Biomesterséges, beültethető szervek előállítása őssejtek felhasználásával

Mr. Andemariam Beyene a kórház ablakánál ült és arcát a kellemes északi napfény felé fordítva arról az időszakról mesélt, amikor még úgy gondolta, hogy meg fog halni. Két és fél évvel ezelőtt Izlandon, ahol Mr. Beyene mérnöki tanulmányokat folytatott egy műszaki egyetemen, az orvosok golflabda nagyságú rosszindulatú daganatot fedeztek fel a légcsövében.


A műtéti beavatkozás és a radioterápia ellenére a tumor tovább növekedett. 2011 tavaszán, amikor Mr. Beyene Svédországba utazott a Karolinska Intézetbe (Orvostudományi Egyetemi Kórház, Huddinge), Dr. Paolo Macchiarini regeneratív sebész professzor megállapította, hogy a késői stádiumú légcsőrákja kezelhetetlen, de mégis volt egy radikális ötlete: elhatározta, hogy szintetikus műanyagból és a beteg saját sejtjeiből új légcsövet készít.

A humán légcső (latinul: trachea) kb. 10-14 cm hosszú üreges szerv, amelynek átmérője nemtől függően 2-2,5 cm között változik, a férfi légcső mindig nagyobb átmérőjű. A légcső közvetlenül a gégefő alatt kezdődik, onnan fut le a szegycsont mögé az ötödik hátcsigolya felső határáig, ahol két kisebb, hörgőnek nevezett csővé válik ketté. Ezek a hörgők a jobb- és baloldali tüdő félbe vezetnek. A légcső kb. 20 db kemény hialin porcgyűrűből áll. Minden egyes ilyen gyűrű hátsó része izomrostokból és kötőszövetből épül fel.

A légcső belső felszínét nyálkahártya béleli, amelynek hámborítása többmagsoros csillószőrös hengerhám. A hám alatti rétegben elszórva kisebb mirigyek találhatók. Ezek a mirigyek olyan nyálkát (mucus) termelnek, amely a csillószőrös hámot befedi. A csillószőrök összehangolt, hullámzó mozgása a nyákréteget, mint egy futószőnyeget, a garat felé mozgatja. A belélegzett porszemcsék nagy része beletapad a nyálkába és a garat felé kiürül; ez a folyamat a légutak önvédelmi mechanizmusának fontos részét képezi. Mivel nem minden apró szemcsét sikerül a csillószőröknek eltávolítani, ilyenkor a köhögés segít a nyálkával a légcsövet kitisztítani.

A légcső összes elsődleges (primer) daganatának a 80 %-a rosszindulatú, rákos tumor. Leggyakrabban adenoid cisztikus és laphám karcinóma, ezek adják az összes légcső tumor 2/3-át.

Az ilyen típusú „biomesterséges” légcső beültetése a regeneratív medicina területén a maga nemében az elsőnek számított, amely évtizedekre ígéretes jövőt jósolt a laboratóriumokban előre elkészített humán szervek – pl. a máj, a vese, sőt a szív vonatkozásában is – beültetése terén.

A jövő mégis nagyrészt science-fiction fantázia maradt. Napjainkban azonban az olyan kutató tudósok, mint amilyen Dr. Macchiarini professzor is, eltérő módszerek segítségével építenek szerveket, az emberi test saját sejtjeit használják fel és hagyják, hogy a munka nagy részét a szervezet maga végezze el.

„Az emberi test olyan gyönyörű alkotás, hogy meg vagyok győződve arról, csak a legmegfelelőbb módon szabad felhasználnunk.” – mondja el véleményét a professzor, aki a profiljában vezető laboratóriumot működtet, amelyben az ún. szövettechnika (a humán sejtek, a technika és az anyagtudomány módszerei kombinációjának, valamint a megfelelő biokémiai és fizikokémiai faktoroknak a használata azzal a céllal, hogy a biológiai funkciókat javítsák vagy helyettesítsék).

