Мини-почки «в пробирке»
Успех австралийских ученых: почки из человеческих стволовых клеток
Ученые из Университета Квинсленда объявили о сделанным ими огромном шаге вперед в лечении хронической болезни почек: они вырастили мини-почку из человеческих индуцированных плюрипотентных стволовых клеток. Этот прорыв открывает путь к повышению эффективности лечения пациентов с заболеваниями почек и предвещает хорошее будущее такой области, как медицинская биоинженерия.
«Каждый третий австралиец входит в группу риска развития хронической болезни почек и единственные из доступных в настоящее время методов лечения – это пересадка почки и диализ», – говорит руководитель исследования Мелисса Литтл (Melissa Little), профессор Института молекулярных бионаук (Institute for Molecular Bioscience, IMB) UQ, подчеркивая срочную необходимость разработки новых методов лечения почечных заболеваний.
«Только один из четырех пациентов получит донорский орган, а диализ представляет собой лечение в непрерывном режиме. Мы должны улучшить результаты лечения пациентов с этим тяжелейшим заболеванием, которое обходится Австралии в $ 1,8 млрд. в год».
Австралийские исследователи разработали протокол, стимулирующий дифференциацию стволовых клеток в клетки всех необходимых типов и их дальнейшую самоорганизацию в мини-почки.
«В ходе самоорганизации различные типы клеток располагаются относительно друг друга таким образом, что создают сложные структуры, существующие внутри органа, в данном случае, в почке», – продолжает профессор Литтл. «Тот факт, что такие популяции стволовых клеток могут самоорганизовываться в лабораторных условиях, предвещает хорошее будущее тканевой биоинженерии, целью которой является замена поврежденных и больных органов и тканей».
Ключом к достижению этого результата стали идеально подобранные комбинации молекул, называемых факторами роста.
Обеспечивая стволовые клетки в определенное время определенными концентрациями ростовых факторов, ученые смогли заставить их расти и дифференцироваться в процессе, имитировавшем нормальное развитие.
Профессор Литтл потратила годы, исследуя, какие гены включены или выключены в процессе развития почек.
«Мы должны были провести клетки через все стадии, которые они обычно проходят в процессе развития», – объясняет ученый. «Что нужно добавить, нам подсказывало то, что обычно происходит в ходе развития».
Первоначальной целью ученых было добиться дифференциации стволовых клеток только в один тип клеток почек. Но они с удивлением обнаружили, что образовалось два ключевых типа клеток, каждый из которых необходим для формирования органа.
Результатом этого успеха было то, что оказавшиеся способными к самоорганизации клетки создали свойственную почкам сложную структуру размером в несколько миллиметров.
«Она гораздо меньше, чем взрослая почка. По существу, это маленькая развивающаяся почка», – комментирует Литтл.
Выращенная из человеческих стволовых клеток
мини-почка – аналог почки пятинедельного эмбриона.
(Фото: Gemma Ward/UQ)
Эти результаты превзошли недавнее достижение американских ученых, также опубликованное в журнале Nature Cell Biology.
По словам Литтл, «то, что получили мы, – это гораздо более сложный набор клеток. С точки зрения того, что возможно на сегодняшний день, это огромный шаг вперед.
Директор Института молекулярных бионаук Брэндон Вэйнрайт (Brandon Wainwright) считает исследование «очень перспективным».
«Это звучит как научная фантастика, но Мелисса и ее коллеги показали, что вырастить почку в чашке Петри, начав с клеток кожи человека, действительно можно», – говорит профессор Вэйнрайт.
Профессор Литтл предупреждает, что прежде чем этот метод будет готов к клиническим испытаниям на людях, предстоит пройти долгий путь, но они уже сделали впечатляющий шаг вперед.
Кроме того, в ближайшем будущем это достижение может быть использовано для выращивания мини-почек, выступающих в роли «подопытных кроликов». Это даст огромную экономию средств и времени при испытаниях кандидатных лекарственных препаратов, не связанных с почечными заболеваниями. Литтл и ее коллеги уже ведут переговоры с коммерческими партнерами о развитии этой технологии.
Поздравляя профессора Литтл, министр науки и инноваций Квинсленда Йэн Вокер (Ian Walker) сказал, что биомедицинские исследования имеет важнейшее значение в обеспечении более здорового будущего для жителей Квинсленда. Он уверен, что «исследование группы ученых из IMB является важной вехой в разработке более эффективных методов лечения хронической болезни почек, дающей больным с этим заболеванием уверенность в том, что они смогут жить полноценной и продуктивной жизнью».
