Що потрібно для вирощування кісток у великій кількості? Типова регенерація кістки, при якій кісткова тканина з стегна пацієнта пересідає на пошкоджену кістку іншій частині організму, відбувається не нескінченно і може викликати сильний біль через кілька років після операції. У своїй доповіді Моллі Стівенс представляє новий спосіб застосування стовбурових клітин, при якому використовується вроджена здатність кістки відновлюватися і безболісно проводити великі кількості кісткової тканини.
Один з моїх улюблених прикладів - це історія сера Гарольда Рідлі, який був знаменитим офтальмологом або, принаймні, став їм. Під час Другої світової війни він зауважив, що у пілотів, які повернулися після завдань, всередині очей були маленькі осколки якоїсь речовини, що застряг там. Найцікавіше полягало в тому, що ця речовина не викликало ніякого запального процесу. Він виявив, що це були маленькі осколки пластика від верхньої частини винищувачів «Спитфайр». Завдяки цьому він запропонував даний матеріал в якості нового речовини для внутрішньоочних лінз. Воно називається поліметилметакрилат (ПММА) і зараз використовується мільйонами людей щороку і допомагає запобігти катаракту. І цей приклад, як на мене, дійсно хороший, тому що він нагадує нам про те, що раніше люди часто вибирали матеріали на основі їх біоінертності.
В основному вони виконували механічні функції. Ви впроваджували їх в організм і не отримували несприятливої реакції. Я хочу вам показати, що в регенеративної медицини ми відкинули ідею використання біоінертності матеріалу. Ми активно шукаємо матеріали, які будуть біоактивними і будуть взаємодіяти з тілом, і, більш того, ми зможемо помістити їх в організм, де вони будуть виконувати свої функції, а потім розчинятися з плином часу. Якщо розглянути це за допомогою схеми, то вона покаже наше уявлення про типовий підході до вирощування тканин. У нас є клітини пацієнтів. Ми поміщаємо їх на матеріал, який можемо зробити дуже складним, якщо захочемо. Потім можемо виростити тканини в лабораторії або помістити назад в тіло пацієнта. Цей підхід використовується по всьому світу, включаючи нашу лабораторію. Одне з важливих спостережень за стовбуровими клітинами полягає в тому, що з них можуть виникати різні тканини. Вони хочуть стати різними біологічними тканинами. А ми хочемо бути певними, що навколишнє середовище, в яку ми їх розміщуємо, містить достатньо інформації, завдяки якій вони можуть стати саме тією необхідною тканиною. Якщо ми уявляємо собі різні види тканин, які на думку людей можуть відновлюватися в різних лабораторіях світу, то так можна думати про будь-якої тканини.
Справа в тому, що структура цих тканин різна і буде залежати від того, чи є у вашого пацієнта якась основна хвороба, а також від ряду умов, наприклад, як буде йти відновлення цієї тканини. Потрібно приділити пильну увагу використовуваних матеріалів, їх біохімії і механіці, а також багатьом іншим властивостям. Всі наші тканини мають дуже різні відновлювальні здатності. Ось ми бачимо бідного Прометея, який вибрав досить хитрий рід діяльності, і був покараний грецькими богами. Його прикували до скелі, і кожен день прилітав орел і клював його печінку. Звичайно, його печінку повинна була відновлюватися кожен день. Так день за днем його карали боги століттями. А печінка все відновлюється таким прекрасним чином. Якщо ми розглянемо інші тканини, наприклад, хрящ, то навіть найпростіша тріщина ускладнить ваші дії по відновленню хряща.
Тому для різних тканин будуть різні способи їх регенерації. Кость є проміжний етап. Над цим видом тканини ми багато працюємо в лабораторії. Насправді, кістка добре відновлюється. Так і має бути. Ймовірно, у всіх були переломи в якийсь період життя. Ось один спосіб, який допоможе вам відновити перелом. Ця процедура називається збором подвздошного гребеня. Хірург бере трохи кісткової тканини з клубового гребеня, який знаходиться ось тут, і пересаджує її в іншу частину організму. Процедура хороша і діюча, так як використовується ваша власна кістка. Добре утворюються нові кровоносні судини, що вказує на хороше кровопостачання.
