Znajdź zawartość

Jak pomóc osobom z mukowiscydozą i innymi chorobami płuc, które często umierają, zanim znajdzie się odpowiedni dawca? Specjaliści od bioinżynierii szukają rozwiązania, problem jednak w tym, jak sprawić, by niezróżnicowane komórki macierzyste przekształciły się w specyficzne rodzaje komórek różnych obszarów płuc. Ostatnio udało się utworzyć nowe płuca z wykorzystaniem rusztowania ze starych. Naukowcy z University of Texas Medical Branch (UTMB) wprowadzili mysie komórki macierzyste do pozbawionych komórek (acelularnych) płuc szczura. Pierwotne komórki narządu zniszczono, powtarzając cykle zamrażania i rozmrażania oraz wystawienia na oddziaływanie detergentu. W rezultacie uzyskano szkielet z białek strukturalnych miąższu płuc, który szybko zapełnił się odpowiednio zróżnicowanymi komórkami. W kategorii różnych typów komórek płuca są bodaj najbardziej skomplikowane ze wszystkich narządów – komórki u wlotu są zupełnie różne od tych zlokalizowanych w głębi organu. Nasza naturalna macierz powtórzyła ten sam wzorzec: z komórkami tchawicy występującymi wyłącznie w tchawicy, komórkami pęcherzyków w pęcherzykach [chodzi o pneumocyty I i II rzędu, które tworzą nabłonek jednowarstwowy płaski] oraz dobrze zdefiniowanymi strefami przejścia między oskrzelami a pęcherzykami – tłumaczy dr Joaquin Cortiella. Dotąd nigdy wcześniej się to nie udało, co daje nadzieję na odtwarzanie w przyszłości różnych narządów i tkanek na potrzeby transplantologii czy dla naukowców testujących nowe leki i metody leczenia. Jeśli będziemy umieć wytwarzać płuca, będziemy również w stanie stworzyć model choroby/urazu. Wyprodukujemy zatem płuco ze zwłóknieniem lub rozedmą i sprawdzimy, co się z nimi dzieje, co robią komórki i jak dobrze działają komórki macierzyste i inne rodzaje terapii. Zobaczymy, jakie procesy zachodzą podczas zapalenia płuc, po zarażeniu gorączką krwotoczną, gruźlicą i hantawirusami – wszystkie one obierają na cel płuca i je uszkadzają – opowiada prof. Joan Nichols, druga autorka studium i artykułu. Amerykanie rozpoczęli już eksperymenty na większą skalę. Pracują z płucami świń. Pozbawiają je komórek, by uzyskać pokaźniejsze próbki tkanek, które można by zastosować u ludzi. Prawdziwym wyzwaniem pozostaje stymulowanie wzrostu naczyń (angiogenezy), by tkanki przeżyły poza laboratoryjnymi bioreaktorami.

Prof. Deepak Nagrath z Rice University poszukiwał nowych sposobów hodowli komórek na wzmacniających rusztowaniach. Adipocyty – komórki tłuszczowe – ciągle wydzielały jednak lepką substancję, którą uznawał za zanieczyszczenie i uparcie wyrzucał. Tymczasem okazało się, że coś, co wg niego, wyglądało jak odpad, było tym, czego potrzebował... Lepka substancja (zewnątrzkomórkowa macierz) wspaniale nadawała się na naturalne rusztowanie. Od czasu odkrycia Nagrath i jego współpracownicy bardzo rozwinęli nową metodę. Naukowcy uważają, że po wypełnieniu komórkami macierzystymi materiał ich pomysłu będzie można umieszczać w organizmie pacjenta. Bez ryzyka odrzucenia dokona on tam naprawy każdego rodzaju tkanki. Podstawowa idea jest bardzo prosta – skłonić komórki tłuszczowe do syntezy błony podstawnej (łac. membrana basalis), która będzie naśladować to, co dzieje się podczas naturalnego wzrostu tkanki, czyli zapewni swego rodzaju ramę. Do niej, formując spójną sieć, przytwierdzą się komórki. Gdy dojrzeją, przekształcając się w żądaną tkankę, wydzielą inną substancję, która zniszczy rusztowanie. Przez lata najczęściej używanym podłożem wzrostowym była macierz zewnątrzkomórkowa pochodząca z guzów myszy (tzw. Matrigel). Ze względu na to nie nadawała się jednak do wstrzykiwania pacjentom. Tłuszcz jest natomiast jedyną nadmiarową rzeczą w ciele. Zawsze możemy go stracić. Substancja pozyskiwania z wydzieliny komórek tłuszczowych (Adipogel) pozwala na wzrost hepatocytów – komórek wątroby wykorzystywanych często podczas testów farmaceutycznych. Nagrath tłumaczy, że Adipogel przypomina miód i zawiera czynniki wzrostu, cytokiny i hormony oryginalnej tkanki. Inni naukowcy z Rice University, których artykuł ukazał się w zeszłym tygodniu w piśmie Nature Nanotechnology, zaproponowali, by do uzyskania trójwymiarowych kultur komórkowych wykorzystać lewitację magnetyczną. Mimo to prof. Nagrath jest nadal przekonany, że Adipogel stanowi najpraktyczniejszą formę odtwarzania tkanek w warunkach in vivo.

