Регенерация и трансплантация
I. Определение и виды регенерации
Регенерация — возрождение, восстановление утраченных структур организма. Различают физиологическую и репаративную.
Физиологическая регенерация — процесс обновления (восстановления) функционирующих структур организма в процессе его жизнедеятельности. Она свойственна всем организмам (универсальность), происходит постоянно и является одним из свойств живого. Восстановление происходит на всех уровнях организации биологических структур: молекулярном (репарация ДНК), субклеточном (обновление органоидов и их частей), клеточном (митоз, амитоз, полиплоидия), тканевом, органном. Исходя из уровня организации,
выделяют внутриклеточную (молекулярный, внутриорганоидный и органоидный) и клеточную регенерацию. Преобладание того или иного способа регенерации определяется особенностями репродукции клеток (типом клеточных популяций). Внутриклеточная регенерация присуща всем тканям и органам, наиболее активно она происходит в тканях, клетки которых неспособны к митозу (нервная ткань, миокард).
Клеточная форма физиологической регенерации доминирует в костном мозге, эпителии кожи, желудочно-кишечном тракте. В печени, почках наблюдаются процессы внутриклеточной и клеточной регенерации.
Для изучения процесса регенерации используют современные методы исследования: метод гистоавторадиографии (определение количества митозов, ДНК синтезирующих клеток, суточной периодичности митозов), электронной и световой микроскопии.
Репаративная регенерация происходит после повреждения. Выделяют несколько способов регенерации: эпиморфоз, морфаллаксис, эндоморфоз (регенерационная гипертрофия) и регенерация путем индукции.
При эпиморфозе восстановление утраченных структур происходит путем отрастания от раневой поверхности(размножение и дифференцировка клеток), регенерат четко отграничен от культи, а при морфаллаксисе наблюдается перегруппировка клеток в оставшейся части органа, нет четкого разграничения регенерата и культи. Регенерационная гипертрофия характерна для регенерации внутренних органов (печень, почки, легкие и др.); при этом восстанавливается масса и функция органа (внутриклеточная и клеточная регенерация), но форма органа не восстанавливается. Регенерация путем индукции описана при восстановлении клеток костей черепа и характеризуется качественными изменениями клеток в месте повреждения. Репаративная регенерация имеет свои особенности в различных тканях: хорошо регенерируют костная ткань, рыхлая соединительная ткань.
Изучение репаративной патологической регенерации позволяет разрабатывать методы, применяемые в клинике для усиления процессов восстановления. Процесс регенерации регулируется нервной, гуморальной, иммунной системами. Представления о механизмах регенерации изменялись параллельно с появлением новых методов исследования. Для объяснения механизмов репаративной регенерации имеется несколько теорий: эффект эмбрионализации, появление метаболитов-некрогормонов, связь с функцией и др. Изучение регенераторной способности в процессе эволюции показало изменение способов и форм регенерации у беспозвоночных и позвоночных животных. Все уровни и способы регенерации обеспечивают сохранение целостности всего организма — механизм поддержания структурного гомеостаза.
II. Трансплантация. Пути преодоления тканевой несовместимости
При невозможности регенерации осуществляют трансплантацию — пересадку органов и тканей. В процессе трансплантации участвуют донор и реципиент; пересаживаемый участок органа называют трансплантатом. Выделяют аутотрансплантацию, синотрансплантацию, аллотрансплантацию, ксенотрансплантацию.
Аутотрансплантация — пересадка осуществляются в пределах одного организма (пересадка кожи, костей, хряща).
Синотрансплантация — пересадка между животными чистых линий или между близнецами (монозиготными).
Аллотрансплантация — пересадка между организмами одного вида (переливание крови от человека к человеку, пересадка печени, сердца и др.).
Ксенотрансплантация — пересадка между организмами, относящимися к разным видам (свинья — обезьяна, человек — обезьяна).
