Лечащий Врач #08, 2009


Тканевая инженерия в хирургии мочеиспускательного канала

Б. Р. Гвасалия, П. А. Щеплев, Н. Н. Гарин

В хирургии уретры проблема недостатка тканей для операции стоит очень остро. В большей части случаев собственно уретральной ткани бывает недостаточно, и тогда возникает вопрос о поиске материалов, которые могли бы заменить недостающую часть уретры.

Идеальный материал для замещения уретры должен:

  • обладать хорошей гистосовместимостью;
  • не вызывать фиброз подлежащих тканей;
  • сохранять эластичность в процессе замещения дефекта.

Бесспорно, наилучшим материалом для замещения пораженной уретры является собственная ткань уретры, а наиболее перспективным методом ее получения является тканевая инженерия.

Тканевая инженерия

Тканевая инженерия как дисциплина является сравнительно молодой наукой. Она начала свою историю в первой половине XX века. Фундаментом для ее основания послужили теоретические и практические разработки по созданию in vitro органов и тканей и работы по трансплантации клеток и других биологически активных компонентов на различных носителях для восстановления повреждений в различных тканях организма [8]. Основными методами тканевой инженерии являются следующие:

  1. культивирование аутологичных клеток вне организма человека с последующим введением их в организм (то есть аутотрансплантация);
  2. стимуляция в организме развития клеток при помощи имплантации специальных матриц;
  3. комбинация двух принципов, которая дает наиболее значимые результаты.

Тканевая инженерия является междисциплинарной наукой. Способность клеток различных органов и тканей расти при помещении в определенные условия известна достаточно давно, однако применение таких клеток самих по себе весьма и весьма ограничено. В первую очередь это связано с тем, что контролировать локализацию клеток, внедренных в организм в виде суспензии, очень сложно [8, 13]. Поэтому прогресс в тканевой инженерии обусловлен не столько разработкой методов культивирования клеток, сколько созданием специальных носителей, на которых выращенные клетки бы имплантировались в организм.

Основные принципы данного подхода заключаются в разработке и применении при имплантации в поврежденный орган или ткань носителей из биосовместимых рассасывающихся материалов, которые используются в сочетании с донорскими клетками и/или с биоактивными веществами.

Культивирование клеток

Большая часть клеток организма человека и животных может быть выращена в условиях лаборатории (в том числе и эндотелиальные клетки уретры). В процессе культивирования, уже через несколько делений, клетки начинают утрачивать свои морфологические свойства, происходит их дедифференцировка. Однако этот процесс подвергается обратному развитию при помещении клеток на какой-либо биоматериал [6].

Биоматериалы для тканевой инженерии

Биоматериалы должны обеспечивать регуляцию клеточной пролиферации для построения новой ткани. Матрица (scaffold, acellular matrix graft) — вещество, обеспечивающее регенерацию ткани. В идеале матрица должна быть удобной в использовании, рассасывающейся, иметь низкую антигенность, не вызывать воспаления. При разрушении матрицы не должно выделяться никаких токсических продуктов.

Взаимоотношения клеток в организме регулируются множеством факторов, среди которых одну из ведущих ролей играют факторы роста. Биоматериалы могут содержать факторы роста и стимуляторы экспрессии генов для более успешного развития ткани [4, 6].

В генитоуринарной тканевой инженерии биоматериалы функционируют как искусственный экстрацеллюлярный матрикс, имитируя при этом функции и свойства нативного экстрацеллюлярного матрикса. Основными такими функциями являются обеспечение межклеточных связей, контроль структуры ткани и регуляция фенотипа клеток [1]. Биоматериалы регулируют плотность клеток и выработку биологически активных факторов, определяют трехмерную структуру ткани и являются проводником для развития новой ткани [8, 10].

Все многообразие биоматериалов может быть классифицировано на три большие группы:

  1. натуральные материалы (коллаген, альгинат);
  2. ацеллюлярный клеточный матрикс (подслизистая мочевого пузыря и тонкой кишки);
  3. синтетические полимеры (полигликолевая кислота — PGA, полилактокислота — PLA, полилактокогликолевая кислота — PLGA и др.).