Opracowany w MIT wynalazek rodzi nadzieję na zwiększenie skuteczności rekonstrukcji mięśnia sercowego. Dzięki jego wykorzystaniu do wspomagania terapii z wykorzystaniem komórek macierzystych odbudowa narządu może stać się naprawdę prostą procedurą. Zasada działania mikroskopijnego urządzenia jest bardzo prosta. Przypomina ono skrzyżowanie rusztowania z plastrem miodu, a jego celem jest stworzenie matrycy, na której można hodować komórki macierzyste lub komórki mięśnia sercowego (kardiomiocyty). Mogą one zostać wykorzystane do odbudowania uszkodzeń organu powstałych np. w wyniku zawału lub wrodzonych defektów. Wynalazek ekspertów z MIT jest pierwszą tego typu konstrukcją zaprojektowaną z myślą o dostosowaniu do charakterystyki tkanki budującej ściany serca. Oprócz wielu innych jego zalet niezwykle istotna jest zdolność do stopniowej biodegradacji, dzięki czemu po pewnym czasie od zakończenia "łatania" ubytku dochodzi do całkowitego zaniku ciała obcego. Pozwala to na przywrócenie kardiomiocytom optymalnych warunków życia, maksymalnie zbliżonych do naturalnych. Lisa E. Freed, jedna z badaczek związanych z badaniami, tłumaczy: w dalszej perspektywie chcielibyśmy mieć do dyspozycji całą gamę rusztowań dostosowanych do różnych rodzajów tkanki, które potrzebowalibyśmy naprawić. Jak tłumaczy, każde z nich miałoby unikalne właściwości strukturalne i mechaniczne, dzięki czemu proces regeneracji zachodziły w sposób optymalny dla danego organu. Sekretem rusztowania jest jego dostosowanie do tzw. kierunkowości komórek serca, czyli charakterystycznego sposobu ich ułożenia w sposób zapewniający kurczenie się komór wyłącznie w określonych kierunkach. Dotychczasowe rozwiązania nie posiadały tej cechy lub wymagały przyłożenia prądu elektrycznego do wywołania odpowiednich zmian kształtu. Sprawiało to, że stopień integracji implantu z mięśniem sercowym był stosunkowo niski, a fizjologia skurczu była upośledzona. Eksperymenty przeprowadzone na komórkach szczurzych noworodków wykazały, że możliwe jest przeniesienie komórek do wnętrza oczek siatkowatego rusztowania. Po zasiedleniu matrycy, komórki wykazywały prawidłowe cechy fizjologiczne, a także wspomnianą wcześniej kierunkowość. Autorzy wynalazku podkreślają, że wciąż wymaga on dopracowania. Badacze przyznają m.in., że matryca jest zbyt cienka, by pozwolić na rekonstrukcję mięśnia sercowego na całej jego grubości. Na szczęście trwają jednak intensywne prace nad dalszymi udoskonaleniami unikalnego implantu.

