Открытия, сделанные современной медико-биологической наукой за последние тридцать лет, и бурное развитие технологий способствовали прорыву в области регенеративной медицины, уже несколько лет занимающей лидирующие позиции в науке. Представляя собой комплексную систему научно-исследовательских, практических и биоэтических мероприятий, используя существующие в организме человека механизмы обновления тканей, регенерации и морфогенеза, регенеративная медицина способна адекватно восстанавливать структуры и функции поврежденного органа или ткани. Таким образом, регенеративная медицина может повысить качество жизни, продлить трудоспособный возраст, снизить затраты на длительное лечение пациентов с хроническими заболеваниями.
Поскольку это направление биомедицины довольно молодое, перед ним стоит много задач, над которыми предстоит работать. Прежде всего, это создание фундаментальной научной базы и форсирование исследований в наиболее актуальных векторных направлениях.
Целью настоящего обзора является освещение задач и проблем одного из направлений биомедицины, а именно регенеративной медицины.
Как одно из направлений биомедицины, регенеративная медицина сформировалась в конце прошлого века. Термин «регенеративная медицина» впервые был использован в 1992 году профессором Ларри Р. Кайзером в научной статье «Будущее многопрофильных систем». Немного позже, в 1999 году, американский биолог Уильямом Хаселтайн предложил этот термин уже в современном понимании, обосновав его как перспективное направление в области биомедицинских исследований. С этого момента начинается почти двадцатилетняя история развития этого направления, ставшего на сегодня одним из приоритетных [1].
На III Национальном конгрессе по регенеративной медицине, прошедшем в Московском государственном университете имени М.В. Ломоносова в 2017 году, было отмечено, что «в Европе, США и Японии в настоящее время на различных стадиях разработки находится более 1000 продуктов или препаратов, предназначенных для стимуляции регенерации или замены тканей и органов человека [2]. За последние годы количество клинических исследований таких препаратов увеличилось в 4 раза, что говорит о "взрывном" этапе развития регенеративной медицины».
Концептуально регенеративная медицина основана на использовании для восстановления организма его собственных ресурсов.
Регенеративная медицина сформировалась из молекулярно-биологических, клеточных и тканеинженерных разделов, каждый из которых базируется на нескольких научных дисциплинах. Например, тканевая инженерия невозможна без исследований в молекулярно-биологической и клеточной областях, развития биотехнологий, медицинского инжиниринга и т.д. [3].
Перспективными направлениями развития регенеративной медицины считают протеомные исследования, исследования с использованием клеточных технологий, тканевую инженерию, технологии создания биоматериалов, 3D-биопринтинг. Кроме того, периодически появляются новые направления [1; 4].
Сегодня во всем мире основным направлением получения знаний в регенеративной медицине является исследование протеома - изучение молекулярных механизмов регуляции дифференцировки, миграции и пролиферации клеток, поиск молекул-регуляторов и определение молекулярных мишеней для стимуляции эндогенного регенераторного потенциала организма [5; 6].
Актуальными были и остаются подходы к лечению различных заболеваний с помощью методов клеточной терапии, направленных на процесс производства организмом новых клеток для замещения старых и нормализации работы имеющихся. Благодаря клеточным технологиям сейчас можно с успехом лечить серьезные заболевания, которые ещё недавно считались безнадёжными, а исследования и медицинские разработки ведутся по самому широкому спектру проблем – от онкологии до косметологии [7-9].
Клеточные технологии - это, прежде всего, стволовые клетки и клетки-предшественники, которые способны поддерживать свою популяцию и превращаться в специализированные клетки с разными функциями. Их можно выделять из различных тканей организма, культивировать, а затем либо вводить в организм, либо использовать для тканевой инженерии. Сегодня ведутся исследования как аллогенных, так и аутологичных классов стволовых клеток [10; 11].
Наиболее перспективны работы с мультипотентными мезенхимальными стромальными клетками (ММСК), т.к. они находятся практически во всех тканях организма. Чаще всего их выделяют из костного мозга и жировой ткани. Крайне важно изучение влияние ММСК для стимуляции ангиогенеза и нейрогенеза, поскольку регенерация кровеносных сосудов и нервов без них невозможна [12; 13].
