Выращенные из клеток кожные трансплантаты уже вошли в арсенал врачей. Но проект Тель-Авивского университета, поддержанный Zimin Institutes, впервые обещает почти настоящую кожу: плотную, эластичную, многослойную. У подопытных мышей на месте ожога даже растут волосы. Как разработали технологию и далеко ли ей до клинического применения, выяснял T-Invariant.
Белый тонкий лист поблескивает на свету. На вид и на ощупь он больше всего напоминает подложку, на которой продают детские наклейки. Хотя в данном случае наклейка — это он сам, поскольку держится на слое фольги.
Дана Коэн-Джерасси подцепляет его ногтем — и белый лист отходит, оставляя тянущиеся к фольге паутинообразные ниточки. В случае с наклейкой это был бы клей, но тут мы видим само нано-волокно — каркас будущей искусственной кожи, состоящей из множества слоев тончайших нитей.
В соседней комнате стоят инкубаторы, где при заданных условиях (37,1 градус Цельсия и 5% углекислого газа) в чашках Петри растут мышиные клетки. Их кормят специальным раствором из микро- и макронутриентов с добавлением антибиотиков. В каждой чашке размножаются одновременно два типа клеток: фибробласты (самые распространенные представители соединительной ткани) и кератиноциты — основа эпидермиса, самого верхнего слоя кожи.
Потом подросшие клетки заправят в пипетку и накапают на листок нано-волокнистого материала из расчета около 2000 клеток на квадратный сантиметр. Затем их уже на листе снова поместят в инкубатор — и через некоторое время получат трансплантат, готовый к пересадке. На вид он будет почти такой же, как тот лист, что мне только что показали.
— Разве что не такой белый и чуть прозрачнее, — объясняет Дана. — Живые клетки на глаз не видны.
Зато после пересадки лист со временем превратится в почти обычную кожу. В него мигрируют клетки разных типов и разовьются в фолликулы и потовые железы.
— Посмотрите на обычный след от ожога. Там не растут волосы, нет потовых желез. Это рубцовая ткань, — рассказывает Дана. — А теперь посмотрите на фотографии наших мышей.
Ее слова подтверждает и работа, опубликованная летом в журнале Advanced Functional Materials. «Гистологическое исследование выявило раннюю стадию формирования волосяных луковиц и желез», — говорится в ней. Тут же прилагаются и фотографии.
— То, что мы делаем, нужно пациентам с ожогами 50 и более процентов тела, — объясняет одна из главных соавторов исследования профессор Лихи Адлер-Абрамович.
В более простых случаях можно сделать аутотрансплантацию — пересадить фрагмент собственной кожи. Но при больших ожогах сейчас применяется культивируемый аутотрансплантат. Из клеток пациента выращивают не полноценную кожу, а фрагменты эпидермиса. Уже сейчас эта технология спасает множество жизней.
— Но у нее много недостатков. Мы узнали о них от Айелет Ди Сегни из клиники имени Хаима Шиба (Тель Ха-Шомер), которая выращивает трансплантаты для пациентов, — рассказывает профессор Адлер-Абрамович. — И решили, что можем сделать все проще и эффективнее. Так и появился этот проект.
Кожа с проблемами
12 апреля 2021 года, накануне Дня памяти павших в войнах Израиля ветеран бригады «Голани» Ицик Саидиан поджег себя перед зданием Управления реабилитации инвалидов ЦАХАЛа в Петах-Тикве. Он протестовал против того, что таким, как он, солдатам, заработавшим на войне ПТСР, оказывают недостаточную помощь.
Главные новости о жизни учёных во время войны, видео и инфографика — в телеграм-канале T-invariant. Подпишитесь, чтобы не пропустить.
Акция породила волну протестов. И в конечном счете привела к реформе и выделению огромной суммы на реабилитацию военных психических травм. Но самое удивительное, что бойца, получившего 98-процентный ожог тела, в итоге спасли.
Он стал шестым и самым известным пациентом в клинике имени Хаима Шиба (Тель Ха-Шомер), которому вырастили фрагменты эпидермиса для пересадки. Как рассказывала Айелет Ди Сегни в разговоре с газетой «ХаАрец», для Саидиана сделали около 600 трансплантатов общей площадью два квадратных метра. Клетки для размножения взяли с единственных уцелевших частей тела — стоп.
Айелет — еще один соавтор нового исследования. В клинике она совмещает две должности. Во-первых, заведует банком донорских тканей. Во-вторых, управляет лабораторией по выращиванию эпидермиса. Вещи это связанные, потому что даже при применении современной технологии, без донорской трупной кожи не обойтись.
Когда в отделение поступает пациент с обширными ожогами, ему сначала пересаживают кожу мертвого человека, рассказывает Айелет. Трансплантата хватает примерно на две недели, после этого начинается сильное отторжение. Тогда, если ожог не очень большой, врачи пересаживают пациенту фрагменты собственной кожи. А если большой, то стараются потянуть время, чтобы созрел трансплантат из клеток эпидермиса.
Обычно его производство занимает три недели. За это время из одного квадратного сантиметра донорских клеток в лаборатории Айелет можно вырастить примерно 50 квадратных сантиметров эпидермиса. Но это его площадь в чашке Петри. А как только трансплантат вынимают наружу, он резко сморщивается — примерно в пять раз. Ведь эпидермис — лишь самый верхний слой кожи. И за эластичность и поддержание формы отвечает не он.
— Это одна из основных проблем технологии. Другая в том, что этим тонким лоскутом крайне сложно манипулировать. Третья — что выращивать клетки приходится долго, — объясняет Лихи Адлер-Абрамович. — Большой плюс того, что Израиль — маленькая страна, тут много коллабораций. Мы познакомились с Айелет, она рассказала об этих трудностях, и мы поняли, что трансплантату нужно что-то вроде твердого каркаса. А еще поняли, что можем переработать для этого технологию, которую уже применяем для регенерации костей.
