16+

Когда петербургские ученые начнут выращивать для людей новую кожу и новые кости?

29/05/2009

Когда петербургские ученые начнут выращивать для людей новую кожу и  новые кости?

Петербургские цитологи научились выращивать не морковку и картошку. Это они и так умеют на своих 6 сотках. Они научились выращивать людям новую кожу. Вне людей. На специально сконструированных «грядках». Вплотную подошли к тому, чтобы точно так же выращивать кости - на кроликах это уже получается. Если дело так и дальше пойдет, научатся целиком людей изготавливать, уподобив себя Господу Богу.


Откуда есть пошла цитология:  

Цитология, она же – клеточная биология, биология клетки (англ. Cell Biology).

Родоначальником цитологии считается английский естествоиспытатель Роберт Гук (род. 18 июля 1635 г. на о. Уайт). Отец Гука, будучи пастором, понимал, что у сына здоровье слабое и работы пастора с ее многочасовым стоянием на ногах мальчик не выдержит, и, отмечая в то же время склонность мальчика к механике, стал готовить его в часовщики. С этого момент высокое духовное предназначение Гука (впоследствии – научная карьера) стало бороться с его практическим применением (изобретения). Как выяснилось чуть позже, одно другому не мешает. Гуку принадлежит открытие закона всемирного тяготения (Ньютон только развил его), сам термин клетка (англ. – cell) и предположение, что все живое в мире состоит из более-менее простых строительных кирпичиков – клеток. Гук однажды посмотрел через лупу на кору пробкового дерева. Потом сделал то же самое через им же самим усовершенствованный микроскоп. И пришел к выводу, что живые организмы состоят из клеток. Предположение блестяще подтвердил голландский натуралист и основатель микроскопии Антони ван Левенгук (род. 24 окт.1632). Все эти совершенно бесполезные и не имевшие в ту пору никакого практического применения научные открытия и гипотезы не помешали Роберту Гуку сделать что-то действительно полезное для людей, далеких от науки. Гук изобрел регулирующую пружину для часов, заменившую громоздкие гири и сделавшую часы механизмом, легко помещавшимся в карман короля Карла II, а также спиртовой уровень, малый квадрант, оптический телеграф, усовершенствованные барометр, гигрометр, анемометр, дождемер и другие столпы самой точной в мире науки – синоптики.

В общем, всей своей жизнью и жизнедеятельностью Роберт Гук и Антони ван Левенгук, основатели науки о клетке – цитологии, доказали, что фундаментальные научные исследования и практика вполне сочетаемые и даже взаимодополняющие друг друга вещи.
.

Первой деятельностью петербургских цитологов, конечно, должна была заинтересоваться церковь. Заинтересоваться и пресечь. Но не заинтересовалась. Петербургских цитологов поддержала петербургский губернатор Валентина Матвиенко, узнавшая о практическом значении их работ: в прошлом году впервые в истории в Петербурге удалось спасти юношу, потерявшего 98% кожи. Ему повезло – он попал в хорошие руки. Петербургские ученые из Института цитологии сначала сделали свою работу и только потом стали  интересоваться – как это можно оформить по документам. Такие операции не вмещаются  в рамки обязательного медицинского страхования и в рамки добровольного не вмещаются. А Институт цитологии – вообще не медицинское учреждение. Он только помогает медицинским учреждениям – Военно-медицинской академии, Детскому городскому ожоговому центру спасать людей, когда те бессильны, потому что просто не обладают такими технологиями.

К чему мы все это? При чем тут все эти оргмоменты, не имеющие прямого отношения к науке? При том что история  с развитием цитологии в Петербурге дает ответ на вопрос:  «Так ли уж нужно обществу практическое применение фундаментальных научных исследований?»

        Цитология в Северной столице

В России судьба цитологии оказалась драматичной. Во времена академика Трофима Денисовича Лысенко (конец 1930-х и первые послевоенные годы) генетика и ее ближайшая родственница цитология попали под одну статью, т.к. доказывалось, что генетика – служанка империализма, хромосома – выдумка морганистов, а никакой наследственности, передающейся через мельчайшие клеточные структуры, нет и быть не может, т.к. любая кухарка может управлять государством. На цитологию был наложен запрет – не надо копаться в клетках, не ровен час – наткнешься на ДНК.

Но цитология, тем не менее, не умерла.

– В Петербурге выдающегося, но отверженного российского цитофизиолога Дмитрия Николаевича Насонова и его коллег приютил Зоологический институт, – рассказывает Георгий Пинаев, руководитель отдела клеточных культур Института цитологии. – На его базе Насонов создал и возглавил лабораторию физиологии клетки. В 1957-м и мы, чтобы не отставать от всего мира, признали, что наследственность существует, поэтому Насонову удалось обосновать необходимость создания специального Института цитологии в Петербурге, и он был создан.