Czy kość ze szkła miałaby rację bytu? Biorąc pod uwagę jego kruchość, zapewne nie. Ale wykorzystanie szkła jako rusztowania i budowanie na nim naturalnej tkanki, nawet jeśli brzmi mało prawdopodobnie, staje się powoli faktem. Właśnie takie zadanie postawił sobie dr Delbert Day, naukowiec z Uniwersytetu Naukowo-Technologicznego Missouri. Natura nie znosi pustki - tłumaczy badacz. Z kolei ciało lubi niektóre rodzaje szkła. Dr Day przedstawił już kilka nowatorskich zastosowań szkła, np. terapię raka wątroby radioaktywnymi kulkami wykonanymi z tego materiału. Tym razem jego wysiłki skupiły się na próbie wytworzenia z niego trójwymiarowego rusztowania dla wzrastającej tkanki kostnej. Komórki wnikają do wnętrza tej sztucznej matrycy, a potem rosną i rozwijają się, stając się ostatecznie fragmentem kości. Zastosowanie kruchego materiału w terapii oznaczałoby co prawda potrzebę unieruchomienia na pewien czas uszkodzonej kończyny, lecz w zamian chory mógłby otrzymać kość niemal identyczną z naturalną. Obecnie podstawową metodą leczenia skomplikowanych złamań jest zespalanie kości z użyciem tytanowych płytek, śrub i drutów. Elementy te mają świetne właściwości mechaniczne i są stosunkowo obojętne dla organizmu, lecz mają też swoje wady. Są cięższe, a do tego kość zespolona w ten sposób może nigdy nie odzyskać optymalnej naturalnej struktury. Z tego powodu wykonane z włókien szklanych porowate rusztowania mogą stać się ważnym materiałem dla chirurgii ortopedycznej przyszłości. By zrealizować projekt, podpisano porozumienie, na podstawie którego powstało "Konsorcjum Naprawy i Regeneracji Tkanek" (ang. Consortium for Bone and Tissue Repair and Regeneration). Na czele organizacji stanęli naukowcy z Uniwersytetu Missouri. Podzieleni są na dwie grupy: jedna z nich zajmuje się przygotowaniem materiałów, druga zaś zasiedlaniem ich przez komórki kościotwórcze. Wstępnie wybrano cztery najbardziej obiecujące rodzaje włókien, które obecnie testowane są w laboratorium pod kątem przydatności dla projektu. Jeśli wszystko pójdzie dobrze, już niedługo powinna ruszyć seria testów na zwierzętach, a docelowo wynalazek ten ma oczywiście znaleźć zastosowanie w leczeniu ludzi. Miejmy nadzieję, że stanie się skuteczną formą leczenia dla osób, u których zrastanie się kości jest utrudnione z powodu skomplikowanych złamań.

Badaczom z University of Minnesota udało się dokonać czegoś naprawdę ważnego. Odtworzyli w laboratorium serce szczura i szybko doprowadzili do tego, że zaczęło na nowo bić. Najpierw z organu usunęli wszystkie komórki mięśniowe, pozostawiając inne tkanki, m.in. naczynia krwionośne i zastawki. W ten sposób powstało coś w rodzaju rusztowania. Potem wypełniono je komórkami macierzystymi, a ich wzrost był stymulowany (Nature Medicine). Dzięki temu problemy transplantologów z całego świata odeszłyby w niepamięć. Za pomocą komórek macierzystych można by przecież "skonstruować" jakikolwiek szwankujący narząd ludzki czy zwierzęcy. W dodatku ryzyko ich odrzucenia byłoby nieporównanie mniejsze. Tylko w teorii wygląda to jednak tak prosto i przejrzyście. Trudność uzyskiwania trójwymiarowych obiektów z komórek macierzystych polega na znalezieniu sposobu, w jaki można by je zachęcić do zajmowania określonych miejsc w przestrzeni. To dlatego Amerykanie wykorzystali już istniejący szkielet serca i okazało się, że był to naprawdę dobry pomysł. Zespół dr Doris Taylor zanurzył serce dorosłego szczura w kąpieli z detergentów. Dzięki temu zabiegowi całkowicie usunięto tkankę mięśniową. Pozostałą ramę uzupełniono komórkami pobranymi od nowo narodzonego gryzonia. W warunkach laboratoryjnych stymulowano następnie wzrost odnowionego serca. W ciągu zaledwie 4 dni komórki namnożyły się i "rozeszły" po sercu w takim stopniu, że naukowcy widzieli przebiegające przez mięśnie skurcze. Do 8. dnia od rozpoczęcia eksperymentu organ był już zdolny do pompowania, chociaż na razie z 2% mocy normalnego szczurzego serca. Eksperci zaczynają już spekulować, że w przyszłości można by spróbować zrobić coś podobnego z podobnym do naszego świńskim sercem. Rusztowanie uzupełniono by wtedy ludzkimi komórkami macierzystymi. Na pewno nie stanie się to jednak wcześniej niż za 10 lat.