Трахеи раздора

Андрей Пантелеев: Когда, рассказав врачу о биоинженерии, слышишь от него, что есть пациент, на котором он тут же готов попробовать, понимаешь, что потратил время зря

На фото: Стенка трахеи в разрезе. Источник: Steve Gschmeissner/Science Photo Library/Getty Images

English version

В деле Паоло Маккиарини можно было бы поставить точку. Несколько его статей отозваны из престижных научных журналов, с другими это произойдет в ближайшем будущем. Уголовные дела по результатам расследований смерти его пациентов рано или поздно дойдут до суда. Осмысливая разрушительные последствия этой истории, хотелось бы прояснить два вопроса. Могли бы в принципе привести к успеху широко разрекламированные опыты? Значит ли это, что сфера биоинженерии дыхательных путей человека теперь закрыта? Об этом я поговорила с Андреем Пантелеевым, начальником лаборатории тканевой инженерии Курчатовского института в Москве.

— Андрей Александрович, давно вы занимаетесь проблемой биоинженерии трахей? 

— Биологией эпителиальных тканей я занимаюсь практически всю жизнь — лет 30, по крайней мере. Биоинженерией 10 лет. А непосредственно дыхательным эпителием – около 4 лет.

— Почему вы начали эту работу? Это как-то связано с нашумевшими историями пересадки трахей? 

— В определенной степени это стимулировало наш выбор. Несколько лет назад я присутствовал на одной из конференций, которые проводил Паоло Маккиарини в Краснодаре. К его работе в то время был очень большой интерес, его история получила известность на Западе и у него было много публикаций в ведущих научных журналах (Сейчас отозваны две статьи Маккиарини в Lancet и одна статья в Nature Communications. — А.А.). Мне стало очевидно, что проблема биоинженерии трахеи значительно сложнее биоинженерии кожи, а потому и интереснее.

— Какое у вас было впечатление от конференции? 

— На конференции делали доклады несколько ведущих западных специалистов. Сам Макиарини выступил лишь с вводной лекцией, а непосредственно о его работе рассказывали студенты в небольших сообщениях по фрагментам общего проекта. С одной стороны, когда в работе участвует столько молодежи, это всегда производит положительное впечатление. С другой стороны, это практически лишает возможности вести научную дискуссию – студенты слабо владеют материалом, да и сложно задавать вопросы восторженному молодому человеку, убеждённому, что он причастен к таинствам большой науки.

— То есть, вопросы у вас остались?

— Естественно. И, прежде всего, вопрос о долговременных последствиях использования биоинженерных эквивалентов трахеи. Пациенту с трахеальной дисфункцией можно поставить вместо трахеи пластиковую трубку, и он будет относительно нормально жить несколько недель. На это время основные проблемы будут сняты, восстановится дыхание.

— Он успеет, как Юлия Туулик, появиться перед камерами, дать интервью… 

— Да. Этих недель будет достаточно. Однако в силу плохой приживаемости искусственного трансплантата и его неспособности выполнять нормальные функции трахеи он отторгается и некротизируется. Заканчивается этот процесс чаще всего печально.

— Такие вещи не отвратили вас от биоинженерии трахеи? 

— Наоборот. Биоинженерия, в том числе трахеи, перспективное направление. В этом, скорее всего, будущее медицины. Хотя о Маккиарини много говорили именно как о примере успеха в области биоинженерии, было очевидно, что к биоинженерии его работа имеет опосредованное отношение. Оценивать профессионализм Маккиарини мне довольно трудно, мы работаем в разных областях. Он торакальный хирург (как я слышал от профессионалов — выдающийся) и, может быть, менеджер, а я всю жизнь изучал механизмы развития и функционирования эпителиальных тканей. К медицине моя работа имеет опосредованное отношение, как деятельность Маккиарини – к биологии и биоинженерии. Наверное, именно с этим связаны его ошибки. Но, в любом случае, если кто-то делает ошибки, это даёт возможность другим на этих ошибках учиться. И избежать их в дальнейшем.

— Известен метод Маккиарини. Брали в качестве каркаса трахею — синтетическую или донорскую (лишенную клеток, чтобы избежать иммунных реакций) — и наносили на нее клетки костного мозга пациента. Все это помещали в коробочку… 

— В инкубатор. Это довольно простое устройство, которое помогает культивировать изолированные ткани или искусственные тканевые эквиваленты довольно большого объёма. Инкубатор не только поддерживает определенную температуру, но и обеспечивает прокачку питательной среды через образец ткани. Это даёт возможность поддерживать жизнеспособность ткани в течение длительного времени. Без инкубатора естественная диффузия питательной среды поддерживает только поверхностный слой клеток. Внутренняя часть образца погибает.