Сегодня изучением клеток и клеточных структур занимаются Институт цитологии, Институт физиологии им. И. П. Павлова, в меньшей степени – Зоологический институт. Вот и все, пожалуй. Цитологов сейчас никто не преследует, но особо и не поддерживает.

При этом сейчас клеточные технологии приобрели необычайную популярность среди широких слоев населения. Этим мы обязаны почти безнадежной женской мечте о вечной молодости. Чуть ли не каждый второй салон красоты рассказывает о своем сотрудничестве с передовыми учеными современности, доказывая, что сделает из любой женщины писаную красавицу. Применяя технологии т.н. стволовых клеток. Между тем ни одна технология применения стволовых клеток с целью омоложения еще не сертифицирована, а последствия подобных операций не предсказуемы.

– В известной степени это блеф, в 99% случаев – зарабатывание денег и ничего больше, хотя бывают и удачные операции,  – рассказывает Георгий Пинаев.
Но существуют и проверенные клеточные технологии. Они применяются в куда более практичных целях, чем омоложение. Институт цитологии в Петербурге – один из немногих, кому это удалось.

Вообще-то главное назначение Института цитологии – фундаментальные исследования на средства из федерального бюджета (под конкретные темы) и на гранты. Что и делается. Чего только они там не исследуют – эмбриональные стволовые клетки, морфологию (строение) клетки, ионные каналы клеточных мембран, одноклеточные организмы, опухоли (путь к лекарству от рака),  структурную организацию генома и т.п. Жизнь этих людей – предмет отдельного исследования на тему «живучесть и выживаемость». Еще 3 года назад у ученого высшего звена, руководителя отдела клеточных культур, Георгия Пинаева, профессора, доктора биологических наук и заслуженного деятеля науки РФ, зарплата составляла 7000 руб., то сегодня она доросла до уровня среднего дворника в приличном ТСЖ -  20 тыс. рублей.

В отделе клеточных культур Института цитологии 60 человек, из них 35 студентов-практикантов, которым просто все в этом мире интересно, 3 – 4 сотрудника среднего возраста и основная движущая сила современной науки – работающие пенсионеры и люди предпенсионного возраста.

В 1988 – 1989 годах отдел клеточных культур начал работу над проблемой восстановления кожи у людей с большой площадью ожога. В то время людей с ожогом больше 30% от общей площади лечить не умели, и они были обречены. С этой проблемой в Институт цитологии обратились врачи Военно-медицинской академии.

В стране работает 82 специализированных ожоговых центра, однако до них добирается только 23% пострадавших от ожогов, остальные госпитализируются в обычные хирургические и травматологические отделения, которые не могут или не умеют лечить сложные ожоги не то что с помощью последних достижений науки, но хотя бы на уровне 1990 года. В 1999 году из 139 тысяч госпитализированных погибло 4500 человек, из них – 2/3 – на неспециализированных койках. Т.е. этих людей, скорее всего, еще можно было бы спасти, если бы рядом были квалифицированные доктора.

– Последняя четверть XX века явилась тяжелым испытанием для России. Войны, техногенные катастрофы, стихийные бедствия, криминализация общества, социальная нестабильность привели к резкому росту числа пострадавших с обширными глубокими ожогами, – рассказывает Л. И. Герасимова, главный научный сотрудник ожогового центра НИИ скорой помощи им. Н. И.Склифосовского.

Человек – вообще очень странное существо. Считается венцом творения, но не умет того, что умеют простые бактерии или земноводные. Тритон легко восстанавливает утраченный хвост, морская звезда – откушенный луч, т.е. восстанавливаются не только участки ткани, а целые органы. И только высшие млекопитающие ничего этого не умеют.

– Ну не совсем уж не умеют, – уточняет Георгий Пинаев. – Вот вы как умудрились дожить до 40 с лишним лет? Вы что, никогда в жизни ничего не ломали и не резали?

– Перелом пятой плюсны, лодьевидной кости, ключицы со смещением, зашитая голова, рука…

– Вот видите! Это значит, что у человека тоже есть возможность замещать утраченное, способность к регенерации, правда, довольно ограниченная. И мы решили помочь человеку, который сам не успевает восстановить свою кожу из-за слишком высокой площади поражения. Попробовали выращивать кожу вне человека в специально подготовленной среде и потом пересаживать человеку. 

– Почему человек, при всем его совершенстве, обладает столь слабой способностью к регенерации, а не особо интеллектуальные моллюски по второй голове запросто отращивают?


