Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Реферат

«Ткани, органы и целостные биосистемы: клетки, клеточные ядра, клонирование»

Создание искусственных органов и тканей

Создание искусственных органов и тканей оформилось в самостоятельную отрасль науки около десяти лет тому назад. Первые достижения этого направления - создание искусственной кожи и хрящевой ткани, образцы которых уже проходят первые клинические испытания в центрах трансплантации. Одно из последних достижений состоит в конструировании хрящевой ткани, способной к активной регенерации. Это действительно огромный успех, поскольку поврежденная суставная ткань не регенерирует в организме. В клиниках США ежегодно оперируют более 500 тыс. больных с повреждениями суставного хряща, но подобное хирургическое вмешательство лишь на короткое время облегчает боль и улучшает движения в суставе. В настоящее время предпринимаются попытки выращивания в лабораторных условиях печени. Но печень - сложно устроенный орган, состоящий из разных типов клеток, обеспечивающих очищение крови от токсинов, преобразование поступивших извне питательных веществ в усваиваемую организмом форму и выполняющих целый ряд других функций. Поэтому создание искусственной печени требует гораздо более сложной технологии: все эти разнообразные типы клеток должны быть размещены строго определенным образом, то есть основа, на которой они базируются, должна обладать высокой избирательностью. Среди органов и тканей, которые в настоящее время интенсивно исследуются с целью их биотехнологического воссоздания, можно отметить также костную ткань, сухожилия, кишечник, сердечные клапаны, костный мозг и трахею. Помимо работ по созданию искусственных органов и тканей человеческого организма ученые продолжают разрабатывать и методы вживления в организм больных диабетом людей клеток, продуцирующих инсулин, а людям, страдающим болезнью Паркинсона, - нервных клеток, синтезирующих нейромедиатор дофамин, что позволит избавить пациентов от ежедневных утомительных инъекций.

Нанотрубки+ДНК = искусственная ткань

Для создания современных искусственных тканей и органов весьма важно создание материала, свойства которого были бы близки природным. Однако, сочетание прочности с гибкостью, характерное для тканей организма практически не может быть воспроизведено в искусственных материалах. Группа исследователей из Австралии и Кореи под руководством Джоффри Спинкса (Geoffrey M. Spinks) и Сеон Джеонг Кима (Seon Jeong Kim) разработала новый высокопористый губкоподобный материал, механические свойства которого подобны свойствам биологической ткани. Новый материал представляет собой прочную композитную систему из нитей ДНК и углеродных нанотрубок.

Мягкие ткани, такие как сухожилия, мышцы, артерии, кожа и другие органы получают свою механическую прочность за счет внеклеточной матрицы белковых нановолокон. Различная морфология белков внеклеточной матрицы позволяет природе формировать ткани с широким разбросом по прочности. Имплантаты и шаблоны для роста искусственной ткани должны представлять собой пористые материалы, которые обычно отличаются высокой хрупкостью. Так как многие биологические ткани регулярно подвергаются существенной механической нагрузке, важным фактором должна также быть и высокая эластичность имплантата, которая должна предотвращать возможность развития воспалительных процессов. В то же самое время материал для имплантата должен отличаться высокой прочностью.

В соответствии с новой концепцией нити ДНК используются в качестве матрицы, эти нити полностью «обертывают» углеродные нанотрубки, присутствие в системе ионной жидкости способствует гелеформированию. Полученный гель можно спрясть мокрым способом так же, как прядут синтетические волокна - при введении геля в ванну, заполненную специальным раствором, гель может быть сформован в большое количество тонких нитей. Высушенные волокна обладают пористым губкообразным строением и представляют собой сеть скрученных нановолокон толщиной в 50 нм. Замочка волокон в растворе хлорида кальция способствует дальнейшей сшивке ДНК, приводя к увеличению плотности и прочности волокон. Полученные губчатые волокна напоминают коллагеновые волокна межклеточной матрицы биологического происхождения. С этими волокнами можно работать, получая из них подобие текстильных тканей. В результате всех операций из волокон можно получить материалы, отличающиеся эластичностью, присущей биологическим тканям наряду с высокой прочностью, обусловленной молекулами ДНК.