Mindeddig csak kevés szervet készítettek és transzplantáltak és ezek is relatíve egyszerűek és üreges szervek voltak – mint pl. a húgyhólyagok és a Macchiarini professzor által készített légcső. A világban a tudósok mindenütt hasonló technikákat alkalmaznak azzal a céllal, hogy jóval komplexebb szerveket készítsenek. Az USA-ban, Észak-Karolina Állam Wake Forest Egyetemén, ahol a mesterséges húgyhólyagot kifejlesztették, a kutatók jelenleg a vese, a máj és egyéb biomesterséges szervek kifejlesztésével foglalkoznak. A kínai és a holland laboratóriumok között nagyon sok van, ahol a vérerek kifejlesztésén dolgoznak.

Ez az új, a biomesterséges szervek építésével foglalkozó munka messze különbözik azoktól az erőfeszítésektől, amelyek évtizedekkel korábban a mesterséges szívek gyártására irányultak. Azok az eszközök, amelyeket néhány olyan beteg még ma is használ átmenetileg, akik szervátültetésre várakoznak, rendkívül szofisztikált (kifinomult) gépezetek, de csak gépezetek.

A szövettechnika valami olyasminek az előállításán fáradozik, amely sokkal emberibb. Az ilyen laboratóriumokban olyan biomesterséges szerveket akarnak előállítani, amelyek a humán sejtekkel, vérerekkel és idegekkel a test élő, funkcionáló részévé képesek válni. Egyes tudósok azonban, mint Macchiarini professzor is, még ennél is tovább akarnak jutni – munkára akarják fogni a test saját korrigáló mechanizmusait annak érdekében, hogy önmaga újra előállítsa a sérült szervet.

A kutatók kihasználják az őssejtekkel és az alapsejtekkel kapcsolatos ismeretek tudásának az előnyeit, mely sejtek olyan sejttípusokká transzformálhatók, amelyek az egyes meghatározott szövetek számára, mint pl. a tüdő- és a máj, igen specifikus sejteket jelentenek. Ezek a tudósok most tanulnak többet arról, amit ők rácshálónak (extracelluláris mátrix) neveznek, egy olyan összetevőnek, amely úgy hat, mint a habarcs, amely a sejteket a megfelelő helyükön tartja, és amely szintén fontos szerepet játszik abban, hogy a sejtek hogyan verbuválódnak össze a szövetkorrekcióhoz.

A szövettechnika mérnökök arra figyelmeztetnek, hogy az a munka, amit ők végeznek, egyelőre még csak kísérleti stádiumban van és ráadásul költséges is, továbbá a komplex szervek létrehozása előtt még mindig hosszú út áll. Ennek ellenére egyre optimistábbak a lehetőségekkel kapcsolatosan. „Az elmúlt 27 év során meggyőződhettem arról, hogy ez igenis megcsinálható.” – mondja Dr. Joseph P. Vacanti, a Massachusettsi Általános Kórház Szövettechnika és Szervelőállítás Laboratóriumának az igazgatója és a szakterület pionírja.

Mr. Beyene esetében a légcsövének egy pontos másolata készült el porózus, rostos műanyagból (nanokompozit anyag), amelybe később a kilökődés kockázatának az elkerülése érdekében olyan őssejteket ültettek be, amelyeket a beteg saját csontvelőjéből nyertek ki. Miután az így elkészült légcső másfélnapot eltöltött egy ún. bioreaktorban – amely nem más, mint egyfajta inkubátor, amelyben a légcsövet grillező stílusban tápanyagoldatban megforgatták -, implantátumként varrták be Mr. Beyene szervezetébe, ezzel cserélve le a rákos légcsövét. Maga az eljárás olyan vad elképzelésnek tűnt Mr. Beyene számára, hogy amikor Macchiarini professzor először vetette fel az ötletet, kizárólag csak kétségei merültek fel.