Основными преимуществами веществ первых двух групп является их естественная природа и более легкая интеграция в организм. Однако практически невозможно контролировать микроструктуру таких материалов, в отличие от синтетических полимеров.

Известно, что поддерживающий эффект любого материала обеспечивается, как правило, его структурными особенностями. Для естественных биоматериалов этот показатель обычно связан с архитектоникой нативной ткани, из которой он получен. Наиболее известным из современных естественных биоматериалов является коллаген. К основным достоинствам коллагена как пластического биоматериала следует отнести его низкую токсичность и антигенность, высокую механическую прочность [10].

Альгинат, полисахарид, выделенный их морских водорослей, использовался как вещество, определяющее структуру тканей, и как средство для фиксации клеток, благодаря своим гелеобразным свойствам и присутствию ионов кальция [8, 9, 13]. Практическое применение альгинат нашел для лечения открытых ран. Однако альгинат не является удобным материалом с широкой областью применения, так как его свойства строго коррелируют с длиной цепей, которую в свою очередь практически невозможно проконтролировать [8].

Ацеллюлярный клеточный матрикс готовится путем удаления клеток из тканей, достаточно часто из участка стенки мочевого пузыря [2, 12, 13]. По своим биомеханическим свойствам ацеллюлярный клеточный матрикс мало отличается от собственно стенки мочевого пузыря и поэтому подходит для использования при закрытии дефектов уретры и мочевого пузыря [2, 12].

Синтетические полимеры широко используются в хирургии вообще и в урологии в частности. Многие вещества одобрены Food and Drug Administration (FDA) как источник для выработки синтетических рассасывающихся швов [7]. В связи с термопластичностью материала ему может быть придана любая форма. Это особенно важно в генитоуринарной реконструкции, где остро стоит проблема производства матриц с заданным диаметром пор.

Опыт тканевой инженерии в лечении заболеваний уретры

В 1983 году PGA-трубочки были использованы для реконструкции уретры собак. Для этого 3–4-сантиметровый участок мочеиспускательного канала удалялся и замещался матрицей. Через две недели собаки могли мочиться через неоуретру, а через два месяца было зафиксировано полное восстановление уротелия. Еще через месяц полимер полностью рассосался. Осложнений отмечено не было. Однако полного восстановления спонгиозного тела не произошло.

В 1992 году PGA была также использована для помещения на нее клеток уротелия. Уротелий был выделен и помещен на матрицу в форме трубочки. Через 30 дней был сформирован уротелий в виде трубочки, а полимер начал рассасываться. В клетках был обнаружен уротелий-ассоцированный цитокератин.

Olsen с сотрудниками в 1992 году использовали для восстановления уретры собак PGA-полимер, покрытый полигидроксибутировой кислотой [11]. Через год после операций полимер полностью деградировал, а на месте имплантации была сформирована уретра. Стриктур в области анастомоза отмечено не было.

В 1993 году Atala A. было установлено, что на примере белых новозеландских кроликов синтетические рассасывающиеся полимеры способны обеспечивать восстановление уретры [1].

В 1995 году на белых новозеландских кроликах Cilento B. G. c коллегами провели восстановление уретральной ткани с удовлетворительными результатами [3]. В течение нескольких месяцев произошло восстановление нормального уротелия с удовлетворительной васкуляризацией. Развития стриктур за период проведения исследования отмечено не было.

В 1999 году Chen F. с коллегами предложили в качестве биоматериала для восстановления уретры использовать ацеллюлярный коллагеновый матрикс [2]. Нормальное развитие уротелия было зафиксировано у всех животных без осложнений и стриктур.

В 1999 году Atala A. впервые клинически использовал ацеллюлярный коллагеновый матрикс при лечении пациентов с гипоспадией [1]. Матрикс служил субстратом, который в скором времени прорастал собственными клетками. В целом эксперимент оказался успешным.

В 2002 году De Filippo R. E., Yoo J. J., Atala A. использовали тубуляризированный коллагеновый матрикс в эксперименте по замещению уретры у 24 кроликов мужского пола [5]. В 50% случаях на матрикс были помещены клетки уротелия, предварительно культивированные in vitro. В остальных 50% случаев матрикс использовался без клеток. Контроль с применением уретрографии проводился на 1-й, 2-й, 3-й, 6-й месяцы. Результаты были вполне удовлетворительными: не было отмечено образования стриктур, функциональные результаты также были удовлетворительными.

