Dalydamiesi žiniomis tarpusavyje ir jungdami kelias mokslo sritis, audinių inžinerijos mokslininkai sukurs metodus ir produktus, kurie padės gydyti patologijas ar taps tolesnių mokslinių tyrimų varikliu, įsitikinusi Vilniaus universiteto (VU) Gyvybės mokslų centro Biochemijos instituto Biologinių modelių skyriaus mokslininkė dr. Daiva Baltriukienė.
Šiandien audinių inžinerija leidžia mums džiaugtis pirmaisiais personalizuotais medicinai tinkamais produktais, taikyti odos transplantaciją ar net kurti dirbtinius organus. „Audinių inžinerijoje per 30 metų matome didžiulį proveržį“, – sako dr. D. Baltriukienė.
Audinių inžinerijos istorija: ląstelės, peržengusios „geležinę uždangą“
Dr. D. Baltriukienė juokauja, kad audinių inžinerijos ištakas galima rasti jau Biblijoje, kai Ieva yra sukuriama iš Adomo šonkaulio. Vis dėlto tikrieji moksliniai ląstelių tyrimai prasidėjo 1907 m. JAV, kai Rossas Granville’is Harrisonas išskyrė varlės nervinio vamzdelio ląsteles, įdėjo jas į kabantį limfos lašelį ir pastebėjo, kad ląstelės dauginasi.
Nepaisant šio didelio proveržio, platesni tyrimai su ląstelėmis tuo metu negalėjo būti pradėti, nes dar nebuvo sukurta joms augti tinkama dirbtinė terpė. Intensyvūs tyrimai siekiant sukurti ląstelių auginimui mėgintuvėlyje tinkamą terpę prasidėjo 1946-aisiais. 1955 m. Harry Eagle’as sukūrė terpę, kuri naudojama ir šiandien.
„1951 m. buvo išskirta pirmoji žmogaus ląstelių linija. Ląstelės buvo gautos iš moters, sirgusios gimdos kaklelio vėžiu, navikinio audinio ir pavadintos „HeLa“, pagal pacientės vardo ir pavardės pirmuosius skiemenis. Ląsteles išskyręs JAV mokslininkas George’as Otto Gey’us savo atradimu dalijosi su mokslininkais iš viso pasaulio – apie 1960 m. ši ląstelių linija buvo išsiųsta su pirmais SSRS palydovais į kosmosą, kur parodyta, kad esant nesvarumo būklei ląstelės dauginasi geriau, nei esant gravitacijai. Tad šios ląstelės perėjo net „geležinę uždangą“, – pasakoja mokslininkė. Įdomu tai, kad ląstelės iki šiol tiriamos daugelyje pasaulio laboratorijų.
Apie 1960 m. buvo gautos hematopoetinės (kraujo kilmės) ląstelės, kurių išskyrimas paskatino proveržį kamieninių ląstelių srityje. Tuo pat metu buvo išskirtos ir griaučių raumenų ląstelės. JAV mokslininkas Aleksanderis Mauro parodė, kad griaučių raumenyje yra ląstelių populiacija, kuri, pavyzdžiui, įsipjovus migruoja į pažeidimo zoną ir taip prasideda gijimo procesas.
VU mokslininkė pasakoja, kad „Science“ žurnale 1993 m. publikuotame straipsnyje JAV mokslininkai Robertas Langeris ir Josephas Vacanti pristatė tris komponentus, būtinus dirbtiniams audiniams kurti: tinkamos ląstelės, kurios galėtų formuoti audinį; užląstelinė aplinka, kuri gali būti tiek natūrali, tiek dirbtinė; bioaktyvios molekulės, kurios valdytų ląstelių likimą – paskatintų jų dauginimąsi, integraciją ir diferenciaciją norima linkme.
„Tad galime teigti, jog audinių inžinerijos mokslo sritis yra palyginti nauja – jai dar tik bus 30 metų“, – teigia mokslininkė.