„Azt mondtam a professzornak, hogy inkább élek még három évet és aztán meghalok. Majdnem visszautasítottam az ajánlatát, ugyanis ezt a procedúrát korábban kizárólag csak disznókon próbálták ki az orvosok. A professzor úr azonban egy nagyon tudományos magyarázat révén meggyőzött engem a módszer kipróbálásának az elfogadásáról.” – mondja Mr. Beyene.

Most, 15 hónappal az operációt követően, a 39 éves Mr. Beyene, aki egyébként Eritrea Állam (Kelet-Afrika) területéről származik, tumor mentes és normálisan lélegzik. Feleségével és két kisgyermekével – akik közül a kisebbik még csak egy éves és az apa azt gondolta korábban, hogy sosem fogja megismerni - együtt visszatért Izlandra. Idén egy utókövető vizsgálat céljából tett már látogatást Stockholmban a Karolinska Intézetben. A beteg ereje napról-napra növekedett, olyannyira, hogy már egy keveset futni is tud.

Ahhoz, hogy biomesterséges szervet állítsanak elő a tudósok, segítségükre van annak ismerete, hogy a természet hogyan teszi ezt. Ez az, amiért Dr. Philipp Jungebluth, Dr. Macchiarini professzor laboratóriumának az egyik kutatóorvosa egy munkapadon állványzatba behelyezett üvegedényekbe patkányból származó friss szívet és tüdőpárt lógatott be, mely szerveket műanyag csövekkel egy másik üvegedénnyel kötötte össze, amelyben detergens-szerű (sebtisztítószer-szerű) folyadék volt. A szervek lassan elhalványultak, ahogyan a detergens folyadék átcsepegett rajtuk, majd az üvegedényben összegyűlt, eltávolítva a szervekből az élő sejteket. Három nap múlva a sejtek eltűntek és visszamaradt egy fénylő sejtmassza, amely a szervek alapformáját mégis megőrizte.

Ezek voltak a szív és a két tüdő fél természetes rácshálói vagy más néven extracelluláris mátrixai – a rostos proteinek és más összetevők háromdimenziós gyűrűinek a bonyolult szerkezete, amely a sejtek különböző formáit a megfelelő pozíciókban őrizte meg és segítette a kommunikációjukat is.

Világszerte laboratóriumok sokaságában kísérleteznek ezzel a rácshálóval, azaz az extracelluláris mátrix-szal. Egyes esetekben a cél az, hogy magukat a természetes rácshálókat használják az új szervek építéséhez – vegyünk például egy donor tüdőt, vágjuk csíkokra az összes sejtjét és ültessük beléjük a beteg saját sejtjeit. Miért ne használnák a tudósok azt, amit a természet már tökéletesített, a tudományos gondolkodás miért ne képviselné ezt a vonalat, ahelyett, hogy megpróbálná szintetikus rácshálók formájában másolni a szerveket?

Macchiarini professzor és kutatói teamje ezt a módszert 2008. elején kezdte el alkalmazni és kb. egy tucatnyi betegbe sikeresen implantált olyan légcsöveket, amelyek boncolás előtt álló holttestekből származtak, és amelyekbe az implantáció elvégzése előtt a betegek sejtjeit ültették be. Ezeknek a betegeknek a többsége jelenleg is normális életet él.

Mivel a donor (szervadományozó) saját sejtjeit eltávolítják, ez a módszer megszünteti a transzplantáció legnagyobb problémáját: azt a kockázatot, hogy az idegen szövetet a recipiens (befogadó) szervezete kilöki. Néhány egyéb problémát azonban nem old meg, pl. az adományozott légcső nem megfelelő méretű; amíg a recipiens várakozik, addig a donor légcső sejtjeit csíkokra kell vágni és beültetni a beteg sejtjeit és végül, a procedúra még mindig igényli a donor szerveket, amelyeknek a kínálata elégtelen.

Annak ellenére, hogy Mr. Beyene esetében a döntés az volt, hogy rácshálót műanyagból készítenek, a természetes humán légcsövekkel való kísérletezés nagyon hasznosnak bizonyult.