Созданы искусственные клетки крови из полимеров

Группа специалистов из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре под руководством Самира Митраготри (Samir Mitragotri) разработала красные кровяные тельца из полимеров, удивительно близкие к реальным. Их двояковыгнутый «шинообразный» вид объясняется формой, которую реальные эритроциты принимают в человеческом теле. Не так давно красные кровяные тельца были впервые выращены в лаборатории. Теперь же появился и их искусственный вариант. Синтетические эритроциты успешно имитируют характеристики и основные функции настоящих клеток, в том числе мягкость, гибкость и способность переносить кислород. В пресс-релизе университета учёные сообщают, что синтетические красные кровяные тельца (sRBCs) отлично справляются с «перевозкой» веществ по всему организму, что было доказано экспериментально, с прикреплением молекулы гемоглобина к поверхности полимерной клетки и последующим наблюдением. sRBC-клетки могут использоваться в будущем для доставки лекарственных препаратов и переливания людям вместо настоящей крови в случае необходимости - но перед этим, разумеется, понадобится ещё много дополнительных тестов. Сделать искусственные эритроциты специалистам удалось так: вначале был создан похожий по форме на пончик полимерный шаблон, который покрыли несколькими слоями гемоглобина и других белков, затем сам шаблон удалили, осталась белковая оболочка. В результате все искусственные клетки имеют одинаковый размер и гибкость и могут нести столько же кислорода, сколько и настоящие. Эта методика может быть также использована для разработки частиц, имитирующих форму и свойства больных клеток, например при серповидно-клеточной анемии. А их изучение поможет понять, как такие заболевания влияют на клетки крови.

Создан первый серийный биопринтер

В результате сотруднечества американской компании Organovo и австралийской Invetech, был создан первый биологический 3D-принтер, который открывает новые перспективы в области имплантации и восстановления органов и тканей. В роли чернил такой аппарат использует запас культивированных клеток нужного типа (эпителиальные, соединительные, мышечные), а прецизионная печатающая головка под управлением компьютера выкладывает клетки (и вспомогательные вещества) в нужном порядке. Профессор Габор Форгач (Gabor Forgacs) и сотрудники его лаборатории в университете Миссури, раскрыли новые тонкости биопечати ещё в 2007 год. В результате появилась технология NovoGen, в которой продуманы все необходимые детали биопечати, как в биологической части, так и в части «железа». Новинку отличают компактные размеры, интуитивно понятный компьютерный интерфейс, высокая степень интеграции узлов и высокая надёжность. Этот принтер обладает двумя печатающими головками. Одна заправляется целевыми «красками» (человеческие клетки печени, почек, стромальные клетки и так далее), вторая - вспомогательными материалами (поддерживающий гидрогель, коллаген, факторы роста). Особая гордость австралийских инженеров - лазерная калибровочная система и роботизированная система позиционирования головок, точность которой составляет считанные микрометры. Это очень важно для размещения клеток в правильном положении. Исполнительный директор Organovo Кейт Мёрфи (Keith Murphy) назвал появление данного принтера прорывом, поскольку он впервые предоставляет гибкую технологическую базу для организаций, работающих в области инженерии тканей и органов. «Учёные и инженеры могут использовать 3D-биопринтеры для размещения клеток практически любого типа в соответствии с желаемой трёхмерной моделью», - подчеркнул Кейт универсальность установки.

