Anthony Atala, Bioingenieur - über den 3D-Druck von Organen, Stammzellen und Mikroherzen

Starten Sie die Regeneration

Die weltweit erste erfolgreiche Organtransplantation ist aufgetreten 1954 - Chirurg

Joe Murray implantierte einem Patienten eine Niere. Dank dessen wurde später viel gespart.Menschen. Dennoch reichen diese Organe nicht aus, und zusätzlich findet die Transplantatabstoßungsreaktion statt. Daher stellen wir einen großen Organmangel fest: In den letzten 10 Jahren hat sich die Anzahl der Patienten, die eine Transplantation benötigen, verdoppelt, während die Anzahl der Eingriffe um weniger als 1% gestiegen ist.

Jedes Jahr auf der Welt machen sie durchschnittlich 100 800Organtransplantationen. Am häufigsten transplantierte Nieren (69.400 Operationen), Leber (20.200), Herz (5.400), Lunge (2.400) und Bauchspeicheldrüse (2.400). Die Spende kann verwandt und posthum sein, wenn das gewünschte Organ einer Leiche entnommen wird. Darüber hinaus beträgt in Russland beispielsweise die durchschnittliche Wartezeit für eine Spenderniere 1,5 bis 2 Jahre. Jährlich werden am Sklifosovsky Research Institute etwa 200 Operationen durchgeführt, während etwa 500 Personen auf der Warteliste stehen.

Die Natur hat Zellen so geschaffen, dass sie immer wissen, was zu tun ist. Sie haben die Fähigkeit, sich jeweils zu regenerierenDie Zelle hat ein solches Potenzial. Hautzellen werden alle zwei Wochen aktualisiert, Darmzellen - zwei Wochen lang - und Gehirnzellen - alle zehn Jahre. Das Problem ist, dass wir kein Gewebe regenerieren, wenn eine Krankheit, Narbe oder Schädigung auftritt. An diesem Punkt stoppt die Regeneration und die regenerative Medizin kann hier helfen. Wir nehmen dem Patienten sehr kleines Muskelgewebe, verarbeiten diese Zellen und platzieren sie in dem Bereich, in dem sich der beschädigte Muskel befindet. Es kann auch bei Patienten mit Verbrennungen angewendet werden: In diesem Fall nehmen wir eine kleine Probe der Haut des Patienten, verarbeiten die Zellen und tragen sie einfach mit einem Spray auf die beschädigten Stellen auf. Wenn der Patient verletzt ist, müssen Sie ihn zuerst behandeln, die Infektion beseitigen und warten, bis die Zeit für die Behandlung bereit ist.

Wachsen Sie ein neues Organ

Anstelle von Zellen können Sie auch das sogenannte Substrat verwenden - eine Art Gebäuderahmen. Ihre Materialien sind den Materialien der Nähte sehr ähnlich. Sie lösen sich in wenigen Monaten auf, sind sicher für Mensch und Zelle. Wir entnehmen dem Patienten eine kleine Gewebeprobe, verarbeiten diese Zellen außerhalb des Körpers, kultivieren sie, verwenden das Substrat, damit sie eine röhrenförmige Form annehmen, und implantieren es dem Patienten. Der gesamte Vorgang dauert ca. 30 Tage. Gleiches gilt für Blutgefäße. Wir legen diese Zellen auf das Material und trainieren dann dieses Organ. Wenn die Kontraktionen zu dem werden, was wir brauchen, werden die Gefäße den Menschen implantiert. Das komplexeste Organ ist ein ganzes Organ mit Durchblutung, wie Herz, Niere und Leber, da es verschiedene Arten von Geweben gibt und alle viele Blutgefäße haben.

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Der einfachste Weg, um einfache Stoffe zu züchten. In der klinischen Praxis wird bereits die Methode der Hautregeneration unter Verwendung spezieller Hydrogele oder Zellen des Patienten angewendet.

Gordana Wunyak-Novakovich von der Columbia University züchtete ein Fragment des Schädelknochens und säte den Rahmen mit Stammzellen.

An der Johns Hopkins University wurden Ärzte von entferntPatienten Ohr und Teil des Schädels vom Tumor betroffen. Sie nahmen das Knorpelgewebe aus Brust, Blutgefäßen und Haut, wuchsen ein neues Ohr an ihrer Hand und transplantierten dann das künstliche Organ.

An den Universitäten Göteborg (Schweden) und Rice (USA) wurden erfolgreiche Experimente zur Kultivierung und Transplantation von Blutgefäßen durchgeführt. Es gibt auch Beispiele für das Wachsen von Muskeln, Blutzellen, Knochenmark und Zähnen.