– Жизнь, по общепринятой версии, произошла из океана. Когда мы были звездами, мы тоже это умели, а потом утратили эту возможность. Почему – неизвестно. Этим вопросом занимаются протозоологи, у них есть разные версии, но все недоказанные. В одной клетке содержатся десятки видов молекул, и пока непонятно, что они там делают, как взаимодействуют между собой. Известно, например, что молекула А взаимодействует с молекулой Б, но непонятно, зачем, как и что именно она делает. Чтобы понять как, нужно представить зачем. Когда-нибудь мы поймем, но пока занимаемся более практическими вопросами.

Когда я спрашиваю что-нибудь эдакое, что должно приоткрыть кухню Бога, который взял да и наклепал когда-то всю многочисленную флору и фауну, Георгий Петрович вскипает, и, кажется, я начинаю понимать, почему с ним такое происходит. Мы идем в лабораторию отдела клеточных культур, и там я вижу фотографии людей, потерявших более 90% кожи. Лучше бы этого не видеть. Но это живые люди. Их надо спасать. Тут не до философии.

        Запчасти для гомо сапиенс


Кожей начали заниматься в первую очередь потому, что без волос человек, например, легко обходится. Некоторые особо способные экземпляры на протяжении всей своей жизни умудряются обходиться без мозгов и без сердца. А без кожи – ни у кого не получается. Кожа – не только и даже не столько защитный слой, сколько универсальная химическая фабрика, поставщик важнейших веществ для жизнедеятельности человека. Этим человек похож на растения с их листьями и процессом фотосинтеза. Если у человека обожжено хотя бы 20% кожи, уже нарушается обмен веществ. Сам человек даже при помощи врачей умеет заращивать на себе только небольшие кусочки кожи – до 4 – 5 кв. см, и то для этого используется пересадка кожи с других частей тела того же человека.

– При 90% ожога, когда кожи практически нет, то, что осталось, – уже не работает, т.к. человек в токсическом шоке, – рассказывает Миральда Блинова, ведущий научный сотрудник Института цитологии.

Начав работу над выращиванием кожи в 1988 году, петербургские ученые из отдела клеточных культур Института цитологии еще не умели выделять стволовые клетки и уж тем более использовать их для изготовления человеческих запчастей, но уже через 12 лет, к 2000 году были проведены первые удачные операции по выращиванию кожи на «грядках» и пересадке ее на обожженного человека, а к 2007 году полностью отработана технология. Основой для новой кожи стали стволовые клетки, однако не только стволовые.

– Человек, как известно, получается из яйцеклетки, всё оттуда – и печень, и сердце, и мозги иногда бывают, -  рассказывает Георгий Пинаев. – Я тоже из яйца, которое на ранней стадии своего развития практически не отличалось от того яйца, из которого получились вы, но почему мы такие разные? В ядре яйцеклеток, из которых мы получились, были разные ДНК – последовательности оснований, матрицы, можно сказать, программы, по которым из универсального строительного материала – недифференцированных стволовых клеток развились клетки мышц, костей, кожи, из которых, в свою очередь, в результате биохимических процессов – синтеза белка, деления клеток и т.п., сформировались соответствующие ткани и, наконец, органы. Механизм превращения стволовых клеток в клетки конкретного типа, т.н. механизм дифференциации, пока очень мало изучен. Однако есть предположение, скорее всего верное, что человек, вырастая из яйцеклетки, забирает с собой на всю оставшуюся жизнь стволовые клетки. В человеке есть места, ниши дифференцировки, некие тайнички, где хранятся наборы клеток – стволовые клетки взрослого организма, которые сидят и ждут, пока организм не закричит «мне плохо!». Тогда эти клетки, которые делятся очень медленно, превращаются в другие клетки, которые могут размножаться быстро и превращаться в те или иные зрелые клетки конкретных тканей и органов. В яйце, которое развилось до бластоцисты (ранняя стадия развития эмбриона), – масса клеток, совершенно одинаковых, из которых получится нос, уши и т.п. Это стволовые клетки зародыша. Взрослые стволовые клетки, потенциальные запчасти взрослого человека, уже не могут превращаться в любые клетки, но у них тоже есть определенный спектр превращений, более узкий.

