Биоинженерная диафрагма выращена в Краснодаре

Результатом международного сотрудничества ученых из России, Швеции и США стало успешное создание тканеинженерной диафрагмы на модели крысы с использованием стволовых клеток и 3D каркаса. Ткань после трансплантации приобрела те сложные биомеханические свойства, которыми обладает диафрагма. Результаты исследования, опубликованного на днях в журнале Biomaterials, дают надежду на лечение врожденных пороков развития диафрагмы и возможное применение данной технологии для восстановления функции сердечной мышцы.

Междисциплинарная команда исследователей включала исследователей с мировым именем в области регенеративной медицины и тканевой инженерии: Паоло Маккиарини, MD, PhD (руководитель Ведущего центра регенеративной медицины и старший научный сотрудник Каролинского Института); Дорис Тейлор, PhD, (руководитель исследований в области регенеративной медицины Техасского института сердца); и Марк Хольтерман, MD, PhD (профессор хирургии и педиатрии медицинского факультета Иллинойсского университета г. Пеории), работающих в сотрудничестве с командой молодых ученых из Международного центра регенеративной медицины Кубанского государственного медицинского университета (Россия). Именно там были сделаны основные этапы работы – эксперименты по созданию тканеинженерной диафрагмы и трансплантация выращенного органа пяти животным. Непосредственно руководили процессом профессор Паоло Маккиарини, который работает в КубГМУ в рамках Мегагранта, и кандидат медицинских наук Елена Губарева, возглавившая авторский коллектив статьи. Кроме того, ряд важных экспериментов по исследованию биомеханических свойств каркаса проводились в Лаборатории полимерных материалов НИЦ «Курчатовский Институт».

Такое сотрудничество сформировалось в рамках проекта «Регенерация дыхательных путей и легкого», который финансируется Гратом Правительства РФ на базе Кубанского государственного медицинского университета.

Диафрагма – это скелетная мышца, которая участвует в процессе дыхания, сокращаясь и расслабляясь. Она также играет важную роль при глотании и выступает в качестве барьера между грудной и брюшной полостями. Различные виды врожденных патологий диафрагмы приходятся на 1 из 2,500 новорождённых  и могут стать причиной критических осложнений, приводящим к летальным исходам.

На настоящий момент восстановление серьезных дефектов хирургическим путем требует использования искусственных лоскутов, которые не способны расти вместе с организмом ребенка и сокращаться при осуществлении дыхательных движений. Новая методика, опубликованная в журнале Biomaterials, предполагает создание диафрагмы из собственных клеток ребенка, что в будущем позволит обеспечить как выполнение функций диафрагмы, так и ее своевременный рост. 

Успех данного исследования в будущем также позволяет возлагать надежды на возможность регенерации тканей сердца, которые испытывают примерно сравнимое давление при сокращении и расслаблении в течение сердечного цикла.

«На данный момент попытки создания и трансплантации новых тканей проводились на относительно простых органах, таких как мочевой пузырь, трахея и пищевод. Диафрагма, которая постоянно сокращается и расслабляется, имеет целый ряд сложных требований к любому 3D каркасу, и до настоящего момента никто не знал, удастся ли его воссоздать», - говорит д-р Дорис Тейлор.

Д-р Паоло Маккиарини добавляет: «Создание этой биоинженерной мышечной ткани – действительно важный этап на нашем пути к регенерации органов со сложной тканевой организацией. Мы видим, как сокращаются мышцы, и делают они это так, как нативная ткань – это подтверждает, что ткань действительно регенерировала, и в будущем это открывает огромные перспективы».   

Регенеративная медицина подразумевает «выращивание» новых тканей и органов из  стволовых клеток на трехмерных «каркасах», которые являются структурной основой и придают форму новой ткани, направляя дифференцировку и пролиферацию стволовых клеток. Создание новых тканей поможет пациентам не только избежать проблемы нехватки донорских органов, но и необходимости приема иммунодепрессантов.

В данной работе исследователи проводили забор диафрагм у крыс-доноров и очищали их от клеток, воздействуя на них различными химическими реагентами. В ходе данного процесса происходит удаление из тканей молекул-антигенов, которые могут вызывать иммунный ответ в организме реципиента, однако при этом сохраняется внеклеточный матрикс, который имеет трехмерную структуру. Исследования in vitro показали, что на данном этапе каркасы диафрагмы теряют важные биомеханические свойства на растяжение при длительной циклической нагрузке. Однако, после того как каркасы засеивали аллогенными стволовыми клетками, полученными из костного мозга, а затем пересаживали животным, они снова функционировали так же хорошо, как и неповрежденные.

После трансплантации вновь созданного органа, в течение 21 дня произошло полное восстановление состояния животных, и новый орган функционировал нормально. Продолжительность их жизни составила до 6 мес.

Теперь данная методика должна быть протестирована  на более крупных животных, прежде чем ее смогут применять в клинике. Существует надежда, что решения тканевой инженерии для лечения врожденных пороков развития диафрагмы окажутся такими же эффективными, как и применяющиеся ныне хирургические методы, но при этом будет пересаживаться новый орган, растущий вместе с организмом ребенка.

Исследование выполнялось при финансовой поддержке Гранта Правительства Российской Федерации (Мегагранта) и Гранта «Биоинженерия трахеи».

Статья: «Ортотопическая трансплантация тканеинженерной диафрагмы на модели крысы», Е. А. Губарева, С. Шеквист, И. В. Гилевич, А. С. Сотниченко, Е. В. Куевда, М. Лим, Н. Фелиу Торрес, Г. Лемон, К. А. Даниленко, Р. З. Накохов, И. С. Гуменюк, Т. Е. Григорьев, С. В. Крашенинников, А. Г. Похотько, А. А. Басов, С. С. Джимак, И. Густафссон, Ж. Баутиста, А. Б. Родригес, В. М. Покровский, Ф. Юнгеблут, С. Н. Чвалун, М. Дж. Хольтерман, Д. А. Тейлор и П. Маккиарини, Biomaterials, online XX ноября 2015.         doi:10.1016/j.biomaterials.2015.11.020

‘Orthotopic transplantation of a tissue engineered diaphragm in rats’, Elena A. Gubareva, Sebastian Sjöqvist, Irina V. Gilevich, Alexander S. Sotnichenko, Elena V. Kuevda, Mei Ling Lim, Neus Feliu, Greg Lemon, Konstantin A. Danilenko, Ramazan Z. Nakokhov, Ivan S. Gumenyuk, Timofei E. Grigoriev, Sergey V. Krasheninnikov, Alexander G. Pokhotko, Alexander A. Basov, Stepan S. Dzhimak, Ylva Gustafsson, Geoanna Bautista, Antonio Beltrán Rodríguez, Vladimir M. Pokrovsky, Philipp Jungebluth, Sergei N. Chvalun, Mark J. Holterman, Doris A. Taylor and Paolo Macchiarini, Biomaterials, online XX November 2015.         doi:10.1016/j.biomaterials.2015.11.020

Для получения более подробной информации:

Паоло Маккиарини, MD, PhD,  

Каролинский институт 

Тел: +46 76-050 32 13 

E-mail: paolo.macchiarini@ki.se