Кроме того, исследования жировой ткани показали, что даже без выделения из нее стволовых клеток она обладает регенеративными свойствами. Клинические исследования доказали эффективность введения жира при лечении ряда заболеваний [13-15].
Из стволовых клеток уже получены ткани печени, мышц, роговицы глаза, сердца и других органов, а немецким ученым путем индукции миграции мезенхимальных стволовых клеток к поврежденной ткани удалось стимулировать регенерацию костной ткани с остеопорозом [7; 12; 16].
Одной из основных проблем регенеративной медицины является производство новой крови и иммунных клеток для лечения пациентов с нарушениями иммунной системы и переливания крови [6; 17].
В настоящее время определены сочетания четырех факторов транскрипции, которые позволяют превратить клетки кожи мыши в несколько типов кровяных клеток, и получены из фибробластов миелоидные и лимфоидные клетки, которые функционируют в организме до четырех месяцев [18].
В регенеративной медицине появляются и новые технологии в этой области. Например, митохондриальные технологии, с помощью которых можно влиять на иммунную систему и тем самым на регенерацию тканей. Эти технологии позволяют изучать митохондриальные структуры более детально, чем раньше. Исследования митохондрий помогут понять, какие именно изменения в них ведут к развитию заболеваний [6].
Такие направления, как фемтосекундная хирургия или субклеточная хирургия, позволяют выполнять сложные задачи. Например, разрабатывать «биокаркасы», осуществлять трансфекцию, стимулировать или даже удалять единичные клетки, а также выполнять внутриклеточные хирургические протоколы на уровне отдельных органелл, не убивая при этом клетку [19]. Помимо этого, развиваются направления по созданию: клеточных систем доставки терапевтических препаратов, клеточных продуктов для стимуляции регенерации тканей и органов. Тестируются препараты на основе продуктов культивирования клеток, а также изучаются возможности применения анализа клеточных популяций в целях диагностики патологических состояний организма.
Ведутся исследования по изучению механизмов генетической регуляции дифференцировки стволовых клеток. Наиболее значимым стало перепрограммирование соматических клеток человека в плюрипотентные эмбриональные стволовые клетки. По мнению ученых, это «произведет революцию в лечении инфаркта миокарда, болезни Паркинсона, рассеянного склероза и травм позвоночника» [9; 11].
Ряд исследовательских центров, расположенных в США и Японии, активно ведут исследования возможности модификации стволовых клеток человека для получения более эффективных биомедицинских клеточных продуктов (БМКП). Ими уже были получены клеточные вакцины из генно-модифицированных стволовых клеток и ведутся дальнейшие исследования по созданию комбинированных препаратов, несущих несколько «терапевтических» генов, изучение новых систем для доставки генетической информации, включая использование вирусных частиц и методов редактирования генома [3; 4].
Открытие биофизических механизмов, влияющих на перепрограммирование, имеет огромное значение для совершенствования методов получения стволовых клеток и для разработки новых биоматериалов. Эти способы являются довольно эффективными и надежными средствами перепрограммирования клеток, которые позволяют избежать проблемы, связанные с генной инженерией [18].
Одно из направлений генной инженерии – таргетная терапия. Ее методики разработаны пока лишь для лечения нескольких видов рака. Они заключаются в возможности блокировки молекул или генов, которые способствуют росту раковых новообразований и метастаз [17].
Существует два типа таргетной терапии:
1) моноклональные антитела, блокирующие специфическую цель на раковых клетках или поставляющие прямо в раковую клетку токсические вещества;
2) лекарственные препараты на основе малых молекул, блокирующих процесс размножения и распространения стволовых клеток.
Уже разработаны таргетные средства для лечения некоторых видов рака [1; 3].
