Меню
Все темы
Человек и его регенерация
Почему люди не регенерируют как аксолотли и смогут ли когда-нибудь этому научиться? С какими барьерами сталкивается регенеративная медицина, и как их можно преодолеть? Отвечаем на эти и другие (не)простые вопросы о регенеративной медицине и перспективах ее развития.
Почему у регенерации есть предел?
Что и как можно сделать из стволовых клеток?
Клетки подходят, если надо восполнить небольшое повреждение или вырастить орган без сложной структуры, вроде островка, производящего инсулин. А если надо реконструировать крупный участок?
Кто умеет регенерировать лучше нас и почему? Чем они отличаются от нас?
Может, тогда позаимствовать механизмы этих видов?
А если обращать внимание на собственные механизмы
Но даже если мы поймем, какие механизмы нужно включить, — как это сделать?
Регенеративная медицина занимается восстановлением — регенерацией или механической заменой — человеческих тканей, которые были повреждены в результате травмы, болезни или старения. Для восстановления могут использоваться клетки, белки и генные технологии. Считается, что термин в таком понимании впервые использовал в 1999 году ученый и предприниматель из США Уильям Хасельтайн, чтобы описать зарождающееся междисциплинарное направление медицины. Регенеративная медицина включает создание терапевтических стволовых клеток, тканевую инженерию и производство искусственных органов, а также разработку методов воздействия на поврежденные ткани и органы, которые позволили бы запустить «встроенные» механизмы их восстановления.
Однако почему в таких вмешательствах вообще есть необходимость и чем ограничена природная способность человека к регенерации?
Почему у регенерации есть предел?
В целом способность к регенерации снижается по мере эволюции. Животные приобрели развитый адаптивный иммунитет, выраженную и комплексную реакцию воспаления и теплокровность, а фенотипическая пластичность их клеток снизилась — «плата» за то, чтобы при активном метаболизме не получить высокий риск формирования злокачественных опухолей. Поэтому человек, как сложно устроенное млекопитающее, ограничен в масштабах регенерации. Это, впрочем, не распространяется на более локальные механизмы — например, на уровне отдельных тканевых и клеточных процессов.
Однако это не значит, что с регенерацией человеческого организма все безнадежно плохо (иначе регенеративной медицине было бы не на что воздействовать). Ярким примером служит ранняя регенерация дистальной фаланги — известно, что у детей до 10 лет оторванный или ампутированный кончик пальца может восстановиться вместе с костью и ногтем.
Credit:В целом к активной регенерации, как физиологической (то есть самообновлению по мере необходимости), так и репаративной (залечиванию повреждений) склонен эпидермис человека и его производные. Выдающейся способностью к регенерации отличается печень — это единственный внутренний орган, способный восстановить свою массу даже при ее критической потере (до 70–75%). Другие паренхиматозные (сплошные) органы, такие как легкие, почки и поджелудочная железа, адаптируются к потере тканей, но не восстанавливаются полностью. С регенерацией сердца и нервной системы все еще сложнее. Да и у регенерации печени есть ограничения — например, фиброз на поздних стадиях становится необратимым, и ткань теряет возможность нормально восстановиться.
И, конечно, «рекордсмен» по регенерации в человеческом организме — эндометрий матки, который у женщин репродуктивного возраста отслаивается и восстанавливается без рубцов каждый месяц.
Что и как можно сделать из стволовых клеток?
Подходы, используемые в регенеративной медицине, глобально можно разделить на несколько направлений: клеточная терапия, применение устройств и препаратов, стимулирующих регенерацию, тканевая инженерия и 3D-биопечать. Кроме того, можно запустить регенерацию с помощью генной терапии.
Клеточная терапия основана на введении здоровых клеток, уже дифференцированных либо стволовых, в поврежденные ткани. Пересаженные клетки могут как просто заменять погибшие, так и формировать благоприятную среду для регенерации. При пересадке дифференцированных клеток их берут у пациента в готовом к имплантации виде — в этом состоит преимущество способа. Однако их трудно получать in vitro в большом количестве. Стволовые клетки (СК), напротив, способны к интенсивной пролиферации и самообновлению, поэтому их проще вырастить в достаточном объеме, а затем индуцировать дифференцировку в нужный тип клеток.
