Одна из возможных областей применения данной методики — это лечение сердечных приступов. Когда происходит повреждение сердечной мышцы из-за нарушения ее кровоснабжения, организм мало что предпринимает, чтобы ее починить: формируется рубцовая ткань, а вот новых мышечных клеток — миоцитов — почти не образуется. Существующие методы лечения — будь то лекарственные препараты, аортокоронарное шунтирование или установка стентов — никак не способствуют восстановлению поврежденных тканей, так что разработка эффективного способа замены утраченного миокарда стало бы настоящим прорывом. Чтобы стимулировать рост новых клеток, ученые сначала пробовали извлекать взрослые стволовые клетки из костного мозга пациентов с последующим их введением в коронарные артерии в надежде, что эти клетки закрепятся на поврежденном миокарде и превратятся в миоциты. Результаты этих экспериментов, однако, были неудачными.
Вместо того чтобы создавать новую ткань уже на месте, Санджай Синха, кардиолог из Кембриджского университета, пытается вырастить «заплатку» из искусственного миокарда в лаборатории, чтобы потом пересаживать ее в нужное место в операционной. Для начала он берет недифференцированные стволовые клетки, затем помогает им превратиться в специализированные клетки нескольких типов: не только в миоциты, но и в клетки гладкой мышечной ткани и сосудов. Получившимися клетками затем засеивается каркас из коллагена — жесткого белка, входящего в состав соединительной ткани. Благодаря наличию сразу нескольких типов клеток ко времени, когда они размножатся, у новой ткани сформируется своя сосудистая сетка. До начала клинических испытаний еще остается несколько лет, однако Синха надеется, что в один прекрасный день появится возможность восстанавливать поврежденное сердце, пришивая эти заплатки из миокарда поверх зарубцевавшихся после сердечного приступа участков.
С помощью инжиниринга тканей исследователям уже удалось воссоздать структуры более сложные, чем миокард — в том числе вырастить клапаны из собственных тканей пациента. Чтобы этого добиться, можно собрать клетки в какой-то другой части организма (как правило, для этих целей используются кровеносные сосуды) и оставить их делиться в биореакторе, а потом засеять ими каркас из биоразлагаемого полимера в форме клапана. Клетки оставляют размножаться, и затем получившийся «протез» имплантируют пациенту. Через какое-то время полимерный каркас рассасывается, оставляя после себя лишь новую ткань. Единственный серьезный недостаток этого подхода — необходимость изготавливать клапаны индивидуально для каждого пациента, а на это уходит не одна неделя. За последние пару лет группе ученых из Берлина удалось усовершенствовать этот процесс — они создали с помощью тканевой инженерии такой клапан, из которого убирали весь клеточный материал, оставив лишь внеклеточную матрицу — структуру, удерживающую клетки на своем месте. В итоге получался не совсем клапан, а клеточный скелет, на который организм будет наращивать новую ткань. Изготовленные таким способом клапаны можно имплантировать с помощью катетера кому угодно — более того, в отличие от традиционных протезов, в случае имплантации такого клапана ребенку он будет расти вместе с ним.
Если можно с помощью тканевой инженерии изготовить клапан, то почему нельзя вырастить целое сердце? Для многих ученых это стало заветной мечтой, причем сама идея не такая уж и фантастическая, как может показаться сначала. В 2008 году команда исследователей под руководством Дорис Тейлор, ученого из Миннесотского университета, объявила о создании первого в мире биологического искусственного сердца. Начали они с закачивания в крысиные сердца моющего раствора, который удалял из них всю клеточную ткань, оставляя лишь тоненький скелет в форме сердца, состоящий из внеклеточной матрицы и волокон соединительной ткани. Затем на этот каркас засеивались клетки сердца и кровеносных сосудов, и в биореакторе выращивался орган, через коронарные артерии которого постоянно подавалась кровь. Четыре дня спустя новая ткань начала сокращаться, а неделю спустя новое сердце уже могло перекачивать кровь — правда, лишь два процента от ее нормального объема.
Это был, конечно же, грандиозный успех, однако сделать подобным способом целое сердце для человека было гораздо сложнее, так как для него потребовалось бы гораздо больше клеток. Хирурги из Гейдельберга впоследствии попробовали вырастить покрытый живой тканью каркас сердца, который подходил бы по размеру человеку. В качестве исходного материала они взяли сердце свиньи, а после удаления клеточного материала засеяли его клетками человеческих сосудов и клетками миокарда, взятыми у крыс
[36]. Десять дней спустя стенки органа оказались выстланы новым миокардом, который даже демонстрировал признаки электрической активности. Этот опыт, безусловно, доказал жизнеспособность данной концепции, однако после трех недель выращивания орган был не в состоянии ни сокращаться, ни перекачивать кровь.
Выращивать ткани и органы в биореакторе — дело трудоемкое, но последние достижения в области трехмерной печати открывают перед исследователями заманчивую перспективу быстро производить новые сердца на заказ. Суть работы трехмерного принтера заключается в том, что он разбивает объемный предмет на набор двухмерных «срезов», которые накладываются один поверх другого. Этой технологией уже пользовались инженеры для производства сложных деталей из металла и пластика, и вот теперь ее начали применять для выращивания тканей в лабораторных условиях. Этот процесс чем-то напоминает изготовление трехмерной цветной фотографии, и в итоге получается точная копия оригинала. Так, чтобы напечатать аортальный клапан, ученые из Корнелльского университета взяли свиной клапан и на компьютерном томографе высокого разрешения сделали его рентгеновский снимок. Это позволило им получить точную схему всех внутренних структур, и теперь ее можно было использовать в качестве шаблона. Основываясь на полученных в результате сканирования данных, принтер выделяет тоненькие струйки гидрогеля — полимера, впитывающего воду и напоминающего по своим свойствам живую ткань. И так, слой за слоем, создается копия свиного клапана. Получившийся каркас затем засеивается живыми клетками и отправляется в биореактор.
Продолжая развивать эту технологию, Адам Фейнберг — ученый-материаловед из Университета Карнеги-Меллона в Питтсбурге — недавно изготовил таким образом первое трехмерное сердце, в точности повторяющее анатомическое строение настоящего органа. Он использовал для этого сердце куриного эмбриона — подобный выбор объяснялся тем, что из-за сложного внутреннего строения воссоздать орган было особенно сложно. Крошечное куриное сердце диаметром всего два с половиной миллиметра было тщательно отсканировано под микроскопом. В результате получился цифровой шаблон для принтера, который запрограммировали так, чтобы напечатать копию в масштабе десять к одному. Получившийся макет был изготовлен из гидрогеля и не содержал живой ткани, однако он невероятно точно отражал сходство с настоящим сердцем. С тех пор Фейнберг использовал для трехмерной печати сердца различные натуральные белки, такие как фибрин и коллаген. Теперь его исследовательская группа намеревается включить в выделяемый трехмерным принтером гидрогель живые клетки сердца, чтобы оно могло сразу печатать живую ткань, создавая жизнеспособный орган. Для многих ученых, работающих в данной области, создание полноценного сердца из искусственно созданной ткани является конечной целью, однако даже они признают, что им до нее еще очень и очень далеко. Когда я спросил одного из них, видит ли он в таком органе реальную альтернативу трансплантации, то в ответ он рассмеялся и сказал, что на совершенствование технологии уйдет еще лет 40.