Але є проблема: можна взяти тільки ось стільки тканини, а коли зробите операцію, ваші пацієнти, ймовірно, будуть відчувати різкий біль в місці пошкодження навіть через два роки після операції. Ми міркували над тим, що потреба у відновленні кісток, звичайно, велика, але даний підхід з використанням подвздошного гребеня має багато обмежень. Може, ми могли б відтворити освіту кістки в самому тілі при необхідності, а потім зробити пересадку без тих болючих наслідків, які з'являються внаслідок збору подвздошного гребеня? Ми так і зробили. Ми знову задіяли підхід типового вирощування тканин. Але зовсім по-іншому. Ми багато в чому його спростили і позбулися великої кількості етапів: збору клітин пацієнта, приміщення їх в примхливу хімічне середовище, а також вирощування цих клітинних каркасів в лабораторії. Ми зосередилися на будову матерії і її вельми простому створенні. Так як ми з розумом підійшли до цього питання, то змогли створити багато кісткової тканини завдяки цьому підходу. Ми використовували тіло в якості каталізатора, який допоміг нам створити багато нових кісток. Ми називаємо такий підхід біореактором в природних умовах. Завдяки йому ми змогли створити багато нових кісток. Я розповім вам про це підході. Так що ж ми робимо?
У людей є шар стовбурових клітин на зовнішній стороні трубчастих кісток. Цей шар називається окістям. Зазвичай він дуже тісно пов'язаний з основною кісткою і містить стовбурові клітини. Ці клітини мають важливе значення для ембріона, що розвивається. Вони також прокидаються, якщо у вас виник перелом, і допомагають відновити кістку. Отже, ми беремо шар окістя. Ми розробили спосіб введення під цей шар рідини, яка за 30 секунд перетвориться в досить твердий гель і віддалить окістя від кістки. По суті, виникає штучна порожнина, яка знаходиться як поруч з кісткою, так і з багатим шаром стовбурових клітин. Ми проникаємо в надріз розміром з шпилькову отвір так, що інші клітини тіла туди не потрапляють. Потім ця штучна порожнина біореактора викликає розмноження стовбурових клітин. Вони утворюють багато нової тканини. Після згодом ви зможете зібрати цю тканину і використовувати її в іншій частині організму. Це гістологічний діапозитив того, що ми бачимо, коли займаємося даним процесом.
По суті, ми бачимо дуже багато кісткової тканини. На зображенні ви бачите середину ноги і кістковий мозок. Ви бачите вихідну кістка, і де вона закінчується. Зліва знаходиться нова кістка, вирощена в порожнині біореактора. Ви навіть можете її збільшити. Те розмежування, яке ви бачите між вихідної і нової кістками, є маленьким недоліком. Тепер хірург може приступити до справи і зібрати нову кісткову тканину, а окістя знову наросте, і нога залишається в тому ж вигляді, як ніби вас не оперували раніше. Наступні больові відчуття дуже слабкі в порівнянні з процедурою збору подвздошного гребеня. Ви можете виростити різну кількість кісток в залежності від того, скільки гелю туди вливаєте.
Тому даний вид процедури заснований на потреби. Під час нашої роботи ця процедура отримала великого розголосу в пресі, так як це був дійсно хороший спосіб створення нової кісткової тканини. До нас звернулося багато різних людей, які зацікавилися цією процедурою. Слід зазначити, що іноді ці звернення дуже дивні і трохи несподівані. Найцікавіше звернення я отримала від команди американських футболістів, які захотіли собі черепа подвійної товщини в голові. Отримуючи подібні звернення і будучи британкою, яка виросла у Франції, я схильна бути дуже різкою і прямий. Тому мені довелося пояснити їм докладно, що у них особливий випадок, і це не те, що слід захищати в першу чергу. (Сміх) (Оплески) Отже, це був наш підхід і прості матеріали. Ми ретельно міркували над цим. Ми знаємо, що клітини в тілі і ембріоні, розвиваючись, утворюють різні види тканин і хряща. Ми розробили гель, трохи відрізняється за своєю природою і хімічним складом, помістили його в організм, а натомість отримали 100-відсотковий хрящ. Думаю, цей підхід добре використовувати для попередньо запланованих процедур.
