… о революции в медицине

Прежде всего врачи заинтересованы в создании клеточной ткани для тестирования лекарственных препаратов. Выращивание новых органов — задача будущего

Медицина стоит на пороге новой технологической революции: лет через двадцать врачи будут обновлять человека, как сломавшуюся машину в автосервисе. Забарахлило сердце? Не беда! Ведь с помощью регенеративных клеточных и генных технологий всегда можно вырастить новое. Побаливает печень? Не волнуйтесь, просто подошел гарантийный срок замены. Не нужны будут ни доноры, ни механические имплантаты — все необходимые органы будут выращиваться в пробирке. Как это будет работать, выяснял "Огонек"
Мы уже привыкли к новостям из мира стволовой медицины, практически каждую неделю интернет выдает "на-гора" новую сенсацию об очередном фантастическом эксперименте с клетками. При этом, конечно, все понимают, что речь идет именно о единичных экспериментах, и эти методики в повседневной практике появятся очень нескоро, если появятся вообще. Ведь в таких экспериментах принимают участие эмбриональные стромальные клетки, которые берутся из тела человеческих зародышей, и такие клетки действительно могут стать кем угодно, превращаясь по желанию ученых в клетки сердечной мышцы, костей, печени, кожи, мозга — всего их в наших тканях более 200 разных видов. Но вот дальнейшее использование этих клеток наталкивается на самые серьезные этические и моральные проблемы. Но все изменилось буквально пять лет назад благодаря японскому ученому Синъе Яманаке, который смог вернуть обычные взрослые клетки в состояние плюрипотентности, то есть в то младенческое состояние, когда они могут превратиться в самые разные клетки организма. Теперь донором стволовых клеток для выращивания внутренних органов становится сам человек — ни проблем с моралью, ни проблем с биосовместимостью материала. Несколько лет биологи "переваривали" это открытие, и вот пошли первые прорывы. И самый многообещающий эксперимент провел российский ученый Константин Агладзе, который вместе с японскими учеными из Университета Киото впервые в мире сумел вырастить in vitro, то есть в пробирке, полноценную сердечную ткань. Причем сначала ученые хотели создать всего лишь стенд для испытаний новых препаратов, а получили в свое распоряжение настоящий биоконструктор для клонирования запчастей для человека. Об этом и многом другом "Огоньку" рассказал сам профессор Агладзе.
— Все мировые СМИ сначала написали, будто бы вы впервые в мире вырастили в пробирке искусственное сердце. Потом появились более осторожные оценки. Расскажите, пожалуйста, о вашем изобретении: что вы сделали на самом деле?
— Если совсем коротко, то речь идет о тканевой инженерии. Дело не только в том, что мы искусственным путем вырастили из так называемых стволовых индуцированно-плюрипотентных клеток полноценную ткань сердечной мышцы человека — отдельные клетки выращивались и до нас, но в небольшом количестве. Но все эти попытки трудно назвать успешными, поскольку исследователи использовали хаотически организованные культуры тканей. Мы научились создавать структурированную сердечную ткань при помощи трехмерного каркаса из специальных полимерных нановолокон. При помощи этого каркаса мы смогли не только вырастить клетки сердца, но и заставить их сформироваться в полноценную сердечную ткань.
—Можно ли из этой ткани создать сердце?
— Ну, наверное, в принципе, это возможно, но мы создавали нашу ткань для решения совсем других биомедицинских проблем. В первую очередь для тестирования лекарственных препаратов на токсичность. Дело в том, что такие модели сердечной ткани крайне необходимы фармацевтам, создающим новые препараты. Ведь вначале они проверяют новинку на одной клетке, а затем, минуя стадию испытаний на отдельном органе, начинают экспериментировать на животных. Но у животных сердечные клетки не совсем такие, как у человека. Так вот, наши исследования заполняют эту нишу, что позволит сделать поиск лекарств более эффективным и целенаправленным, сэкономит немалые деньги.
Есть и вторая задача — это перепрограммирование собственных клеток пациента, например, клеток эпителия или клеток крови в клетки сердечной ткани — кардиомиоциты, из которых в дальнейшем можно вырастить имплантат, совместимый с организмом человека. Это одно из активно разрабатываемых направлений поиска решений для регенеративной биомедицины — так называемые заплатки сердечной ткани. Предполагается, что такие заплатки можно будет накладывать и пришивать на поврежденную ткань сердца. Нужно пояснить, что сердечная ткань — это особая группа мышечной ткани. С одной стороны, она, как обычная мышца, обладает всеми свойствами сократимости, с другой — она, как нервная ткань, обладает и нервными свойствам возбудимости и способна как проводить электрический сигнал, так и отвечать сокращениями на этот сигнал. Другой такой ткани в нашем организме больше нет. Поэтому нам очень важно было добиться даже не столько перепрограммирования клеток, сколько нужной структуризации ткани. И этого мы добились с помощью полимерных нановолокон, созданных из полностью биосовместимого материала. Собственно, эти волокна и обеспечивают рост клеток в заданной нами архитектуре.