Клонирование

История клонирования

История клонирования живых существ берет свое начало с 1839 года, именно в этом году Теодором Шванном была создана клеточная теория, которая произвела настоящий переворот в области генетики. Основная идея клеточной теории - любая клетка происходит от клетки. Два противоречащих положения теории - наследственность и дифференциация. Долгое время ученые не могли выяснить, какие клетки образуются в процессе деления - идентичные дочерние или производные разные. Неудачи не останавливали ученых, эксперименты продолжались. И в 1883 году немецким цитологом Оскаром Гертвигом была открыта яйцеклетка. В 1892 году Ганс Дрейш проводит эксперимент по разделению двухклеточного эмбриона морского ежа на две отдельные клетки, а затем ему удалось разделить четырехклеточный эмбрион морского ежа на четыре отдельных клетки. Ученому удалось вырастить каждую отдельную клетку в нормальную особь. В России опыты по клонированию живых существ начались в 40-е годы 20-го столетия. Первые эксперименты были проведены эмбриологом Г.В. Лапашовым, в основе которых находился метод трансплантации (пересадки) ядер клетки в яйцеклетку лягушки. Начинания советских ученых первоначально хорошо финансировались, но вскоре государство потеряло интерес к этому вопросу. В конце 80-х годов за рубежом генетические опыты стали проводиться с завидной регулярностью. В 1977 году ученые Оксфордского университета под руководством профессора зоологии Дж. Гордона методом клонирования получили более 50 лягушек. Метод клонирования состоял в том, что из яйцеклетки удалялось ядро и в нее трансплантировались разные ядра из специализированных клеток. В более поздних экспериментах Гордон пытается пересаживать ядра из клеток взрослого организма. Несколько экспериментов привели к тому, что особи проходили «стадию метаморфозы» и превращались во взрослых лягушек, но до полного успеха было еще далеко, так как лягушки рождались очень слабыми, практически не приспособленными к дальнейшему существованию. Первое успешное оплодотворение в пробирке было проведено в 1943 году, но эксперимент закончился неудачей, через какое-то время эмбрион погиб. Но это не остановило ученых, исследования и эксперименты продолжились, и уже в 1978 году в Англии родился первый ребенок «из пробирки»: это была девочка. Ребенок родился у первой в мире суррогатной матери; зачат ребенок был из донорской яйцеклетки, женщина только выносила ребенка. После этого эксперимента стало ясно, что ребенка может выносить и родить не только его биологическая мать. 27 февраля 1997 года на обложке журнала «Nature» появилась первая фотография клонированной овцы Долли. Но уже в июне 1999 года основными темами на встречах ученого мира становятся жизнь и развитие первого клонированного животного - овцы Долли. Были выявлены серьезные нарушения в развитии животного: обнаружены аномалии в хромосомах, вследствие чего организм овцы уже при рождении был биологически преждевременно состарившимся. В начале февраля 2000 года в СМИ появились первые сообщения о том, что овца Долли на самом деле не клонированное животное. Под сомнение был поставлен сам метод создания клонов. 14 февраля 2003 года овца Долли погибла: у животного развилась опухоль легких. По некоторым данным, Долли успела дать потомство. Шесть ягнят появились на свет естественным путем.

Эксперименты по клонированию человека проводились во многих странах мира

В декабре 1998 года весь мир потрясло известие о создании первого клона человека, который был генетическим двойником жительницы Южной Кореи. Шокирующий эксперимент был прерван на пренатальной стадии (до рождения клона). В 1999 году в США был издан закон о запрете экспериментов по клонированию человека. В этом же году большинство европейских стран подписали Парижскую конвенцию о запрете генетического клонирования человека. В середине 1999 года к борьбе против клонирования человека подключилась церковь. В апреле 1999 года в колумбийском городе Картахена прошла встреча представителей правительств 170 стран. Большинство стран выступало за установление контроля «над межграничным перемещением генетически измененных растений и животных». В конце февраля 2000 года группа ученых под руководством канадских биологов Майкла Сефтона и Джона Дэвиса начала проводить эксперименты по выращиванию органов человеческого тела. Март 2000 года в США ознаменовался первым в мире клонированием примата. В США был также выведен генно-инженерный сорт табака, в листьях которого синтезируется человеческий гормон роста. В это же время в Эдинбурге прошла международная конференция, посвященная использованию генно-инженерных методов в производстве продуктов питания. В марте в Италии проходит серия протестов сторонников «Гринпис», выступающих против создания новых продуктов. К ним присоединились многие политические партии, также протестующие против использования при производстве продовольственных товаров генетически модифицированного сырья. Несмотря на массовые протесты, генетически модифицированные продукты продолжали и продолжают создавать. В конце марта 2000 года в СМИ было опубликовано сообщение о смерти подростка-добровольца, погибшего после введения ему чужеродного тела. Эта новость потрясла весь мир, после чего вновь начались массовые протесты против генных экспериментов. Национальный институт здоровья США временно приостановил финансирование исследований по генной терапии. В настоящее время клонирование человеческих эмбрионов запрещено в США, Японии. В России был наложен 5-ти летний мораторий на генетические эксперименты по клонированию человеческого эмбриона, срок которого истек в июне 2007 года. Клонирование животных не запрещено ни в одной стране мира.

