Біоінженерна органоїдна шкіра в пластичній хірургії

Тканинна інженерія - одна з самих перспективних галузей в сучасній пластичній хірургії, так звана регенеративна або стимулююча хірургія.

У тканинній інженерії застосовуються два основні методи:

1. In vivo: стимуляція розмноження власних клітин під впливом відповідних біоматеріалів або чинників зростання (відновлення) втраченої функції за допомогою генної терапії.

2. Ex vivo: використання клітин, здатних рости і розмножуватися в культурі. Такі клітини поміщають в основу (підтримувальний тривимірний матрикс, що складається з гіалуронової кислоти, колагену, хітозану або штучних компонентів, у випадку культивування фібробластів або кератиноцитів). Увесь комплекс в наступному може бути пересаджений в організм хазяїна.

Зазвичай під словами "тканинна інженерія" мають на увазі другий метод. Його широко використовують, він є найбільш багатообіцяючим. Він припускає використання біоматеріалів, таких як підтримувальний матрикс і живі клітини. Крім того, в цей комплекс можна додавати біологічно активні молекули, що сприяють зростанню і/або диференціюванню клітинних компонентів.

Таким чином, можна сполучати структурні і механічні достоїнства біоматеріалів і біологічні переваги клітин і/або біологічно активних речовин в єдине ціле, отримуючи сурогат, здатний взаємодіяти з організмом хазяїна, компенсуючи функціональну недостатність або ж модулюючи біологічні феномени (наприклад зростання тканини і її реактивність).

Клітини, що пересаджуються, можуть бути гетерологічними, узятими від різних видів тварин, алогеними, узятими від іншої особи в межах одного виду, і аутологічними, узятими з того ж самого організму. Найкращі результати досягаються при використанні аутологічних клітин, бо вони не викликають імунної реакції з боку організму хазяїна. Таким чином, можна уникнути використання імуносупрессантів, які мають безліч побічних ефектів, часом досить серйозних.

Можна використовувати клітини різної міри зрілості: диференційовані тканинноспецифічні клітини, клітини-попередники, що виділені із спеціалізованих тканин, наприклад стволові клітини кісткового мозку, або навіть ембріональні клітини-попередники, похідні бластомеру. Аутологічні клітинні культури знайшли своє застосування в реконструктивній та пластичної хірургії: культури аутологічних фібробластів і кератиноцитів використовуються для лікування великих дефектів шкіри. На сьогодні М. Ейземанн-Кляйн і Д. Нейханн-Лоренц винайшли і обґрунтували метод клінічного застосування in vitro органотипічної комбінованої культури, що складається з матриксу із фібробластами й аутологічними кератиноцитами, яка імітує архітектоніку нормальної шкіри. Її використання дозволяє скоротити терміни лікування і час реабілітації хворих з великими дефектами тканин голови та шиї.

Біоінженерна шкіра може бути використана в усіх випадках втрати великих ділянок власної шкіри. Такі стани можна класифікувати за етіологією на опіки, травматичні пошкодження, хірургічні рани і судинні порушення.

Тканинна інженерія нерозривно пов'язана з розробкою біологічних матеріалів. Біоматеріали дуже важливі для клітинних культур в тривимірному середовищі, бо вони допомагають клітинам вишикуватися в геометричну структуру, що нагадує таку в справжній живій тканині або органі. До останнього покоління біоматеріалів відносяться складні ефіри гіалуронової кислоти (HYAFF). Існують напівсинтетичні біоматеріали, які отримують шляхом модифікації природних полімерів з метою поліпшення їх механічних властивостей, підвищення керованості і зміни часу розпаду. Такій модифікації зазвичай піддаються полісахаріди із-за своєї підвищеної гідрофільності, яка робить їх найбільш відповідним матеріалом для отримання основи для клітинних культур. Розвиток в цьому напрямі привів до отримання пластин, що розсмоктуються, які використовуються як підтримуючі матриці для зростаючих клітинних культур in vitro, а також як субстрат для транспортування і пересадки культур клітин і для тривимірної реконструкції тканин (тривимірні пластини, що імітують нормальну структуру міжклітинної речовини).

Ідея відтворення шкіри in vitro завжди була дуже привабливою для біоінженерів, і на рішення цього непростого завдання вони витратили велику кількість часу. У клінічній роботі такі методи украй потрібні: щорічно в Європі 6000 чоловік потрапляють в лікарні з опіками III ступеню. Щороку близько 800 тисяч хворих цукровим діабетом звертаються до лікаря із скаргами на виразки, які з дуже погано піддаються лікуванню. Близько 1,5 мільйонів чоловік страждають хронічними виразками різної природи і більш ніж у 3 мільйонів хворих щорічно виникають пролежні.

