Предисловие
Уважаемые читательницы и читатели,
в средствах массовой информации людей достаточно часто призывают выступить в роли доноров органов, так как в распоряжении врачей нет достаточного количества органов для трансплантации или эти органы зачастую отторгаются иммунной системой пациента-получателя. По этой причине уже давно возник вопрос о поиске новых возможностей получения трансплантируемых органов. К примеру, в настоящее время уже никого не удивляет, что пациентам, нуждающимся в новом сердечном клапане, пересаживают сердечный клапан свиньи. Однако, трансплантационная медицина поставлена в жесткие условия.
По этой причине в лаборатории уже давно развивают направление по выращиванию искусственных тканей и органов, которое называют биоинженерией или тканевой инженерией. При этом полагают, что такой подход позволит избежать реакции отторжения трансплантатов новым организмом, а иммунная система пациента-получателя полностью примет новый орган. Наряду с возможным выращиванием почек, сердечных клапанов или печени новые методы выращивания могли бы быть интересны людям, страдающим облысением, у которых нет возможностей для пересадки собственных волос из-за очень маленького донорского ареала. И на этом этапе возникла мысль о том, что волосяные фолликулы, необходимые для лечения, можно получить искусственным путем в лаборатории клеточных культур.
Эти мысли витают в научном воздухе начиная с 70-х годов, и уже с того времени предпринимаются попытки реализовать эти идеи. Однако, на каком этапе развития находится биомедицинское выращивание трансплантатов собственных волос в настоящий момент? В этой статье я хочу рассказать вам о последних результатах. При этом речь пойдет здесь не только о том, как можно вырастить трансплантат собственных волос с учетом биологических особенностей пациента-получателя, но и о том, какие препятствия возникают при исследовании возможных методов лечения облысения и какие возможные результаты реалистично получить в последующие годы в области биомедицинских исследований.
Желаю Вам приятного чтения!
С уважением
Ваша Ангела Леманн
Искусственное выращивание органов и тканей как возможный источник получения трансплантатов собственных волос
За последние годы так называемая биоинженерия или тканевая инженерия – технология искусственного выращивания тканей и органов – добилась потрясающих результатов. Появляются сообщения о том, что в недалеком будущем в лаборатории можно будет вырастить целые органы с высокой степенью иммунной совместимости и подобранными для каждого пациента, нуждающегося в срочной имплантации. В том числе и при выращивании трансплантатов собственных волос ставится задача максимально учесть потребности пациента. По этой причине в моей новой статье я хотела бы рассказать о последних достижениях получения трансплантатов собственных волос в лаборатории клеточных культур.
Откуда клетка знает о том, какую задачу она должна выполнять в организме человека?
Прежде чем мы приблизимся к вопросу о том, как можно вырастить искусственные ткани и органы, что собственно могло бы привести к революции в трансплантационной медицине, займемся ответом на вопрос, откуда вообще клетка «знает», что ей нужно делать в том или ином органе или той или иной ткани. Представим для начала оплодотворенную яйцеклетку. Сначала она делится, в результате чего возникают две идентичные клетки. Процесс деления постоянно повторяется, в результате чего количество отдельных клеток постоянно растет. Однако с определенного момента клетки проходят функциональное преобразование, то есть они проходят через процесс специализации. В то время как из оплодотворенной яйцеклетки в принципе может возникнуть клетка кожи, печени или нерва, то специализированные клетки не могут изменить свою «специализацию». Этот процесс называется клеточной дифференцировкой. Сделать его обратимым в созревших клетках естественным путем невозможно. Это означает, что дифференцированная нервная клетка останется навсегда нервной клеткой.
Дифференцированные клетки как раз и являются причиной того, что организм человека состоит из различных тканей, причем выражение «ткань» обозначает набор специализированных клеток одинакового типа. Различные ткани различаются тем, что их клетки содержат в себе характерный профиль экспрессии генов. Это означает, что в клетке печени в большей степени считываются гены, связанные с детоксикацией организма. В то время как в гене нерва в большей степени считываются гены, связанные с распространением информации по нервам. Кроме того, виды клеток отличаются друг от друга тем, что клетки одного типа делятся быстрее, чем клетки другого типа. Из этого следует, что возможности восстановления тканей отличаются по степени и времени. То есть кожа после повреждения восстанавливается в течение нескольких дней, в то время как для восстановления нервных тканей, например, после инсульта, потребуются годы (если это вообще возможно).