Але це якраз те, що дійсно треба планувати заздалегідь. Іншим видам операцій виразно необхідні підходи з використанням клітинних каркасів. При проектуванні інших каркасів необхідна різнопланова команда. У нашій команді є хіміки, клітинні біологи, хірурги, навіть фізики. Все об'єднуються і ретельно працюють над створенням матеріалів. Ми хочемо, щоб вони мали інформацію, завдяки якій ми зможемо управляти клітинами. Інформація повинна бути простою і без проблем потрапляти в клініку. Ми багато розмірковуємо і намагаємося зрозуміти будову тканин в організмі. Уявімо кістка. Очевидно, що це моя улюблена тканину. Ми збільшуємо зображення і бачимо - навіть якщо ви нічого не знаєте про структуру кістки - як красиво вона влаштована, дуже красиво організована. Тут багато кровоносних судин. Якщо ми знову збільшимо зображення, то побачимо, що клітини оточені тривимірним цитоплазматичних матриксом з нановолокон, які передають інформацію клітинам.
При збільшенні зображення ще раз, то видно, що кістковий матрикс навколо клітин добре влаштований на нанорівні. Це гібридний матеріал: одна частина органічна, інша - неорганічна. Так з'явилася ціла область досліджень, що розвиваються матеріалів з гібридною структурою. Я покажу тільки два приклади виготовлених нами матеріалів з такою структурою, яку можна створити. Тут представлений дуже м'який гібридний матеріал, дивно пружний і нехрупкій. А неорганічний матеріал був би крихким і не вийшов би таким міцним і пружним. Я хочу зазначити, що наші клітинні каркаси прості. Так і повинно бути, тому що потрібно, щоб там формувалися кровоносні судини. Часто пори набагато більше клітин. Хоча це і тривимірне зображення, клітина може виглядати більше, ніж трохи крива поверхню, Це не зовсім природно.
Можна продумати створення клітинних каркасів злегка змінених розмірів, які могли б оточити клітини в тривимірному матриксе і надати їм більше інформації. Велика робота ведеться в даних областях. І в кінці я хочу розповісти про застосування даного підходу до лікування серцево-судинних захворювань, так як це велика клінічна проблема. Ми знаємо, що, на жаль, якщо у вас серцевий напад, тканина починає відмирати, і з часом результат може бути плачевним. Було б чудово, якби ми могли запобігти процес відмирання тканини або допомогти їй відновитися. По всьому світу проводиться безліч експериментів над стовбуровими клітинами. Використовуються різні види клітин.
І тут виникає загальна проблема: часто клітини відмирають після імплантації. Можна вживити їх у серце або в кровоносну систему, але, в будь-якому випадку, ми не в змозі отримати відповідне кількість клітин, які досягнуть потрібного нам місця розташування і зможуть забезпечити клітинну регенерацію, що дозволило б нам отримати хороші клінічні результати. Тому ми також, як і багато інших вчених, розмірковуємо над проблемою розробки необхідних для цього матеріалів. Тут є відмінності. Нам все ще потрібна хімія, механіка, цікава топографія. Нам потрібні цікаві способи оточення клітин. Самим клітинам, ймовірно, сподобався б матеріал, який може стати провідником, так як клітини будуть добре реагувати і передавати один одному сигнали. Зараз ви бачите, як синхронно вони стикаються з матеріалами. Розвиток відбувається дуже захоплююче. Підводячи підсумки, я хотіла б сказати, що можливість працювати в цій галузі, яка для всіх нас є не тільки дуже захоплюючою наукою, але і можливістю благотворно впливати на пацієнтів, як дорослих, так і дітей, представляє велику честь. І за це я вам теж вдячна. Дякуємо. (Оплески)