Читать статьи по темам:
Читать также:
Из 1 литра жира можно сделать миллиард клеток печени
Человеческая печень содержит около 200 млрд клеток. Но в организме клетки будут размножаться, и в итоге их число достигнет 100 млрд, а этого достаточно для регенерации. Такая процедура способна заменить трансплантацию донорской печени.
Ученые вырастили «в пробирке» модель мозга человека
Вернее, она выросла сама: стволовые клетки самоорганизовались в мозговой «органоид» размером с арахисовое зерно. Это невероятно ценная модель для изучения патологий развития и нейродегенеративных заболеваний.
Искусственное сердце вырастили из человеческих клеток на мышином каркасе
Ученые взяли каркас мышиного сердца, убрали из него клетки и заселили его человеческими клетками, полученными из кожи. Такое сердце пока не может перекачивать кровь, но оно уже бьется.
Кости из стволовых клеток всё ближе к клинике
Американские исследователи впервые прошли весь путь по превращению специализированных клеток человека (фибробластов кожи и клеток костного мозга) в клетки костной ткани.
Условно-репрограммированные стволовые клетки: мечты сбываются?
По мнению руководителя группы ученых, похоже, что разработанный ими новый тип стволовых клеток позволит наконец превратить регенеративную медицину из мечты в реальность.
Электронное СМИ зарегистрировано 12.03.2009
Свидетельство о регистрации Эл № ФС 77-35618
Источник
Органы из пробирки: что уже умеют выращивать
Возможность вырастить человеческий орган в пробирке и пересадить его человеку, нуждающемуся в пересадке — мечта трансплантологов. Ученые по всему миру работают над этим и уже научились делать ткани, небольшие работающие копии органов, и до полноценных запасных глаз, легких и почек нам на самом деле осталось совсем немного. Пока что органеллы используются в основном в научных целях, их выращивают, чтобы понять, как работают органы, как развиваются болезни. Но от этого до трансплантации всего несколько шагов. МедНовости собрали сведения о самых перспективных проектах.
Легкие. Ученые из Техасского университета вырастили легкие человека в биореакторе. Правда, без кровеносных сосудов такие легкие не функциональны. Однако команда ученых из Медицинского центра Колумбийского университета (Columbia University Medical Center, New York) недавно впервые в мире получили функциональное легкое с перфузируемой и здоровой сосудистой системой у грызунов ex vivo.
Ткани сердечной мышцы. Биоинженерам из университета Мичигана удалось вырастить в пробирке кусок мышечной ткани. Правда, полноценно сердце из такой ткани пока работать не сможет, она вдвое слабее оригинала. Тем не менее пока это самый сильный образец сердечной ткани.
Кости. Израильская биотехнологическая компания Bonus BioGroup использовалат трехмерные сканы для создания гелеобразного каркаса кости перед посевом стволовыми клетками, взятыми из жира. Кости, получившиеся в результате, они успешно пересадили грызунам. Уже планируются эксперименты по выращиванию человеческих костей по этой же технологии.
Ткани желудка. Ученым под руководством Джеймса Уэллса из Детского медицинского клинического центра в Цинциннати (Огайо) удалось вырастить «в пробирке» трехмерные структуры человеческого желудка при помощи эмбриональных стволовых клеток и из плюрипотентных клеток взрослого человека, перепрограммированных в стволовые. Эти структуры оказались способны вырабатывать все необходимые человеку кислоты и пищеварительные ферменты.
Японские ученые вырастили глаз в чашке Петри. Искусственно выращенный глаз содержал основные слои сетчатки: пигментный эпителий, фоторецепторы, ганглионарные клетки и другие. Трансплантировать его целиком пока возможности нет, а вот пересадка тканей — весьма перспективное направление. В качестве исходного материала были использованы эмбриональные стволовые клетки.
Ученые из корпорации Genentech вырастили простату из одной клетки. Молекулярным биологам из Калифорнии удалось вырастить целый орган из единственной клетки.
Ученым удалось найти единственную мощную стволовую клетку в простатической ткани, которая способна вырасти в целый орган. Таких клеток оказалось чуть меньше 1% от общего числа. В исследовании 97 мышам трансплантировали такую клетку под почку и у 14 из них выросла полноценная простата, способная нормально функционировать. Точно такую же популяцию клеток биологи нашли и в простате человека, правда, в концентрации всего 0,2%.