В США и многих странах Евросоюза одним из направлений стратегии развития в области медицины назван персонализированный подход, в который входят методы профилактики, диагностики и лечения, основанные на индивидуальных особенностях пациента. Прежде всего, его генотипе, который уже используется в лечении рака груди, меланомы и некоторых сердечно-сосудистых и других заболеваний. Персонализированная медицина опирается на три базовых компонента. Это большие информационные базы данных о пациентах и симптомах. Диагностика на молекулярном уровне, генетическое секвенирование и дальнейшая индивидуальная стратегия лечения [4].
Эффективной альтернативой стволовым клеткам является использование препаратов, не содержащих стволовых клеток, но обладающих сходным эффектом за счет биоактивных компонентов, входящих в их состав, то есть их секретома [4; 5].
В отличие от клеточных продуктов, секретом стволовых клеток лишен многих рисков: при длительном хранении он не теряет эффективность, при его использовании легче оценить кинетику препарата и риски «отсева», он имеет минимальную трансформацию клеток [5].
Использование секретома показано при необратимых нарушениях функций органов и поражениях, сопровождающихся фиброзом. В перспективе он может быть использован при создании тканеинженерных конструкций, протезов и биоматериалов.
В области тканевых технологий основные исследования направлены на создание биоматериалов с заданными свойствами и технологий 3D-биопринтинга. Создание тканеинженерных и органоидных конструкций, имеющих более близкую к нативной ткани морфологию, в перспективе может стать основой для получения искусственных органов человека [18].
Показания для применения методов тканевой инженерии: ожоги, повреждения нервов, костей, кожи, полых органов и последствия операционного (хирургического) вмешательства [18].
Тканевая инженерия работает над созданием двух типов матриксов, позволяющих выращивать органы, структурно и функционально идентичные настоящим органам человека: трехмерных и бесклеточных, а также это направление работает над созданием искусственной лимфоидной ткани, которая поможет людям с врожденными и приобретенными иммунодефицитами и с аутоиммунными заболеваниями [3].
Развитие технологий по конструированию биоматериалов с заданными свойствами обусловлено потребностью в получении матриксов для создания искусственных органов и в транспортной (целевой) направленной доставке лекарственных средств.
Уже сегодня стало возможным создание хоть и слабо, но функционирующей искусственной почки на основе бесклеточного матрикса. На сегодня известно о ряде экспериментов по созданию легких, печени и даже элементарных нейронных цепей мозга. Ведутся исследования биосовместимости и индукции иммунного ответа на разрабатываемые биоматериалы. В этой области уже достигнуты некоторые результаты. Так, бионановолокнистые и инъекционные матриксы для выращивания тканей уже используются в стоматологии. Также в качестве матрикса был протестирован гидрогель PEGDA. Композитные биоматериалы, пропитанные наночастицами серебра и содержащие целлюлозу и хитозан, тестируются в качестве перевязочных материалов для ускоренного заживления ран [1; 17].
3D-биопринтинг, самое молодое направление регенеративной медицины, оформился в самостоятельную отрасль науки в 2006 году благодаря созданию 3D-биопринтера калифорнийской компанией Organovo. С его помощью стало возможным создание органов и тканей со сложно устроенной архитектоникой.
В России основные перспективные направления в области регенеративной медицины были определены научным сообществом совместно с Министерством здравоохранения в соответствии со «Стратегией развития медицинской науки в Российской Федерации на период до 2025 года» и совпадают с мировыми тенденциями в этой области [1].
Стоит отметить, что развитие отечественной регенеративной медицины во многом зависело от наличия законодательной базы, регламентирующей клинические исследования и применение клеточных продуктов и технологий.
В 2017 году вступил в силу Федеральный закон № 180-ФЗ «О биомедицинских клеточных продуктах» и началась активная разработка подзаконных актов, что создало условия для развития этой отрасли науки.
В связи с этим наши ученые получили возможность для активации исследований в области клеточных технологий, необходимых для разработки новых методов трансплантации стволовых клеток, создания препаратов на основе продуктов культивирования клеток и создания клеточных систем доставки лекарственных средств к органам-мишеням, генной инженерии и т.д. [1; 3].
В результате того что наука столкнулась с массой неразрешимых социально-этических, научных и технологических проблем, связанных с исследованиями эмбриональных стволовых клеток, векторным направлением стал поиск новых технологий получения специализированных клеток, индивидуальных для любого пациента, из его же биоматериала [4; 13].
