Гены, ушедшие в тень после рождения: наука подбирает ключ к восстановлению тканей на уровне эмбриона

Разговоры о регенерации человеческих тканей давно вышли за рамки научной фантастики: сегодня учёные изучают механизмы, позволяющие организму восстанавливать утраченные структуры так же эффективно, как это делают некоторые животные. Человеческий эмбрион до восьмой недели способен регенерировать повреждения почти без следа, однако позже организм отключает гены восстановления, и биологи до сих пор не знают причин этой блокировки. Тем не менее российские исследователи уже делают первые шаги к тому, чтобы вернуть такую способность взрослому человеку. Об этом сообщает naked-science.

Фото: Портал мэра и правительства Москвы / mos.ru by Без автора, https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/

Тестирование

Почему регенерация у человека блокируется

Способность полностью восстанавливать ткани у разных организмов связана с набором активных генов и механизмами их подавления. В раннем человеческом эмбрионе регенерация идёт стремительно: повреждение приводит к миграции клеток в проблемную область, их делению и возобновлению структуры. По данным исследований, даже искусственно созданные эмбрионоподобные модели, полученные из стволовых клеток взрослого человека, демонстрируют аналогичную реакцию. Это говорит о том, что потенциал восстановления в нас заложен, но со временем перестаёт работать.

К концу восьмой недели эмбрион обладает сформированными органами и не уступает по сложности взрослому организму, но при этом теряет способность восстанавливать крупные повреждения. Учёные связывают это с деактивацией систем WNT, BMP и FGF — сигнальных белков, участвующих в развитии тканей и обновлении клеток. Фибробласты, отвечающие за восстановление соединительной ткани, также изменяют своё поведение: вместо полноценного восстановления они запускают процесс рубцевания.

Причины такого перехода остаются неизвестными. Одна из гипотез предполагает влияние иммунной системы взрослого организма: быстрый иммунный ответ может формировать рубец, чтобы защитить ткани от инфекции. Но эта теория объясняет далеко не всё. Например, регенерация сердечной мышцы после инфаркта не связана с проникновением бактерий, однако сердце человека всё равно замещает повреждённые клетки плотной фиброзной тканью, что ухудшает функционирование органа.

Дополнительный интерес вызывает нейрогенез — формирование новых нейронов у взрослых. Хотя он действительно возможен, он ограничен несколькими зонами головного мозга. При этом логика формирования рубцовой ткани в разных видах клеток остаётся неочевидной. Биологи предполагают, что у млекопитающих присутствует мощный эпигенетический барьер, который не позволяет возвращать активный режим регенерации, характерный для ранних стадий развития.

Попытки включить этот механизм предпринимались на животных моделях. Полное восстановление удалось добиться у рыб, частично — у мышей. Полученные результаты обнадёживают, но до полноценного регенеративного ответа млекопитающих ещё далеко.

Первые шаги к практической регенерации: работа с костными тканями

Пока фундаментальная наука разбирается в молекулярных причинах потери регенеративной способности, практическая медицина ищет способы укрепить восстановительные процессы, которыми человеческое тело уже обладает. Особенно это заметно в травматологии, где кости после переломов способны восстанавливаться, но только при условии правильной фиксации.

Российская компания "Росатом МеталлТех", входящая в структуру топливного дивизиона "ТВЭЛ", занимается созданием титановых пластин и штифтов для остеосинтеза. Они фиксируют фрагменты костей в правильном положении, помогая организму сформировать здоровый костный мост. Годовой объем выпуска достигает 140 тысяч имплантатов — это значимый вклад в улучшение травматологической помощи.

Титановые конструкции востребованы благодаря высокой биосовместимости: они не выделяют токсичных элементов, устойчивы к коррозии и не вызывают иммунных реакций. Это важное преимущество, поскольку механические протезы, даже качественные, не обладают эволюционно выработанной способностью выдерживать нагрузку так же надёжно, как человеческая кость. Сложные физические усилия — например, упражнения со штангой — могут создавать риск повреждения протезов, что делает корректную фиксацию переломов особенно значимой.

Значимую роль играют и интрамедуллярные штифты, используемые при переломах крупных костей — плечевой, бедренной, большеберцовой. Вместе с имплантатами применяются рентгенопрозрачные инструменты, облегчающие работу хирурга, и фиксирующие винты запатентованных конструкций.

Отдельное направление — титановые имплантаты, изготовленные методом аддитивных технологий. В научных институтах "Росатома" разработали процесс электронно-лучевой печати индивидуальных имплантатов по цифровой модели пациента. Это особенно важно для челюстно-лицевой хирургии, где точность формы определяет эффективность восстановления. Изделия создаются за одну неделю, что делает их удобным инструментом персонализированной медицины.

Поверхность таких конструкций покрывают биоактивным двуслойным материалом, близким к минеральной структуре костной ткани. Эти остеотропные покрытия облегчают интеграцию имплантата: верхний слой постепенно поглощается организмом, а клетки костной ткани быстрее "заселяют" поверхность, снижая риск формирования фиброзной капсулы.

