Jaka jest historia transplantologii i z jakimi współcześnie trudnościami się mierzy? Czy można wyhodować sobie "części zamienne" albo wydrukować tkanki? Jaką szansę w przyszłości dają inżynieria tkankowa i nowoczesna transplantologia wobec osób, które obecnie są nieuleczalnie chore lub ich urazy są niemożliwe do naprawienia? Tego rodzaju rozważania podejmuje dr Mateusz Pięt z Katedry Wirusologii i Immunologii UMCS w swoim najnowszym komentarzu eksperckim. Tekst powstał w ramach inicjatywy Centrum Prasowego UMCS pn. "Okiem eksperta".
fot. pch.vector/Freepik.com
Czy w przyszłości będziemy w stanie hodować „części zamienne”? Czyli słów kilka o inżynierii tkankowej.
Transplantacja w teorii
Transplantacja to procedura medyczna mająca na celu przeszczepienie organu, tkanki lub komórek z jednego organizmu do drugiego (lub w obrębie tego samego organizmu). Osoba, od której pobierany jest przeszczep, nazywa się dawcą (donorem), z kolei ta, która go otrzymuje – biorcą. Dziedzina zajmująca się transplantacją to transplantologia.
Trochę historii…
Pierwsze doniesienia o próbie przeszczepiania tkanek i narządów (głównie skóry czy zębów) sięgają starożytności. Początki nowożytnej transplantologii przypadają na XVI w., z kolei jej rozwój rozpoczął się w XIX w. Największy rozkwit dziedziny przypada na lata ’50 i ’60 XX w. W 1967 roku wykonano pierwszy udany przeszczep wątroby u człowieka. Dokonał tego Thomas Starzl, uważany obecnie za ojca współczesnej transplantologii. Początek transplantologii w Polsce to 1965 r. i pierwsza próba przeszczepu nerki; udanego przeszczepu dokonano rok później. W następnych latach dokonywano kolejnych przeszczepów, umacniając polską transplantologię na arenie międzynarodowej. Do końca 2021 roku wykonano w Polsce ok. 40 000 przeszczepów, rocznie wykonuje się ich około 1500.
Ryc. 1. Historia polskiej transplantologii
Rodzaje przeszczepów
Dla większości osób przeszczep kojarzy się z pobraniem organu od jednego człowieka i wprowadzeniem do organizmu drugiego. Taki typ przeszczepu zwany jest allogenicznym (allograft). Wyróżnić można także przeszczep autogeniczny (autograft), kiedy to biorca i dawca to ta sama osoba oraz ksenogeniczny (xenograft), gdy dawca i biorca są osobnikami z różnych gatunków. W przypadku autoprzeszczepów ryzyko odrzucenia praktycznie nie występuje. Jednakże ten typ przeszczepu posiada wiadome ograniczenia. W przypadku przeszczepów ksenogenicznych z kolei występuje bardzo duże ryzyko odrzutu – takie przeszczepy stosuje się bardzo rzadko, ograniczone są do określonych struktur (np. zastawka serca).
Problemy współczesnej transplantologii
Największym problemem transplantologii jest niewystarczająca liczba organów – zapotrzebowanie na narządy jest o wiele większe, niż ich dostępność. Ponadto, trudności sprawia transport organu oraz jego utrzymanie do czasu przeszczepienia, jak również złożoność samego przeszczepu. W tym celu rozwijane są metody i technologie przechowywania organów, a nawet ich leczenia przed przeszczepieniem, udoskonalania metod kwalifikacji biorców pod kątem profilu immunologicznego czy rozwój technologii pozwalających na dokonywanie złożonych przeszczepów. Aspekt niedostępności narządów próbuje się rozwiązać przez przeszczepianie organów od zwierząt, ówcześnie odpowiednio zmodyfikowanych, czy też dzięki rozwojowi medycyny regeneracyjnej i inżynierii tkankowej.