В медицине применяются разные типы СК. Например, взрослые стволовые клетки, которые поддерживают самообновление тканей — у пациента можно взять гемопоэтические СК из костного мозга или мезенхимальные из жировой ткани. Другой вариант — эмбриональные стволовые клетки. Терапию сахарного диабета такими клетками разрабатывала компания ViaCyte, которую в 2022 году приобрела Vertex Pharmaceuticals.
А еще можно вводить пациенту клетки пуповинной крови — подход, например, используется как альтернатива трансплантации гемопоэтических стволовых клеток при лечении заболеваний крови. (Первое успешное лечение клетками пуповинной крови провели в 1988 году ребенку с анемией Фанкони, редкой наследственной болезнью.)
Наверное, наиболее популярное и «гибкое» направление — это работа с индуцированными плюрипотентными стволовыми клетками (ИПСК). Их получают путем дедифференцировки зрелых клеток, на практике чаще всего фибробластов. Метод перепрограммирования предложил Синъя Яманака в 2006 году, шесть лет спустя ему присудили за это Нобелевскую премию.
Синъя Яманака (фото 2014 года).Один из примеров использования ИПСК в регенеративной медицине: пациентам с болезнью Паркинсона подсаживают предшественники дофаминергических нейронов, дифференцированные из ИПСК, чтобы заменить ими погибшие клетки мозга. Такой подход уже опробовали на человеке.
Успехи намечаются и в лечении диабета — в 2024 году первая пациентка получила островковые бета-клетки поджелудочной железы, выращенные из ее собственных ИПСК.
А препарат зимислецел от Vertex Pharmaceuticals, полученный из донорских стволовых клеток, прошел фазу 1/2 КИ в прошлом году — у всех пациентов снизилась потребность в инсулине (хотя им пришлось назначать иммуносупрессоры, поскольку пересаживались клетки от другого человека).
Клетки подходят, если надо восполнить небольшое повреждение или вырастить орган без сложной структуры, вроде островка, производящего инсулин. А если надо реконструировать крупный участок?
Тут на помощь приходят более сложные методы — например, тканевая инженерия. Она представляет собой «надстройку» над клеточной терапией, сочетая в себе клетки и биосовместимый материал. На него можно напрямую наносить нужные клетки, выдерживать заранее подготовленную структуру в суспензии клеток или прибегнуть к методу 3D-биопечати. Но некоторые биосовместимые материалы применяются и сами по себе — так тоже можно запустить и направить регенерацию.
Помимо самих клеток, важны характеристики внеклеточного матрикса, который не только поддерживает структуру, но и участвует в регуляции таких процессов, как экспрессия генов, выживание, гибель, пролиферация, миграция и дифференцировка клеток. На него завязано второе направление — управление регенерацией с помощью неклеточных материалов, в том числе синтетических.
В 2010 году группа итальянских ученых создала из нановолокон и самособирающихся пептидов композитный материал, который стимулировал регенерацию нервов у крыс с хронической травмой спинного мозга. Сейчас это направление активно развивается.
Credit:123rf.com
Предыдущие стратегии можно скомбинировать — и имплантировать в подлежащие регенерации органы искусственный каркас, засеянный клетками. Как правило, сейчас их создают с помощью 3D-биопечати.
Первый раз такой подход применили в 1999 году, сконструировав мочевой пузырь. Каркас изготовили из коллагена и полигликолевой кислоты, а затем засеяли его клетками уротелия и гладкой мускулатуры пациента. В 2006 году вышла статья о применении таких тканеинженерных конструкций из собственных клеток пациента. Они подходят для у пациентов, которые нуждаются в аугментационной цистопластике, то есть восстановлении мочевого пузыря. В клиническое испытание включили семь пациентов с миеломенингоцеле в возрасте от 4 до 19 лет.
