Мы используем файлы cookie.
Продолжая использовать сайт, вы даете свое согласие на работу с этими файлами.

Ксенотрансплантация

Ксенотрансплантация (от греч. ξένος — «чужой» и трансплантация — «перенос»), или межвидовая трансплантация — трансплантация органов, тканей и/или клеточных органоидов от организма одного биологического вида в организм или его часть другого биологического вида.

Содержание

История

Концепция создания новых животных за счет соединения фрагментов и органов различных животных широко представлена в древней мифологии. Например, дух-хранитель из шумеро-аккадской мифологии шеду (ламассу) изображался в виде существа с телом быка или льва, с орлиными крыльями и человеческой головой. В греческой мифологии описывались химеры в виде огнедышащего чудовища с головой и шеей льва, туловищем козы и хвостом в виде змеи. В индуизме бог Ганеша (сын бога Шивы) получил голову слона после того, как бог Шива нечаянно разорвал его голову. Основоположник ксенотрансплантации Кит Реемтсма отмечал, что, возможно, одним из самых ранних примеров ксенотрансплантации была попытка Дедала и его сына Икара лететь через море с Крита на материковую Грецию с помощью крыльев птицы, прикрепленной к их оружию.

Первой, описанной в литературе попыткой ксенотрансплантации человеку, является будто бы имевший место факт пересадки кости собаки для закрытия дефекта черепа русского солдата, описанный в Хобом Ван Меекереном в 1682 году. Кость якобы приросла, но солдату пришлось удалить её, так как ему отказывали в церковных таинствах. Достоверность данного факта вызывает существенные сомнения. Ксенотрансфузия крови знает более достоверные попытки. Первую достоверную попытку перелить кровь овцы человеку предприняли одновременно Ричард Лоуэр в Англии и Жан-Батист Дени во Франции. Обе оказались безуспешными. Из-за неудовлетворительных результатов ксеногемотрансфузия была запрещена в течение многих лет.

В XIX веке совершались неоднократные попытки выполнения кожной ксенотрансплантации свободным лоскутом либо лоскутом на питающей ножке. Трансплантация на питающей ножке кожи овцы, например, требовала фиксации донора и реципиента одним лоскутом в течение нескольких дней. Совершались попытки использовать в качестве доноров кожи лягушек, овец, кроликов, собак, кошек, крыс, кур и голубей. Кожу трансплантировали с волосами, перьями, мехом. Кожная пластика оказывалась порой эффективной, так как ксенотрансплантат механически укрывал раневую поверхность без какого-либо приживления к ней.

В 1838 году была выполнена первая ксенотрансплантация роговицы от свиньи человеку Хара и Купером. Примечательно, что первая аллотрансплантация роговицы была выполнена только через 65 лет в 1905. Несколько лет спустя Сергей Воронов, российский эмигрант, работающий в Париже, разработал концепцию пересадки гормонпродуцирующих клеток. Основной интерес Воронова заключался в том, чтобы омолаживать пожилых людей. Он провел значительное количество пересадок яичек шимпанзе мужчинам. Воронов рассекал яичко донора и размещал фрагменты в яичке реципиента. Несмотря на сомнительный характер этой методики, вероятнее всего, из-за психологического эффекта мужчины отмечали улучшение потенции и омолаживающий эффект. Авантюрными воспринимаются труды одиозного Джона Бринкли, пересаживавшего мужчинам яички козлов для повышения их половой функции.

В 1960-х гг. Кит Реемтсма в Тулейнском университете в Луизиане предположил, что почки приматов могут быть использованы в лечении почечной недостаточности у людей. В то время хронический гемодиализ еще не проводили, а трансплантацию почек людей не выполняли. Ксенотрансплантация почек являлась реальной альтернативой смерти. К. Реемтсма выбрал шимпанзе в качестве источника органов из-за его тесной эволюционной связи с людьми. Он осуществил 13 двойных пересадок почки шимпанзе человеку. Большинство выполненных им трансплантаций закончилось неудачно в сроки от 4 до 8 недель в результате либо острого отторжения, либо инфекционных осложнений. Тем не менее, один из пациентов Реемтсма жил в течение 9 месяцев, вернулся к работе школьным учителем. Концепция использования приматов в качестве доноров почки была поддержана несколькими хирургами, в частности, отцом современной трансплантации Томасом Старзлом в Колорадо, который использовал обезьян в качестве доноров. Его результаты были похожи на таковые у Реемтсма, за исключением того, что Старзл не достиг сколько-нибудь долгосрочного выживания.