Клонирование коровы

В 2004 году бразильские ученые заявили об успешном эксперименте по клонированию коровы. Корова появилась на свет благодаря использованию генетического материала другого клона. Клонированная корова по кличке Виторьоза являлась точной копией другой коровы по кличке Витория, которую клонировали около 3 лет назад. Независимые эксперты провели исследование, по результатам которого стало ясно, что у коровы Витории ученые взяли немного кожи с уха через год после ее рождения. Затем клетки, содержащиеся в этой коже, использовали для клонирования.
Опыт бразильских ученых решили повторить ученые из Аргентины, но не ради научного эксперимента, а с целью улучшения качества и увеличения количества, получаемых от коров молока и мяса. Были проведены необходимые эксперименты, первый клонированный теленок должен был появиться на свет в начале 2001 года, но сведений от ученых о завершении эксперимента не поступило.

Клонирование кошки

Первую клонированную кошку удалось получить ученым из Техаса, но котенок получился совершенно непохожим на свою генетическую мать. С генетической точки зрения, котенок, которого назвали Сиси, и мать, совершенно идентичны, но ученых смутил тот факт, что у котенка совсем другой окрас по сравнению с матерью. В ходе эксперимента было создано 87 клонированных эмбрионов кошки, однако выжил всего лишь один зародыш, но ученые были удовлетворены результатом эксперимента, так как до этого им удавалось клонировать лишь мышей, овец, коров, коз и свиней. Ученые опасались, что кошка вырастет не совсем здоровой, поскольку у клонированных животных часто бывает нарушена репродуктивная функция. Но Сиси успешно родила 3 котят. Кошка Сиси - первая в мире кошка-клон, она родилась в декабре 2001 года.

Клонирование свиней

5 марта 2000 года британская компания PPL Therapeutics объявила о том, что в их исследовательском центре родилось 5 поросят. Этот эксперимент примечателен тем, что это первое клонирование, полученное от взрослой особи свиньи, завершившееся успешным результатом. Основной же целью эксперимента было получение измененных органов свиньи, которые будут использованы для трансплантации вместо человеческих органов. Органы свиньи наиболее подходят человеку по размерам. Единственной проблемой является отторжение органа животного человеческим организмом. Именно в этом направлении будут развиваться дальнейшие исследования ученых. В качестве одного из оптимальных путей решения данной задачи, по мнению ученых, является «генетическая маскировка» органов животного, чтобы человеческий организм не смог идентифицировать их как чужие.

Клонирование вымерших животных

Многих ученых волнует вопрос о возможности клонирования вымерших видов, а также животных, занесенных в Красную книгу. Недавняя находка порадовала исследователей и подарила надежду на осуществление такой задумки, как клонирование хищного динозавра Тиранозаврус Рекс. В Скалистых горах в штате Монтана палеонтологам удалось найти окаменевшие останки этого хищника. В трещине бедренной кости динозавра ученым удалось обнаружить мягкие ткани, которые лишь слегка затронуты процессом минерализации. Под сильнейшим микроскопом были видны даже кровеносные сосуды и ядра клеток. Сама ткань достаточно упруга и эластична. Ученые надеются, что в будущем им удастся извлечь из нее ДНК для последующего клонирования доисторической рептилии. Кровеносные сосуды динозавра практически неотличимы от аналогичных тканей страуса. Именно страуса многие ученые считают прямым наследником древних рептилий.

Клонирование человека и его органов

Как мы уже знаем, в настоящее время клонирование человеческих эмбрионов запрещено в США и Японии, в России был наложен 5-ти летний мораторий. Остальные европейские страны в ближайшем будущем планируют принять законопроекты о запрете клонирования человека. Правительство Великобритании в апреле 2000 года сняло запрет на клонирование эмбрионов человека. По мнению ученых Великобритании, это поможет создать совершенно здоровые человеческие органы, необходимые для трансплантации и вероятность отторжения таких органов ничтожно мала.