— Маккиарини утверждал, что, когда трахею затем помещали в тело пациента, оно становилось естественным инкубатором, в котором из этих клеток формировался эпителий. Такое возможно? 

— Это возможно только для очень тонких или очень маленьких образцов ткани. Трахея, включая её подслизистый слой и хрящевую основу, довольно массивный орган. Кроме того, условия, в которых существует трахея в организме, далеко не инкубаторские. Она находится внутри тела, но при этом её просвет сообщается с окружающей средой и подвержен её мощнейшему воздействию. Через трахею постоянно идет поток воздуха — он нестерилен. Кроме того, температура вдыхаемого и выдыхаемого воздуха сильно различается. Все это сочетается со значительными перепадами давления при вдохе и выдохе и  огромными механическими нагрузками при кашле и чихании. В этих условиях эпителий, который не сформирован и не защищен слизью, высохнет, будет инфицирован или просто оторвётся от поверхности трахеи. Обычно происходит всё вместе. В этих условиях максимум, что могут сделать клетки, посаженные по методу Маккиарини, — начать делиться и как-то «кондиционировать» поверхность трахеи некими факторами, которые они успеют синтезировать прежде, чем погибнут. Но это малоэффективно. В теле пациента на поверхности трахеи нет условий для формирования нормального эпителия.

— Известно, к тому же, что хрящ донорской трахеи, лишенной клеток, после трансплантации быстро разрушался… 

— Это одна из основных проблем использования для биоинженерии не синтетического каркаса трахеи, а естественного, донорского. Обесклеченная донорская трахея очень быстро теряет свои механические свойства и начинает схлопываться при интенсивном дыхании или при кашле. Но главная проблема — заставить собственные клетки пациента заселять искусственный каркас. И не просто заселять, а формировать определенную структуру. У трахеи особый эпителий — мы называем его псевдомногослойным. Все его клетки имеют контакт с базальной мембраной, но они разные. У каждой свои функции. Есть базальные клетки, которые делятся и поддерживают жизнеспособность эпителия. Бокаловидные клетки продуцируют слизь (мукус), которая помогает захватывать пыль и микроорганизмы, попадающие в трахею из вдыхаемого воздуха. Есть длинные клетки с ресничками на конце,  покрывающими всю внутреннюю поверхность трахеи. Реснички ритмично колеблются, продвигая слизь вверх. На уровне гортани эта слизь рефлекторно проглатывается. Этот активный механизм эвакуации слизи (с пылью и бактериями) очень важен для человека. У нас трахея расположена вертикально, в отличие от большинства других млекопитающих. Осложнения у пациентов, получивших «биоинженерные» трахеи, во многом связаны с отсутствием эвакуации слизи. Слизь скапливается в нижней части трахеи и в бронхах, вызывая гнилостные процессы.

— Но если не идти за Маккиарини, то каким путем? 

— Я убеждён, что, если говорить об имплантации искусственного, а не донорского органа, то речь может идти только об абсолютно функциональном эквиваленте трахеи. Биоинженерная трахея должна пересаживаться не с какими-то «стволовыми» клетками с неопределёнными потенциями, а с полностью сформированным эпителием, способным выполнять эвакуационную и барьерную функции сразу после пересадки. Создание такого эквивалента трахеи – сложнейшая задача. Решить её можно только поэтапно. Поэтому мы решили начать с более простой задачи, с создания в системе in vitro поверхностного слоя трахеи – её эпителия. Этот эпителий должен содержать все клеточные элементы нормального эпителия (базальные, бокаловидные и реснитчатые клетки), продуцировать слизь и осуществлять эвакуационную функцию – реснички должны совершать синхронное биение. Учитывая нагрузки, которые должна выдерживать трахея, для такого эпителия нам нужна была подложка с хорошими механическими свойствами. Но при этом такая, которая обеспечивала бы рост и, самое главное, правильную дифференцировку  клеток. Дело в том, что для создания эквивалента трахеального эпителия мы не можем использовать донорский эпителий – он не будет иммунологически совместим с тканями пациента. Следовательно, эпителий должен быть выращен из собственных недифференцированных клеток пациента, которые мы получаем из его носовых пазух. Когда проблема матрикса для дыхательного эпителия будет решена, можно перейти к следующему этапу, ко-культивированию полученного функционального эпителия с хрящевой основой.

— Вы нашли такой матрикс? 