Джеймс Харди в 1964 году планировал выполнить первую трансплантацию сердца и предполагал использовать шимпанзе в качестве потенциальных доноров на случай, если посмертный донор окажется непригодным. В качестве реципиента расценивался крайне тяжелый пациент с распространенным атеросклерозом после ампутации конечностей. В связи с внезапной смертью донора Харди был вынужден выполнить пересадку сердца от шимпанзе. Сердце оказалось недостаточного размера для поддержания адекватной гемодинамики даже в течение нескольких часов. Шведская группа во главе с Карлом Гротом предприняла первую попытку трансплантации свиных островковых клеток поджелудочной железы больным сахарным диабетом в 1993 году. Хотя свиной C-пептид был обнаружен в крови некоторых пациентов, указывая, что некоторые островки выжили, клинический результат оставался неудовлетворительным.

В 1984 году была проведена пересадка сердца бабуина новорожденной Фэй. Сердце бабуина было использовано из-за того, что не было времени, чтобы найти подходящее человеческое сердце. Предполагалось впоследствии заменить его на человеческое, однако через 21 день девочка умерла.

В отдельных странах предлагается запретить подобные технологии. Например, в проекте закона «О донорстве органов человека и их трансплантации», опубликованного Минздравом России осенью 2014 года запрещается оба возможных варианта ксенотрансплантации: как пересадка органов животных человеку, так и пересадка органов человека животному. По состоянию на октябрь 2009 года количество производимых в стране внутривидовых трансплантаций органов в сотни раз ниже потребности.

  • Конкордантная ксенотрансплантация – пересадка, которая выполняется между филогенетически близкими или родственными видами, например, такими как мышь и крыса, обезьяна и яванская макака, предположительно, приматы и человек. Реакция ксеноотторжения менее острая, развивается в течение нескольких суток.
  • Дискордантная ксенотрансплантация – выполнение пересадки между разными видами (например, свинья и обезьяна, или свинья и человек). При дискордантной ксенотрансплантации развивается сверхострое отторжение продолжительностью от нескольких минут до нескольких часов. Клинический опыт на людях при дискордантной ксенотрансплантации очень ограничен. В состоявшихся дискордантных ксенотрансплантациях человеку, несмотря на любое лечение, у реципиентов развивалось гуморальное отторжение, и функция органа сохранялась не более 34 часов.

Обычно идёт речь о ксенотрансплантации от наиболее дешёвой в получении и близкой по размеру к человеку иммунологически модифицированной свиньи или от высших приматов, близких генетически, но сложных в содержании и разведении. Так, например, китайские ученые разрабатывают генетически модифицированных свинок, органы которых можно будет пересаживать человеку Некоторые успехи в этом направлении уже наметились. Так например, сердце ГМО свиньи, пересаженное бабуину, смогло проработать в его организме 195 дней.

Реакция организма на ксенотрансплантацию

Ксенотрансплантация остаётся невозможной и неосуществимой при нынешнем уровне развития трансплантологии. Даже при очень сильной иммуносупрессии организма реципиента ксенотрансплантат от свиньи не выживает в организме человека в результате сверхострой реакции отторжения, сопровождающейся массивным гемолизом, агглютинацией эритроцитов и тромбоцитов и множественным тромбозом сосудов пересаженного ксенооргана.