Audinių inžinerijos pradžia VU – viltys dėl širdies ligų gydymo
Audinių inžinerijos tyrimai VU prasidėjo nuo griaučių raumens kamieninių ląstelių tyrimų 1998 m. Prieš 15 metų su šiomis ląstelėmis buvo siejamos didelės viltys kuriant naujas širdies ligų gydymo strategijas, nes tiek širdies, tiek griaučių raumuo yra sudarytas iš raumeninių ląstelių. Mokslininkai kėlė hipotezę, kad griaučių raumens ląstelės gali tapti širdies raumens ląstelėmis ir atstatyti pažeistą širdies raumenį po miokardo infarkto, kai didelė dalis ląstelių žūva. Tuo metu mokslininkė su kolegomis taip pat vykdė šio tipo ląstelių tyrimus, siekdama jas pritaikyti terapijai.
„Pradėjome dirbti su griaučių raumens kamieninėmis ląstelėmis, bandėme jas implantuoti į dirbtinai sukurtą infarkto zoną triušio širdyje ir stebėjome, ar atsistato pažeidimo sritis. Vėliau buvo bandoma suformuoti ląstelių lakštą, kad jis būtų transplantuotas užklojant infarkto pažeistą širdies zoną. Vis dėlto dėl pasirinkto modelio tuometiniai tyrimai nebuvo labai sėkmingi, o vėliau kitos pasaulio mokslininkų grupės nustatė, kad šių ląstelių terapija nėra tinkama širdies ligoms gydyti, nes sukelia širdies ritmo sutrikimus“, – prisimena mokslininkė.
Ląstelių sąveika su dirbtine užląsteline aplinka. Dr. M. Alksnės ir dr. E. Stankevičiaus nuotr.
Vykdant mokslinius tyrimus, susijusius su kamieninėmis ląstelėmis, dažnai vartojama ląstelės diferenciacijos sąvoka, kuri nusako, kokio tipo ląstelės – nervinės, raumeninės ar kaulinės – bus užaugintos iš atitinkamų kamieninių ląstelių. Dr. D. Baltriukienė su kolegomis vykdo mokslinius tyrimus, kurių metu keičiant užląstelinės aplinkos kietumą ir minkštumą kamieninėse ląstelėse galima reguliuoti tolesnę ląstelių raidą.
„Jeigu ląstelės auginamos ant labai minkšto paviršiaus, jos linkusios diferencijuoti į nerviniam audiniui būdingas ląsteles. Kai auga ant vidutinio kietumo paviršiaus, jos diferencijuojasi į raumenines ar kremzlines ląsteles, o kai ant labai kieto paviršiaus – į kaulinio audinio ląsteles. Kita savybė – audinio ar organo kietumas, kuris priklauso nuo to, kokiu santykiu užląstelinėje aplinkoje yra išsidėstę baltymai. Vienas svarbiausių baltymų yra kolagenas, nes pasikeitus santykiui keičiasi audinio kietumas ir jis nebegali atlikti savo funkcijos, tada fiksuojame susirgimus“, – teigia mokslininkė.
Tarpdisciplininis bendradarbiavimas atveria naujas galimybes
Dr. D. Baltriukienė pripažįsta, kad nors jų grupės moksliniai tyrimai prasidėjo nuo minkštųjų audinių, šiandien didesnis įdirbis pasiektas kuriant kietąjį audinį. Audinių inžinerijos terminologijoje kietieji audiniai reiškia dirbtinius kaulinius audinius. 2009 m. prasidėjo VU audinių inžinierių bendradarbiavimas su VU Lazerinių tyrimų centro mokslininkais.
„Lazerininkai turėjo keletą medžiagų, kurios buvo perspektyvios kuriant dirbtinius audinius. Pirmiausia mes įvertinome, ar jų pasiūlytos kietos medžiagos yra tinkamos ląstelėms auginti ir kaip ląstelė elgiasi ant dirbtinių organinių-neorganinių polimerų, kaip tuose polimeruose auga“, – prisimena mokslininkė.
Vėliau pradėta bendradarbiauti su odontologais, kurie siekė sukurti dirbtinį kaulą, o VU audinių inžinerijos mokslininkai bendradarbiaudami su Chemijos ir geomokslų fakulteto tyrėjais siekė sukurti polimerinę medžiagą, kurią būtų galima naudoti kaip karkasą kuriant minkštesnius už kaulą audinius: kremzlinius, raumeninius, kraujagyslių audinius.
Ląsteles supančios aplinkos įtaka ląstelių morfologijai (išvaizdai). Dr. E. Šimoliūno nuotr.