Mr. Beyene szintetikus rácshálóját mintasablonként a Londoni Egyetemi Kollégium tudósai készítették el, a beteg természetes légcsövének képalkotó eszközzel történő elemzése segítségével. A mesterséges légcső a polimer technika remekbe készült darabja lett, amely személyre szabva illeszkedett a beteg mellkasába.

Az elkészült példány azonban még mindig csak egy porózus műanyag élettelen darab volt. Ahhoz, hogy működő szervvé váljon, a műanyag apró tereit olyan sejtekkel kellett kitölteni, amelyek végül is együttesen, mint szövet képesek funkcionálni. Erre azonban nem minden sejt alkalmas. Dr. Macchiarini és teamje rögtön a beteg csontvelőjéből származó őssejtekkel próbálkozott, ezzel kerülve el a szerv kilökődésének a veszélyét.

A humán őssejtek az emberi test rendszerének a részét képezik, azzal a feladattal, hogy a test a segítségükkel képes legyen önmagát felépíteni és korrigálni. Az őssejtek „tiszta lapként” kezdik, de képesek az olyan szövetek vagy szervek speciális sejtjeivé válni, mint amilyen a légcső is. Az utóbbi években a tudósok igen nagymértékű haladást értek el annak a megértésében, hogy az őssejtek ily módon hogyan képesek differenciálódni.

A stockholmi orvosi team azt remélte, hogy az őssejt-stimuláló gyógyszerek segítségével a műanyag légcsőbe ültetett csontvelő-őssejtek a mesterséges szerv belsejében és külső részében is elkezdik a megfelelő típusú sejtekké történő átalakulást.

Dr. Macchiarini professzor úgy véli, a folyamat nem olyan jól sikerült, ahogyan tervezték. „Meg vagyok győződve arról, hogy a bioreaktorba helyezett sejtek két vagy három nap múltán eltűnnek. Miközben elhalnak, olyan vegyi anyagokat szabadítanak fel, amelyek jelzéseket adnak a testnek, hogy a csontvelőből a véráramon keresztül még több őssejtet küldjön az adott szervhez, ezzel segítve elő annak az életre keltési folyamatát. A professzor úgy véli, pontosan ez történt: „Még messze vagyunk attól, hogy ezt a folyamatot tökéletesen megértsük, túlságosan is messze.”

„Ha nem tudsz köhögni, halott vagy.” – Ez egyben összegzi a légcső fontos funkcióinak az egyikét: távol kell, hogy tartsa a baktériumokat és a belélegzett levegőben lévő egyéb részecskéket a tüdőtől, ahol azok potenciálisan káros fertőzéseket idézhetnek elő. Egy normális légcső belsejét nyálkahártya fedi, melynek borítása a csillószőrös hengerhám. A hám alatti rétegben elszórtan elhelyezkedő nyálmirigyek termelik a nyálkát, amely csapdába ejti a beszívott levegőben lévő baktériumokat és részecskéket. Ha a csillószőrök mozgása nem juttat ki minden baktériumot és porszem részecskét a garatba, akkor csak a köhögés segít.

 

Ennek megfelelően a szövettechnika révén előállított plasztik légcső egyik tesztje azt vizsgálja, tartalmazza-e ezeket a specializált sejteket, vagyis ellenőrizni kell, hogy a beültetett őssejtek sikeresen differenciálódtak ezekké a sejtekké. Mr. Beyene esetében ugyanis Macchiarini professzor számított arra, hogy az őssejtek ezekké az eltérő típusú sejtekké differenciálódnak és létrehozzák a légcső csillószőrös, hengerhámmal borított nyálkahártya rétegét.

2011 novemberében, a műtétet követő 5 hónappal később Mr. Beyene légcsövét részben már fedték ezek a specializált sejtek. A későbbi orvosi vizit során Dr. Macchiarini észrevette, hogy a légcső fedőrétege még mindig fejlődésben van és fertőzésnek nincs jele: „A beteg képes a köhögésre is.” – mondta a professzor.