Пути использования ксенотрансплантации в медицине

Механически функциональные трансплантаты

Тем не менее ксеногенные ткани, полученные из животных, служат источником материала для механически функциональных трансплантатов, таких как сердечные клапаны, сухожилия и хрящи. Чтобы предотвратить иммунное отторжение ксеногенного трансплантата из него необходимо удалить антигены. Антигены клеток могут быть удалены путём химической обработки (например, растворами содержащими додецилсульфат натрия (SDS) и Triton X-100) и обработки ультразвуком. приводящей к удалению клеток. Однако, процессы, используемые для удаления клеток и антигенов, часто повреждают внеклеточный матрикс (ECM) ткани, делая трансплантат непригодным для имплантации из-за плохих механических свойств. Поэтому следует тщательно подбирать метод удаления антигенов так чтобы по возможности сохранить архитектуру и механические свойства ткани.

Освобожденные от клеток животного подложки и гидрогели

Достижения в области перепрограммирования соматических клеток пациентов в ИПСК и последующей дифференцировке их в необходимые стволовые клетки возродили интерес к органам и тканям получаемым от животных, но уже для использования их в качестве освобожденной от клеток животного подложки для заселения клеток пациента. Процесс заселения клеток пациента на подложку, как показали исследования, хотя это и сложней, желательно проводить in vitro до трансплантации пациенту, а не in vivo чтобы предотвратить риск тромбоза и кальцификации.

С 2018 года британские медики планируют использовать освобожденную от клеток животного подложку взятую у свиней для пересадки детям старше двух месяцев, с врожденными пороками развития, в первую очередь с тяжелыми случаями врожденной атрезии пищевода. Свиные подложки будут предварительно заселены стволовыми клетками младенца, которому запланирована пересадка. Сам процесс подготовки трансплантата путем выращивания на нем клеток реципиента будет занимать порядка двух месяцев. Предполагаемая стоимость такой операции составляет 125 тысяч долларов.

Генетически модифицированная свинья может быть использована для выращивания человеческих органов и тканей.

Ещё в начале 1970-х годов в лаборатории Полежаева Л. В. были предприняты довольно успешные попытки лечить обширные повреждения мышц путём индукции регенерации с помощью имплантации в зону повреждения некротизированной ткани. Используя аналогичный подход, но заменив некротизированную ткань на очищенный от клеток фрагмент внеклеточного матрикса, полученного из мочевого пузыря свиньи, исследователям удалось активировать у пациентов процесс регенерации мышц и приостановить процесс образования рубцовой ткани.

Кристман с соавт. разработали метод активации процессов регенерации сердечной мышцы после инфаркта миокарда, основанный на инъекции в зону поражения гидрогеля, полученного из внеклеточного матрикса свиного миокарда. Такой гидрогель способствует процессам восстановления, создавая подложку для роста новой ткани. Аналогичный подход был использован и для лечения повреждений вызванных ишемией при заболеваниях периферических артерий.

Животные, генетически модифицированные для преодоления отторжения

Одним из главных достижений в области генной инженерии тканей свиней является отключение синтеза альфа-1,3-галактозы. Этот углевод при ксенотрансплантации вызывает запуск мощной иммунной реакции человеческого организма направленной на немедленное, в течение нескольких минут, уничтожение свиного трансплантата, поскольку люди и другие приматы, в отличие от прочих млекопитающих, свиней в том числе, не способны синтезировать этот углевод из-за генетической инактивации фермента альфа-1,3-галактозилтрансферазы вследствие двух эволюционно закрепленных мутаций. Путём воспроизведения у свиней с помощью генной инженерии той же самой мутации, что произошла, естественно, в процессе эволюции у человека, удалось создать линию свиней у которых фермент альфа-1,3-галактозилтрансфераза был нокаутирован (GTKO свиней). Хотя такая модификация замедлила процесс отторжения исключить его при использовании GTKO свиней не удалось. Выяснилось что есть ещё несколько вызывающих отторжение различий, в частности N-гликолилнейраминовая кислота (англ. N-glycolylneuraminic acid) и β1,4 N-ацетил галактозаминилтрансфераза (англ. acetylgalactosaminyltransferase — B4GALNT2). Поэтому были получены линии свиней с двойным нокаутом, которые не способны к синтезу ни альфа-1,3-галактозы, ни N-гликолилнейраминовой кислоты, а также свиньи линии GGTA1/CMAH/β4GALNT2 KO с нокаутом сразу всех трех генов, при пересадке органов от которых человеку предположительно не будет выраженной реакции отторжения.

