МОСКВА, 15 окт - РИА Новости. Выращивание новых органов, редактирование генов, полное излечение от самых тяжелых заболеваний. Ученые ищут новые способы решить эти задачи за счет изучения стволовых клеток, хотя вокруг этичности этих исследований ведется широкая дискуссия. По последним данным, средства на основе стволовых клеток могут также помочь в борьбе против COVID-19; препарат, который был использован для лечения президента США Дональда Трампа, был разработан с их помощью. О том, какие новые уникальные возможности может дать человеку медицинское применение стволовых клеток, рассказали ученые из российских университетов, входящих в Проект "5-100".
Стволовые клетки и коронавирус
В начале октября стало известно, что для лечения коронавируса врачи назначили Дональду Трампу коктейль из противовирусных антител, созданный компанией Regeneron, который сам он назвал "чудодейственным". Regeneron разработал это лечение с помощью клеточной линии под названием HEK 293, первоначально полученной от абортированного плода в 1973 году в Нидерландах, однако сами стволовые клетки в препарат не входят.
Осенью 2020 года другие исследователи также заявили о возможности эффективно использовать стволовые клетки в лечении против вируса COVID-19. В США была подана заявка на применение препарата на основе мезенхимальных стволовых клеток ткани пуповины.Ученые из Израиля предложили сразу несколько вариантов лечения с использованием стволовых клеток острого и опасного для жизни респираторного дистресса у пациентов с коронавирусом и пневмонией.
По словам ученых, мезенхимальные стволовые клетки имеют большие перспективы для лечения пациентов с COVID-19 из-за их способности подавлять сверхактивированную иммунную систему и способствовать восстановлению недостаточности легких и других органов при тяжелом течении заболевания.
Стволовые клетки – что это такое?
Ученые придумали понятие "стволовая клетка", чтобы объяснить, почему многоклеточные живые организмы, которые постоянно теряют те или иные клетки, например, защитный слой кожи, продолжают жить и сохраняют один и тот же внешний вид.
Стволовые клетки – это универсальный строительный материал, который организм использует для самообновления. Они существуют в организме на любой стадии его развития, могут делиться и размножаться, оставаясь неизменными. В необходимый момент они могут при делении изменить свою программу и создавать другие, новые, специализированные типы клеток, например, крови и различных органов, заменяя старые, отслужившие свой срок.
Теорию стволовой клетки и идею того, что из нее могут развиваться специализированные потомки, объяснил на примере клеток крови в 1909 году российский ученый Александр Максимов. В 1981 году американские ученые экспериментально доказали существование эмбриональных стволовых клеток на примере мыши.
Стволовые клетки можно разделить на три большие категории в зависимости от их происхождения: эмбриональные (получают из плаценты), фетальные (их берут из материалов плода после аборта), постнатальные (клетки взрослого организма).
Несмотря на то, что стволовые клетки зрелого организма обладают значительно меньшим потенциалом для применения в сравнении с эмбриональными и фетальными и могут порождать меньшее количество различных типов клеток, этический аспект их исследования и применения не вызывает серьезной полемики. Некоторые исследователи предлагают использовать такой тип стволовых клеток в борьбе с коронавирусом и пневмонией. На сегодняшний день они применяются в тканевой инженерии и для разработки индивидуальных средств диагностики.
Эмбриональные стволовые клетки обладают уникальными свойствами: во-первых, они могут делиться бесконечно долго, во-вторых, их потомки могут превратиться в любую специализированную клетку, будь то один из нейронов мозга, гепатоцит печени или клетка кишечного эпителия – нужно только задать требуемую молекулярно-генетическую программу.
Однако использовать клеточный материал человеческих эмбрионов в медицинских или сугубо научных целях невозможно по этическим причинам, в большинстве стран на работу с этим типом клеток наложен запрет. Поэтому биологам пришлось создать альтернативу: в 2006 году японский ученый Синъя Яманака впервые получил так называемые индуцированные плюрипотентные стволовые клетки (iPSC, или iPS); за это открытие он получил Нобелевскую премию.
Аналоги эмбриональных стволовых клеток могут дать человеку шанс на искусственную регенерацию и излечения от тяжелых болезней. Можно полностью вылечить человека от рака, если выделить у него так называемые опухоль-ассоциированные Т-клетки, модифицировать их и вернуть обратно. T-клетки – это главное оружие организма, они выделяются из лейкоцитов в костном мозге и обеспечивают распознавание и уничтожение клеток, несущих чужеродные антигены.
Преодоление врожденных генетических дефектов
Аналоги Т-клеток сегодня стало возможным получать благодаря результатам большого проекта ученых Московского физико-технического института (МФТИ) и их коллег из университета Гуанчжоу (Китай) и Гарвардского университета (США).
Также с помощью аналогов стволовых клеток ученые МФТИ и Национального медицинского исследовательский центр эндокринологии Минздрава России разрабатывают способ лечения для больных с генетическими дефектами, вызывающими дисфункцию коры надпочечников. Это тяжелое заболевание проявляется с первых недель после рождения и представляет серьезную угрозу жизни ребенка.
