Justino Auškelio nuotr.

Odos transplantacija ar dirbtine pakeista šlapimo pūslė – jau ne mokslinė fantastika, o praktika. Tokiais tyrimais ir jų taikymu užsiima tarpdisciplininėje audinių inžinerijos srityje dirbantys mokslininkai. Jungdami kelias mokslo sritis jie kuria metodus ir produktus, kurie padės gydyti sudėtingas patologijas ir taps tolesnių mokslinių tyrimų varikliu, mano Vilniaus universiteto Gyvybės mokslų centro (VU GMC) mokslininkė prof. Daiva Baltriukienė. Naujausiame tinklalaidės „Mokslas be pamokslų“ epizode ji pasakoja, kaip kuriami dirbtiniai audiniai ir organai, kokias problemas jie gali padėti išspręsti.

„Audinių inžinerija – labai įdomi ir įtraukianti tarpdisciplininė sritis, reikalaujanti medicinos, chemijos ir inžinerijos žinių. Mūsų atveju netgi fizikos ir lazerių fizikos, biologijos, biochemijos ir molekulinės biologijos. Audinių inžinerija jungia labai įvairius mokslus, kurių bendras tikslas – sukurti funkcionalų audinį, galintį pakeisti pažeistą audinį ar organą ir galbūt tapti alternatyva organų donorystei“, – aiškina VU profesorė.

Ištakos – JAV

Pasak prof. D. Baltriukienės, žmonija visada domėjosi savo pačių kilmės procesais. Tačiau genų inžinerija kaip mokslo sritis pagreitį įgavo praėjusio amžiaus devintajame dešimtmetyje. Tai lėmė kelios sąlygos. Visų pirma, kamieninės ląstelės, atrastos dar 1961 m. Antra, iniciatyvūs mokslininkai norėjo suprasti ir pritaikyti jų panaudojimo galimybes.

„Šios srities pradininkais laikomi broliai Josephas ir Charlesas Vacanti iš JAV. Savo kasdienėje medicinos praktikoje jie pamatė, kad yra didžiulis poreikis naujų inovatyvių gydymo strategijų. Todėl jie pradėjo bendrauti su chemikais, inžinieriais ir ieškoti įvairių medžiagų, kurios galėtų būti panaudotos nedideliams pažeidimams atkurti. Po įkvepiančių rezultatų pradėjo plėstis audinių inžinerijos bendruomenė“, – pasakoja mokslininkė.

Anot jos, prie audinių inžinerijos yra priskiriami ir ląstelių tyrimai, nes ląstelės gali būti naudojamos audinių regeneracijos tikslams: „Lietuvoje tokių tyrimų pradžia galėtume laikyti 1990 m., kai prof. Vytauto Sirvydžio vadovaujamos komandos kardiochirurgas Raimundas Širmenis susisiekė su kolegomis Vigintu Domkumi ir Virginija Bukelskiene tuometiniame Biochemijos institute ir pasiūlė idėją iš raumens audinio išskirti kamienines ląsteles, kurios ateityje galėtų būti pritaikomos gydymui.“

Vis dėlto dėl lėšų trūkumo šie tyrimai buvo atidėti. Jau apie 2004 m. valstybei skyrus finansavimą, tyrimai su iš raumens gautomis kamieninėmis ląstelėmis buvo tęsiami, siekiant jas pritaikyti širdies audinio regeneracijai. Tuo metu Europoje šia linkme judėjo daug tyrimų ir mokslininkai optimistiškai žiūrėjo į galimą iš raumens audinio išskirtų ląstelių panaudojimą, pavyzdžiui, širdies audiniui atkurti po miokardo infarkto. Europoje šie tyrimai pasiekė ir klinikinių tyrimų stadiją. Tačiau tuomet suvokta, kad mes dar nepakankamai gerai pažįstame šitas ląsteles. Teko sugrįžti į laboratorijas dar geriau išstudijuoti ir suprasti, kur ir kaip šios ląstelės pritaikomos. Tolesnis kitų krypčių mokslininkų – fizikų, chemikų ir kitų sričių medikų – įsitraukimas ir lėmė audinių inžinerijos pradžią.

