Ученые впервые смогли вырастить в лабораторных условиях костную ткань. Успех в этом эксперименте открывает новые возможности для хирургов и трансплантологов — теперь они смогут восстанавливать кости людей, которым из-за серьезных травм грозит ампутация конечностей. О проделанной работе ученые рассказали в журнале Nature Biomedical Engineering.
Команда ученых из Шотландии и Ирландии разработала устройство, которое генерирует нановибрации и проводит их через находящуюся в коллагеновом геле взвесь мезенхимальных стволовых клеток, способных дифференцироваться в остеобласты, клетки кости.
Клетки образуют «костную шпатлевку», как ее называют исследователи, которая потом используется для лечения переломов и болезней, разрушающих костную ткань.
Использование собственных мезенхимальных клеток пациента сводит к минимуму риск отторжения и позволяет лечить серьезные повреждения. Создатели материала считают, что он станет отличной заменой используемым сегодня костным трансплантатам.
«Мы помещаем «шпатлевку» на анатомически правильный коллагеновый каркас. Мы используем много клеток одновременно, так что они с большой вероятностью образуют новую кость. В лаборатории мы как бы объясняем им, что надо делать, а организм пациента работает как биореактор, делая все остальное», - объясняет Мэтью Далби, профессор клеточной инженерии в Университете Глазго.
Команда начала работу в этой области еще в 2009 году. Ученые помещали клетки на виброплатформы и наблюдали, как те образуют костную ткань. Однако для того, чтобы восстанавливать поврежденные кости людей, материал должен был обладать трехмерной структурой.
Для достижения результата они основывались на позаимствованной у физиков технике, использовавшейся для исследования гравитационных волн. Через специальные камеры ученые пропускали колебания с амплитудой в 20 нанометров. Для гравитационных волн этого было бы недостаточно, но для клеток подошло отлично.
«Мы берем клетки пациента, помещаем их в гель и ставим все это в биореактор, где клетки вибрируют со скоростью 1000 колебаний в секунду»,
- рассказывает Далби.
Такая частота колебаний приводит к формированию из клеток костной ткани. Коллагеновый гель позволяет им образовывать трехмерную структуру. Коллаген — основной компонент соединительной ткани человека, и гель биологически совместим с тканями пациента.
Камера выполнена из алюминия и оснащена пьезоприводами. Над ними расположена пластина, которая проводит вибрации. Сам материал закреплен на движущейся платформе. Пьезоприводы ритмично сокращаются и расширяются, когда им передается напряжение. Вибрации с частотой, например, 1000 Гц способны регулировать работу ионных каналов в клетках, вызывая приток калия или кальция.
Сейчас для восстановления кости после тяжелых переломов хирурги используют маленькие фрагменты тазовой кости пациента. Для трансплантации необходима также костная ткань другого человека без живых клеток.
Использование донорских тканей повышает риск отторжения.
Новая технология снизит этот риск и позволит избежать дополнительных операций, чтобы взять костную ткань пациента.
Также ученые надеются помочь жертвам терактов и военным, потерявшим конечности. Новые руки и ноги, правда, вырастить в лаборатории пока не получится, но откорректировать кость так, чтобы человек мог использовать протез, вполне реально.
«Выживаемость людей все повышается, но мы еще страдаем от множества травм, - рассказывает Далби. - В сотрудничестве с благотворительной организацией сэра Бобби Чарльтона (легенда английского футбола - «Газета.Ru») мы уже доказали эффективность нашего метода, восстановив собаке лапу, которую иначе пришлось бы ампутировать».
Метод будет испытан на человеке в 2020 году. Ученые планируют восстановить с помощью «шпатлевки» кость руки пациента.
На создание костной ткани и операцию по ее вживлению уйдет не больше недели, уверен Далби.
Биореактор тем временем отправится в другие лаборатории для поиска новых способов его применения. Так, предполагается, что с его помощью можно будет «выключать» клетки рака кости.