Природные материалы
По образованию Лихи — биотехнолог. PhD она получила за работу, связанную с нанопептидами. И с 2015 года возглавляет в Тель-Авивском университете группу по разработке вдохновленных природой материалов. В ее команде материаловеды, инженеры, биологи, врачи, химики. Дана Коэн-Джерасси — ее докторант, по первому образованию как раз инженер, специалист по материалам.
Из прошлых разработок группы самыми востребованными оказались две. Во-первых, супергидрофобная поверхность, вдохновленная устройством листа лотоса. Как и лист, она покрыта очень острыми нано-иголками, препятствующими адгезии бактерий. На основе этой технологии в лаборатории сделали материалы для стоматологов. И исследование подтвердило, что они приводят к существенному снижению вероятности вторичного кариеса. Вторая знаковая работа — нано-каркасы для регенерации костей. Тут технологию подсмотрели в самих же костях.
— У них есть естественная способность к восстановлению. Мы изучали, как кости восстанавливаются при небольших переломах. Первая стадия процесса — формирование каркаса в межклеточном матриксе. И мы повторили этот процесс в более крупном масштабе для серьезных переломов, — рассказывает профессор Адлер-Абрамович. — Тот проект мы делаем в сотрудничестве с Еврокомиссией и уже перешли к испытаниям на крупных животных.
Так вот, для кожи решили сделать похожий по составу каркас (с поправкой, конечно, на другие физические свойства). В основе обоих — короткие пептиды RGD. Но если для костей к ним добавляли полисахариды и делали гидрогель, то для кожи применили технологию электропрядения, чтобы получить материал из тончайших прочных эластичных волокон.
Актуальные видео о науке во время войны, интервью, подкасты и стримы со знаменитыми учёными — на YouTube-канале T-invariant. Станьте нашим подписчиком!
RGD — это короткая аминокислотная последовательность Arg-Gly-Asp (аргинин — глицин — аспарагиновая кислота). Она — составная часть нашего обычного внеклеточного матрикса. И это само по себе улучшает адгезию клеток к каркасу.
Еще одна важная деталь. Аспарагиновая кислота — вещество, производство которого хорошо отлажено. Она входит в состав подсластителя аспартама, который используют в диетических напитках. Поэтому каркасы для кожи тоже можно будет производить массово, отмечает Лихи Адлер-Абрамович.
На готовый каркас клетки наносят вперемешку. А потом они спонтанно самоорганизуются.
— Увлекательно наблюдать за этим, — продолжает профессор. — На верхней части каркаса скапливаются кератиноциты, на нижнем слое — фибробласты. Как два слоя внутри здоровой кожи.
Почему так происходит, еще предстоит изучить. Лихи предлагает одно из возможных объяснений: фибробласты пролиферируют быстрее, а кератиноциты — медленнее.
Расчет исследователей оправдался. Во-первых, новый вид трансплантата не сморщивается. Его пересаживают подопытным животным в том же виде, в каком он растет в чашке Петри. Это очень важно, ведь потеря площади — это потеря времени, что для таких больных критично.
В скорости в лаборатории Лихи Адлер-Абрамович тоже выиграли, хотя и не сильно. Но тут все понятно не до конца. Ведь лист уже сразу имеет заданный размер. И вся загвоздка в том, достаточно ли на нем клеток для пересадки.
— Сейчас мы выращиваем трансплантат 10 на 10 сантиметров за две недели. Но есть предположение, что достаточно 4-5 дней, — рассуждает Дана Коэн-Джерасси
Самое же главное, ускоряется процесс регенерации. Эксперименты с мышами показали, что он идет почти вдвое быстрее, чем при пересадке эпидермиса.
— Это поразительно, — говорит профессор Адлер-Абрамович. — Важно и то, что качество ткани лучше. После заживления место ожога напоминает кожу здоровых мышей, а не рубцы. Оно эластичное и выглядит очень хорошо. Хотя, конечно, я не могу гарантировать, что у людей будет так же.
Что дальше?
Пока новые трансплантаты испытали только на мышах. Следующий этап — свиньи, чья кожа достаточно похожа на человеческую. В Израиле получить подопытную свинью трудно, это долгий и дорогой процесс. Сейчас лаборатория ищет финансирование в академических кругах для этого исследования.
До испытаний на людях, считает Лихи Адлер-Абрамович, пройдет еще 5-10 лет. Но в ожидании финансирования и опытов в лаборатории пытаются доработать технологию — причем сразу в нескольких направлениях. Во-первых, ее, вероятно, можно будет применять и при других повреждениях кожи, например, для лечения диабетических язв. Во-вторых, каркас трансплантата пока не биодеградируемый. Фактически после заживления он становится частью тканей. Другое направление исследования — его программируемая деградация.
А третий эксперимент проходит прямо сейчас и может стать еще одной революцией в лечении ожогов. Прямо в каркас кожного трансплантата хотят встроить специальные биоразлагаемые сенсоры.
— При лечении ожогов одна из самых болезненных процедур — проверка хода регенерации, — объясняет Дана Коэн-Джерасси. — Врач периодически снимает повязки и осматривает рану. Это не только очень больно, но и тормозит процесс восстановления. Чтобы исключить такие проверки, мы разработали специальные сенсоры, которые могут работать прямо внутри трансплантата.
Сенсоры уже здесь, в соседней комнате. Но исследователи прямо сейчас готовятся получить патент, поэтому мне их не показывают.