— Мы протестировали много материалов и выбрали сополимер особых свойств, разработанный нашими коллегами из академии наук. Наверное, это не идеальный вариант, но это лучшее из того, что было у нас в руках. Сейчас наша работа выглядит так — сополимер для матрикса нам дают коллеги из РАН. В отделе кристаллографии нашего института из этого сополимера получают матрикс специфической структуры. Затем поверхность матрикса определённым образом модифицируется, и мы высаживаем на него клетки. Наш матрикс двуслойный. Верхний слой более плотный, он поддерживает рост эпителиальных клеток. Нижний слой — более рыхлый — поддерживает рост мезенхимальных клеток — фибробластов. Мы стараемся добиться, чтобы и те, и другие росли успешно, поддерживая друг друга. Технических проблем здесь очень много. Нужно научиться поддерживать рост клеток разных типов в одной культуральной среде, чтобы они специфически взаимодействовали и правильно дифференцировались. Например, в определенных условиях эпителиальные клетки имеют тенденцию дифференцироваться в хондроциты, то есть, вместо того, чтобы формировать эпителий, формируют хрящ. Приходится прилагать определенные усилия для того, чтобы удержать их на том пути, который нам нужен.

— Вы сумели получить на этом матриксе полноценный дыхательный эпителий? 

— Да. На полученных нами образцах прогениторные эпителиальные клетки человека трансформируются в бокаловидные, чередующиеся с  реснитчатыми клетками. При этом бокаловидные клетки продуцируют мукус, а реснитчатые клетки – специфические белки, поддерживающие их биение. Насколько биение этих реснитчатых клеток организовано и эффективно, мы пока не знаем. В принципе это можно оценить микросъемкой.

— Известно, что в работе по гранту Российского научного фонда соисполнителем Маккиарини был Курчатовский институт. Обезьянам в пищевод ставили «заплатку» из полимера. Не ваш ли материал использовали? 

— Наша лаборатория с Маккиарини никогда не сотрудничала. А «заплатки» — это то, что мы сейчас ставим в трахеи кроликам вместе с врачами из Первого МГМУ имени Сеченова.

— Вы работаете с профессором Паршиным? 

— Он участвует в этом проекте как консультант. Клиническую часть работы выполняют студенты под руководством профессора Дыдыкина. Берем клетки из носа у кролика, выращиваем дыхательный эпителий на жестком полимерном матриксе. Помещаем в трахею кролика — для этого был придуман особый способ фиксации матрикса. Предварительно делаем особое повреждение трахеи, такое, чтобы оно не могло зарасти само по себе. Эти операции довольно сложны, но студенты прекрасно справляются. Они очень ответственные, способные и мотивированные ребята. Самую первую операцию делали семь-восемь часов, теперь справляются за 30 минут. Приблизительно через полтора месяца все кролики выводятся из эксперимента. На разных этапах мы делаем гистологию и смотрим, что произошло с «заплаткой». Некоторые результаты этой работы несколько дней назад были приняты в печать в журнал Laryngoscope. Готовятся другие публикации.

— Что дальше? Создание искусственной трахеи для человека? 

— Такой задачи мы пока перед собой не ставим. Мы работаем с моделями дыхательного эпителия, которые впоследствии можно будет использовать для лечения дефектов трахеи. Нужно создать функциональный аналог трахеального эпителия  in vitro, заставить реснички эпителия биться в определенном ритме и направлении. Только когда все это будет работать, когда будет секретироваться мукус определённого состава, эту систему можно будет использовать для создания более сложной конструкции, включающей хрящ и, возможно, элементы сосудистой системы. Но для этого нужно будет решить множество других проблем, прежде всего, проблем механики. Есть разные подходы — можно применять биоинженерные методы, выращивая хондроциты, формирующие хрящ, а можно использовать кусочки хряща, взятые из ребер пациента. Но это пока только планы. Сейчас мы думаем о серии экспериментов с эпителиальными «заплатками» на свиньях. Однако тут силами студентов уже не обойтись. Нужны опытные хирурги, умеющие работать с крупными животными.

— Хирурги хотят сотрудничать с вами? 

— Да, мы активно контактируем с клиницистами из разных организаций. Они проявляют большой интерес к тому, что мы делаем. Однако иногда нам мешает желание хирургов как можно быстрее перенести наши результаты на работу с пациентами. Когда ты долго рассказываешь врачу о трудностях и сложнейших проблемах биоинженерии и тут же слышишь от него, что есть пациент, на котором он готов попробовать твои разработки уже в конце текущей недели, возникает ощущение зря потраченного времени. Конечно, мы хотим довести свою работу до конца и добиться результата, в том числе и клинического. Но стремление к быстрому громкому успеху тут только повредит. К сожалению, примеры известны.

© Алла Астахова.Ru