Jak w probówce wyhodować najważniejszy mięsień ciała
Zaprojektowanie i zbudowanie serca z tworzyw sztucznych i tytanu zajęło amerykańskiej firmie Abiomed trzy lata. Jej przedstawiciele są prawie pewni, że wkrótce otrzymają zgodę na limitowaną sprzedaż produktu. W połowie przyszłego roku 4 tys. sztucznych serc AbioCor trafi do nieuleczalnie chorych pacjentów, dając im szansę na wydłużenie życia o kilkanaście miesięcy. Naukowcy nie przestają jednak poszukiwać lepszego rozwiązania. Cztery lata temu optymistycznie założyli, że dzięki metodom inżynierii tkankowej w ciągu dekady zdołają wyhodować sztuczne serce. Dziś, choć ten termin wydaje się nierealny, wizja serca z probówki zyskuje coraz większe rzesze entuzjastów.
Części zamienne
Na razie naukowcy mogą się poszczycić osiągnięciami w dziedzinie hodowli poszczególnych części serca. Najbardziej zaawansowany jest program BioEngineered Autologous Tissue (BEAT), kierowany przez Buddy'ego Ratnera z University of Washington w Seattle. Uczeni z BEAT otrzymali pięcioletni grant i 10 mln dolarów od Narodowych Instytutów Zdrowia. Mają stworzyć płaty mięśni sercowych wszczepiane chorym po zawale. Jeśli przedsięwzięcie się powiedzie, zaczną prace nad sztuczną komorą serca. "Nie porzuciliśmy też idei wyhodowania całego organu" - twierdzi Ratner.
Robert Langer z Massachusetts Institute of Technology, jeden z pionierów inżynierii tkankowej, wyhodował sztuczną arterię. Podobnym sukcesem może się poszczycić kalifornijska firma Cytograft Tissue Engineering. John Mayer i jego współpracownicy z Children's Hospital w Bostonie wyhodowali sztuczną zastawkę i wszczepili ją do organizmu jagnięcia. W przeciwieństwie do zastawki z tworzyw sztucznych może ona rosnąć razem z sercem.
Rusztowanie dla serca
Założenia inżynierii tkankowej są dość proste. Przede wszystkim trzeba zbudować szkielet, na którym będą hodowane tkanki, później wprowadzić do niego kilka komórek i sprawić, by się namnażały. Do tego potrzebny jest bioreaktor, który dostarcza substancji odżywczych i tlenu. Kiedy nowe komórki wypełnią rusztowanie, można dokonać przeszczepu. Najlepszy szkielet to taki, który byłby akceptowany przez organizm, a po spełnieniu swej funkcji uległby rozpadowi, nie uwalniając żadnych substancji toksycznych. Można w tym celu wykorzystać biomolekuły, takie jak kolagen, które mechanicznie usztywniają naturalne tkanki, bądź syntetyczne polimery ulegające biodegradacji.
Duże sukcesy w tworzeniu molekularnych szkieletów ma Kimberly Woodhouse. Razem ze współpracownikami z University of Toronto opracowała rusztowanie z łańcucha polipeptydów, które nadają tkankom elastyczność (ta właściwość jest szczególnie istotna w wypadku mięśnia sercowego).
Komórkowe zasiewy
Dorosłe komórki mięśnia sercowego nie ulegają podziałom, więc na rusztowaniu trzeba umieszczać komórki z innego źródła, na przykład komórki mięśni szkieletowych, które namnażają się dość szybko. W ostatnich kilku latach entuzjazm naukowców wzbudzało także zastosowanie komórek macierzystych pobranych ze szpiku kostnego bądź z kilkudniowych ludzkich embrionów.
Dużym problemem jest wyhodowanie tkanki wielowarstwowej. Ściana mięśnia sercowego u człowieka ma około 2 cm grubości, tymczasem w nowoczesnych bioreaktorach można wyhodować tkankę o grubości najwyżej 100 mikrometrów, składającą się z 4-7 warstw komórek.