Эта еще существующая способность к клеточной дифференцировке получила различные терминологические обозначения. В то время как оплодотворенная яйцеклетка может создавать любую клетку организма (эта яйцеклетка называется тотипотентной), определенные стволовые клетки могут создавать лишь выбранные ткани (здесь речь идет о плюрипотентных или мультипотентных клетках).
Тем не менее за последние годы удалось выяснить, что в органах и тканях взрослого человека встречаются плюрипотентные стволовые клетки, которые – на основании того, что они могут принимать участие в образовании многих других тканей – можно в принципе использовать для лечения определенных болезней. Если клетка, будучи когда-то специализированной, больше не делится, а только «выполняет свою задачу» в организме, то тогда мы имеем дело с сенесцентными клетками.
Необходимо также отметить, что любой орган не всегда состоит из одной ткани, а из групп клеток различного типа. Так, например, человеческая кожа состоит из различных типов: фибробласты выступают предшественниками клеток соединительной ткани, в то время как кератиноциты принимают участие в создании верхнего слоя кожи (эпидермиса), а меланоциты за счет выделения пигментов отвечают за цвет кожи. Соответственно в случае с волосяным фолликулом речь в принципе идет не столько о ткани, сколько о волосяном органе.
Как можно повлиять на клеточные культуры, чтобы вырастить специализированные ткани и органы?
Все методы, ориентированные на получение органов и тканей в лаборатории, направлены на изменение клеточной эволюционной программы специализирования. На сегодняшний день существует множество различных подходов. Но и здесь нужно обратиться к истории:
Во второй половине прошлого столетия большинство исследователей было убеждено в том, что организм взрослого человека содержит в себе очень мало плюрипотентных, тканеобразующих стволовых клеток, использование которых для лечения тоже весьма ограничено. Такие клетки, например, были известны в костном мозге, в том числе в кровеобразующей системе. В то время считали, что нервные клетки головного мозга больше не могут обладать потенциалом восстановления, то есть эти клетки не могут быть сенесцентными. И, хотя они и присутствуют, но они якобы выполняют лишь свои биологические задачи. Однако за последние 30 лет было исследовано очень много тканевых структур человеческого организма, в которых даже в зрелом возрасте была обнаружена активность стволовых клеток, пригодная для восстановления ткани. Хотя в этом случае речь не идет о тотипотентных стволовых клетках (которые могли бы создать все виды тканей), но взрослые стволовые клетки в состоянии создать много сродных тканей. Таким образом, взрослые нейрональные стволовые клетки могут дифференцироваться еще в нейроне (нервные клетки) и микроглии (обеспечивает питание нейронов), что, например, очень важно при инсультах для восстановления головного мозга.
Первый шаг для получения стволовых клеток любого вида для биоинженерии или тканевой инженерии состоит в извлечении их из организма. И здесь мешают два обстоятельства: с одной стороны, стволовые клетки находятся в организме часто не совсем там, где они нужны для осуществления лечебных мероприятий (например, определенные стволовые клетки находятся на дне волосяного фолликула, хотя для лечения нужно чтобы они находились на вышележащем клеточном уровне), с другой стороны, их количество в организме столь мало, что сам смысл проведения лечения теряется. За счет извлечения клеток из организма возникает возможность снабдить стволовые клетки питательными растворами для обеспечения их роста и дифференцировки, то есть для деления (способность к делимости вне организма можно стимулировать еще эффективнее) или дифференцировки в определенный тип. Иногда под делением понимают «клонирование», однако применение этого термина в данном случае весьма проблематично. Здесь возникают первые трудности: стволовые клетки ведут себя в культивированной лабораторной среде (чашке Петри) по-другому, чем в организме. Например, культуры стволовых клеток без каких-либо видимых причин теряют свою способность деления или восстановления, они спонтанно дифференцируются в не желаемый клеточный вид или с течением времени принимают другие смешанные формы, которые не представляют интереса для дальнейшего исследования. По этой причине очень важно найти подходящую культивированную лабораторную среду для получения каждого отдельного клеточного типа. Ученые до сих пор используют метод проб и ошибок.
Если удается создать подходящие лабораторные условия для стволовых клеток, то потом очень важно дать клеткам правильные сигналы для возможной дифференцировки. Существуют многочисленные факторы роста, которые могут вызвать множество эффектов. Для получения приемлемого результата нужно пройти путь подбора правильных комбинаций, что само по себе очень трудоемко. В свою очередь на культивированные стволовые клетки оказывают влияние эффекты, которые почти или вообще невозможно создать в лабораторных условиях. Например, для успешной дифференцировки необходимы контакты между клетками как одного вида, так и между различными видами. В лабораторных условиях культивированные клетки осуществляют коммуникацию между собой посредством обмена сигнального материала или путем упорядочения в чашке Петри. Если при этом один клеточный вид стимулирует другой клеточный вид к дифференцировке, то в данном случае говорят об индукции.