Odrzut przeszczepu
Odrzut to reakcja układu immunologicznego na obce struktury, prowadząca do zniszczenia przeszczepu. Reakcja ta uwarunkowana jest prawidłowym funkcjonowaniem naszego układu odpornościowego. Jego zadaniem jest rozpoznawanie obcych struktur, tzw. antygenów, i niszczenie komórek oraz organizmów je posiadających. Wszelkie struktury biologiczne w naszym organizmie są rozpoznawane, czy są „obce”, czy „swoje”. Gdy do organizmu wnika patogen, charakterystyczne dla niego struktury zostają rozpoznane i uruchomiona zostaje kaskada reakcji prowadzących do aktywacji komórek odpowiedzialnych za jego zniszczenie, na drodze odpowiedzi nieswoistej lub swoistej. Ta druga jest młodsza ewolucyjnie i o wiele wydajniejsza. Rozpoznawane są określone antygeny (struktury aminokwasowe białek, charakterystyczne dla danego gatunku czy szczepu mikroorganizmu, a także dla każdej komórki ludzkiej), a następnie inicjowany jest jeden z dwóch mechanizmów: odpowiedź typu komórkowego (skutkująca niszczeniem komórek przez limfocyty T) lub typu humoralnego (polegająca na produkcji przeciwciał przez limfocyty B, a ściślej – komórki plazmatyczne z nich powstałe). Rozpoznawanie antygenów zachodzi za sprawą antygenów zgodności tkankowej MHC (ang. major histocompatibility complex) u człowieka, zwanych HLA (ang. human leukocyte antigen). Każda komórka naszego organizmu posiada swoiste antygeny oraz określone MHC. Nasze limfocyty podczas dojrzewania „uczą” się rozpoznawać obce struktury i nie szkodzić własnym. Jeżeli jednak w naszym organizmie znajdzie się organ, który posiada inny profil antygenowy, inne MHC, zostaje on rozpoznany jako obcy (potencjalnie dla nas niebezpieczny) i zniszczony. Każdy człowiek posiada określony profil MHC, może być on podobny u innych osób (zgodność tkankowa).
Ryc. 2. Odpowiedź immunologiczna
Im większa różnica w zgodności tkankowej, tym większe ryzyko odrzutu. W zależności od różnych czynników, przerzut może być odrzucony w przeciągu minut do godzin (odrzut nadostry), 3-6 miesięcy (odrzut ostry) lub lat (odrzut przewlekły). W przypadku odrzutów nadostrego i przewlekłego jedynym wyjściem jest usunięcie przeszczepionego organu czy tkanki. W przypadku odrzutu ostrego, możliwe jest ograniczenie tempa jego rozwoju poprzez immunosupresję, czyli wyciszenie odpowiedzi immunologicznej poprzez preparaty farmakologiczne. Niestety, prowadzi to do wyciszenia całej odpowiedzi immunologicznej, co skutkuje niedoborem odporności. Ponadto, obecnie stosowane immunosupresanty posiadają szereg skutków ubocznych. Dlatego też, jednym z pól zainteresowania naukowców jest opracowywanie nowych, bardziej specyficznych i obarczonych mniejszymi efektami ubocznymi, leków immunosupresyjnych.
Medycyna regeneracyjna
Jednym z najnowszych podejść do transplantologii jest medycyna regeneracyjna. Jej zadaniem jest odtworzenie uszkodzonych tkanek czy narządów. W skład medycyny regeneracyjnej wchodzą: terapia komórkami somatycznymi, terapia komórkami macierzystymi, terapia genetyczna oraz inżynieria tkankowa.
Ryc. 3. Terapia komórkami macierzystymi
Leczenie polega na pobraniu komórek macierzystych od dawcy [lub wytworzonych przez nie egzosomów lub pęcherzyków pozakomórkowych (EVs, ang. extracellular vesicles), zawierających szereg substancji regulujących np. wzrost komórek lub miRNA (rodzaj RNA o aktywności regulacyjnej)] oraz wprowadzanie ich biorcy. Skutkuje to odróżnicowaniem wszczepionych komórek do komórek określonej tkanki lub indukcją przez EVs lub miRNA wzrostu i różnicowania obecnych w miejscu wszczepienia komórek
Inżynieria tkankowa
Bardzo ciekawą i ostatnimi laty prężnie się rozwijającą dziedziną jest inżynieria tkankowa. Polega on na pobraniu komórek oraz ich hodowli w laboratorium w warunkach in vitro, a następnie wprowadzeniu do organizmu pacjenta. Początek inżynierii tkankowej to przełom lat ’70 i ’80 XX w. i badania zespołów Howarda Greena, Ioannisa Yannasa, Eugene’a Bella i innych nad substytutami skóry czy chrząstek. Z kolei termin „inżynieria tkankowa” został wprowadzony na przełomie lat ’80 i ’90 XX w. Pionierami dziedziny, poza wymienionymi powyżej, są także Charles Vacanti i jego brat Joseph Vacanti (niektórzy mogą ich kojarzyć z tzw. Vacanti mouse). J. Vacanti z Robertem Langerem sformułowali definicję inżynierii tkankowej, jako interdyscyplinarnej dziedziny łączącej elementy inżynierii i nauk przyrodniczych w celu odtworzenia, utrzymania lub poprawienia funkcji tkanek. Wydzielili oni także 3 podejścia do inżynierii tkankowej: (i) zastosowanie samych komórek; (ii) zastosowanie komórek na rusztowaniach (nośnikach); (iii) zastosowanie czynników mających regulować wzrost i rozwój komórek (głównie czynników wzrostowych).