Это не единственный случай и не единственный орган, который удалось восстановить таким способом — например, хирурги из США реконструировали пищевод 24-летнему пациенту с применением тканевой инженерии. Ему имплантировали саморасширяющийся металлический стент, покрытый внеклеточным матриксом и обработанный гелем из плазмы крови, обогащенной тромбоцитами. Система послужила каркасом для восстановления, и через четыре года после удаления стента у пациента наблюдалась полная регенерация пищевода.
В истории искусственных органов не обошлось без сомнительных практик. Хирург Паоло Маккьярини (Маккиарини), бывший профессор Каролинского института в Швеции, проводил операции по пересадке искусственной трахеи — донорского или синтетического каркаса, заселенного стволовыми клетками пациента. У прооперированных развивались тяжелые осложнения, о которых он умалчивал в своих статьях, а признаки клинического успеха (например, формирование нормального эпителия дыхательных путей и прорастание кровеносных сосудов) оказались сильно преувеличены. Шесть из восьми пациентов после его лечения скончались. История получила огласку, и в 2023 году Маккьярини приговорили к 2,5 годам тюремного заключения. Конечно, скандал бросил тень на такое направление регенеративной медицины, хотя исследования в этом направлении продолжились.
Однако все перечисленные подходы не обеспечат полноценного успеха без понимания механизмов регенерации. Чтобы заставить организм восстанавливаться и помочь выжить имплантированным клеткам и тканям, необходимо найти механизм, на который нужно воздействовать — и для его поиска многие ученые обращаются к регенеративным способностям других животных.
Кто умеет регенерировать лучше нас и почему? Чем они отличаются от нас?
Когда речь заходит о выдающихся способностях к регенерации, на ум могут прийти аксолотли, некоторые ящерицы, отращивающие отброшенный хвост, планарии — плоские черви, способные заново вырастить себя из кусочка тела, — и, возможно, иглистые мыши.
Хвостатые земноводные — единственные позвоночные, которые могут полностью восстановить утраченную конечность. И ученым уже известны несколько интересных особенностей.
Credit:123rf.com
Во-первых, регенерация конечности у аксолотля начинается с того, что рана затягивается без образования шрама. На раневой поверхности образуется бластема — скопление неспециализированных клеток, из которых начинает формироваться новая конечность. Перед тем, как это произойдет, клетки бластемы какое-то время находятся в переходном состоянии, характерном для зародышей, и можно предположить, что отрастающая конечность проходит через те же этапы развития, что и конечность у эмбриона.
Однако в 2022 году ученые выяснили, что эти процессы отличаются — регенерирующая лапа содержит только хрящи, но не кости, пока не достигнет почти нормальных размеров, и лишь затем начинается окостенение. А при обычном развитии формирование кости идет параллельно с ростом хряща.
Кроме того, с 2018 года известно, что ампутация конечности у аксолотля запускает пролиферацию клеток не только в области раны, но и в отдаленных участках тела — противоположной конечности и внутренних органах. Для этого активируется древний сигнальный путь mTOR, контролирующий рост и деление клеток. У аксолотля он отличается гиперчувствительностью и как раз запускает регенерацию.
Позднее выяснилось, что за активацию регенеративных путей в масштабах всего организма отвечает симпатическая нервная система. Уже два века известно, что иннервация необходима для того, чтобы восстановить конечность, но очень мало было известно о роли симпатических нервов.
Можно предполагать, что этот механизм консервативен — нечто подобное обнаружилось и у планарий. Они известны своей способностью восстанавливать утраченные части тела. Ученые из Стэнфордского университета показали, что у планарий повреждение одной части организма запускает процессы регенерации в другой, и для этого необходим сигнальный путь ERK. Если его заблокировать, то обезглавленная планария не сможет восстановить голову, однако если при этом повредить еще и хвост, путь ERK активируется во всем теле — и у планарии регенерируют как хвост, так и голова.
Credit:123rf.com
Иглистые мыши, или акомисы, выделяются регенеративным потенциалом среди млекопитающих. Их стратегия защиты от хищников напоминает ящериц, отбрасывающих хвост, — иглистая мышь может оставить довольно крупный фрагмент собственной кожи в зубах хищника и убежать, а затем регенерировать поврежденный участок. Что интересно, эти животные не склонны к образованию рубцов.
