Что требуется для выращивания костей в большом количестве? Типичная регенерация кости, при которой костная ткань из бедра пациента пересаживается на повреждённую кость другой части организма, происходит не бесконечно и может вызывать сильную боль спустя несколько лет после операции. В своём докладе Молли Стивенс представляет новый способ применения стволовых клеток, при котором используется врождённая способность кости восстанавливаться и безболезненно производить большие количества костной ткани.
В нашей человеческой природе лежит желание улучшить своё здоровье и уменьшить свои страдания. Какие бы испытания ни были в нашей жизни, будь то рак, диабет, болезни сердца или даже сломанные кости, мы хотим попытаться улучшить своё здоровье. Я заведую биометрической лабораторией. Я восхищаюсь тем, как оригинально люди использовали материалы в своём теле в разные времена. Возьмём, к примеру, эту прекрасную синюю перламутровую ракушку. На самом деле, её использовал народ майя в качестве зубных протезов. Мы точно не знаем, почему они это делали. Она прочная и рассчитана на длительное пользование.
Но у неё также есть другие очень хорошие свойства. Если её вставить в челюстную кость, она может соединиться с челюстью. Благодаря хорошо развитым технологиям обработки изображения мы знаем, что часть этого соединения происходит потому, что этот материал сделан очень специфическим образом, обладает прекрасным химическим составом и строением. И я считаю, что мы можем рассматривать использование синей перламутровой ракушки майя как первое реальное применение технологии Bluetooth. (Смех) Но если мы рассмотрим историю применения людьми разных материалов в организме, то в этом плане очень изобретательными часто оказывались физики. Они использовали всевозможные средства.
Один из моих любимых примеров — это история сэра Гарольда Ридли, который был знаменитым офтальмологом или, по крайней мере, стал им. Во время Второй мировой войны он заметил, что у пилотов, вернувшихся после заданий, внутри глаз были маленькие осколки какого-то вещества, застрявшего там. Самое интересное заключалось в том, что это вещество не вызывало никакого воспалительного процесса. Он обнаружил, что это были маленькие осколки пластика от верхней части истребителей «Спитфайр». Благодаря этому он предложил данный материал в качестве нового вещества для внутриглазных линз. Оно называется полиметилметакрилат (ПММА) и сейчас используется миллионами людей каждый год и помогает предотвратить катаракту. И этот пример, по-моему, действительно хорош, потому что он напоминает нам о том, что раньше люди часто выбирали материалы на основе их биоинертности.
В основном они выполняли механические функции. Вы внедряли их в организм и не получали неблагоприятной реакции. Я хочу вам показать, что в регенеративной медицине мы отбросили идею использования биоинертного материала. Мы активно ищем материалы, которые будут биоактивными и будут взаимодействовать с телом, и, более того, мы сможем поместить их в организм, где они будут выполнять свои функции, а потом растворяться с течением времени. Если рассмотреть это с помощью схемы, то она покажет наше представление о типичном подходе к выращиванию тканей. У нас есть клетки пациентов. Мы помещаем их на материал, который можем сделать очень сложным, если захотим. Потом можем вырастить ткани в лаборатории или поместить обратно в тело пациента. Этот подход используется по всему миру, включая нашу лабораторию. Одно из важных наблюдений за стволовыми клетками заключается в том, что из них могут возникать разные ткани. Они хотят стать различными биологическими тканями. А мы хотим удостовериться, что среда, в которую мы их помещаем, содержит достаточно информации, благодаря которой они могут стать именно той необходимой тканью. Если мы представляем себе разные виды тканей, которые по мнению людей могут восстанавливаться в разных лабораториях мира, то так можно думать о любой ткани.
Дело в том, что структура этих тканей разная и будет зависеть от того, есть ли у вашего пациента какая-нибудь основная болезнь, а также от ряда условий, например, как будет идти восстановление этой ткани. Нужно уделить пристальное внимание используемым материалам, их биохимии и механике, а также многим другим свойствам. Все наши ткани имеют очень разные восстановительные способности. Вот мы видим бедного Прометея, который выбрал довольно хитрый род деятельности, и был наказан греческими богами. Его приковали к скале, и каждый день прилетал орёл и клевал его печень. Конечно, его печень должна была восстанавливаться каждый день. Так день за днём его наказывали боги веками. А печень всё восстанавливается таким прекрасным образом. Если мы рассмотрим другие ткани, например, хрящ, то даже самая простая трещина затруднит ваши действия по восстановлению хряща.