Некоторые надежды вселяют также эксперименты по изменению генома свиньи так, чтобы её клетки начали синтезировать на своей поверхности гликопротеин CD47 человека и, благодаря этому, уже не воспринимались иммунной системой человека как чужаки, и эксперименты по изменению генома мыши так, чтобы её клетки начали синтезировать на своей поверхности SIRPα человека и стали толерантными к трансплантатам человеческих клеток, что позволит выращивать органы человека как «запчасти» в организме животных и подобно методам переливания крови спасет миллионы жизней.

Перспективным подходом к лечению сахарного диабета 1-го типа у человека является трансплантация островковых клеток Лангерганса. Поскольку найти человека способного стать донором таких трансплантатов очень сложно, ученые предложили использовать для лечения инкапсулированные свиные островки. Однако этот метод существенно ограничен из-за того что мембрана капсулы не позволяет клеткам достаточно быстро реагировать на глюкозу секрецией инсулина, затрудняет обеспечение клеток островка кислородом и питательными веществами, что может привести к гипоксии и даже некрозу островков. И здесь на помощь могут прийти мульти-трансгенные свиньи, островки которых нет надобности инкапсулировать, поскольку они не отторгаются иммунной системой человека. В опытах на обезьянах с диабетом, которые получили свиные островки от трансгенных животных линии GTKO / hCD46 / hTFPI / CTLA4-Ig инсулиновая независимость продержалась более 1 года. Пересадки островковых клеток свиней в капсуле из полисахарида альгината человеку были, по сообщению производителя, разрешены в России в 2010 году после испытаний с 2007 года на 8 пациентах в Sklifosovsky Research Institute Moscow.

Австралийская фирма отметила успех клинических испытаний на пациентах, страдающим болезнью Паркинсона, препарата NTCELL, который представляет собой капсулу с альгинатным покрытием, содержащую кластеры клеток сосудистого сплетения взятых у новорожденного поросёнка. После трансплантации NTCELL функционирует как биологическая фабрика, производящая ростовые факторы, способствующие устранению вызванной болезнью дегенерации нервов.

Универсальные, генетически модифицированные человеческие клетки для преодоления отторжения

Разработаны универсальные ИПСК, которые могут быть использованы не только любым человеком (пациентом), но даже пересажены животным без отторжения. Чтобы сделать это, ученые использовали CRISPR для выключения основных генов комплекса гистосовместимости (MHC) класса I и II, которые, как известно, генерируют белки, являющиеся мишенями для иммунной системы, и активации избыточной экспрессии гена CD47. В ходе испытаний на животных исследователи обнаружили, что эти новые, «универсальные» ИПСК человека могут быть трансплантированы мышам без какого-либо иммунного отторжения. Исследователи использовали новые ИПСК для создания клеток сердца человека, которые они трансплантировали в модели гуманизированных мышей. Мало того, что эти клетки не были отторгнуты, они еще приняли участие в формировании эмбриональной сердечной мышцы.