Успех трансплантации зависит от тканевой совместимости донора и реципиента по белкам (антигенам), которая определяется генотипом организма (ген — антиген). Наилучшее приживление трансплантата наблюдается, если организмы имеют сходные антигены, поэтому лучше удаются пересадка при ауто- и синотрансплантации (сходные антигены, выработки антител не происходит, трансплантат не отторгается).
При аллотрансплантации причиной отторжения трансплантата является тканевая несовместимость донора и реципиента. Организм реципиента реагирует на чужеродные антигены образованием антител (трансплантационный иммунитет как сохранение иммунологического гомеостаза). Начальные этапы отторжения связаны с Т-лимфоцитами (клеточный иммунитет), а последующие — с В-лимфоцитами (антитела — гуморальный иммунитет). Антиген распознается Т-лимфоцитом совместно с молекулами главного комплекса тканевой совместимости (HLA). В результате взаимодействия Т- и В-клеток возникает высокоспецефический иммунитет на определенные антигены; при повторных пересадках тканей этого же донора отторжение происходит быстрее. Для преодоления тканевой несовместимости существуют различные подходы:
а) подбор донора и реципиента со сходными антигенами (антигенное сближение донора и реципиента). Определяют антигены групп крови системы АВ0 и резус-фактора, а также антигены тканевой совместимости HLA. Зона HLA находится в 6 хромосоме, и включает локусы А, В, С, D, D2, R (сцепленные гены). Каждый ген имеет несколько аллелей: 20 аллелей гена А, 40 аллелей гена В, 8 аллелей гена С, 12 аллелей гена D. Комбинация аллелей дает многообразие генотипов в популяциях человека.
б) воздействие на организм реципиента. Создание иммунологической толерантности (невосприимчивости) к антигенам трансплантата. Для этого применяют физические методы (рентгеновские лучи), химические (иммунодепрессоры), биологические (антилимфоцитарная сыворотка и антилимфоцитарный глобулин).
в) воздействие на трансплантат (ослабление антигенных свойств) и помещение трансплантата в определенные места организма (передняя камера глаза, мозг, семеники).
Наряду с иммунологическими проблемами трансплантации, у человека существуют юридические и психологические проблемы. В настоящее время активно пересаживают сердце, почки, легкие и другие органы.
Иногда в роли чужеродных антигенов выступают собственные клетки организма, что приводит к возникновению аутоиммунных заболеваний (рассеянный склероз, ревматоидный артрит и др.).
Наряду с трансплантацией, существует эксплантация — культивирование изолированных органов и тканей вне организма. Новым направлением в медицине является применение искусственно созданных органов.
Источник
Способы регенерации органов после травмы
Введение. Скелетная мышечная ткань является одной из самых распространённых в организме человека. На её долю приходится до 40-45% от общей массы тела. Существует порог регенерационного процесса скелетной мышцы, после превышения которого мышечная ткань теряет способность к восстановлению своих функций. Потеря скелетной мышечной ткани с длительным функциональным ухудшением определяется как «значительная потеря мышечной ткани» (VML — volumetric muscle loss), что может существенно повлиять на качество жизни человека, значительно снизив функциональность опорно-двигательного аппарата. Целью данной работы является анализ литературных источников с проведенными раннее исследованиями по восстановлению и регенерации тканей скелетных мышц.
Частыми причинами травм скелетных мышц являются дорожно-транспортные происшествия, травмы, полученные при взрывах, боевые ранения, хирургические и ортопедические манипуляции (например, после синдрома длительного сдавливания или резекции опухоли) или повреждения, случившиеся в ходе занятий спортом, приводящие к острой потере мышечной ткани. Повреждения, превышающие 20% мышечной массы, нуждаются в реконструктивных хирургических вмешательствах. Прогрессирующая мышечная потеря может быть следствием метаболических нарушений или наследственных генетических заболеваний, таких как мышечная дистрофия Дюшена, латеральный амиотрофический склероз и детская болезнь Шарко-Мари-Тута [10]. Атрофия мышц также может быть следствием травм периферических нервов, хронической болезни почек, сахарного диабета и сердечной недостаточности [3]. Потеря мышечной массы до 20% может быть компенсирована высокой адаптивностью и регенеративным потенциалом скелетных мышц. За этим порогом функциональные нарушения неизбежны и могут привести как к тяжелой инвалидности, так и к косметическим деформациям, поэтому терапевтическое вмешательство крайне востребовано для таких пациентов.