Sposobem na rozwiązanie tego problemu jest złożenie kilku warstw tkanki jedna na drugiej. Tę metodę stosuje Teruo Okano z Uniwersytetu Medycznego w Tokio. Zespołowi jego naukowców udało się wyhodować cztery warstwy tkanek z komórek pobranych z mięśnia sercowego nowo narodzonych szczurów, nałożyć je na siebie i doprowadzić do ich "zrośnięcia".
Innym sposobem na wyhodowanie grubej tkanki jest wprowadzenie do jej wnętrza niewielkich naczyń dostarczających substancje odżywcze i zapewniających dotlenienie komórek.
Uczeni mają nadzieję, że kiedyś stanie się możliwe hodowanie tkanek poprzecinanych sztucznymi naczyniami krwionośnymi, co pozwoli na znaczne zwiększenie ich grubości. Na razie Robertowi Vernonowi, uczestnikowi projektu BEAT, udało się stworzyć niewielkie naczynia z kolagenu, które wprawdzie nie mogą dostarczać krwi, ale pozwalają na transport substancji odżywczych i tlenu. Realizacja tego zadania jest możliwa po wtopieniu naczynek między dwie warstwy tkanek wyhodowanych w bioreaktorze.
Aby stworzyć grubą tkankę, można też wykorzystać żywy organizm jako swego rodzaju bioreaktor. Jonathan Leor i jego współpracownicy z uniwersytetu w Tel Awiwie wprowadzili komórki pobrane z embrionów i nowo narodzonych szczurów do rusztowania i umieścili je w bioreaktorze na cztery dni. Następnie wszczepili je z powrotem do ciał szczurów. Wtedy w tkankach stworzonych w laboratorium pojawiły się naczynia krwionośne. Wówczas tkanki wycięto i wszczepiono do serc innych zwierząt.
Kiedy zastawki, mięśnie, naczynia krwionośne i inne elementy są już gotowe, pozostaje kwestia ich połączenia w sprawnie działającą całość. Najlepszym rozwiązaniem byłoby wyhodowanie wszystkich elementów jednocześnie, w wielokomorowym bioreaktorze. Na razie jednak nikt nie wie, jak tego dokonać. Nawet gdyby okazało się to niemożliwe, i tak wielu pacjentów odniesie ogromną korzyść dzięki przeszczepom poszczególnych "części zamiennych" serca tworzonych w laboratorium.
Części zamienne
Na razie naukowcy mogą się poszczycić osiągnięciami w dziedzinie hodowli poszczególnych części serca. Najbardziej zaawansowany jest program BioEngineered Autologous Tissue (BEAT), kierowany przez Buddy'ego Ratnera z University of Washington w Seattle. Uczeni z BEAT otrzymali pięcioletni grant i 10 mln dolarów od Narodowych Instytutów Zdrowia. Mają stworzyć płaty mięśni sercowych wszczepiane chorym po zawale. Jeśli przedsięwzięcie się powiedzie, zaczną prace nad sztuczną komorą serca. "Nie porzuciliśmy też idei wyhodowania całego organu" - twierdzi Ratner.
Robert Langer z Massachusetts Institute of Technology, jeden z pionierów inżynierii tkankowej, wyhodował sztuczną arterię. Podobnym sukcesem może się poszczycić kalifornijska firma Cytograft Tissue Engineering. John Mayer i jego współpracownicy z Children's Hospital w Bostonie wyhodowali sztuczną zastawkę i wszczepili ją do organizmu jagnięcia. W przeciwieństwie do zastawki z tworzyw sztucznych może ona rosnąć razem z sercem.
Rusztowanie dla serca
Założenia inżynierii tkankowej są dość proste. Przede wszystkim trzeba zbudować szkielet, na którym będą hodowane tkanki, później wprowadzić do niego kilka komórek i sprawić, by się namnażały. Do tego potrzebny jest bioreaktor, który dostarcza substancji odżywczych i tlenu. Kiedy nowe komórki wypełnią rusztowanie, można dokonać przeszczepu. Najlepszy szkielet to taki, który byłby akceptowany przez organizm, a po spełnieniu swej funkcji uległby rozpadowi, nie uwalniając żadnych substancji toksycznych. Można w tym celu wykorzystać biomolekuły, takie jak kolagen, które mechanicznie usztywniają naturalne tkanki, bądź syntetyczne polimery ulegające biodegradacji.