Поэтому сегодня ведутся исследования фундаментальных аспектов участия мезенхимальных стволовых клеток (МСК) в процессах регенерации [12].
Особенностью МСК, объясняющей их широкое применение в клеточной терапии, является очень низкая иммуногенность, что обеспечивает возможность пересадки клеток от практически любого неродственного донора практически любому реципиенту без использования иммуносупрессивной терапии [5].
На сегодняшний день учеными уже достигнуты значимые результаты в изучении и лабораторной апробации регуляторных механизмов дифференцировки мезенхимальных стволовых клеток [8]. Так, российскими учеными был создан прототип биоматериала на базе высокоочищенных матриксов белков и сбалансированного комплекса регенеративных факторов, секретируемых МСК жировой ткани человека для стимуляции регенерации тканей. Ими также были разработаны различные формы биоматериала в виде геля для инъекций, повязок и плотных мембран [1; 5; 7].
Наибольший интерес представляют мультипотентные мезенхимальные стволовые клетки (ММСК), выделяемые из жировой, костной и хрящевой тканей, оказывающие проангиогенный, антифибротический, антиапоптический и т.д. эффекты, что определяет широкий спектр их применения [10; 13].
Основным препятствием для развития и внедрения клеточных технологий являются потенциальные риски, прежде всего связанные с отсутствием экспериментально подтвержденной научной базы, поскольку из-за долгого отсутствия в нашей стране не было законов, регулирующих эту область науки. Поэтому они требуют более строгих мер предосторожности при клиническом использовании.
По степени увеличения риска, а, соответственно, и перспектив внедрения в практику, клеточные технологии можно расположить следующим образом:
- лекарственные средства на основе рекомбинантных белков или на основе генно-инженерных конструкций и секретом стволовых клеток;
- препараты на основе минимально модифицированных аутологичных клеток пациента, в том числе мезенхимных стромальных клеток из дифференцированных тканей;
- препараты на основе минимально модифицированных донорских клеток;
- препараты из генно-модифицированных клеток.
По соображениям биобезопасности применение клеток с индуцированной плюрипотентностью возможно только в индивидуальной медицине с целью in vitro диагностики особенностей патогенеза заболевания и индивидуального подбора фармакотерапии [6; 10].
Совместно с зарубежными специалистами наши ученые занимаются разработкой и тестированием методов создания бесклеточных матриксов для тканевого инжиниринга.
В 2012 году был открыт Центр регенеративной медицины при Кубанском медицинском университете, который занимается изучением интраторакальных органов и ведет разработки тканеинженерных матриксов сердца, лёгких, диафрагмы и пищевода. Сотрудники института уже получили децеллюляризированные (бесклеточные) матриксы, научились стерилизовать каркасы, не разрушая внеклеточный матрикс, для создания органов с планарной (плоской) пространственной организацией типа диафрагмы, и приступили к поиску клеточной линии, которая, при засеивании каркасов, могла бы дать полноценную тканеиженерную конструкцию [5].
Над созданием биоинженерных эквивалентов для поврежденных органов, доклиническими исследованиями и клиническими испытаниями, биопечатью, моделированием и дизайном биоматериалов работают Первый МГМУ им. И.М. Сеченова, МГУ им. М.В. Ломоносова и ряд других научных и исследовательских институтов (НИИ).
Из наиболее значимых работ последних лет в области клеточной терапии можно выделить первую в мире технологию выращивания костных тканей человека из стволовых клеток [20; 21].
В области создания искусственных органов с применением клеточных технологий российскими учеными разработана технология, позволяющая выращивать искусственную печень. Также наши ученые работают в направлении совместного применения стволовых и иммунокомпетентных клеток с учетом их функционального предназначения [5; 7].
В России успешно осваиваются и новые направления регенеративной медицины. Например, таргетная терапия. В 2016 году была запатентована научно-теоретическая платформа таргетной терапии – «Стратегия фармакологической регуляции внутриклеточной сигнальной трансдукции в регенераторно-компетентных клетках» [22].