Pirmasis produktas – dirbtinė oda

Pirmasis audinys, kurį pavyko sukurti, buvo oda – didžiausias mūsų organas, dažniausiai ir labai masyviai pažeidžiamas įvairių nudegimų ir traumų atvejais. Kita sritis – kremzliniai audiniai, pvz., sąnariai. Mokslininkai rinkosi tas tyrimų sritis, kurios yra paprastesnės, nes pradžioje verčiau išsiaiškinti ne tokius komplikuotus dalykus, kad judėtume ten, kur yra sudėtingiau ir kur yra didžiausias poreikis“, – komentuoja prof. D. Baltriukienė.

Jos teigimu, nors tai nėra rutininės gydymo priemonės, pasaulyje yra nemaža gerų audinių konstruktų pavyzdžių: „Man didžiausią įspūdį paliko projektas, siejantis ne tik  audinių, bet ir genų inžineriją. 2017 m. buvo sukurti odos lopai ir transplantuoti berniukui, sergančiam reta genetine liga, dėl kurios nesiformuoja ir nyksta epiderminis odos sluoksnis. Tokie vaikai paprastai nesulaukia pilnametystės, jeigu pasiseka – daugiausia trisdešimt metų. Šio berniuko atveju buvo netekta net 60 proc. odos. Tad mokslininkai paėmė to berniuko odos ląsteles, jas pakeitė pašalindami defektyvų geną geru genu, koduojančiu tinkamą baltymo versiją, sukūrė odos lopus ir transplantavo berniukui. Praėjus porai metų po operacijos, tas berniukas galėjo gyventi visavertį gyvenimą, nes oda išliko funkcionali.“

Prof. Daiva Baltriukienė. Gyvybės mokslų centro nuotr.

Vardydama kitus pavyzdžius, profesorė minėjo, kad audinių inžinerijos metodu buvo sukurta ir vėliau transplantuota šlapimo pūslė. Laboratorijoje tokiu būdu galima iš dalies atkurti pažeistų audinių funkcijas – tarkim, pašalinant defektyvias ląsteles ir užsėjant naujas ląsteles. Įrodyta, kad taip galima sugrąžinti ir širdies, ir inkstų funkcijas. Audinių inžinerija taikoma ir vaistams testuoti, kai, užuot naudojus bandomuosius gyvūnus, yra pasitelkiami žmogui būdingi audinių prototipai ir taip nustatomas cheminių junginių poveikis.

Svarbus etinis aspektas

„Yra dar vienas labai svarbus dalykas – tų audinių padauginimas. Kai sukursime vieną, jis bus individualus, o norint „užkurti“ masinę gamybą, reikia labai daug resursų. Taip pat yra ir reguliaciniai klausimai, nes jie turi būti visuotinai priimti“, – pabrėžia prof. D. Baltriukienė.

Ji aiškina, kad ne visos ląstelės gali būti panaudotos audiniams kurti. Efektyviausių – embrioninių kamieninių ląstelių, iš kurių būtų galima sukurti visų kitų tipų ląsteles, naudoti negalima, kadangi jos gaunamos suardant embrioną. Visa tai kelia etinius iššūkius. Tokie tyrimai yra apskritai uždrausti daugelyje valstybių, įskaitant ir Lietuvą.

„Didelį proveržį šioje srityje padarė išgautos indukuotos daugiagalės (pluripotentinės) ląstelės – 2007 m. pelės, 2008 m. žmogaus. Šios ląstelės savo savybėmis labai panašios į embrionines kamienines. Vis dėlto net ir šiuo atveju kyla klausimų, nes jos išgaunamos pasitelkiant genų inžinerijos metodus“, – pasakoja VU mokslininkė.