Ha a sejtek életben maradnak, az azt jelenti, hogy a légcső apró vérerek komplex hálózatát fejleszti ki ugyanazon a regeneratív folyamaton keresztül, amelyek ezeket a specializált sejteket termelték. Minden szövetnek szüksége van vérérhálózatra, így minden sejt hozzájut az oxigénhez és a tápanyagokhoz. Egy ilyen vérérhálózat kifejlesztése – vagy annak biztosítása, hogy kifejlődjön – hatalmas kihívást jelent a szövettechnika mérnökei számára.

„Kezdettől fogva az volt a nézetünk, hogy a fő akadálya ennek a folyamatnak maga a vérellátás lesz.” – mondja Dr. Vacanti, akinek a laboratóriuma már hosszabb ideje dolgozik a szövettechnika felhasználásával máj és több más szerv kifejlesztésén.

Mr. Beyene orvosai egyféle módon tudtak csak megbizonyosodni arról, hogy a légcső valóban kifejlesztett-e vérérhálózatot. Az utókövető vizsgálat részeként célzottan enyhén megsértették a légcső belső hámrétegét. „Ha vérzik, akkor él.” – magyarázza Macchiarini professzor. Mr. Beyene légcsöve pedig vérzett!

Mr. Beyene reméli, hogy egy nap majd a családjával együtt visszatér Eritreába, ahol geotermikus szakmérnökként fog dolgozni. Jelenleg azonban még Izlandon tartózkodik, hogy közel legyen Stockholmhoz, ahova a rendszeres orvosi felülvizsgálatokra kell utaznia.

A biomesterséges légcsöve kizárólag az ő saját sejtjeit tartalmazza, ezért nincs szükség arra, hogy az immunrendszerét szuppresszáló gyógyszereket szedjen, ami a kilökődést gátolná meg. A szintetikus rácsháló, mint bármely más idegen anyag, hegszövetképződést idézett elő a szervezetében, amelyet időközben sebészi úton el kellett távolítani.

A hegszövetképződés így már nem okoz további problémát, de Mr. Beyene mégsem tudja, hogy mikor – ha egyáltalán – lesz képes visszatérni a hazájába. „Senki sem tudja, hogy ez mikor lesz lehetséges, mivel ő az első ilyen betegünk.” – mondja a professzor.

Tavaly novemberben, öt hónappal Mr. Beyene műtétjét követően Dr. Macchiarini professzor egy másik légcsőrákos beteg, Christopher Lyles szervezetébe is beültetett biomesterséges légcsövet. Annak ellenére, hogy egy tökéletesített műanyag rácshálót használt, amely a sejtek beágyazódásához jóval alkalmasabb kisebb rostokból épült fel, Mr. Lyles 2012 márciusában elhunyt. A család ugyan nem közölte a halál okát, de a professzor elmondása szerint az implantátum jól funkcionált.

A balszerencse ellenére Dr. Macchiarini idén júniusban Oroszországban végzett hasonló beavatkozást két betegen. Mindkét beteget hazaengedték a műtét után és jelenleg is jól vannak.

Dr. Macchiarini még több hasonló operáció elvégzését tervezi, ahhoz azonban egy kevésbé komplex és fáradtságos megoldás szükséges azokon a procedúrákon kívül, amelyek akár félmillió dollárba (közel 100 millió forint) is kerülhetnek. A professzor végső álma az, hogy ne kelljen szintetikus rácshálót használnia, helyette gyógyszereket alkalmazna, amelyek képessé tennék a beteg szervezetét arra, hogy a saját rácshálóját újjáépítse.

„Ne érintsd meg a beteget, csak használd a testét arra, hogy a saját szervét regenerálja. Ez fantasztikus lenne!” – összegzi elképzelését Macchiarini professzor.


Címkék: őssejt, szerv, test, biológia, kutatás
A hír kommentálásához jelentkezzen be!
© 2009 - 2020 diagnozis.hu - Minden jog fenntartva!