Duże sukcesy w tworzeniu molekularnych szkieletów ma Kimberly Woodhouse. Razem ze współpracownikami z University of Toronto opracowała rusztowanie z łańcucha polipeptydów, które nadają tkankom elastyczność (ta właściwość jest szczególnie istotna w wypadku mięśnia sercowego).
Komórkowe zasiewy
Dorosłe komórki mięśnia sercowego nie ulegają podziałom, więc na rusztowaniu trzeba umieszczać komórki z innego źródła, na przykład komórki mięśni szkieletowych, które namnażają się dość szybko. W ostatnich kilku latach entuzjazm naukowców wzbudzało także zastosowanie komórek macierzystych pobranych ze szpiku kostnego bądź z kilkudniowych ludzkich embrionów.
Dużym problemem jest wyhodowanie tkanki wielowarstwowej. Ściana mięśnia sercowego u człowieka ma około 2 cm grubości, tymczasem w nowoczesnych bioreaktorach można wyhodować tkankę o grubości najwyżej 100 mikrometrów, składającą się z 4-7 warstw komórek.
Sposobem na rozwiązanie tego problemu jest złożenie kilku warstw tkanki jedna na drugiej. Tę metodę stosuje Teruo Okano z Uniwersytetu Medycznego w Tokio. Zespołowi jego naukowców udało się wyhodować cztery warstwy tkanek z komórek pobranych z mięśnia sercowego nowo narodzonych szczurów, nałożyć je na siebie i doprowadzić do ich "zrośnięcia".
Innym sposobem na wyhodowanie grubej tkanki jest wprowadzenie do jej wnętrza niewielkich naczyń dostarczających substancje odżywcze i zapewniających dotlenienie komórek.
Uczeni mają nadzieję, że kiedyś stanie się możliwe hodowanie tkanek poprzecinanych sztucznymi naczyniami krwionośnymi, co pozwoli na znaczne zwiększenie ich grubości. Na razie Robertowi Vernonowi, uczestnikowi projektu BEAT, udało się stworzyć niewielkie naczynia z kolagenu, które wprawdzie nie mogą dostarczać krwi, ale pozwalają na transport substancji odżywczych i tlenu. Realizacja tego zadania jest możliwa po wtopieniu naczynek między dwie warstwy tkanek wyhodowanych w bioreaktorze.
Aby stworzyć grubą tkankę, można też wykorzystać żywy organizm jako swego rodzaju bioreaktor. Jonathan Leor i jego współpracownicy z uniwersytetu w Tel Awiwie wprowadzili komórki pobrane z embrionów i nowo narodzonych szczurów do rusztowania i umieścili je w bioreaktorze na cztery dni. Następnie wszczepili je z powrotem do ciał szczurów. Wtedy w tkankach stworzonych w laboratorium pojawiły się naczynia krwionośne. Wówczas tkanki wycięto i wszczepiono do serc innych zwierząt.
Kiedy zastawki, mięśnie, naczynia krwionośne i inne elementy są już gotowe, pozostaje kwestia ich połączenia w sprawnie działającą całość. Najlepszym rozwiązaniem byłoby wyhodowanie wszystkich elementów jednocześnie, w wielokomorowym bioreaktorze. Na razie jednak nikt nie wie, jak tego dokonać. Nawet gdyby okazało się to niemożliwe, i tak wielu pacjentów odniesie ogromną korzyść dzięki przeszczepom poszczególnych "części zamiennych" serca tworzonych w laboratorium.
Więcej możesz przeczytać w 17/2003 wydaniu tygodnika Wprost .
Archiwalne wydania tygodnika Wprost dostępne są w specjalnej ofercie WPROST PREMIUM oraz we wszystkich e-kioskach i w aplikacjach mobilnych App Store i Google Play.