Anot jos, kai kuriose šalyse draudimų nėra, todėl vyksta intensyvūs tyrimai: „Pavyzdžiui, JAV. Čia šiuo metu, kalbant apie audinių kūrimą, dėmesys sutelktas į kamienines ląsteles, gautas iš suaugusio organizmo, nes vis dėlto apie embrionines kamienines ląsteles dar mes turime labai daug ką suprasti. Jos labai prisidėjo prie supratimo, kaip vystosi organizmas ir atskiri organai. Kita vertus, tiek embrioninės kamieninės ląstelės, tiek indukuotos pliuripotentinės ląstelės gali formuoti teratomas, kas yra navikinis audinys. Organizme sukontroliuoti ląstelių atsaką yra gana sudėtinga. Vieną rezultatą turime mėgintuvėlyje su kontroliuojama aplinka, tuo tarpu organizme ląstelės susiduria su labai įvairiais veiksniais, kurie reguliuoja ir ląstelių dauginimąsi, ir ląstelių žūtį, ir atsaką į tuos pačius veiksnius. Tad šie aspektai sudėtingoje aplinkoje yra labai sunkiai kontroliuojami.“

Tas pats tinka ir dirbtiniams audiniams: „Mes matome, kaip audinys veikia mėgintuvėlyje, bet kyla klausimas: kaip jis veiks implantuotas į organizmą? Mokslininkų optimizmas svyruoja.“

Kaip atsiranda dirbtiniai audiniai?

„Tam, kad atsirastų audinys, reikia trijų pagrindinių dalykų: ląstelių, aplinkos ląstelėms ir ląsteles reguliuojančių veiksnių. Kalbant apie ląstelę, ji paprastai išskiriama iš organizmo paėmus nedidelį audinio gabaliuką. Iš jo galima gauti milijardus tyrimams reikalingų ląstelių. Žinoma, tam, kad ląstelę išlaisvintume iš audinio ir priverstume daugintis, reikalingi specialūs veiksniai. Kitas esminis veiksnys yra aplinka. Aplinką vadiname karkasu, nes tai yra dirbtinai sukurta aplinka“, – pasakoja prof. D. Baltriukienė.

Ji priduria, kad aplinkai kurti šiuo metu yra pasitelkiami 3D spausdintuvai: „Mes šiuos tyrimus pradėjome bendradarbiaudami su Lazerinių tyrimų centru. Turint 3D darinį svarbu, kad jis būtų porėtas, kad ląstelės galėtų migruoti, integruotis ir jas pasiektų maisto medžiagos.“

Dabartiniai 3D spausdintuvai jau leidžia spausdinti gana nemažus darinius. Tačiau viskas prasidėjo nuo labai mažų darinių, nesiekiančių nė pusės centimetro: „Reikia išplėtoti inžinerinius metodus, kad būtų galima greitai suformuoti ląstelėms tinkamą aplinką. Tačiau vien vadinamojo karkaso nepakanka. Jis ląstelėms suteikia erdvinę orientaciją, nes mėgintuvėlyje paprastai ląstelės auga ant plokščio paviršiaus. Tai nėra joms fiziologiškai būdinga. Jos turi būti išsidėsčiusios erdvėje, artimoje mūsų organizmui. Tai gali turėti įtaką ląstelių savybėms, bet to nepakanka.“

Pasak prof. D. Baltriukienės, norint sukurti audinius, turi būti tai, kas yra labai sudėtinga – tokia įvairių veiksnių visuma, kuri ląstelių likimą nukreiptų tinkama linkme. Nes jeigu bus įvairių bioaktyvių medžiagų disbalansas, mes gausime ne tokios specializacijos ląstelę, kokia ji turi būti konkrečiame audinyje. Šiame kontekste svarbūs ne tik išoriniai veiksniai, bet ir pačios ląstelės supratimas: kaip ląstelės viduje yra perduodamas signalas iki branduolio, kokią įtaką tai turi genų reguliacijai, o paskui – baltymų sintezei, nes baltymas atlieka svarbią funkciją. Šia linkme dirba labai didelės mokslininkų komandos.