Credit:123rf.com
Механизмы регенерации также ищут у рыбок данио-рерио — уже известно, что к восстановлению способно их сердце. Человеку было бы, пожалуй, полезно иметь подобный механизм, учитывая распространенность поражений сердца в современном мире.
Может, тогда позаимствовать механизмы этих видов?
Пробуют, но пока в доклинических моделях. Уже заставили обычную мышь зарастить ушной хрящ так же, как это делают иглистые мыши, введя им ретиноевую кислоту или активировав ее биосинтез.
С помощью регуляторного элемента рыбки данио и который обеспечивает регенерацию ее тканей, ученые усилили регенерацию и у мыши.
А шпорцевой лягушке (Xenopus laevis), которая далеко не рекордсмен по регенерации, отрастили отрезанную лапу, надев на нее биореактор со стимулирующими веществами.
Шпорцевая лягушкаА если обращать внимание на собственные механизмы?
Как уже говорилось, масштабная регенерация у человека слабее, чем у многих видов. Но есть и уникальная обратная крайность — речь про эндометрий. Каждый месяц терять слой толщиной в 7 мм и полностью восстанавливаться без рубцов — вот бы люди умели так по всему телу.
Регенерацию эндометрия и перспективы ее применения в медицине пока изучают на органоидах. Уже выяснилось, что для заживления и обновления его ткани важен ген WNT7A, который кодирует лиганд сигнального пути WNT. А культуральная среда, в которой находились поврежденные и регенерирующие органоиды, улучшала заживление «раны» эпителия — правда, пока на клеточной модели. В перспективе эти данные могут пригодиться для разработки новых терапевтических стратегий регенеративной медицины.
Но даже если мы поймем, какие механизмы нужно включить, — как это сделать?
Направленное вмешательство в процессы регенерации — отдельная непростая задача, решение которой требует знания о механизмах. Например, если знать, что жесткость внеклеточного матрикса влияет на регенеративный потенциал, можно пытаться модифицировать матрикс для усиления регенерации. Идею уже проверили на мышах, которым ампутировали кончик пальца — как и у детей, он может регенерировать, если не затронут самый дистальный сустав. Регенерирующие участки отличались от нерегенерирующих (где образовывался шрам) тем, что были мягче и содержали много гиалуроновой кислоты, — и эти характеристики действительно оказались важны для того, чтобы предотвратить образование шрама и усилить регенерацию.
Другим важным фактором оказалось пониженное содержание кислорода — как выяснилось, оно стабилизирует HIF1A (альфа-субъединицу фактора, индуцируемого гипоксией 1) — транскрипционного фактора, который считается важным для регенерации, помимо прочих своих функций. Это способствует пролиферации клеток и их миграции, что позволяет сместить баланс от рубцевания к регенерации.
Так выглядит структура HIF1A.
Именно подавление рубцевания важно для решения проблемы с регенерацией человека: большинство человеческих тканей на самом деле не заживают, а лишь рубцуются. Это позволяет быстро закрыть рану и защитить от инфекции, но в долгосрочной перспективе мешает — рубцовая ткань плохо способна заменять функции исходной ткани.
Еще два механизма, которые ограничивают регенерацию у людей, — это иннервация кожи непосредственно вокруг раны и сенесценция. Их можно подавлять, чтобы повысить регенеративный потенциал человеческих органов и тканей.
Факторы крови — другой немаловажный элемент — уже протестировали на крысах и получили многообещающий результат. Авторы этой работы предложили получать нужные компоненты из собственной крови пациента, чтобы стимулировать заживление ран.
Итог: что мы уже можем и что не можем регенерировать?
С пересадки первого выращенного в лаборатории искусственного мочевого пузыря в 1999 году прогресс регенеративной медицины распространился на многие органы и ткани. В 2004 году провели первую успешную имплантацию уретры, полученной методами тканевой инженерии.
А в 2009-м сконструировали первую искусственную печень, получив основу для нее из децеллюляризованного донорского органа (то есть убрав из исходной печени клетки и оставив подходящий для заселения новыми гепатоцитами каркас, который состоял из внеклеточного матрикса.