Что бы с вами ни происходило, у вас течет кровь, соответственно в человеке есть некий запас гемопоэтических клеток, которые превращаются в клетки крови, обновляя и восстанавливая ее, всю жизнь в человеке идет восстановление клеток крови, – продолжает Георгий Пинаев. – Это нужно не только на случай порезов и пулевых ранений, но всегда, в частности, для того чтобы человек дышал – клетки крови эритроциты, содержащие гемоглобин, соединяются с кислородом, мы дышим и выделяем СО2, поступает новые кислород, идет обновление клеток крови … Аналогично, за счет запаса стволовых клеток, точнее, за счет их потомков, которые превращаются в кость, кожу и т.п., зарастают раны на теле, срастаются переломанные кости. Стволовые и некоторые другие клетки мы попытались использовать для восстановления кожи, обожженной на большой площади.

        Человек меняет кожу

Вкратце это происходит так. Берется биологический материал – то, в чем заведомо есть стволовые клетки, пригодные для выращивания. Стволовые клетки, например, из того же человека (но не обязательно из того же) помещают в питательную среду (сажают на «грядку»), там выращивают и размножают. Но не только стволовые, но, например, фибробласты. Под верхним слоем эпидермиса находится нижний – дерма. В дерме сидят фибробласты – микроминиатюрные биологические фабрики, которые производят белки, образующие впоследствии соединительные ткани… Из верхнего слоя кожи – эпидермиса – добывается и затем выращивается другой тип клеток – кератиноциты. И так далее.

 Несколько типов клеток, выращенных на «грядке» (сосуды специальной конструкции), соединяются коллагеном (белок, получаемый, например, из шкуры телят), и получается эквивалент кожи. Таким образом сейчас удается получить до 75 кв. см, но можно и больше. Эквивалент кожи (пока это еще не совсем кожа, а полуфабрикат) накладывают на рану, создавая условия для стимуляции роста своих собственных клеток человека (клеток эпидермиса – верхнего слоя кожи). Уже свои клетки эпидермиса ползут по эквиваленту нижнего слоя кожи (дермы), и рана постепенно зарастает.

Фактически человеку создается новая кожа из его собственных клеток (в коже всего 6 типов клеток) и из выращенных на грядке (стволовых), не обязательно своих. Создается достаточно быстро,  пока он не успел умереть. Таким образом, решается вопрос времени и количества -  сам-то он никогда бы не смог такое количество клеток и так быстро сгенерировать, размножить.

Используя эту технологию, разработанную Георгием Пинаевым и Миральдой Блиновой, пару лет назад удалось спасти женщину, которая упала в кипяток и получила почти 90% ожога,  1,5 года назад – 16-летнего подростка, пострадавшего от взрыва бойлера в сауне, и других безнадежных.

Как много можно вырастить новой кожи и как быстро?


– Разные клетки делятся с разной скоростью – раз в 24 часа, раз в 12, несколько раз в сутки, – рассказывает Миральда Блинова. -  Чтобы образовать необходимое для заращивания обширной раны количество клеток, хватает 3 недель. Клетки в сосудах, где их тысячи, из одного сосуда разливают в 2 – 3 и так далее. Мы изготавливаем дермальный эквивалент – в среднем 3000 клеток на 7 кв. см, но можно сделать и 5 тысяч, высадив клетки погуще. Объем – это не проблема, можно вырастить кожи сколько угодно, хотя скорость, конечно, ограничена. Но и за 10 дней можно получить слой до  75 кв. см.

Чтобы все это применять на практике, а не только в порядке эксперимента, Институту цитологии пришлось сертифицировать технологию выращивания искусственной кожи и  оформить ее через Министерство здравоохранения. До сих пор подобных прецедентов не было. Изготовление запчастей для человека действующими ГОСТами и регламентами не предусмотрено. После долгих мучений выращенные вне человека клетки для кожи оформили как изделия медицинского назначения (так же, как костыли, импланты для увеличения груди и т.п.). Это не совсем правильно – ведь выращенная кожа живая. Но другого варианта не было. В настоящий момент институт обладает правами на выращивание двух типов клеток для кожи и регистрирует третий.

Технология работает, однако требует развития. «Мы построили только первый автомобиль, он едет, но управлять им может только очень квалифицированный водитель, которых единицы», – говорит Миральда Блинова. Проблем много, часть решена. Например, полуфабрикат кожи выращивается в пробирке, толщина его доли миллиметра, он прилипает к стенкам пробирки, начинаешь вынимать – рвется. Нашли выход. В сосуд, где выращивается кожа, вводится фермент, делающий выращиваемый полуфабрикат более прочным, но при этом надо постоянно поддерживать температуру в 37 гр. Цельсия. Придумали накладывать на выращенный лоскуток кожи марлевую салфетку, которая к нему прилипает, и вынимать все вместе. Но это нетехнологично. В планах выращивать кожу на пленке, которая будет рассасываться уже после вживления на человека.