Чтобы подчеркнуть, что проверка условий проведения эксперимента ни в коем случае не является тривиальным занятием, ниже будет описан процесс исследования индукции для получения новых волосяных фолликул: впервые процесс индукции для получения новых волосяных фолликул был исследован на грызунах, когда в 1970 году у этих животных было установлено наличие индуктивного потенциала папиллярных клеток (клеток кожного слоя). Но потребовалось около 14 лет для проверки условий получения клеток данной культуры, чтобы сохранить этот индуктивный потенциал в папиллярных клетках грызунов этой клеточной культуры. При этом исследователи столкнулись с трудностями применения полученных результатов на человеческом организме. Только в 1999 году ученым удалось подтвердить сохранение индуктивного потенциала для получения волосяных фолликул человеческих вагинальных клеток (они находятся на поверхности кожи, прямо под эпидермисом), которые были имплантированы в живую поверхность кожи. При этом следует также отметить тот факт, что эта трансплантация на человеке была проведена без учета пола и все равно была успешной. Однако исследования продолжались вплоть до 2012 года, когда путем трансплантации стволовых клеток впервые удалось получить весь волосяной орган в организме получателя. Этот новый волосяной орган был присоединен ко всей системе снабжения питательными веществами (к системе крово- и лимфоснабжения) прилегающей ткани. Новый волосяной фолликул прошел все стадии роста и полученные волосы смогли выпрямиться за счет волосяной мышцы (речь идет о пилоэрекции, у людей она называется гусиной кожей). Однако, для этого эксперимента в качестве подопытных животных снова были использованы мыши и до сих пор в целом не удалось перенести результаты полученных исследований на человеческий организм. Почему это не получается, остается загадкой. Работа в этой области продолжается.
Как обстоят дела с получением фолликул для трансплантации собственных волос на сегодняшний момент?
Что касается человеческого организма, то совершенно новым результатом, открывающим новую эру в науке, стало выделение плюрипотентных стволовых клеток кожи, с помощью которых можно получить все виды ткани, необходимые коже. С помощью анализа происхождения клеточных видов удалось идентифицировать эти клетки в организме человека; причем они могут дифференцироваться в любой вид клеток (включая в клетки волосяного органа). Эти стволовые клетки находятся на дне ямки волосяного фолликула и индукция волосяного фолликула может осуществиться через контакт с частично специализированными кожными клетками. Немного позднее стало ясно, что эта возможность сохраняется и тогда, когда клетки изолируются и размножаются в самой клеточной культуре.
Но на этом этапе исследователи столкнулись с проблемой, которой в начале не уделили должного внимания: органы, в том числе волосяной орган, являются трехмерными объектами, получить которые в плоской, двухмерной чашке Петри очень трудно. Смысл состоит в том, что оптимальные условия для роста и дифференцировки клеток еще не являются гарантией того, что клетки так организуются в пространстве, как это возможно в трехмерном пространстве волосяного фолликула в коже человека. Чтобы решить эту проблему необходимо продолжать испытывать различные модификации создания условий для получения клеток.
Все испытания, которые опирались на трехмерный рост клеток, были продолжены и в 2013 году привели к новому прорыву: к этому времени стало известно, что индуктивная способность человеческих папиллярных клеток, которая может побудить стволовые клетки производить новые волосяные фолликулы, теряется в клеточных культурах по крайней мере частично. И это обстоятельство связывают с отсутствием клеточного контакта с прилегающей тканью, например, с эпидермисом (верхним слоем кожи). Основываясь на этих выводах, исследователи перешли от двухмерного порядка проведения опыта к трехмерному порядку, при этом клетки росли не на дне сосуда размножения клеточной культуры, как это было до сих пор, а в свободном режиме как капельки жидкости в подвешенном состоянии на своде чашки Петри. Нижеприведенное изображение показывает, в чем состоит разница между двумя порядками проведения опыта.
Изображение показывает разницу между двух- и трехмерной клеточной культурой. В то время как в двухмерном варианте — вид (1) сбоку и вид (2) — видно, что клетки образуют слой на дне чашки Петри, то в трехмерном варианте — вид (3) сбоку и вид (4) — клетки организуются в питательном растворе на своде чашки Петри в виде висящих капелек.