Поэтому для разных тканей будут разные способы их регенерации. Кость представляет собой промежуточный этап. Над этим видом ткани мы много работаем в лаборатории. На самом деле, кость хорошо восстанавливается. Так и должно быть. Вероятно, у всех были переломы в какой-то период жизни. Вот один способ, который поможет вам восстановить перелом. Эта процедура называется сбором подвздошного гребня. Хирург берёт немного костной ткани из подвздошного гребня, который находится вот здесь, и пересаживает её в другую часть организма. Процедура хорошая и действующая, так как используется ваша собственная кость. Хорошо образуются новые кровеносные сосуды, что указывает на хорошее кровоснабжение.
Но есть проблема: можно взять только вот столько ткани, а когда сделаете операцию, ваши пациенты, вероятно, будут ощущать резкую боль в месте повреждения даже спустя два года после операции. Мы размышляли над тем, что потребность в восстановлении костей, конечно, велика, но данный подход с использованием подвздошного гребня имеет много ограничений. Может, мы могли бы воссоздать образование кости в самом теле при необходимости, а затем сделать пересадку без тех болезненных последствий, которые появляются вследствие сбора подвздошного гребня? Мы так и сделали. Мы снова задействовали подход типичного выращивания тканей. Но совсем по-другому. Мы во многом его упростили и избавились от большого количества этапов: сбора клеток пациента, помещения их в прихотливую химическую среду, а также выращивания этих клеточных каркасов в лаборатории. Мы сосредоточились на строении материи и её весьма простом создании. Так как мы с умом подошли к этому вопросу, то смогли создать много костной ткани благодаря данному подходу. Мы использовали тело в качестве катализатора, который помог нам создать много новых костей. Мы называем такой подход биореактором в естественных условиях. Благодаря ему мы смогли создать много новых костей. Я расскажу вам об этом подходе. Так что же мы делаем?
У людей есть слой стволовых клеток на наружной стороне трубчатых костей. Этот слой называется надкостницей. Обычно он очень тесно связан с основной костью и содержит стволовые клетки. Эти клетки имеют важное значение для развивающегося эмбриона. Они также пробуждаются, если у вас возник перелом, и помогают восстановить кость. Итак, мы берём слой надкостницы. Мы разработали способ введения под этот слой жидкости, которая за 30 секунд превратится в достаточно твёрдый гель и отдалит надкостницу от кости. По сути, возникает искусственная полость, которая находится как рядом с костью, так и с богатым слоем стволовых клеток. Мы проникаем в надрез размером с булавочное отверстие так, что другие клетки тела туда не попадают. Затем эта искусственная полость биореактора вызывает размножение стволовых клеток. Они образуют много новой ткани. После со временем вы сможете собрать эту ткань и использовать её в другой части организма. Это гистологический диапозитив того, что мы видим, когда занимаемся данным процессом.
По сути, мы видим очень много костной ткани. На картинке вы видите середину ноги и костный мозг. Вы видите исходную кость, и где она заканчивается. Слева находится новая кость, выращенная в полости биореактора. Вы даже можете её увеличить. То разграничение, которое вы видите между исходной и новой костями, является маленьким недостатком. Теперь хирург может приступить к делу и собрать новую костную ткань, а надкостница снова нарастёт, и нога остаётся в том же виде, как будто вас не оперировали раньше. Последующие болевые ощущения очень слабы по сравнению с процедурой сбора подвздошного гребня. Вы можете вырастить разное количество костей в зависимости от того, сколько геля туда вливаете.