«
"Применения обычной генотерапии в подобных случаях недостаточно: стволовые клетки коры надпочечников быстро обновляются, поэтому доставляемая функциональная копия генов активна только 8-12 недель, потом ее активность падает", – рассказал РИА Новости руководитель Лаборатории геномной инженерии МФТИ Павел Волчков.
Ученые МФТИ для решения этой проблемы придумали "починить" нефункциональный геном с помощью его редактирования. В процессе низкоинвазивной, лапароскопической операции, в организм пациента доставляется система редактирования гена.
Сегодня исследования ведутся на лабораторных мышах, однако для полного решения задачи нужно провести эксперименты с человеческим геномом. Здесь, по словам ученых, возможны два варианта – создание мышей с человеческим локусом или работа с редактированием системы in vitro (в пробирке).
Ускорить рост и уменьшить затраты
Стволовые клетки обладают потенциалом для использования в тканевой инженерии, при создании тканей и органов для трансплантации. Среди последних достижений ученых — выращенные из стволовых клеток миниатюрное человеческое сердце, модель мозга эмбриона, пищевод.
Исследователи из Балтийского федерального университета (БФУ) им. Канта занимаются созданием нейронов из постнатальных стволовых клеток для трансплантации при травмах спинного мозга, повреждениях нервной ткани и нейродегенеративных заболеваний.
Сегодня для стимулирования дифференциации стволовых нейрональных клеток ученые добавляют в клеточную среду факторы роста и ферменты. По мнению специалистов, это довольно дорогой метод, который требует долгого времени для дифференциации стволовых клеток.
«
"Мы планируем это исправить с помощью нашей методики. Такие материалы, как пьезополимеры, дешевы в изготовлении и просты в применении, а сама методика позволит ускорить процесс развития стволовых клеток в нейроны определенного типа", – рассказала РИА Новости старший научный сотрудник Лаборатории новых магнитных материалов БФУ им. И. Канта Екатерина Левада.
Для стимуляции роста клеток ученые разрабатывают так называемые композитные мультиферроики – магнитные частицы, разведенные в биосовместимой пьезополимерной матрице. Такие композиты обладают выраженной взаимосвязью магнитных и электрических свойств.
"Мы планируем использовать новый материал как активную подложку для культивирования биологических объектов, и оказывать на них необходимые стимулирующие воздействия с использованием магнитных и электрических полей. Этот способ может дать более эффективный результат по сравнению с одиночными полями", – сообщил РИА Новости старший научный сотрудник БФУ Абдулкарим Амиров.
Индивидуальный подбор противоопухолевой терапии
Постнатальные стволовые клетки, взятые у конкретного человека, можно использовать для создания индивидуальных методов диагностики онкологических заболеваний и для первичного скрининга веществ, обладающих противоопухолевой активностью.
По словам специалистов, стволовые клетки не только представляют собой универсальный "строительный материал" клеток крови и органов, но также поддерживают в организме рост и жизнеспособность злокачественных опухолей, делают их устойчивыми к химиотерапевтическим препаратам, что сильно усложняет процесс терапии. Перед врачами и учеными остро стоит задача поиска наиболее эффективных методов лечения, которые могли бы преодолеть эти барьеры.
Сегодня фармацевтическая промышленность активно использует в основном двухмерные модели in vitro – то есть клетки, растущие на плоской поверхности. Причем, чаще всего используется только один тип опухолевых клеток. Однако двумерные модели не учитывают естественную трехмерную архитектуру опухоли, сложные межклеточные взаимодействия и, как следствие, не могут дать объективных результатов.
Ученые во всем мире работают над новыми моделями опухолевых заболеваний, которые варьируют от относительно простых 3D агрегатов опухолевых клеток (сфероиды) и кусочков опухолей (органоиды), до сложных технологий органов-на-чипе.
В научно-клиническом центре прецизионной и регенеративной медицины Института фундаментальной медицины и биологии Казанского (Приволжского) федерального университета (КФУ) проводятся разработки специальных тест-систем. Они основаны на совместном культивировании стволовых, опухолевых и иммунных клеток с добавлением специального внеклеточного матрикса для того, чтобы клетки существовали в трехмерной среде, напоминающей естественные опухолевые ткани организма.
Разработка позволяет эффективно получать трехмерные тканеподобные структуры, схожие с опухолью в организме, а также моделировать процессы метастазирования и формирования лекарственной устойчивости "в пробирке".
«
"Разработанная учеными тест-система также может подойти для индивидуального подбора схемы противоопухолевой химиотерапии при использовании стволовых, опухолевых и иммунных клеток самого пациента", – сообщил профессор КФУ, почетный профессор фундаментальной медицины Ноттингемского университета Альберт Ризванов.
Проект "5-100", реализуемый в рамках национального проекта "Образование", призван способствовать наращиванию научно-исследовательского потенциала российских университетов, укреплению их конкурентных позиций на глобальном рынке образовательных услуг.