In Bezug auf die Kultivierung komplexer Organe,Experimente werden immer noch hauptsächlich an Tieren durchgeführt. Es gibt jedoch Beispiele für erfolgreiche Transplantationen künstlich gewachsener Organe an Menschen. Anthony Atala führt seit mehreren Jahren Implantationsoperationen an der aus den Zellen des Patienten gewachsenen Blase durch. Spanische Chirurgen transplantierten eine Luftröhre, die auf der Basis von Spenderkarakas gezüchtet wurde.

Fortgeschrittene Zelltechnologie im Jahr 2002wuchs eine 5 cm lange Miniaturniere einer Kuh unter Verwendung der Klontechnologie, wobei dem Tier Zellen aus dem Ohr entnommen wurden. Neben den Hauptorganen wurde eine Niere implantiert, und sie begann erfolgreich Urin zu produzieren.

Es gibt auch positive Erfahrungen mit dem Wachstum und der Transplantation von Leber an Laborratten (University of Massachusetts) und Lungenschweine (University of Texas).

Die Gefäße der transplantierten Organe sind sehr klein. Wir haben diese Arbeit vor 30 Jahren begonnen, aber mit unsEs gab keine Technologie. Sie begannen darüber nachzudenken, die Organe der Verstorbenen zu nehmen und sie wieder zu benutzen. Die Leber wurde dem verstorbenen Patienten entnommen und sozusagen darin gewaschen. Zwei Wochen später sah die Leber immer noch wie eine Leber aus, befand sich jedoch nicht in den Zellen. Wir konnten jedoch den Gefäßbaum, ein solches Lebergerüst, retten. Dann nahmen sie die Zellen des Patienten, züchteten sie und legten sie auf dieses Skelett. Wir erzeugen Gewebe aus dem Körper des Patienten und behandeln es so. Daher gibt es überhaupt keine Immunantwort. Dies ist ein sehr großes Plus der regenerativen Medizin.

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Selbst aus einem sehr armen Organ können wir mit einer Biopsie gute Zellen erhalten. Aber wir können das nicht mit genetischen machenKrankheiten, weil der Defekt im gesamten Gewebe sein wird. Hier sind andere Technologien: Wir entnehmen diesem Patienten Zellen, korrigieren Defekte, heilen diese Zellen und arbeiten dann an derselben Strategie. Bisher ist dies leider experimentell, aber es besteht immer noch die Hoffnung, dass genetisch bedingte Krankheiten behandelt werden können.

Wir verfolgen immer das Leben unserer Patienten für mindestens 5 bis 8 Jahre nach der Transplantation. Wir müssen sicherstellen, dass alles in Ordnung ist, nur dann kann man sagen, dass diese Technologie funktioniert hat und die transplantierten Organe normal funktionieren.

Organdruck und Drogentests

Sie können ein Miniaturherz drucken, und nach zwei Stunden ist es bereits reduziert. Vor sechs Jahren haben wir begonnen, 3D-Druck zu verwenden.weil es notwendig war, diese Technologien zu skalieren - vorher haben wir alles manuell gemacht. Durch Drucken erhaltene Organe hatten jedoch keine solche Integrität, dass sie in den Körper implantiert werden konnten. Dann begannen wir, spezifischere Drucker zu entwickeln, die menschliches Gewebe erzeugen konnten. Und sie haben 14 Jahre daran gearbeitet.

Die ersten Bioprinting-Experimente wurden am durchgeführtGewöhnliche 3D-Haushaltsdrucker, die vor Ort aufgerüstet wurden. Im Jahr 2000 richtete Thomas Boland Lexmark- und HP-Maschinen ein, damit DNA-Fragmente darauf gedruckt werden konnten, und im Jahr 2003 patentierte er die Technologie.

Jetzt mehrereUnternehmen. Die Bioingenieure von Organovo haben Technologien zum Drucken von Lebergewebe entwickelt. Sie druckten auch Nieren, die zwei Wochen lang funktionsfähig blieben. Bisher werden solche Körper nur zum Testen medizinischer Präparate verwendet, aber die Entwickler schließen nicht aus, dass sie bald mit der Entwicklung von Geräten zum Drucken von Spenderorganen beginnen werden.

Russische Bioingenieure von 3D Bioprinting Solutions entwickelten den 3D-Drucker FABION und führten ein erfolgreiches Experiment zum Drucken der Schilddrüse und zum Transplantieren ihrer experimentellen Maus durch.

Die von der Sheffield University entworfenen Drucker von Fripp Designs drucken Augenprothesen. Das gleiche Team entwickelt eine 3D-Drucktechnologie für Nasen, Ohren und Kinn.

Ein Teil der Ausrüstung wird für sich selbst hergestelltKundenbedürfnisse und nicht zum Verkauf bestimmt (FABION, NovoGen MMX von Organovo). Die Preise für kommerzielle Bioprinter beginnen bei 10.000 USD (BioBots) und 5.000 EUR (CELLINK Inkredible) bis zu 200.000 USD und höher (3D-Bioplotter von EnvisionTEC, 3DDiscovery von RegenHU).