— Какие именно болезни эти заплатки сердечной ткани помогут вылечить?
— Заплатки нужны для купирования процессов, приводящих к возникновению опаснейших сердечных аритмий, таких, как "вращающиеся спиральные волны" — они охватывают все сердце, вызывая дезорганизацию сердечной мышцы с потерей способности поддерживать циркуляцию крови. Как работает сердце? По клеткам бежит волна возбуждения, чтобы синхронизировать сокращения. Работа миокарда должна быть скоординирована, как у двухтактного мотора: предсердие — желудочек, предсердие — желудочек... Но вот что удивительно. Ткани сердца на 95 процентов могут быть нормальными, мощными, здоровыми. Но если в нем есть так называемые эктопические источники, крошечные участки, где волны возбуждения искажаются, скоординированная работа клеток нарушается. Мощный насос перестает работать. И вот чтобы исправить проводящую систему сердца, нужно поставить на выявленный проблемный участок выращенную из собственных клеток пациента крошечную заплатку, которая и купирует источник "спиральных волн".
— В процессе изготовления заплатки вы используете полимеры. Могут ли эти материалы вызвать какие-либо побочные эффекты?
— Поскольку наша методика строится на использовании собственных плюрипотентных клеток, то вопрос иммунных барьеров снимается сам собой. Что касается нановолокон, образующих каркас заплатки, то они являются биодеградируемым материалом, который в процессе лечения и восстановления пациента полностью растворяется в крови.
— Расскажите, пожалуйста, поподробнее о тестировании лекарств с помощью вашего биоконструктора.
— Сейчас в системах испытания современных лекарств существует серьезный пробел. Сначала действие препарата изучается на уровне ионных мембранных каналов, функционирования одной клетки, а потом сразу переходят к опытам на животных. Но на самом деле существует промежуточный этап — сообщество клеток. И здесь все происходит совсем не так тривиально. Никто на самом деле не знает, как потенциальное лекарство повлияет на связь между клетками и что там начнет происходить. Для этого нужно создать модель клеточной структуры сердечной ткани, чтобы понять, является ли определенная архитектура волокон в сердце аритмогенной и как эта структура будет влиять на определенные препараты-антиаритмики. Но как сделать такую модель? В моей лаборатории в Киото мы придумали, как приблизиться к этой модели. Для этого взяли нановолокна — сначала только для того, чтобы "вытянуть" клетки на подложке в нужном направлении. Но потом оказалось, что можно обойтись и вовсе без подложки, подвесив волокна в специальной системе. Так мы стали работать над получением объемных моделей сердца, состоящих из клеточных культур.
— Можно ли с помощью этого конструктора вырастить и другие органы, к примеру, новую печень?
— Применений может быть множество, но это вопрос очень отдаленной перспективы.
— Константин Игоревич, сколько времени ушло на разработку вашей методики в лаборатории в Киото?
— Более трех лет. Мы разработали методику с нуля. Это ноу-хау теперь переносится в Россию. Причем не только переносится, мы будем его продвигать в содружестве с лабораторией Киото.
— В чем преимущество работы ученого в Японии?
— По сравнению с Россией — в развитой вспомогательной инфраструктуре научных исследований. В Японии все сделано для удобства работы — короткие сроки доставки заказов материалов и оборудования, простота финансового обеспечения, отсутствие громоздкой и глупой отчетности. При получении грантов ни у кого не возникает никаких диких идей о "софинансировании". Впрочем, в США система еще проще и эффективнее.
— Тем не менее вы теперь работаете и в России. Какие задачи поставили перед вашей лабораторией, созданной в МФТИ?
— Основная научная задача, которая стоит перед научно-образовательным центром "Бионанофизика", заключается в поиске возможностей управлять физиологией клетки. А физиология клетки — это на самом деле та основа, от которой зависит наша с вами физиология. Например, наша лаборатория занимается физиологией, а точнее, биофизикой возбудимых систем. Мы разрабатываем самые прогрессивные методы лечения и предотвращения опаснейших сердечных аритмий. Такую же задачу решает и моя лаборатория в Киотском университете в Японии.
— Лаборатория в МФТИ основана почти год назад, есть ли у вас первые результаты?
— Лаборатория уже работает, но для достижения тех же результатов, что и в Японии, нужно прикладывать гораздо больше усилий. Знаете, когда-то во времена СССР ученые шутили, что наши проблемы и сроки выполнения работ надо умножать на "пи". Примерно на это я и рассчитывал. Но я не был в России 10 лет, работал в США, потом в Японии. Сейчас, приехав сюда, уже опытным путем вывел новый коэффициент: надо умножать на "пи-квадрат". Но надеюсь, что ситуация будет сдвигаться в положительную сторону. Лаборатория у нас уже есть, и мои студенты в России все очень толковые ребята.