Анализ и обсуждение. Мышечная регенерация зависит от гетерогенной популяции сателлитных клеток, интерстициальных клеток и кровеносных сосудов и в основном контролируется с помощью белков межклеточного матрикса и секретируемых факторов [4]. В норме мышечная масса поддерживается балансом между синтезом и катаболизмом белка. В большинстве случаев VML тормозит регенерационную способность скелетных мышц, поскольку физически удаляются необходимые регенеративные элементы, в основном сателлитные клетки, периваскулярные стволовые клетки и базальная мембрана. Через денервацию активируются сигнальные пути распада белков (протеасомальные и аутофагиально-лизосомальные пути). Поэтому скорость разложения белка превышает его синтез, что способствует атрофии мышц, сопровождающейся постепенным снижением мышечной массы и диаметров мышечных волокон. Реваскуляризация обычно нарушается. Вследствие наступают ишемические условия способствующие пролиферации фибробластов, фиброзу и формированию фиброзной рубцовой ткани, что приводит к дальнейшей дистрофии мышцы. Состав и степень белков межклеточного матрикса в рубцовых тканях влияют на многие аспекты миогенеза, функции мышц и реиннервации. При хронической потере мышечной массы, такой как мышечная дистрофия Дюшена, фиброз является серьезной проблемой. Вследствие того, что последовательное разрушение миофибрилл не может быть полностью компенсировано пролиферацией сателлитных клеток, следующие воспалительные процессы приводят к изменению продукции белков внеклеточного матрикса и последующему развитию фиброза, а также формированию рубцовой ткани. Рубцовое образование можно уменьшить либо путем введения, например, 5-фторурацила и блеомицина, которые противодействуют пролиферации фибробластов и неоангиогенезу, либо с помощью лазерной терапии и функциональными улучшениями через 6-12 месяцев лечения [1]. Регенерация с регрессией рубцовой ткани и функциональным восстановлением может быть также оптимизирована с помощью трансплантации жира. Тем не менее, уменьшение фиброзирования недостаточно для восстановления и регенерации мышечного волокна. Клинические и научные исследования способствуют восстановлению большой мышечной потери. Современный стандарт лечения VML, как правило, основан на хирургическом вмешательстве с аутологичным мышечным трансплантатом и физиотерапией. Другими способами, которые применяют в клинике, являются: иглоукалывание и применение скаффолдов.
Хирургическое лечение VML включает в себя в основном санацию рубцовой ткани и / или транспозицию мышц. Аутологичная пересадка мышц обычно выполняется в клинической ситуации, когда после травмы, резекции опухоли или повреждения нерва возникают большие участки мышечной потери, что значительно ухудшает двигательную функцию. Хирурги трансплантируют здоровую мышцу из донорского участка, не затронутого повреждением, для восстановления утраченной или нарушенной функции. При отсутствии прилегающей мышцы из-за высокого уровня повреждений нерва или тяжелой травмы может быть применена аутологичная трансплантация мышцы в виде свободной функциональной пересадки. Часто используемыми аутологичными мышцами являются m. latissimus dorsi и m. gracilis. Было показано, что пересадка m. latissimus dorsi является безопасной и эффективной для восстановления сгибания локтевого сустава [8]. В случае синовиальной саркомы, поражающей m. gluteus medius и m. gluteus minimus, функция пораженного тазобедренного сустава может быть полностью восстановлена с помощью свободной нейроваскулярной трансплантации m. latissimus dorsi. Трансплантация m. gracilis обычно используется для восстановления локтевого сустава после травмы плечевого сплетения. Хотя данные мышечные лоскуты могут приводить к значительным терапевтическим результатам, они вызывают прогрессирующую заболеваемость донорского участка и недостаточность иннервации. Более того, до 10% этих реконструктивных операций приводят к полному отторжению трансплантата из-за таких осложнений, как инфекция и некроз.