Животные-модели систем человека

Для развития регенеративной биологии и медицины исследователям нужна удобная модель иммунной системы человека. Проводить опыты на людях опасно для их здоровья, а опыты на мышах не дают необходимой информации, так как иммунная система человека и мыши существенно отличаются. Выходом из этой ситуации стала разработка так называемой гуманизированной мыши с функциональной иммунной системой человека. Чтобы сделать это, биологи взяли иммунодефицитных лабораторных мышей и трансплантировали им ткань человеческого тимуса, а также гемопоэтические стволовые клетки того же донора. Такие мыши позволяют исследовать причины по которым дифференцированные клетки получаемые из ИПСК человека, за редкими исключениями, все же отторгаются его же организмом. С помощью этой мыши удалось доказать, что аллотрансплантаты, полученные из плюрипотентных стволовых клеток человека, в которых методами биоинженерии активирован синтез молекул CTLA4-Ig и PD-L1, создают локальную защиту от иммунитета, позволяющую им избежать отторжения. Кроме того, для достижения оптимального приживления трансплантированных человеческих кроветворных стволовых клеток, иммунодефицитным мышкам дополнительно внедрили природную мутацию рецептора Kit. Это позволило обойти два основных препятствия для трансплантации стволовых клеток крови: отторжение иммунной системой реципиента и отсутствие в костном мозге реципиента (мыши) свободной ниши — пространства для стволовых клеток донора (человека). В этой новой модели стволовые клетки крови человека могут размножаться и дифференцироваться во все типы клеток крови. При этом, стволовые клетки могут быть сохранены в мышке в течение более длительного периода времени по сравнению с ранее существующими «гуманизированными» моделями мышей. К сожалению, трансплантаты костного мозга человека в этой, как и в других подобных мышиных моделях не способны к полноценной дифференцировке в эритроцитарные клетки крови человека — поскольку в этих моделях по прежнему не хватает сигнала для завершения эритропоэза как в организме человека. Аналогичные эксперименты вскоре можно будет воспроизвести на мутантных поросятах, таких как, например, модифицированные по двум аллелям свиньи — RAG2 мутанты, у которых либо нет тимуса, либо он не развит, что позволяет использовать их в качестве моделей людей пациентов с аналогичным иммунодефицитом и для тестирования безопасности и регенеративной способности трансплантатов, полученных из плюрипотентных клеток.

Выращивание человеческих органов и тканей в организме животных

В Японии в лаборатории профессора Накаучи сумели вырастить, путём инъекции стволовых клеток в бластоцисту, панкреатическую железу крысы и чужеродные почки в организме мыши, а теперь пытаются выращивать человеческие органы в организме свиней. Для этого в зародыше свиньи выключается ген, ответственный за развитие определенного органа и подсаживают ИПСК человека. Хотя ИПСК человека генетически чужие, они не отторгаются эмбрионом свиньи, так как его иммунная система еще не развита. Предполагается, что человеческие клетки подчиняясь химическим сигналам исходящим от свиного эмбриона будут развиваться и заполнят опустевшую нишу, образуя вместо отсутствующих свиных клеток соответствующие ткани и органы эмбриона. При развитии такой эмбрион превратится в обычную свинью, за исключением того, что один из органов её в генетическом отношении будет органом человека от которого получены ИПСК или же, так называемые, регион-специфические плюрипотентные стволовые клетки («region-selective pluripotent stem cells» — rsPSCs) . А это, возможно, снимет проблему отторжения пересаживаемых органов, с которой сталкивается сейчас трансплантология. Сотни тысяч людей во всем мире, ожидающих новой почки, печени, сердца или легких для пересадки, могут стать получателями новеньких органов, которым не угрожает реакция отторжения, потому что они будут выращены из их собственных клеток.

Для освоения этой методики выращивания человеческих органов в организме свиньи или козы, надо преодолеть ряд проблем. В частности, возможность «засорения» такого человеческого органа другими типами свиных клеток, такими как, например, клетки кровеносных сосудов. Не исключено также, что поверхность клеток человека может быть таким образом модифицирована внеклеточными ферментами эмбриона свиньи, что выращенный орган станет чуждым человеческому организму и будет им отторгнут.

Чтобы сделать организм свиньи пригодным для выращивания человеческих органов в нём, с помощью технологии генного редактирования CRISPR/Cas9, инактивировали 62 эндогенных ретровируса, встроенных в геном свиньи и представляющих потенциальную опасность инфицирования человека. Кроме того было изменено более 20 генов, кодирующих белки, которые сидят на поверхности клеток свиньи, и способны вызвать иммунную реакцию у человека или спровоцировать свертывание крови с образованием тромбов. Такие животные могут быть использованы для выращивания органов из клеток пациента. Уже в скором времени в них можно будет выращивать для лечения диабета панкреатическую железу из клеток кожи пациента перепрограммированных в клетки продуцирующие инсулин.