Ведутся разработки способов восстановить нейроны центральной нервной системы — у взрослого человека они очень слабо способны к регенерации. Пока успехи достигнуты преимущественно на мышах, в том числе при борьбе с одним серьезным осложнением — образованием глиальных рубцов, которые и мешают восстановлению, например, при травме спинного мозга.
Однако, как уже обсуждалось, есть успехи и в клинике — многообещающим оказалось восстановление дофаминергических нейронов, погибающих при болезни Паркинсона, с помощью ИПСК.
На сегодняшний день в список тканей и органов, которые регенеративная медицина может полностью и частично восстановить, входят:
- кожа (искусственные кожные трансплантаты, такие как Apligraf, уже одобрены для заживления тяжелых ожогов и хронических язв стопы)
- мочевой пузырь
- кровеносные сосуды, в том числе выращенные в лаборатории трансплантаты
- роговица (с помощью аутологичных стволовых клеток)
- островки Лангерганса поджелудочной железы
Поджелудочная железа с островками ЛангергансаCredit:
123rf.com
Среди неочевидных кандидатов на регенерацию можно выделить сетчатку — казалось бы, это нервные клетки, которые у человека восстанавливаются слабо, однако не так давно в сетчатке человека обнаружили целых две популяции клеток с высоким регенеративным потенциалом.
А еще функцию сетчатки пробуют восстанавливать с помощью генной терапии — в июне этого года ее получил первый участник клинического исследования, проводимого при поддержке компании Life Biosciences. Разрабатываемый ей препарат ER-100 (AAV2-OSK) ддля лечения оптических нейропатий, то есть слепоты, вызванной повреждением зрительного нерва, доставляет в клетки сетчатки глаза гены трех факторов Яманаки — OCT4, SOX2 и KLF4.
Сердечную мышцу пока научились восстанавливать с оговорками — вырастить целое функциональное сердце не удавалось, однако «заплатки» из гидрогеля и стволовых клеток способствовали частичному восстановлению миокарда после инфаркта.
С печенью ситуация тоже неоднозначная — несмотря на ее высокий регенеративный потенциал, еще не разработан метод получить полноценный орган на замену отказавшему. Однако нашлась интересная альтернатива: вместо пересадки целой печени пациенту можно вводить смесь гепатоцитов с гелевыми микросферами, которые обеспечат функциональную поддержку и, по словам авторов, могут даже заменить полноценную трансплантацию. Пока, впрочем, идея не дошла до клинических испытаний.
Мини-печени, состоящие из гелевых микросфер (зеленые), гепатоцитов (малиновые) и фибробластов (оранжевые) на нулевой и 14-й дни культивирования.Credit:
Bhatia Lab | Пресс-релиз
А вот мини-печени, предназначенные для пересадки в лимфоузел, вышли на стадию КИ. На небольшой группе пациентов с циррозом подтвердилась безопасность таких имплантатов, хотя клинически значимой пользы достичь пока не удалось.
Регенерация скелетных мышц с помощью клеточной терапии уже вышла на стадию испытаний на людях: совсем недавно вышли результаты фазы 3 КИ, в котором оценили восстановление скелетной (а заодно и сердечной) мускулатуры при миодистрофии Дюшенна. Препарат дерамиоцел (deramiocel) для клеточной терапии был получен из перепрограммированных клеток сердца пациентов; подтвердился его профиль безопасности и способность замедлять прогрессию болезни.
На доклинической стадии находятся способы восстановления зубной эмали — самой твердой ткани человеческого организма, которая к регенерации неспособна вовсе. На данный момент предложены два подхода: органоиды, вырабатывающие зубную эмаль, и искусственная матрица на основе белков, способных к самосборке.
Полноценное восстановление почек человека тоже пока не достигнуто; способы регенерировать ткань легких также предстоит создать, равно как и методы восстановления селезенки. И, конечно, пока рано говорить о выращивании целых конечностей или, например, утерянного глаза. Но регенеративная медицина продолжает развиваться и порой обходить другой метод — протезирование, — а PCR.NEWS продолжает следить за ее успехами.
0