Физические упражнения обладают способностью предотвращать снижение массы скелетных мышц. Таким образом, помимо хирургических методов, физиотерапия — это неинвазивный / минимально инвазивный способ улучшения восстановления и регенерации мышечной ткани. Данный метод получил широкое применение при восстановлении после травм и трансплантации мышечной ткани или для лечения хронической мышечной дистрофии. Физическая реабилитация направлена на укрепление сохранившихся мышц. Показано, что физиотерапия ускоряет заживление/регенерацию мышц, модулируя иммунный ответ, высвобождая факторы роста, способствуя васкуляризации и уменьшая образование рубцов. Физические упражнения и массаж, стимулирующие ангиогенез, являются потенциальными способами, ускоряющими образование новой мышечной ткани в клинически пересаженных мышечных трансплантатах или других хирургических операциях. Сообщалось, что физические тренировки могут регулировать сигнальный путь IGF-1 (Insulin-like growth factor-1) и уменьшать миостатин в мышечной ткани животных и людей, тем самым предотвращая атрофию мышцы. Физическая терапия действительно может улучшить восстановление мышц; однако этот метод не приносит весомых результатов при регенерации мышц у больных с VML. Кроме того, пациенты с тяжелыми заболеваниями или травмами часто не могут проводить последовательные упражнения, что ограничивает физическую терапию как лечение VML.
Акупунктура — это отрасль традиционной китайской медицины, которая широко используется для лечения различных заболеваний по всему миру. Было показано, что лечение электрическим иглоукалыванием подавляет экспрессию миостатина, приводя к пролиферации клеток-сателлитов и восстановлению скелетных мышц. Акупунктура + низкочастотная электрическая стимуляция (Acu-LFES — Acupuncture plus low-frequency electrical stimulation) усиливают регенерацию мышц и предотвращают потерю мышечной массы путем регулярных тренировок через стимуляцию сокращений. Такой метод лечения подходит для пациентов с тяжелыми заболеваниями, которые не могут часто выполнять упражнения. Было показано, что Acu-LFES противодействует атрофии скелетных мышц, вызванной диабетом, путем увеличения IGF-1 и тем самым стимулирует регенерацию мышц. Применение Acu-LFES для лечения диабетической миопатии и мышечной потери, вызванной хроническим заболеванием почек, показало хорошее функциональное восстановление мышц [9]. Основной механизм включает активацию макрофагов М2 и изменение уровней экспрессии мРНК E3 убиквитин-лигазы-атрогин-1. Подобно физическим упражнениям, иглоукалывание способствует восстановлению функции мышц и стимулирует их регенерацию, особенно у пациентов с атрофией мышц после хронических заболеваний. Тем не менее, не наблюдается значительного успеха при регенерации объемных мышечных дефектов после травмы или резекции опухоли. Кроме того, необходимо много времени, чтобы определить оптимальную продолжительность и интенсивность Acu-LFES в качестве стандартного лечения атрофии мышц.
Биологические скаффолды, состоящие из белков внеклеточного матрикса (ECM — the extracellular matrix), широко используются в регенеративной медицине и в хирургических процедурах для восстановления и регенерации тканей. Скаффолды могут способствовать восстановлению VML, обеспечивая структурную и биохимическую основу. Несколько тканевых скаффолдов были протестированы на животных моделях при незначительных потерях мышечной массы, впоследствии дали хороший результат и были апробированы в клинике. Ксеногенный внеклеточный матрикс и аутологичная ткань были использованы для восстановления функций мышц и одновременного формирования биологической ниши для регенерации. Многослойный каркас из белков межклеточного матрикса, полученный из подслизистой оболочки свиньи, был применен для восстановления у пациентов m. vastus medialis. Через 4 месяца после операции наблюдался заметный прирост показателей функциональной активности, а на месте имплантации была обнаружена новая мышечная ткань. Подслизистая оболочка тонкого кишечника свиньи также использовалась для лечения дефектов брюшной стенки [6]. Кроме того, белки межклеточного матрикса свиньи из мочевого пузыря были имплантированы в попытке лечения VML у человека. Функциональное улучшение с формированием мышечной ткани наблюдалось у трех из пяти пациентов в данном исследовании. Однако ксеногенные скаффолды все еще могут вызывать неблагоприятный иммунный ответ после децеллюляризации, и могут повысить риск передачи инфекционных заболеваний. Поэтому существует клиническая необходимость в разработке новых методов, которые смогут более эффективно восстановить поврежденную мышечную ткань.
