны, поскольку у них есть потенциал для дифференциации в большинство типов клеток. ESC являются аллогенными и отягощенными этическими проблемами; появление и совершенствование технологии индуцированных плюрипотентных стволовых клеток (iPSC) обеспечило почти неограниченный источник аутологических стволовых клеток для применения в тканевой инженерии. Несмотря на то, что протоколы производства и дифференциации iPSC относительно дорогие и вызывают длительные проблемы безопасности, ожидается, что постоянное совершенствование протоколов производства iPSC минимизирует влияние этих проблем.