Komórki stosowane w inżynierii tkankowej mogą być wyprowadzone od dawcy lub od samego pacjenta, wtedy przeszczep takiej struktury jest przeszczepem autogenicznym, czyli nie zostaje odrzucony.
Nośniki stosowane w inżynierii tkankowej mają za zadanie umożliwić utworzenie hodowli przestrzennej (3D), jak również stabilizują powstałą tkankę oraz mogą nadawać jej odpowiedni kształt. Nośniki mogą być utworzone z materiałów syntetycznych (np. teflon, polikaprolakton, polietylen) lub naturalnych (np. kolagen, żelatyna, kwas hialuronowy).
Komórki mogą być także hodowane w postaci organoidów. Komórki, normalnie rosnące w warunkach in vitro w postaci płaskich hodowli, gdy zostaną odpowiednio zaindukowane, są w stanie ze sobą agregować, tworząc przestrzenne struktury. Powstałe organoidy mogą zostać następnie przeszczepione w celu uzupełnienia ubytku tkanki lub możliwe z nich jest odtworzenie części narządu.
Ryc. 4. Inżynieria tkankowa
Ryc. 5. Wykorzystanie organoidów w medycynie regeneracyjnej
A gdyby tak drukować tkanki…
Ostatnimi laty coraz większą uwagą cieszy się metoda bioprintingu. Jest to technologia podobna do druku 3D, z tym że tuszem tutaj są komórki (tzw. bioink). Wprowadzane są one na nośnik w odpowiedni sposób, warstwami, dzięki czemu utworzona zostaje struktura przestrzenna. Bioprinting może być połączony z drukiem 3D nośnika – w jednym czasie powstaje nośnik do hodowli, o nawet bardzo skomplikowanym kształcie (np. kosteczek słuchowych) i opłaszczany jest komórkami.
Ryc. 6. Metody bioprintingu – bioink nakładany jest kroplami (A), wyciskany (B), uwalniany z warstwy absorbującej energię pod wpływem lasera (C) lub nanoszony na polimer utwardzany pod wpływem promieniowania UV (D)
Wykorzystanie tego, co dała natura
Nawet najbardziej skomplikowane i zaawansowane technologie nie są w stanie doścignąć milionów lat ewolucji. Dlatego też – dlaczego by nie wykorzystać tego, co już istnieje? Komórki w tkance połączone są ze sobą macierzą zewnątrzkomórkową – ECM (ang. extracellular matrix). Jest to sieć białek, glikoprotein i innych substancji, które spajają ze sobą komórki. Podjęte zostały próby hodowania komórek na ECM zwierzęcym (nie posiada on antygenów MHC, dlatego sam ECM nie będzie inicjował odpowiedzi immunologicznej). Najpierw taka macierz jest decelularyzowana – usuwane są z niej komórki. Następnie, powstała dECM opłaszczana jest komórkami ludzkimi (repopulacja). Większość badań mających na celu odtworzenie całego organu do przeszczepu bazuje na tej technologii.
Ryc. 7. Macierz zewnątrzkomórkowa
Przeszczepy ksenogeniczne
Przeszczepy ksenogeniczne stanowią niewielką część wszystkich przeszczepów, ze względu na dużą niezgodność tkankową. Prowadzi się jednak obecnie badania mające na celu zmianę MHC na powierzchni komórek zwierzęcych – na odpowiadające profilowi immunologicznemu pacjenta. Można tego dokonać np. technikami inżynierii genetycznej – z komórek zwierzęcych usuwa się geny kodujące MHC i wprowadza geny od pacjenta. Dzięki temu organizm biorcy będzie traktował taki organ jako „swój”. Początek 2022 roku przyniósł przełom w tej dziedzinie, gdy dokonano pacjentowi udanego przeszczepu świńskiego serca. Aby przerzut nie został odrzucony, dokonano w organie wyciszenia trzech genów kodujących antygeny inicjujące odpowiedź immunologiczną biorcy oraz wprowadzono sześć genów, których produkty sprzyjać mają przyjęciu przeszczepu. Ponadto, serce zostało tak zmodyfikowane, by wykazywać fizjologię podobną do ludzkiego organu.