Для решения оставшихся клинических проблем и изучения новых методов восстановления скелетной мышечной ткани и её регенерации были вовлечены новейшие технологии. В то время как подходы биоинженерии тканей направлены на создание сложных мышечных структур in vitro для последующей имплантации и замены отсутствующих мышц, подходы тканевой инженерии развивают тканеподобные скаффолды, которые могут быть имплантированы для восстановления нового мышечного волокна из оставшейся ткани in vivo. Оба подхода используют комбинации скаффолдов, клеток и сигнальных путей с различным фокусом. Биологические скаффолды используются в различных клинических исследованиях в области тканевой инженерии и в течение последнего десятилетия часто изучались в доклинических моделях повреждения скелетных мышц. Они в основном изготовлены из натуральных, синтетических полимеров или белков межклеточного матрикса и направлены на создание ниши микроокружения для контроля свойств резидентных клеток. Природные полимеры, такие как альгинат, коллаген и фибрин, широко используются в инженерии скелетных мышц [2]. Они обладают собственными биоактивными сигнальными путями, которые улучшают свойства клеток. Было обнаружено, что альгинатные гели с жесткостью 13-45 кПа максимизируют пролиферацию и дифференцировку миобластов. Коллаген также может транспортировать необходимые факторы роста для увеличения миграции мышечных клеток к месту повреждения. Сообщалось, что фибрин способствует выживанию миобластов и их дифференцировке в мышечные волокна при интегрировании в ткани. Поскольку природный полимер обладает ограниченной механической жесткостью и может быть легко разрушен, для регенерации скелетных мышц используются различные синтетические материалы, такие как PGA (polyglycolic acid), PLA (polylactic acid) и PLGA (polylactic-co-glycolic acid). Синтетические полимеры можно легко направить на высвобождения факторов роста, индуцирующих регенерацию мышц. Основные недостатки включают, как правило, более низкую клеточную аффинность по сравнению с природными полимерами и риск развития реакции иммунного ответа на полимер или продуктов его распада. Скаффолды, полученные из белков внеклетоного матрикса, могут временно заполнить дефект и восстановить морфологию поврежденного участка. После имплантации этот участок заполняется мезенхимальными стволовыми клетками (МСК) костного мозга. В результате “новый” матрикс обогащается кровеносными сосудами и восстанавливает мышечные волокна лучше, чем “обычный” внеклеточный матрикс. Действительно, показано, что гидрогели, полученные из децеллюляризованного матрикса скелетных мышц, усиливают пролиферацию скелетных миобластов при введении в ишемизированную конечность крысы. Альтернативным методом может быть использование измельченной ткани скелетных мышц, которая не была децеллюляризована, что, как сообщается, показывает лучшую регенерацию мышц, чем девитализированные скаффолды. Новообразованные мышечные клетки показали лучшую адгезию к 3D пористым скаффолдам на основе полиуретана с низкой жесткостью и большими значениями шероховатости [5]. Регенерация мышечных волокон осуществляется клетками, среди которых выделяют следующие типы, используемых для лечения VML: миобласты, сателлитные клетки (СК), мезоангиобласты, перициты и мезенхимальные стволовые клетки (МСК). Наиболее хорошо изученной мышечной стволовой клеткой является сателлитная клетка (СК). СК отводится важная роль в формировании новых мышечных волокон. СК, пересаженные в мышь с мышечной дистрофией, дали высокоэффективную регенерацию поврежденного участка мышцы и улучшили её сократительную функцию. К сожалению, экспансия СК in vitro приводит к значительному снижению их способности продуцировать миофибриллы in vivo и, следовательно, получение