„Ši idėja kilo dar dirbant su Lazerinių tyrimų centro mokslininkais, kai susidūrėme su gana opia metodine problema: lazerinė technologija yra brangi ir imli laikui, o mūsų tyrimams reikėjo nemažai vienodų mėginių, kad gautume atkartojamus rezultatus. Tad buvo naudojama polidimetilsiloksano (PDMS) minkštoji litografija. Pabandėme įvertinti, ar PDMS galėtų būti naudojamas kaip polimeras audinių inžinerijos tikslams. Labai nustebome, kai, šį polimerą implantavus gyvūnams, jis nesukėlė jokios uždegiminės reakcijos. Organizmas į jį reagavo geriau negu į chirurginį siūlą“, – pasakoja dr. D. Baltriukienė.
Nepaisant implantacijai tinkamų savybių, šis polimeras turėjo ir keletą trūkumų: ląstelės prie jo kibo, bet sąveika buvo neilgalaikė, be to, suformavus iš jo storesnį darinį sumažėjo elastingumas ir jis ėmė lūžti: „Vykdytame Lietuvos mokslo tarybos projekte bendradarbiavome su Chemijos ir geomokslų fakulteto tyrėjais, kurie bandė sukurti naujus polimerus siloksano medžiagos pagrindu. Šie nauji polimerai turėjo būtų tinkami minkštesniam už kaulinį audiniui konstruoti. Keletą daug žadančių polimerų pavyko susintetinti.“
Kamieninių ląstelių (ne)sėkmė grožio industrijoje
Kalbant apie praktinį audinių inžinerijos pritaikymą, didžiausia pažanga yra padaryta sąlyginai paprastuose audiniuose, tokiuose kaip oda. Esant pilno sluoksnio odos pažeidimui – nuo 1 iki 4 cm, jis savaime neužgyja, todėl reikalinga intervencija iš šalies.
„Pirmieji produktai, registruoti gydymui – dirbtinės odos konstruktai. Paprasčiausias būdas – dirbtinių ląstelių lakštas, suformuotas iš keratinocitų, uždedamas ant pažeistos odos ir taip skatinamas odos atsistatymas. Nors oda yra sąlyginai paprastas organas, ir čia susiduriama su iššūkiais: kaip tinkamai įterpti plaukų folikulus ir prakaito liaukas, ne mažiau svarbi ir tinkama odos pigmentacija, apsauganti organizmą nuo ultravioletinių spindulių. Šie klausimai vis dar sprendžiami“, – dėsto pašnekovė.
Kamieninės ląstelės naudojamos ir kosmetologijoje plaukams atauginti ar odai atjauninti.
„Pastaraisiais metais pasaulyje vykdoma nemažai mokslinių tyrimų šioje srityje. Vieni naujausių tyrimų rodo, kad plaukų augimui skatinti labiau tinkamos ne visos kamieninės ląstelės, bet jų ekstraktai – būtent skystoji ląstelių dalis, liekanti atskyrus jų membranas. Nemažai dirbama ir bandant panaudoti kamienines ląsteles plaukų atsodinimui nuplikimo atveju, bet kol kas šioje srityje mokslinių tyrimų rezultatų turime nedaug“, – teigia dr. D. Baltriukienė.
Kamieninės ląstelės ir jų produktai naudojami ir odai atjauninti bei raukšlėms mažinti. Atliekant šias procedūras kartais pasitaiko ir netikėtų bei skaudžių padarinių.
„Yra tekę skaityti apie įvykį, kai pacientei, siekiant sumažinti raukšles, buvo suleistos mezenchiminės kamieninės ląstelės, kurios diferencijavosi į kaulinio audinio ląsteles ir toje vietoje pradėjo formuotis kauliniai dariniai. Taip atsitiko todėl, kad parinktos mezenchiminės ląstelės buvo per daug ankstyvoje diferenciacijos stadijoje ir suleistos gavo signalus, kad turi diferencijuotis į kaulinio audinio ląsteles“, – pasakoja mokslininkė.