Ograniczenia inżynierii tkankowej
Największym ograniczeniem w inżynierii tkankowej jest wielkość przeszczepianego fragmentu tkanki. Jeżeli fragment ten będzie za duży, nie dotrze do niego tlen i substancje odżywcze, ani nie zostaną odprowadzane metabolity i dwutlenek węgla, wskutek czego zacznie on obumierać. Prowadzone są obecnie badania nad unaczynianiem hodowanych tkanek, np. poprzez wyhodowanie na rusztowaniu najpierw naczyń krwionośnych, a następnie, na ich sieci, właściwej tkanki.
Kolejnym ograniczeniem jest złożoność tkanki czy narządu oraz odtworzenie ich funkcji, O ile odtworzenie tkanki nabłonkowej jest stosunkowo proste, to jeżeli organ wykazuje np. zdolność wydzielniczą, jego odtworzenie jest o wiele trudniejsze.
Problem stanowią także zakażenia bakteriami czy grzybami. Do nośników mogą „przyciągać” (ulegać adhezji) komórki drobnoustrojów. Aby sobie z tym poradzić, prowadzone są badania nad modyfikacją obecnie stosowanych nośników, np. poprzez immobilizację na ich powierzchni substancji o aktywności przeciwdrobnoustrojowej.
Inżynieria tkankowa w praktyce
W takim razie czego obecnie udało się dokonać? Aktualnie na drodze medycyny regeneracyjnej prowadzi się odtwarzanie skóry, chrząstek i kości. Wykonuje się także przeszczepy przełyku odtworzonego w warunkach laboratoryjnych. Trwają badania nad odtwarzaniem innych organów. Największe wyzwanie stanowi odtworzenie tkanki nerwowej. Obecnie prowadzone są badania nad regeneracją przerwanego szpiku kostnego, odtwarzaniem nerwów obwodowych oraz tkanki nerwowej w mózgu.
Podsumowując…
Badania z zakresu inżynierii tkankowej, dzięki współpracy specjalistów z różnych dziedzin, prowadzone są na różnych polach i w różnych aspektach – biotechnologicznym, bioinżynieryjnym czy medycznym. Czy w takim razie będziemy hodować sobie „części zamienne”? Myślę, że to pozostanie dalej w sferze science-fiction; jednakże, prowadzone obecnie badania zwiększą dostępność tkanek i narządów, znacząco zmniejszając czas oczekiwania na przeszczep, a ryzyko odrzutu będzie znikome lub żadne. Inżynieria tkankowa i nowoczesna transplantologia dadzą w przyszłości szanse osobom, które obecnie są nieuleczalnie chore czy też ich urazy są niemożliwe do naprawienia.
Choć badania z zakresu inżynierii tkankowej wydają się bardzo zaawansowane i wręcz odległe, to prowadzone są one także na Wydziale Biologii i Biotechnologii UMCS, m.in. przez zespół prof. Anny Jarosz-Wilkołazkiej z Katedry Biochemii i Biotechnologii we współpracy z Katedrą Wirusologii i Immunologii UMCS. Specjalistą od hodowli przestrzennych i inżynierii tkankowej jest także prof. Wojciech Rzeski z Katedry Anatomii Funkcjonalnej i Cytobiologii UMCS.
*dr Mateusz Pięt – adiunkt w Katedrze Wirusologii i Immunologii, Instytutu Nauk Biologicznych UMCS. Do jego zainteresowań naukowych należą przede wszystkim mechanizmy regulacji kancerogenezy i przerzutowania komórek nowotworowych oraz metody i narzędzia inżynierii tkankowej. W swojej działalności naukowej zajmuje się poznawaniem szlaków regulacji wzrostu, rozwoju i migracji komórek nowotworowych oraz ingerencją różnych substancji, naturalnych i syntetycznych, w te szlaki. Szczególną uwagę skupia na procesach kluczowych dla migracji komórek raka jelita grubego.