Даже если предположить, что это — только очень маленькое изменение условий проведения опыта, они вызвали очень интересные изменения: при проведении экспериментов на профили экспрессии генов для ответа на вопрос, насколько интенсивно считывается информация с определенного гена в клетке, удалось установить, что схожесть трехмерных клеточных структур с желаемыми стволовыми клетками волосяного фолликула на 22% превышает схожесть клеток, полученных в двухмерной клеточной культуре. Позже клетки из трехмерной культуры были пересажены лысым мышам. В результате были получены новые волосяные фолликулы, которые состояли как из человеческих, так и из мышиных клеток, и из которых выросли волосы. Дальнейшие исследования должны показать, насколько этот механизм работает при пересадке клеток от человека к человеку. В любом случае, этот опыт открыл новые горизонты. Впервые удалось изолировать и культивировать человеческие стволовые клетки кожи без потери способности образования волосяных фолликул, что собственно и подтвердилось после трансплантации в другой организм.
Но несмотря на это, исследования в области биоинженерии волосяных фолликул (реже называемое как клонирование волосных фолликул) сталкиваются с многочисленными трудностями, хотя данный метод подходит для лечения облысения или другой формы потери волос. Трудности с идентификацией оптимальных условий для культивирования клеток и изменение порядка проведения опытов с двухмерного на трехмерный формат были уже изложены выше. Прочие трудности связаны с тем, что полученные волосы не всегда обладают желаемой текстурой. Так, полученные волосы существенно тоньше или толще, или они вообще без цвета, так как в рамках проведения опыта отсутствуют пигментообразующие меланоциты. Другая проблема все время возникает из-за пространственного расположения клеток: хотя при трансплантации и образуются волосяные фолликулы, но они врастаются друг в друга, в целом не поддаются разъединению или из одного фолликула растет множество стержней волоса. Последние настолько не упорядочены, что на случай пересадки собственных волос направление дальнейшего роста волос очень сложно определить, если использовать эти стержни волоса в качестве тонких имплантатов. Неясным остается, сколько циклов роста волоса проходит такой фолликул, прежде чем он умрет. Без этой информации сложно определить, сколько волос вырастет после трансплантации собственных волос с помощью искусственно полученных волосяных фолликул. При этом наряду с радостью от получения новых результатов нельзя забывать и о колоссальных финансовых затратах, а финансовые интересы косвенным образом всегда оказывают влияние на процесс исследования.
Схема показывает, как из одного искусственно полученного волосяного фолликула в различные стороны растет множество стержней волоса.
В заключении следует отметить, что исследования в области биоинженерии или клонирования волосяных фолликул, как показывают результаты последних лет, в целом идут в правильном направлении. Но впереди еще много работы, в связи с чем лечение облысения с помощью волосяных фолликул, полученных в лаборатории искусственным путем, не станет возможным прямо завтра. Хотя можно ожидать, что исследования последующих лет и десятилетий доведут эту процедуру до совершенства.
На сегодняшний день в распоряжении пациентов, страдающих алопецией или другими формами облысения, находится уже апробированная процедура трансплантации собственных волос. На вопрос, может ли этот метод стать подходящим для вас методом лечения и достаточно ли донорской поверхности для осуществления трансплантации, однозначного ответа нет. В этом случае пациентам, интересующимся трансплантацией собственного волоса, необходимо получить квалифицированную консультацию и разъяснения специалистов. Если вы чувствуете, что теряете много волос или в целом интересуетесь границами и возможностями трансплантации собственных волос, я прошу вас связаться со мной и получить качественную консультацию. Мы найдем подходящее решение вашей проблемы.
С уважением Ваша Ангела Леманн
Дополнительная литература
Higgins, C. A., Chen, J. C., Cerise, J. E., Jahoda, C. A. & Christiano, A. M. (2013). Microenvironmental reprogramming by three-dimensional culture enables dermal papilla cells to induce de novo human hair-follicle growth. Proceedings of the National Academy of Sciences, 110(49), 19679–19688.
Stenn, K. S. & Cotsarelis, G. (2005). Bioengineering the hair follicle: fringe benefits of stem cell technology. Current opinion in biotechnology, 16(5), 493–497.
Tezuka, K., Toyoshima, K. E. & Tsuji, T. (2016). Hair follicle regeneration by transplantation of a bioengineered hair follicle germ. Multipotent Stem Cells of the Hair Follicle: Methods and Protocols, 71–84.