Перспективы и спорные вопросы

Тканевая инженерия — перспективный метод лечения многих заболеваний, в том числе и урологических. Однако внедрение его должно проводиться строго в рамках законодательства. Несмотря на обнадеживающие первые результаты, многие вопросы остаются без ответа. Долгосрочного наблюдения за пациентами, хорошо организованных проспективных исследований не проводилось. Это означает, что мы пока не знаем, что происходит с новообразованной тканью через большой промежуток времени, не развивается ли там фиброз, не повышается ли вероятность развития злокачественных новообразований.

Мы не имеем информации о последствиях клеточного стресса, который имеет место во время культивирования клеток, об изменении их антигенных свойств, устойчивости при воздействии инфекционных агентов. Безусловно, исследования в области тканевой инженерии должны продолжаться, чтобы в скором времени революционизировать методы лечения множества заболеваний. ЃЎ

Литература

  1. Atala A., Freeman M. R., Vacanti J. P., Shepard J., Retik A. B. Implantation in vivo and retrieval of arti®cial structures consisting of rabbit and human urothelium and human bladder muscle // J Urol.1993. 150: 608–612.
  2. Chen F., Yoo J. J., Atala A. Acellular collagen matrix as a possible ``o. the shelf’’ biomaterial for urethral repair // Urology. 1999. 54: 407–410.
  3. Cilento B. G., Freeman M. R., Schneck F. X., Retik A. B., Atala A. Phenotypic and cytogenetic characterization of human bladder urothelia expanded in vitro // J Urol. 1994 Aug; 152 (2 Pt 2): 665–670.
  4.  Dahms S. E., Piechota H. J., Nunes L., Dahiya R., Lue T. F., Tanagho E. A. Free ureteral replacement in rats: regeneration of ureteral wall components in the acellular matrix graft // Urology. 1997. 50: 818–825.
  5. De Filippo R. E., Yoo J. J., Atala A. Urethral replacement using cell seeded tubularized collagen matrices // J Urol. 2002, Oct; 168 (4 Pt 2): 1789–1792; discussion 1792–1793.
  6. Deuel T. F. Growth factors. In: Lanza R. P., Langer R., Chick W. L. (eds) Principles of tissue engineering. Academic Press, New York, 1997, pp. 133–149.
  7. Gilding D. K. Biodegradable polymers. In: Williams DF (ed) Biocompatibility of clinical implant materials. CRC, Boca Raton, Florida, 1981, pp. 209–232.
  8. Kim B. S., Baez C. E., Atala A. Biomaterials for tissue engineering // W J Urol. 2000. 18: 2–9.
  9. Kim B. S., Mooney D. J. Development of biocompatible synthetic extracellular matrices for tissue engineering // Trends Biotechnol. 1998. 16: 224–230.
  10. Langer R., Vacanti J. P. Tissue engineering //Science. 1993, May 14; 260 (5110): 920–926. Review.
  11. Olsen L., Bowald S., Busch C., Carlsten J., Eriksson I. Urethral reconstruction with a new synthetic absorbable device // Scand J Urol Nephrol. 1992. 26: 323–326.
  12. Scott R., Mohammed R., Gorham S. D., French D. A., Monsour M. J., Shivas A., Hyland T. The evolution of a biodegradable membrane for use in urological surgery//Br J Urol. 1988. 62: 26–31.
  13. Sittinger M., Bujia J., Rotter N., Reitzel D., Minuth W. W., Burmester G. R. Tissue engineering and autologous transplant formation: practical approaches with resorbable biomaterials and new cell culture techniques // Biomaterials. 1996, Feb; 17 (3): 237–242. Review.

Б. Р. Гвасалия, кандидат медицинских наук
П. А. Щеплев, доктор медицинских наук, профессор
Н. Н. Гарин, кандидат медицинских наук
ФГУ НИИ физико-химической медицины, Москва