Выращивание человеческой крови в организме животных

Острая нехватка донорской крови побуждает исследователей искать альтернативную замену. В будущем одним из источников человеческой донорской крови может стать кровь человека, выращенная в организме животного. Опыты по выращиванию человеческой крови в организме гуманизированных мышей линии NSGW41 показали, что эритро-мегакариоцитарные клетки человека хорошо приживаются в организме этих мышей; факторы роста, ответственные за пути дифференциации человеческих клеток, совместимы между видами и позволяют достичь in vivo полного созревания тромбоцитов человека, а также получить содержащие ядро клетки-предшественники человеческих эритроцитов. Однако в крови животного эти клетки не накапливались, поскольку их уничтожали макрофаги.

Ксенотрансплантация опухолей человека в организм животных

Для разработки методов лечения онкологических заболеваний, изучения путей развития метастазов и механизмов генетической эволюции опухоли широко используется метод PDX (англ. patient-derived xenograft) моделей (иногда называемый также PDTX методом). Этот способ заключается в непосредственном переносе путём трансплантации первичных опухолей от пациента в организм иммунодефицитных мышей, что позволяет воспроизвести особенности злокачественных опухолей человека на животных-моделях.

Гуморальная терапия клетками животных эмбрионов

Черная горная овца может быть использована для терапии «свежими стволовыми клетками» (англ. fresh cell therapy)

Разновидностью ксенотрансплантации надо, очевидно, считать метод, так называемой, терапии «свежими» стволовыми клетками (англ. fresh cell therapy). Этот метод предложенный ещё в 1931 году Полом Нихансом (Paul Niehans) — австрийским врачом, который считается отцом клеточной терапии, заключается в использовании клеток животных (извлекаемых из эмбриона или плода овцы), которые вводят в организм пациента с целью достижения эффекта ревитализации. Разумеется клетки животных не способны встроиться в организм пациента, однако они снабжают его гуморальными факторами, способствующими оздоровлению и активируют его иммунную систему. Эта терапия связана с определенным риском заразиться от животных некоторыми инфекционными заболеваниями. Так, например, группа туристов из США и Канады, проходивших ежегодные сеансы такой терапии в Германии, заразилась лихорадкой Q.

Гуморальная терапия инкапсулированными клетками животных

Уникальная способность хемокина SDF-1 (называемого также CXCL12) способствовать выживанию клеток, а также отталкивать эффекторные Т-клетки и привлекать регуляторные Т-клетки может быть использована для защиты трансплантированных гормон-продуцирующих (эндокринных) клеток ксеногенного происхождения. Для этого эти скопления клеток покрывают защитной оболочкой состоящей из геля содержащего CXCL12. Так, например, островки Лангерганса взятые у поросёнка и покрытые гелем с CXCL12 успешно функционировали и не были отторгнуты в организме у мыши. Аналогичная технология была использована для лечения болезни Паркинсона инкапсулированными клетками поросёнка, продуцирующими спинномозговую жидкость, которая питает и очищает мозг от токсичных продуктов метаболизма, а также взятыми у свиней клетками сосудистого сплетения - мозговой структуры, которая продуцирует коктейль из множества факторов роста и сигнальных молекул, необходимых для поддержания здоровья нервных клеток.

Технологии инкапсуляции подробно описаны в обзоре. В качестве материала для инкапсуляции обычно используют модифицированный альгинат.

Межвидовый перенос ядер соматических клеток (iSCNT)

Ещё одной разновидностью ксенотрансплантации является межвидовый перенос ядер соматических клеток (iSCNT) одного биологического вида в яйцеклетки другого вида. Так, например, Гупта с соавторами исследовали возможность получения клонированных эмбрионов путём межвидового переноса ядер из соматических клеток крупного рогатого скота, мышей и курицы в энуклеированные ооциты свиней. Им удалось поддержать развитие таких эмбрионов в пробирке до стадии бластоцисты. В другой работе ооциты овцы были использованы для перепрограммирования ядер соматических клеток взрослого человека обратно до эмбриональной стадии. Такая технология теоретически может быть использована для восполнения дефицита человеческих ооцитов при получении индуцированных стволовых клеток методом SCNT для регенеративной медицины. Методом iSCNT удалось возродить исчезнувший с 1983 года вид лягушки. Для этого её генетический материал перенесли в яйцеклетки другого вида живых лягушек.

См. также


Источник: https://ru.wikipedia.org/wiki/Ксенотрансплантация

Новое сообщение