достаточно большого количества свежих СК для клинического применения нецелесообразно. Миобласты использовались для восстановления дефектов мышечной ткани с помощью различных скаффолдов. Показано, что они функционально интегрируются в существующую мышечную ткань хозяина. Введение большего количества миобластов в мышцы показало перспективные результаты для лечения мышечной дистрофии. МСК могут быть вовлечены в формирование мышечных трубочек через слияние гетеротипических клеток после активации миогена. Мезоангиобласты и перициты так же применялись для лечения мышечной дистрофии, что привело к увеличению силы мышцы. Они также использовались в тканевых гидрогелевых носителях, причем некоторые достигли успешных результатов в развитии мышечной регенерации. Лечение с применением стволовых клеток обеспечивает заметные терапевтические преимущества при реверсивной мышечной атрофии и способствуют регенерации мышц. Терапия стволовыми клетками (например, трансплантация стволовых клеток пуповинной крови) показала положительные результаты при лечении мышечной дистрофии Дюшена. Помимо сигнальных путей от белков межклеточного матрикса, разнообразные стимулирующие и ингибирующие факторы роста, такие как IGF-1 и TGF-β1 ( transforming growth factor beta 1), могут стимулировать эндогенную регенерацию скелетных мышц путем активации и/или рекрутирования стволовых клеток хозяина. Показано, что длительное воздействие факторов VEGF (vascular endothelial growth factor), IGF-1 или SDF-1a (stromal cell-derived factor-1) усиливает миогенез и способствует ангиогенезу и формированию мышц [7]. Быстрое высвобождение фактора роста гепатоцитов (HGF — hepatocyte growth factor), нагруженного фибриновыми микронитями, способствовало ремоделированию функциональной мышечной ткани и усилению регенерации скелетных мышц в моделях мышей. Хирургическое лечение гидрогелями h-ADSCs (human adipose-derived stem cells) и bFGF (basic fibroblast growth factor) приводило к функциональному восстановлению, реваскуляризации и реиннервации в разорванных мышцах с минимальным фиброзом. Кроме того, пептид PEDF (pigment epithelium-derived factor), как сообщается, способствует регенерации скелетных мышц. Скаффолды, полученные как из аллотрансплантатов, так и из ксенотрансплантатов, часто отвергаются из-за иммунных реакций хозяина, возникающих из-за присутствующих в донорской ткани антигенов. Они обычно обрабатываются при помощи децеллюляризации и/или химического сшивания для удаления или покрытия антигенных молекул. Специфические методы децеллюляризации, похоже, облегчают некоторые из этих проблем для белков внеклеточного матрикса. Однако остаточная ДНК в биологических матрицах после децеллюляризации все еще может индуцировать воспалительные реакции после имплантации.
Заключение. Повреждение скелетной мышечной ткани или атрофия мышц встречается довольно часто. Хирургические методы достигли значительных результатов и могут гарантировать хорошие результаты для восстановления мышечных функций. Однако, при хирургическом вмешательстве всегда остается риск, обусловленный как человеческим фактором, так особенностями операции. Исследования в области тканевой инженерии и регенеративной клеточной терапии могут решить данную проблему. Тканевая инженерия использует биологические скаффолды, которые направляют развитие мышечной ткани при участии факторов роста. Эти клетки способствуют пролиферации миогенных клеток в поврежденных или атрофических мышцах, что отражается на их дальнейшей регенерации. Подобные творческие подходы опираются на глубокое понимание процесса, необходимого для функционального восстановления мышц (реакция клеток на скаффолды, васкуляризация, миогенез и иннервация), однако все равно нуждаются в дальнейших исследованиях.
Источник