Это далеко не все успехи российских ученых в области регенеративной медицины. Однако, несмотря на то что теоретические исследования и клинические испытания идут в активном режиме, перед учеными стоит ряд проблем, делающих достижение целей регенеративной медицины трудновыполнимыми.
К основным причинам, тормозящим развитие направления, можно отнести:
- недостаточное финансирование;
- экономические санкции в отношении фармацевтической промышленности, индустрии и высокотехнологичного медицинского оборудования, которые создают значительный вызов для национальных биомедицинских исследований. При этом внутренний рынок на сегодня не в состоянии обеспечить потребности регенеративной медицины. Для решения проблемы необходимо государственное инвестирование средств в создание крупных корпораций по производству материалов и техники для регенеративной медицины;
- отсутствие инвестиций со стороны российского бизнеса. Это связано с тем, что он ориентирован на извлечение быстрой прибыли. Большинство исследований в сфере регенеративной медицины еще не вышли за пределы стен лабораторий, а сроки клинического внедрения некоторых из них дело будущего;
- разработка технологий не гарантирует постановку препарата на производство;
- длительный срок введения новых терапевтических средств. От фундаментального открытия до выведения на рынок проходит 12–17 лет. При этом только около 10% лекарственных кандидатов доходят до потребителя;
- поздняя диагностика и несовершенство ее методов не позволяют в полном объеме сокращать заболеваемость за счет снятия первичных диагнозов при излечении (восстановление кровоснабжения, иннервации, восстановление секреции инсулина, восстановление функций печени и т.д.);
- отсутствие доступной для специалистов общей базы данных результатов фундаментальных и прикладных исследований, единых стандартов диагностики и информационной системы, куда заносят эпидемиологические данные, данные клинических испытаний и генетических тестирований.
Список можно продолжить, но положение дел от этого не изменится. На урезанном бюджете и минимальном техническом оснащении проводить научные исследования крайне сложно.
Помимо финансово-технической, есть еще одна серьезная проблема. Она лежит в области непосредственно самой науки. Дело в том, что регенеративная медицина, в современном понимании, пришла к нам в уже готовом виде. 3D-биопринтинг и тканевая инженерия - это зарубежные концепции, которые реализуют и усовершенствуют наши ученые. Поэтому никаких значимых научных прорывов в этих направлениях ожидать не приходится.
Кроме того, сама идея создания тканеинженерных органов с помощью предложенных технологий подвергается критике со стороны многих ученых. Да, некоторые подвижки при выращивании фрагментов тканей есть, но любой человеческий орган - это многокомпонентная структура, воссоздать которую архисложно. Поэтому большинство разработок тканевой инженерии даже не попадут в клиническую практику. Это не означает, что исследования в этой области бесперспективны. Любой опыт обогащает и дает медицине новые научные открытия.
Еще один из западных трендов – персонифицированный подход. В идеале лучше лечить не болезнь, а человека, но сейчас внедрить его в нашей стране невозможно из-за отсутствия все того же финансирования.
В «Стратегии развития медицинской науки в РФ» перед регенеративной медициной поставлены две разнонаправленные задачи: повысить уровень здоровья населения и при этом снизить затраты на здравоохранение. Первая из них – это в принципе основная задача медицины.
Вторая задача выполнима, если перенаправить финансирование на более актуальные для России разработки в сфере регенеративной медицины, а обеспечение интересных для иностранных коллег совместных разработок в этой области предоставить иностранным инвесторам.
Стоит вспомнить о том, что в основе всех методов регенеративной медицины лежат протеомные исследования и тканевая инженерия, и обратить на них более пристальное внимание. Тем более, что в России накоплен огромный опыт именно в этих областях.
Обратимся к истории. Термин «стволовые клетки» предложил русский ученый А.А. Максимов еще в 1908 году, исследуя процесс кроветворения. Позже его поддержал и развил профессор А.Я. Фриденштейн, доказав наличие других, не только кроветворных, стволовых клеток.