Сердечные клапаны. Швейцарские ученые доктор Саймон Хоерстрап (Simon Hoerstrup) и Дорта Шмидт (Dorthe Schmidt) из университета Цюриха (University of Zurich) смогли вырастить человеческие сердечные клапаны, воспользовавшись стволовыми клетками, взятыми из околоплодной жидкости. Теперь медики смогут выращивать клапаны сердца специально для неродившегося еще ребенка, если у него еще в зародышевом состоянии обнаружатся дефекты сердца.
Ушная раковина. Используя стволовые клетки, ученые вырастили ухо человека на спине крысы. Эксперимент был проведен исследователями из Университета Токио (University of Tokyo) И Университета Киото (Kyoto University) под руководством Томаса Сервантеса (Thomas Cervantes).
Кожа. Ученые из Цюрихского университета (Швейцария) и университетской детской больницы этого города впервые сумели вырастить в лаборатории человеческую кожу, пронизанную кровеносными и лимфатическими сосудами. Полученный кожный лоскут способен почти полностью выполнять функцию здоровой кожи при ожогах, хирургических дефектах или кожных болезнях.
Поджелудочная железа. Ученые впервые создали васкуляризованные островки поджелудочной железы, способные вырабатывать инсулин. Еще одна попытка вылечить диабет I типа.
Почки. Ученые из австралийского университета Квинсленда научились выращивать искусственные почки из стволовых клеток кожи. Пока это лишь маленькие органоиды размером 1 см, но по устройству и функционированию они практически идентичны почкам взрослого человека.
Печень. Биологи сразу нескольких стран заявили о том, что смогли вырастить полноценный аналог печени, способный очищать кровь от токсинов и выполнять другие функции этого органа. Для этого ученые использовали стволовые клетки и «заготовки» из стволовых клеток. Эти разработки параллельно велись в Японии, Америке и России.
Мочевой пузырь. Группа американских ученых под руководством Энтони Аталы (Anthony Atala) вырастила в лаборатории человеческие мочевые пузыри, полностью готовые к пересадке, из образцов собственных тканей пациентов. Те же ученые вырастили мочеиспускательные каналы для пациентов, у которых они были повреждены.
Кроме того, ученые уже научились выращивать хрящевые ткани, ткани скелетных мышц и костей, ткани гипофиза, тимуса, а также ткани, функционирующие аналогично тканям человеческого мозга.
Источник
Имплантируемая искусственная почка: обзор сегодняшнего состояния технологии
Трансплантация почек является предпочтительным методом лечения хронических заболеваний почек, но их нехватка, рост числа больных с хроническими заболеваниями этого органа и быстрое развитие заболевания делают большинство пациентов зависящими от диализа. Поскольку диализ резко влияет на образ жизни пациентов, большие надежды возлагаются на развитие искусственных почек, хотя их использование в настоящее время затруднено серьезными опасениями по поводу безопасности. С другой стороны, пациенты с гемодинамической нестабильностью, как правило, не переносят лечение прерывистым диализом из-за их неспособности адаптироваться к изменяющемуся сценарию непредвиденных событий.
Предполагается, что искусственная почка предоставит пациентам с хроническим заболеванием почек новый вариант, выходящий за рамки краткосрочного решения почечного диализа и дорогостоящей пересадки почки. Сегодня разработки в этой сфере ведутся как с целью создания носимого устройств, так и имплантируемого варианта искусственной почки.
В этом обзоре мы обсудим последние достижения в области разработки имплантируемой искусственной почки.
Имплантируемая искусственная почка, которую разрабатывают сегодня несколько коллективов ученых, похожа на существующий экстракорпоральный аппарат почечной помощи, который представляет собой биологически искусственную почку, сочетающую в себе мембранный гемофильтр и биореактор для функционирования в качестве здоровой почки. Однако такое устройство должно быть небольшим, обладать высокой эффективностью фильтрационных мембран, должна быть способна регулировать кровоток и стабилизировать необходимые компоненты. Имплантируемая искусственная почка должна быть способной воспроизводить работу настоящей почки, устранять необходимость в диализе и не требовать постоянного врачебного контроля. Кроме того, ее использование не должно требовать применения иммунодепрессантов и лекарств.
Это в идеале, а что же мы имеем сегодня в действительности?