В общем, понятно, что технология требует доработки до  состояния инструкции, по которой могут работать уже не единичные мастера-виртуозы, а любой квалифицированный врач, в идеале – медсестра. Так около 2 лет назад в Институте цитологии появилась идея – создать при институте небольшой заводик для серийного выращивания кожи, а в перспективе – и других запчастей для человека (работы по другим направлениям тоже ведутся).

        Завод запчастей


Понятно, что для создания завода и исследовательской лаборатории в его стенах для отработки технологии нужны средства. До сих пор институт отщипывал часть средств, выделяемых на фундаментальные исследования и просто на содержание института и его работников, которые идут из федерального бюджета. Но создавать на эти деньги завод нельзя. Есть еще Российский фонд фундаментальных исследований, из которого вполне реально получить 300 – 500 тыс. рублей на одну тему в год. Однако средства эти могут расходоваться только на фундаментальные исследования, а не на внедрение полученных результатов, тем более – практическое применение. В 1991 году программу выращивания кожи для человека взялось финансировать на некоторое время Министерство обороны, что было по-джентльменски – ведь это они посылают на войну людей.  Финансирование разработок продолжалось до 2000 года.

 Года полтора назад проект создания завода для производства кожи и других запчастей заинтересовал петербургского губернатора Валентину Матвиенко, она его одобрила и обещала всяческую поддержку. Вот тут возникли бюрократические сложности. Институт цитологии – федеральное учреждение и не может финансироваться из городского бюджета.

Институт обратился  в МЧС, которое имеет прямое отношение к спасению людей на пожарах. МЧС заявило, что проект ему не интересен.

Обратились в государственную корпорацию РОСНАНО. Благо нанотехнологии – приоритетное направление науки, на которое сейчас  выделяются самые большие деньги. Вот только науки такой нет – «нано». К нано могут относиться исследования и разработки в любой области науки. Определяющим является размер. Лишь бы ученые работали с достаточно малыми частицами, не больше нескольких нанометров (1 умножить на 10 в минус девятой степени метров или 1/1 000 000 доля миллиметра). И цитология – как раз тот самый случай! Самая большая клетка человеческого тела – яйцеклетка – имеет размер 145 микрон (145 x 10−6 м.). Клетки кожи значительно меньше – типичный нанообъект. Но когда РОСНАНО узнало, что для создания экспериментального завода на первых порах требуется только 25 млн рублей, оно сообщило, что не имеет интереса осваивать столь незначительные суммы. Кроме того, проект все-таки социальный в первую очередь, а не коммерческий.

Ученых из Института цитологии пару раз выслушивали на заседаниях ЗакСа, пытались помочь.

В итоге петербургские цитологи немного приуныли.

– Мы имели наглость довести исследования до практического применения, но теперь непонятно, кому и зачем это нужно, – рассказывает Георгий Пинаев.

Приуныв, ученые не бросили работать и продолжают свои исследования и практическую работу. Институт цитологии работает с МАПО, 1-м медицинским институтом, больницей ЛОМО, Институтом Турнера. Недавно приезжали гости из Института Вредена.  Все хотят внедрять у себя клеточные технологии.

Институт цитологии тем временем научился выращивать живые кости для травмированных черепов. До этого заплатки для черепа делали только из металла, превращая людей в полуроботов, киборгов. Теперь черепа будут заращиваться такими же костями, из которых они и состоят. Кроликам очень понравилось. Быть может, потому, что кролики в принципе любят все, что выращивается на грядках.

История вопроса:

Первые предположения – из чего можно выращивать запасную кожу взамен утраченной, а затем, возможно, и другие ткани и органы (хотя пока до органов еще очень далеко) – появились достаточно давно. Поначалу задумались даже не о коже, а о крови. В 1908 году русский ученый Александр Максимов, выступая на съезде гематологов (специалисты по крови) в Берлине, высказал предположение, что в организме человека существуют некие универсальные кирпичики, из которых путем различных преобразований, как из ствола дерева ветки, листики, цветочки, яблоки, вырастают все ткани и органы, и ввел сам термин «стволовая клетка». В 60–70-е годы прошлого века российскими специалистами Александром Фриденштейном и Иосифом Чертковым и в самом деле обнаружили такие клетки в крови и создали основы учения о стволовых клетках. В 1998-м американские ученые Герхард и Томпсон наконец-то выделили стволовые клетки из эмбрионов и получили первые линии стволовых клеток – это клетки, которые можно переселять бесконечно, оставляя все еще живыми и недифференцированными.

Алексей Орешкин

Проект реализован на средства гранта Санкт-Петербурга в сфере средств массовой информации








Lentainform