Беседовал Владимир ТИХОМИРОВ

Маршрут с пересадками
Статистика
Ежегодно в мире, по данным ВОЗ, производится свыше 100 тысяч трансплантаций органов и тканей человека. Самыми востребованными органами являются
Кожа — 60 тысяч операций
Почки — 26 тысяч (в России — 500-800), расчетная потребность количества трансплантаций на 1 млн человек в год — 74,5 тысячи
Печень — 10 тысяч (в России — 5-10), потребность — 59,1 тысячи
Сердце — 4,5 тысячи (в России — 4-5), потребность — 67,4 тысячи
Легкие — 2 тысячи, потребность — 13,7 тысячи
Комплекс сердце — легкое — 1,5 тысячи, потребность — 15,5 тысячи
Поджелудочная железа — 1 тысяча, потребность — 13,7 тысячи
При этом обеспеченность донорским материалом даже в США — лидере по количеству проводимых трансплантаций — не превышает 25 процентов. В США сейчас 111 тысяч человек в "листе ожидания" на пересадку органов. Количество пациентов в российском "листе ожидания" неизвестно.

Главный конструктор
Досье
Константин Игоревич Агладзе родился 11 июля 1955 года. В 1978 году окончил МФТИ, долгое время работал в Институте теоретической и экспериментальной биофизики РАН (Московская область, Пущино). Начиная с 2000 года работает за границей, в ведущих научно-исследовательских центрах США и Японии. С 2008 года в должности профессора возглавляет Лабораторию по интеграции биоматериалов в Университете Киото в Японии. В 2010 году получил "мегагрант" от правительства РФ для создания лаборатории "Наноконструирование мембранно-белковых комплексов для контроля физиологии клетки" в МФТИ.

«Огонек», 1 апреля 2013 года