Es gibt fünf interessante Kriterien für einen 3D-Drucker zum Drucken von Organen. Erstens haben sie sehr kleine Düsen, siekann bis zu 2 Mikrometer erreichen - dies sind 2% des Haardurchmessers einer Person. Zweitens gibt uns dieser Drucker Genauigkeit, wir können Zellen dort auslegen, wo sie wirklich benötigt werden. Die dritte ist Biotinte, eine solche Flüssigkeit, die durch die Düse fließt. Und wenn es dann zu Gelatine wird, fungiert es bereits als normales Gewebe. Das nächste Kriterium sind Mikrokanäle, die den zentralen Teil der Zellen mit Strom versorgen. In der Tat sind dies Blutersatz. Und schließlich eine Software, mit der Sie ein dreidimensionales Bild erhalten. So verstehen wir, was im Körper geschieht und schaffen die für ein bestimmtes Organ notwendige Struktur. Dazu nehmen wir digitale Daten aus Röntgenstrahlen und verwenden sie, um eine Struktur für diesen bestimmten Defekt bei einem bestimmten Patienten zu erstellen.

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Wir haben zwei zertifizierte Systeme für den Druck menschlicher Organe. Sie sind von der FDA zugelassen.Food and Drug Administration in den Vereinigten Staaten - Hi-Tech). In den letzten sechs Jahren haben wir mit einem Drucker das sogenannte Body-on-a-Chip-Programm erstellt. Dies befindet sich in der Entwicklungsphase, da es notwendig ist, die Lebensfähigkeit dieser Organe sicherzustellen, aber im Allgemeinen können wir Miniaturlungen, Herz, Blutgefäße herstellen und dieses gesamte System auf Chips verbinden. Wir können auch Miniaturorgane von der Größe eines Stecknadelkopfes erstellen und sehen, wie diese Organe auf Medikamente reagieren. Wenn ein Medikament beispielsweise die Herzfrequenz beschleunigt, beschleunigt es die Herzfrequenz in unserem Miniaturherz. Somit ist es möglich, Nebenwirkungen von Arzneimitteln zu identifizieren, die durch andere Tests nicht erkannt werden.

Vermeiden Sie Nebenwirkungen

Mit gedruckten Miniaturorganen können Sie das Arzneimittel testen. Zum Beispiel die Droge Gismanal (Hismanal), 11 Jahre altauf der ganzen Welt vermarktet. Dieses Antipsychotikum wurde auch als Antihistaminikum verwendet. Nach einiger Zeit der Anwendung wurde klar, dass bei vielen Patienten Nebenwirkungen auftreten, die mit einer beeinträchtigten Herzfunktion verbunden sind. Wenn das Arzneimittel an einem Käfig getestet wurde, gab es keine Probleme, wenn es an Tieren getestet wurde, gab es keine Probleme. Bei der Durchführung klinischer Studien der ersten, zweiten und dritten Stufe geschah nichts. Wir nahmen dieses Arzneimittel ein, verwendeten es in Bezug auf unsere Organe auf Chips und innerhalb einer Woche wurde klar, dass dieses Arzneimittel für das Herz giftig ist.

Dies liegt daran, dass jeder anders reagiert.Bei Medikamenten ist alles genetisch unterschiedlich, dasselbe Medikament wird unterschiedlich verarbeitet. Jeder hat eine andere Ernährung, unterschiedliche Lebensbedingungen, unterschiedliche gesundheitliche Probleme. Dies behindert das Verständnis, was die Medizin tatsächlich mit den Organen tut. Und wenn wir all diese Hindernisse beseitigen und direkt sehen, wie das Arzneimittel auf die Organe wirkt, können wir sofort Toxizität feststellen.

Heute entwickeln wir ein System, das wir "Body on a Chip" nennen. Insbesondere wird es dazu beitragen, die Toxizität zu verringern.Medikamente - zum Beispiel für die Arbeit mit Krebspatienten. Wir können eine kleine Krebszelle nehmen und sie züchten und dann die Chemotherapie auf einem Chip testen, bevor wir diese Therapie dem Patienten geben. Wir hatten einen Patienten mit Melanom, er hatte sechs Monate lang eine Chemotherapie, es wurde viel Geld ausgegeben und der Tumor wuchs nur. Wir testeten ein Medikament, das nicht in Betracht gezogen wurde, und der Patient begann, es zu erhalten. Zwei Wochen später sagte der Patient zuerst, dass sich sein Zustand besserte, und der Arzt stellte fest, dass der Tumor abnahm. Daher ist es sehr nützlich, das Arzneimittel zu testen, bevor es dem Patienten gegeben wird.