Kidney Project (Калифорнийский университет в Сан Франциско)
Самая известная разработка в этой сфере ведется в рамках Kidney Project, в котором работают специалисты Калифорнийского университета из Сан-Франциско и университета Вандербильта (США). Они разработали имплантат размером с кофейную чашку, который способен выполнять функции почки и стать великолепным решением для пациентов с хроническим заболеванием почек. Это не очень большое хирургически имплантированное устройство состоит из высокопроницаемого фильтрационного блока и клеток почек человека.
Фильтрующий компонент имеет микропоры, которые могут иметь индивидуальную форму для того, чтобы выполнять определенные задачи. Эти фильтры могут располагаться один за другим, каждый из которых будет выполнять разную функцию фильтрации. Всего устройство содержит в себе пятнадцать таких фильтров, помещенных один поверх другого. Между такими фильтрами и вокруг них находятся живые клетки почки, которые выполняют функции, которые искусственные компоненты выполняют недостаточно хорошо, включая реабсорбцию питательных веществ и избавление от накопленных отходов. Поскольку такое гибридное биологическое устройство будет размещаться вне досягаемости иммунной реакции организма, оно будет таким образом защищено от отторжения человеческим телом.
Т.е. устройство содержит живые клетки, оно теоретически может не только фильтровать кровь, но и выполнять другие важные функции настоящей почки, такие как выделение гормонов для контроля кровяного давления.
Кроме фильтров, которые разделяют различные субстанции в крови, в состав имплантата входит «биореактор», который обрабатывает ультрафильтрат, выделяет из него сахар и соли, которые возвращает в кровь. В этом процессе вода реабсорбируется также обратно в тело, а ультрафильтрат превращается в «мочу», которая направляется в мочевой пузырь для удаления из организма. Эти устройства помещены в прочный корпус, покрытый пленкой из материала, который безопасен для использования внутри нашего тела. Имплантат соединен трубками с расположенными рядом венами и мочевым пузырем.
Питание устройство получает за счет давления крови пациента и этот прибор не требует использования внешних трубок или кабелей, которые сегодня ассоциируются с носимой искусственной почкой.
Очищенная кровь возвращается в систему кровообращения через вены, подключенные к имплантату, а отходы перемещаются в мочевой пузырь через соответствующую трубочку. Все элементы, через которые проходит кровь, имеют покрытие, которое должно препятствовать образованию тромбов. Кроме того, образованию тромбов препятствует специальном образом разработанная схема кровотока внутри системы.
По словам разработчиков, устройство не будет выполнять все функции человеческой почки. «Но цель заключается в том, чтобы оно выполняло критически важные функции и было системой, которая после имплантации позволяла пациенту свободно есть и пить, иметь мобильность, лучшее состояние здоровья в целом, и, в отличие от трансплантата, не требовать применения иммунодепрессантов», — заявляют университетские ученые.
Отметим, что при этом пациенты все равно должны принимать гормональные добавки, которые они используют при прохождении процедур диализа.
Тестирование рабочего прототипа предполагается провести в 2020 году.
USKRC
Недавно компания American Kidney Research Corporation (USKRC) объявила о разработке, как они утверждают, «первой в мире» имплантируемой искусственной почки. В этом устройстве применяется метод производства синтетической мочи с использованием технологии очистки крови с помощью деионизации, которая является первой в своем роде. Он включает в себя процессы фильтрации и ионного транспорта, которые аналогичны процессам, происходящим в человеческой почке.
Разработку, которую финансирует USKRC, ведут ученые из Калифорнийского университета в Лос-Анжелесе и университета Арканзаса.
По словам разработчиков системы,
В крови есть различные ионы и вещества, в том числе натрий, калий, мочевина и вода, которые необходимо транспортировать, либо в кровь, либо в мочевой поток, и в соответствующих количествах в течение определенного периода времени. Для этого необходимо создать ионную транспортную систему и систему транспортировки воды, что мы и сделали. Вот почему мы смогли создать синтетическую мочу.
Прибор включает в себя пару блоков электродеионизации — один предназначен для калия, так как эти уровни необходимы для поддержания электрической активности сердца, а другой — для всех остальных ионов. Он также имеет три других модуля: ультрафильтрации для удержания клеток крови и белков в организме, нанофильтрации для предотвращения выделения глюкозы и модуль обратного осмоса для модуляции количества выделяемой воды.