Audinių inžinerija – raktas į personalizuotą mediciną
Nors audinių inžinerijos srityje vykdoma labai daug mokslinių tyrimų, kol kas jų rezultatai taikomi individualiam, o ne rutininiam gydymui. Pagrindiniai organai ir audiniai, kuriuos jau yra pavykę sukurti ir implantuoti – oda, šlapimo pūslė, gimda, kaulinis audinys.
Nemenkas įdirbis pasiektas ir kuriant dirbtinę širdį, tačiau mokslininkė pabrėžia, kad visiškai dirbtinė širdis dar nėra sukurta. „Mokslininkai jau yra pritaikę S. Yamanakos atradimą, leidžiantį odos ląsteles paversti tokiomis, kurios geba diferencijuotis į bet kurią organizmo ląstelę. Jomis pasinaudoję mokslininkai parodė, jog įmanoma pažeistą širdį atkurti, kad ji būtų funkcionali, tačiau kol kas tai tik laboratoriniai eksperimentai“, – pasakoja dr. D. Baltriukienė.
Kalbant apie organų implantaciją, viena iš nedaugelio sričių, kur šis procesas vykdomas rutiniškai – didelių kraujagyslių transplantacija.
„Su didelėmis kraujagyslėmis yra kiek paprasčiau, nes jų pakeitimai atliekami rutiniškai ir tam nereikia audinių inžinerijos. Tam galima naudoti ir nuląstelintas kraujagysles, nesukuriant imuninių reakcijų. Problema iškyla, kai kalbame apie smulkesnių kraujagyslių (mažiau nei 6 mm diametro) formavimą. Labai sunku sukurti tokias mažo diametro kraujagysles ir suformuoti bei tinkamai išdėstyti venulių ir arteriolių tinklus. Jei norime sukurti didesnį audinį, turime užtikrinti jo funkcijas ir inervacija tampa antru dideliu iššūkiu“, – įžvalgomis dalijasi mokslininkė.
Biotechnologijos mokslų proveržį atliepia ir audinių inžinerijos tyrimai
Audinių inžinerija yra labai perspektyvi sritis – jau turime laboratorijose sukurtus pirmuosius audinius ir net organus, kurių ateityje tik daugės. Dr. D. Baltriukienė prisimena dar 2007 m. numatytą audinių inžinerijos plėtrą, kai buvo nurodoma, kad 2019–2020 m. jau egzistuos visiškai naudojamas audinio konstruktas, kuris galės būti implantuojamos į organizmą. Vis dėlto šiandien tokio konstrukto dar neturime, nes trūksta ilgalaikių duomenų, kaip ląstelės elgiasi implantuotos į organizmą, todėl didžiausio proveržio tikimasi audinių inžineriją taikant personalizuotai medicinai.
Ląsteles supančios aplinkos įtaka ląstelių morfologijai (išvaizdai). Dr. E. Šimoliūno nuotr.
„Ne mažiau perspektyvi sritis yra modelių, skirtų vaistų atrankai, kūrimas. Tam būtų panaudojami ne tik audinių inžinerijos principai, bet ir mikroskysčių technologija. Tai leistų sukurti labai mažus audinių ar net viso organizmo modelius, kurie užtikrintų našią bioaktyvių junginių, turinčių terapinį poveikį, atranką. Vaistų pramonė brangiai kainuoja, nes iki vartotojo turi pereiti labai daug etapų. Sujungiant nanotechnologijas, mikroskysčių technologijas, kamieninių ląstelių technologijas ir audinių inžinerijos principus, galima sukurti naujus našius vaistų atrankos būdus“, – pasakoja mokslininkė.
Žvelgiant iš šiandienos perspektyvų, biotechnologijos mokslų proveržis labai prisideda ir prie audinių inžinerijos mokslo pritaikomumo bei vystymosi.
„Audinių inžinerijoje per 30 metų matome didžiulį proveržį. Po nesėkmingų bandymų sugrįžę į laboratorijas, mokslininkai sukuria dar labiau išbaigtus produktus ir priartina juos prie rutininio gydymo. Dalydamiesi žiniomis tarpusavyje ir jungdami kelias mokslo sritis, audinių inžinerijos mokslininkai sukurs metodus ir produktus, kurie padės gydyti patologijas ar taps tolesnių mokslinių tyrimų varikliu. Tik viskam reikia laiko“, – teigia dr. D. Baltriukienė.