Stammzellen: Erstellen, was nicht ist

Wenn Sie ein Organ wachsen lassen müssen, das der Patient noch nie hatte oder verloren hat, können Stammzellen verwendet werden. Normalerweise nehmen wir, um eine Niere wachsen zu lassenNierenzelle, um die Harnröhre wachsen zu lassen, nehmen wir die Zellen der Harnröhre. Aber im Fall von Stammzellen können wir eine nehmen, die zu einer Zelle in einer Lunge, Niere oder einem Blutgefäß werden kann. Es gibt zwei Haupttypen von Stammzellen. Einer von ihnen ist menschlich embryonal. Sie sind sehr mächtig, wachsen und können sich in alles verwandeln, aber sie können auch Tumore bilden, so dass es sehr schwierig ist, sie zu verwenden. Wenn wir dagegen bei Erwachsenen über diese Zellen sprechen, können sie Fett- oder Knochenmarkszellen sein, sie bilden keine Tumore, aber sie wachsen nicht so gut.

Zum ersten Mal wird der Begriff "Stammzelle" verwendetDer deutsche Wissenschaftler Valentin Haacker Ende des 19. Jahrhunderts. 1909 schlug der russische Wissenschaftler Alexander Maximov vor, dass es Zellen im Körper gibt, die unverändert bleiben, aber zum richtigen Zeitpunkt das Programm ändern und sich in Zellen eines anderen Typs verwandeln können.

Diese Theorie wurde in den 60er Jahren bestätigt.letztes Jahrhundert. Die Amerikaner James Till und Ernest McCullough bestrahlten die Mäuse mit einer tödlichen Dosis Strahlung und transplantierten sie dann mit einer Stammzelle eines gesunden Individuums. Es stellte sich heraus, dass es auf diese Weise möglich ist, Blut wiederherzustellen und Mäuse vor dem Tod zu retten. Seit 1964 wird diese Methode bei der Behandlung von Blutkrebs eingesetzt: Patienten zerstören zunächst ihre eigenen Blutzellen und transplantieren dann gesunde Stammzellen vom Spender. Die Wirksamkeit dieser Methode erreicht 70–80%.

Im Jahr 1981 Martin Evans und Matthew KaufmanParallel zu Gail Martin wurden embryonale Stammzellen aus Mausembryonen isoliert. Diese Zellen könnten unbegrenzt außerhalb des Körpers existieren, ohne ihre Eigenschaften zu ändern, und wenn sie in bestimmte Zustände geraten, beispielsweise zurück in den Körper, verwandeln sie sich in Gewebe.

1999 stufte das Wissenschaftsmagazin die Entdeckung von Stammzellen nach der Entschlüsselung der DNA und des Humangenomprogramms als eine der drei größten Entdeckungen in der Biologie ein.

Lange Zeit glaubte man, dass eine StammzelleIn eine Gewebezelle verwandelt, ist es unmöglich, sie wieder zum Stiel zu bringen. Im Jahr 2006 entdeckte der Japaner Xinya Yamanaka jedoch einen Weg, somatische Zellen wieder in Stammzellen umzuwandeln. Dafür erhielt er 2012 den Nobelpreis.

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Vor ungefähr 17 Jahren haben wir begonnen, nach einer alternativen Quelle für Stammzellen zu suchen.. Vorgeschlagen, dass es eine andere Art von Stiel gibtZellen im Fruchtwasser und in der Plazenta, mit denen das Baby in der Gebärmutter umgeben ist. Und wir haben diese sehr starken Stammzellen gefunden. Sie bilden keine Tumore und können sich in drei Hauptkategorien von Gewebe verwandeln, die unseren Körper bilden. Diese Zellen können schnell in ausreichenden Mengen gezüchtet werden. Auf diese Weise vermeiden wir alle Einschränkungen von Knochenmarkszellen und anderen Zelltypen. Jetzt sind sie Gegenstand einer Reihe klinischer Studien und werden bisher nicht sehr häufig eingesetzt.

Ich möchte nicht, dass Sie glauben, dass alle Probleme bereits behoben sind, und Sie können einfach die Organe auf dem Drucker aufnehmen und drucken. Dafür wird es Jahrzehnte dauernTechnologie könnte sich weiterentwickeln. Dies ist sehr schwierig, und es braucht viel Zeit, um genau das Rezept zu entwickeln, mit dem die Technologien optimal funktionieren. Darüber hinaus handelt es sich um teure Technologien, deren Replikation schwierig sein wird, aber wir können mit Sicherheit sagen, dass sie Potenzial haben. Und für uns ist dies das Versprechen der regenerativen Medizin - das Leben der Patienten zu verbessern.