Поэтому данный вид процедуры основан на потребности. Во время нашей работы эта процедура получила большую огласку в прессе, так как это был действительно хороший способ создания новой костной ткани. К нам обратилось много разных людей, которые заинтересовались этой процедурой. Следует отметить, что иногда эти обращения очень странные и немного неожиданные. Самое интересное обращение я получила от команды американских футболистов, которые захотели себе черепа двойной толщины в голове. Получая подобные обращения и будучи британкой, выросшей во Франции, я склонна быть очень резкой и прямой. Поэтому мне пришлось объяснить им подробно, что у них особый случай, и это не то, что следует защищать в первую очередь. (Смех) (Аплодисменты) Итак, это был наш подход и простые материалы. Мы тщательно размышляли над этим. Мы знаем, что клетки в теле и эмбрионе, развиваясь, образуют разные виды тканей и хряща. Мы разработали гель, немного отличающийся по своей природе и химическому составу, поместили его в организм, а взамен получили 100-процентный хрящ. Думаю, данный подход хорошо использовать для предварительно запланированных процедур.
Но это как раз то, что действительно надо планировать заранее. Другим видам операций определённо необходимы подходы с использованием клеточных каркасов. При проектировании других каркасов необходима разноплановая команда. В нашей команде есть химики, клеточные биологи, хирурги, даже физики. Все объединяются и тщательно работают над созданием материалов. Мы хотим, чтобы они располагали информацией, благодаря которой мы сможем управлять клетками. Информация должна быть простой и без проблем попадать в клинику. Мы много размышляем и пытаемся понять строение тканей в организме. Представим кость. Очевидно, что это моя любимая ткань. Мы увеличиваем изображение и видим — даже если вы ничего не знаете о структуре кости — как красиво она устроена, очень красиво организована. Тут много кровеносных сосудов. Если мы снова увеличим изображение, то увидим, что клетки окружены трёхмерным цитоплазматическим матриксом из нановолокон, которые передают информацию клеткам.
Если увеличить изображение ещё раз, то видно, что костный матрикс вокруг клеток хорошо устроен на наноуровне. Это гибридный материал: одна часть органическая, другая — неорганическая. Так появилась целая область исследований развивающихся материалов с гибридной структурой. Я покажу только два примера изготовленных нами материалов с такой структурой, которую можно создать. Здесь представлен очень мягкий гибридный материал, удивительно упругий и нехрупкий. А неорганический материал был бы хрупким и не получился бы таким прочным и упругим. Я хочу отметить, что наши клеточные каркасы простые. Так и должно быть, потому что требуется, чтобы там формировались кровеносные сосуды. Часто поры намного больше клеток. Хотя это и трёхмерное изображение, клетка может выглядеть больше, чем немного кривая поверхность, Это не совсем естественно.
Можно продумать создание клеточных каркасов слегка изменённых размеров, которые могли бы окружить клетки в трёхмерном матриксе и предоставить им больше информации. Большая работа ведётся в данных областях. И в конце я хочу рассказать о применении данного подхода к лечению сердечно-сосудистых заболеваний, так как это большая клиническая проблема. Мы знаем, что, к сожалению, если у вас сердечный приступ, ткань начинает отмирать, и со временем исход может быть плачевным. Было бы замечательно, если бы мы могли предотвратить процесс отмирания ткани или помочь ей восстановиться. По всему миру проводится множество экспериментов над стволовыми клетками. Используются различные виды клеток.
И тут возникает общая проблема: зачастую клетки отмирают после вживления. Можно вживить их в сердце или в кровеносную систему, но, в любом случае, мы не в состоянии получить подходящее количество клеток, которые достигнут нужного нам местоположения и смогут обеспечить клеточную регенерацию, что позволило бы нам получить хорошие клинические результаты. Поэтому мы также, как и многие другие учёные, размышляем над проблемой разработки необходимых для этого материалов. Тут есть отличия. Нам всё ещё нужна химия, механика, занимательная топография. Нам нужны интересные способы окружения клеток. Самим клеткам, вероятно, понравился бы материал, который может стать проводником, так как клетки будут хорошо реагировать и передавать друг другу сигналы. Сейчас вы видите, как синхронно они сталкиваются с материалами. Развитие происходит очень захватывающе. Подводя итоги, я хотела бы сказать, что возможность работать в данной области, которая для всех нас является не только очень увлекательной наукой, но и возможностью благотворно влиять на пациентов, как взрослых, так и детей, представляет большую честь. И за это я вам тоже благодарна. Спасибо. (Аплодисменты)
https://www.ted.com
https://neinvalid.ru/