В 60-е годы прошлого века А.Я. Фриденштейн и И. Чертков обнаружили, что большая часть СК сосредоточена в костном мозге. Еще в 1948 году российским эмбриологом Г.В. Лопашовым был разработан метод пересадки (трансплантации) ядер в яйцеклетку тритона.
Кроме того, принципиально новый метод лечения на то время – тканевую терапию и учение о биогенных стимуляторах создал академик В.П. Филатов [23]. Методом круглого стебля для восстановления поврежденных тканей и устранения обезображивающих дефектов, созданным им еще в 1914 году, до сих пор пользуются хирурги во всем мире. Список можно продолжить, и он будет весьма внушительным. Главное, что именно в этой нише Россия может занять лидирующее положение.
Решение проблемы и логичное развитие регенеративной медицины не в том, чтобы искусственно вырастить орган и имплантировать его человеку (своего рода «паллиативное решение проблемы»), а научиться контролировать обновление клеток и регулировать процесс регенерации-репарации внутри человеческого организма.
Еще одно перспективное, но незаслуженно забытое направление – регенеративная хирургия, концепция которой, как научной теории, была сформулирована профессором И.А. Голяницким под руководством С.И. Спасокукоцкого еще в 1922 году. Исследования показали, что методы регенеративной хирургии, в отличие от традиционных хирургических, малоинвазивны, имеют низкий риск осложнений, ускоряют сроки реабилитации и т.д. [23].
В условиях эксперимента [16] было продемонстрировано положительное влияние аутотрансплантации полнослойного кожного лоскута (АТПКЛ) при нарушенной иннервации на группе белых крыс. В ходе исследований было доказано, что АТПКЛ способствует более интенсивному структурному и функциональному восстановлению нервных волокон после их повреждения и оказывает выраженное стимулирующее влияние на микроциркуляцию крови как в условиях сохраненной, так и нарушенной иннервации.
Для реализации принципов регенеративной медицины необходимы три основных компонента: стволовые клетки (источник регенерации), факторы роста, цитокины (направление регенерации), матрикс (поле регенерации). Для достижения клинического эффекта в регенеративной хирургии не требуется присутствие всех трех составляющих [24]. Поэтому вышеописанный метод может быть внедрен в практику уже в обозримом будущем. Он не требует создания банка материалов, наличия дополнительных фармакологических препаратов и может быть применен практически в любых условиях.
Заключение. Регенеративная медицина в России имеет несомненные достижения, которые были бы невозможны без поддержки со стороны государства. Прежде всего, это принятие самой Стратегии, определяющей направления развития всех отраслей биомедицины. В 2017 году был принят Федеральный закон № 180-ФЗ «О биомедицинских клеточных продуктах», давший нашим ученым возможность для исследований в области клеточных технологий, необходимых для разработки новых методов трансплантации стволовых клеток, создания препаратов на основе продуктов культивирования клеток и создания клеточных систем доставки лекарственных средств к органам-мишеням, генной инженерии и т.д. Неоценима и финансовая поддержка. Дальнейшее развитие регенеративной медицины в нашей стране невозможно без пересмотра и переосмысления подходов и методов в этой области, их актуальности и целесообразности. Необходимо выбрать и в дальнейшем развивать наиболее перспективные из них, те, которые смогут реализовать доступность результатов регенеративной медицины. Попробовать найти альтернативные пути решения задач. Технический потенциал наших ученых находится на высочайшем уровне. В их силах создать биопринтер нового поколения или разработать новую модель, работающую на принципиально другой основе. Необходимо реанимировать уже существующие направления, так же как и регенеративная хирургия, оставленные без должного внимания, внимательно изучать работы наших соотечественников за прошедшие сто-двести лет во всех областях медицинской науки с позиций сегодняшнего понимания проблем регенерации.
Библиографическая ссылка
Пронина Е.А., Попыхова Э.Б., Степанова Т.В., Иванов А.Н. СОВРЕМЕННЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ И ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ РЕГЕНЕРАТИВНОЙ МЕДИЦИНЫ // Современные проблемы науки и образования. – 2019. – № 3. ;URL: https://science-education.ru/ru/article/view?id=28968 (дата обращения: 18.04.2024).