Система предназначена для удаления мочи со скоростью, сравнимой с той, какую обеспечивает здоровая почка, выдавая примерно то же количество воды, которое потребляется в данный день. Она включает в себя датчики обратной связи и настраиваемое программное обеспечение для контроля изменений в биохимии крови.
Стандартные диализные аппараты подвергают кровь диализату через мембрану; разница между составом диализата и кровью определяет, какие ионы выходят из организма и попадают в диализат. В отличие от диализа, при таком подходе не требуется очищенная вода или диализат, которые усложняют работу врачей и жизнь пациентов.
Недавно прототип такого устройства был испытан на животных, в том числе на свиньях, у которых работа почек очень похожа на функционирование этого органа у человека.
Результаты тестирования показали, что технология позволяет измерять (и, вероятно, в будущем контролировать) уровень калия, удаляемого из крови и затем переносимого в искусственную мочу под контролем компьютера. В настоящее время прототип этого устройства представляет собой носимый прибор размером с небольшой чемодан, который в ближайшем будущем предполагается усовершенствовать, существенно уменьшить, обеспечить его биосовместимость для обеспечения возможности его имплантации в человеческое тело.
По оценкам USKRC, при обеспечении достаточного финансирования испытания на человеке могут быть инициированы через два — два с половиной года.
Причина, по которой эта технология меняет правила игры, говорят разработчики, заключается в способности очищать кровь пациентов с терминальной стадией почечной недостаточности без использования процедур диализа. Это меняет методологию, практикуемую десятилетиями, что приводит к изменению парадигмы.
В ближайшем будущем разработчики планируют дорабатывать каждый из компонентов своего устройства. Он намерены изменить ультрафильтр, чтобы пациенту не понадобился гепарин или антикоагулянт. Кроме того, они планируют перепроектировать ультрафильтр так, чтобы в самом фильтре были компоненты, которые будут препятствовать свертыванию крови и улучшить электродеионизационные узлы.
Qidni Labs
Компания, Qidni Labs создает полностью имплантируемую искусственную почку, которая использует систему нанофильтрации для имитации функции органа. Разработанный специалистами фирмы прототип уже хорошо зарекомендовал себя при имплантации в свиней.
Фильтр устройства изготавливается из ультратонких мембран кристаллического кремния, которые покрываются биосовместимым материалом, чтобы не провоцировать иммунную реакцию. Сегодня такие кремниевые мембраны могут производиться в массовом порядке с размерами пор от 5 до 20 нанометров — достаточно большими, чтобы пропускать частицы отходов, но слишком маленькими для кровяных клеток.
По утверждению разработчиков это устройство будет непрерывно фильтровать кровь пациента в течение многих лет, не требуя обслуживания и очистки, что позволит навсегда освободить пациента от аппаратов диализа.
На базе этой технологии компания также планирует выпустить носимый миниатюрный диализный аппарат, который, по видимости, появится на рынке раньше имплантируемого устройства. В настоящее время Qidni Labs тестирует свои устройства и, если все пойдет по плану, разработчики ожидают, что эти приборы выйдут на рынок через четыре-пять лет.
Сейчас проект находится на доклинической стадии.
Выращенные в лаборатории живые почки
Несколько исследователей по всему миру пытаются вырастить полноценную почку человека с помощью почечных клеток от эмбрионов, стволовых клеток, взятых от взрослых людей, или клонированной ткани. В частности, команда ученых из Манчестерского университета первой в мире научилась выращивает части почки (нефроны), которые фильтруют кровь, в лаборатории с использованием человеческих стволовых клеток. Выращенные таким образом нефроны затем были имплантированы в мышь и показали свою способность фильтровать кровь и вырабатывать мочу, подобно тому, как работает нормальная почка. Новые структуры содержали большинство составных частей, присутствующих в нефронах человека — в том числе проксимальные канальцы, дистальные канальцы, капсулу Боумана и петлю Хенле.
При здоровых почках, имеющих около 1 миллиона нефронов каждая, процесс должен был бы масштабироваться, чтобы вырастить целые органы, готовые к трансплантации. Достоинство использования собственных стволовых клеток пациента заключается в том, что это может помочь избежать отторжения его организмом выращенной в лаборатории почки (что может произойти с сегодняшними пересадками почек).
Это исследование находится в самом начале, и требуется еще очень много работы, но способность выращивать нефроны в лаборатории уже является выдающимся достижением.
Источник