По мнению учёных, если у женщины отсутствуют яичники, а сперма мужчины нежизнеспособна, можно было бы взять ядро из клетки тканей женщины или из клетки тканей мужчины и использовать донорскую лишенную ядра яйцеклетку другой женщины. В первом случае родиться дочь, во втором - сын.

Перестроенная полностью задействованная клетка могла бы быть вживлена в матку жены или суррогатной матери, и развиваться там до положенного срока. В результате ребенок был бы практически идентичен кому-нибудь из супругов: или матери или отцу. При бесполом размножении, к которому относится и клонирование, вредные мутации всегда сохраняются и от оригинала передаются всем, без исключения, потомкам. При половом размножении такие мутации в большинстве случаев приобретают рецессивные признаки, т.е. те, которые не обязательно должны проявиться и с каждым поколением они все больше подавляются. Большинство же клонированных существо обречено на гибель по причине деградации. Только очень малый процент существ, получивших исключительно положительные мутации, способен выжить в перспективе. Именно от таких жизнеспособных особей происходит очередные массовые увеличения численности вида в животном мире. Следует отметить, что эта возможность предполагается исключительно для мелких и простейших животных и растений. Плодовитость высокоразвитых животных и человека сравнительно невелика, поэтому такой способ размножения, как клонирование, непременно приведет к деградации, так как процесс вымирания происходит быстрее размножения.

Также известно, что конечные клоны практически не соответствуют оригиналу, т.е. исходному генотипу. Ученые уже сделали вывод, что сохранение точной копии оригинала невозможно ни при каких условиях и с течением времени в каждом последующем поколении клонов эта точность идентичности будет ухудшаться. Также не вызывает сомнений, что через 8-10 поколений все положительные показатели клона, взятые от оригинала, изживут себя.

При естественном размножении, чем больше скрещиваются между собой особи с разными признаками, тем сильнее и выносливее потомство. Такой способ размножения позволяет уменьшить недостатки мутационных изменений, неизбежно происходящих в природе.

Мысль о том, что если орган для пересадки нельзя достать, то его надо сделать, высказывал еще в конце 1980-х гг. директор программы по пересадке печени в Бостонской детской больнице доктор Чарльз Ваканти. Однако орган - очень сложная система: он включает множество разнообразных тканей, его пронизывают кровеносные сосуды, нервы. Возьмём, например, нос и уши. Их форма создается хрящом, а хрящ устроен достаточно просто. В нем нет ни кровеносных сосудов, ни нервных окончаний. Чтобы получить искусственное ухо, делают следующее. Из пористого полимера отливают нужную форму и «заселяют» ее хондроцитами - клетками, создающими натуральный хрящ. Сами по себе хондроциты выращивать вне организма удается, однако уши и носы в пластиковых чашках не вырастают. Хондроциты сами по себе такие сложные пространственные формы создавать не умеют. Однако им можно помочь, расположив их в пространстве нужным образом. Через некоторое время волокна полимера, из которого был сделан шаблон, рассасываются, и получается «живой» хрящ нужной формы.

Это уже кое-что, хотя до почки или печени еще далеко. Они состоят из разных тканей, и вряд ли удастся «собирать» из них эти органы наподобие того, как на конвейере собирают из отдельных деталей автомобиль. Здесь человеческая и биологическая технологии расходятся. Человеческая техника построена на сборке сложных агрегатов из блоков, которые создаются заранее и отдельно. Биологическая техника основана на постепенном, пошаговом «выращивании» структур из развивающихся зачатков. Никаких заранее созданных частей при этом не существует. Все они формируются в процессе развития. Если ученым удастся заставить выделенные клетки действовать таким же образом, то появится, хотя и отдаленный, шанс на получение сложных искусственных органов вроде печени или почек. Наконец, существует еще один путь развития трансплантологии. Человечество научилось летать, но делает оно это совсем не так, как птицы. Самолеты крыльями не машут. Возможен такой путь и в медицине. Более того, он уже постепенно осуществляется. Создан и работает прибор «искусственная почка». Пока живых клеток в нем нет. Но, быть может, в будущем удастся создать этакого «кентавра» - начиненный электроникой орган, в состав которого будут входить живые ткани. Он не будет копией натуральной почки, но функции ее выполнять станет отменно.

Размещено на Allbest.ru