У 1989 р. Gallico уперше описав методику, засновану на аутотрансплантації кератиноцитів, що культивуються in vitro, автори вже застосовували цю методику на пацієнтах з опіками і пропонували використовувати її для лікування гігантських вроджених гіперпігментованих невусів. Сам невус видаляли до фасції, а при кожній наступній процедурі віддалялася ділянка розміром 6,9 % від площі поверхні тіла. Пересаджені ділянки скорочувалися, особливо в зонах, де тканини м’які, тому цей метод не використовувався на згинальних поверхнях. Крім того, у багатьох випадках епітелізація пересаджених зон була неповною. У 1990 р. Matsuda і Suzuki використовували штучну дерму для лікування гігантського природженого невуса і отримали добрі результати.

У 1999 р. Carsin отримав непогані результати лікування 30 хворих з гострими великими опіками за допомогою аутологічної епітеліальної культури. Деякі учені отримали добрі результати лікування хворих з опіками, з ділянками великої втрати шкіри в результаті травми за допомогою культур фібробластів і аутологічних кератиноцитів.

Комбіновані культури кератиноцитів і фібробластів, що містять колагеновий гідрогель, використовувалися in vitro для вивчення ряду аспектів эпителіально-мезенхімальної взаємодії при регенерації епідермісу і його морфогенезі. Такі традиційні комплекси, проте, виявляють ряд недоліків, таких як обмежена виживаність, недостатня опірність скороченню і слабка фіксація епідермісу до колагенового матриксу. Крім того, для клінічного застосування треба уникати використання стороннього колагену, оскільки це спричиняє за собою неминучу загрозу інфекційних або імунологічних ускладнень.

У 2004 були опубліковані цікаві результати імплантації щурам пластинок комбінованої культури, що складається з фібробластів і кератиноцитів, які розмножуються на основі власного колагену. Завдяки звільненню клітинами культури великої кількості чинників зростання загоєння ран у лабораторних тварин значно прискорилося.

У 2005 році вийшла публікація, присвячена результатам клінічного дослідження застосування культури донорських зародкових клітин шкіри на колагеновій основі для лікування молодих пацієнтів з опіками.

М. Ейземанн-Кляйн і Д. Нейханн-Лоренц використовували аутологічну органотипічну (рис. 20.3) комбіновану культуру, отримати яку нескладно. Пацієнта оглядають амбулаторно, призначають лабораторні і інструментальні передопераційні дослідження. Одночасно з правої пахової ділянки береться клапоть шкіри площею близько 6 см², який потім доставляють в спеціалізовану лабораторію з виробництва шкірних суррогатів.

Методика приготування культур заснована на наступному методі: зразки шкіри розділяється на епідерміс і дерму. Отримані фібробласти і кератиноцити розмножуються в культурі, потім висіваються на субстрат, утворюючи шкірний сурогат.

Отримання шкірного еквіваленту починається з утворення основи, що складається з бензилового складного ефіру або етерифікованої гіалуронової кислоти, а найчастіше неповного ефіру гіалуронової кислоти. На 1 см другої основи НYAFF 11, що розводять у фібриновому гелі Tissucol, висівається 2x105 фібробластів. Далі, 2x105 кератиноцитів в середовищі для культивування висівається на 1 см² поверхні шкірного еквіваленту. Після чотирьох днів інкубації, під час якої клітини занурені в середу для культивування, рівень останньої опускається для того, щоб клітинна поверхня стикалася з повітрям. Інкубація на межі розділу повітря-ридина призводить до розвитку in vitro епідермальної поверхні, аналогічної роговому шару справжньої шкіри.

Таким чином, результати, що отримані при експериментальній пересадці in vitro органотипічної спільної культури фібробластів і кератиноцитів на основі НYAFF 11, показали можливість лікування людей за допомогою комплексних структур отриманих лабораторним шляхом, що складаються з штучної частини (основа) і аутологічного змішаного клітинного компонента. Скорочення термінів госпіталізації і можливість проведення всього однієї операції - чинники, що примушують світову медицину наполегливо продовжувати боротьбу з технічними труднощами. Наступний важливий крок в тканинній біоінженерії - отримання шкірного сурогату, що складається з епідермісу і дерми і включає інші клітинні елементи, такі як ендотелій судин, що дозволяють створити в трансплантаті власну капілярну мережу. Це гарантує адекватне живлення нової тканини. Васкуляризація - надзвичайно важливий чинник в пересадці як шкірного сурогату, так і будь-яких інших тканин, що трансплантуються.