Биофабрикация как новый этап регенеративной медицины

Когда повреждение слишком серьёзное, одной фиксацией костей ограничиться невозможно. Здесь вступает в игру биофабрикация — создание тканей из собственных клеток пациента. В отличие от пересадки донорских органов, где иммунитет может атаковать чужеродную ДНК, биофабрикация исключает риск отторжения. Это снижает потребность в иммунодепрессантах и делает технологию особенно актуальной для детей, у которых пересаженные органы должны расти вместе с организмом.

Учёные "Росатома" разработали биофабрикатор, способный выращивать кровеносные сосуды длиной до 10 сантиметров. Подход основан на использовании клеток пациента, из которых сначала формируются сфероиды — микроскопические клеточные структуры. Затем под действием магнитных и акустических полей сфероиды соединяются в полые формы, формируя стенки сосуда. Эту структуру помещают в биореактор, где она дозревает под воздействием питательных сред и механической стимуляции, имитирующей естественные пульсации.

Такой подход вырос из технологий биопечати, которые ранее использовали гидрогели. Однако низкая плотность клеток в гидрогеле снижала скорость формирования тканей. Российские разработки упростили процесс: сфероиды обеспечивают высокую плотность клеточного состава, а отсутствие гидрогеля позволяет равномерно снабжать клетки питательными веществами. Это увеличивает выживаемость и улучшает формирование структуры.

Проект биофабрикации включает и эксперименты по выращиванию сложных органов. Примером стало создание щитовидной железы мыши на борту Международной космической станции в 2018 году — первый успешный опыт такой сложности. В условиях невесомости выращивание сфероидов облегчалось, и пересаженный орган успешно функционировал, вырабатывая тироксин.

В современных исследованиях особое внимание уделяется магнитным технологиям удержания клеток. Они позволяют агрегировать значительные объёмы материала и формировать крупные структуры, что необходимо при создании полноценного органа. Однако сложная геометрия остаётся труднодостижимой, и именно для её решения привлекаются разработки в области сверхпроводящих магнитов.

"Я убежден: все, что создано природой, человек сможет вырастить", — заявил директор научно-производственного центра медицинских изделий НИИТФА Владислав Парфенов.

Эти слова отражают направление исследований, которые уже дают практические результаты. Эквивалент кровеносного сосуда, созданный биофабрикатором, был пересажен в бедренную артерию кролика. Животное перенесло процедуру без осложнений, а ткань функционировала как естественная.

Сравнение технологий: биофабрикация и традиционные имплантаты

Развитие регенеративной медицины предполагает сосуществование разных технологий: механических имплантатов, биофабрикации и процедур, основанных на стимулировании собственных резервов организма. Их сравнение помогает увидеть сильные и слабые стороны подходов.

Традиционные титановые имплантаты прочны, биосовместимы и эффективны при переломах. Они обеспечивают быстрый результат и понятную схему лечения. Но они не заменяют ткани полностью и имеют ограничения при высоких нагрузках.

Биофабрикация использует клетки пациента и позволяет создавать структуры, которые органично интегрируются в организм. Этот подход менее зависим от внешних материалов и направлен на восстановление естественной функции. Но он требует значительных ресурсов и времени.

Комплексные методы, основанные на реактивации генов регенерации, находятся в ранней стадии разработки. Они могут стать ключом к восстановлению сложных тканей, но пока требуют фундаментальных исследований.

Плюсы и минусы технологий восстановления тканей

Современная регенеративная медицина объединяет подходы разной сложности и назначения. Чтобы понять их потенциал, полезно оценить ключевые аспекты каждого направления и их влияние на пациента.

Преимущества биофабрикации заключаются в использовании собственных клеток человека. Исключение отторжения делает этот метод уникальным. Он позволяет создавать структуры, способные функционировать как естественные органы. Кроме того, такие решения могут применяться у детей, где важно развитие тканей.

Недостатки биофабрикации включают длительность выращивания тканей и сложность технологического процесса. Создание крупных органов требует точного управления клетками и условий роста.

• Плюсы: отсутствие риска отторжения, высокая биосовместимость, возможность создавать ткани любой сложности.
• Минусы: длительное производство, зависимость от технологической базы, ограниченность по размеру создаваемых структур.

Советы по восстановлению после операций и травм

Пациентам, проходящим лечение с использованием имплантатов или тканей, важно соблюдать рекомендации врача. Восстановление начинается с контроля физической нагрузки: костям и имплантатам требуется время для интеграции. Умеренная реабилитационная программа помогает ускорить восстановление функций.

Питание играет важную роль: белок, кальций, магний и витамины группы B поддерживают регенерацию тканей. Важно следить за гидратацией и избегать вредных привычек, замедляющих восстановление.

Следование графику осмотров и диагностике позволяет вовремя выявлять осложнения. При использовании новых технологий врачи оценивают степень интеграции тканей и корректность формирования новых структур.

Популярные вопросы о регенеративной медицине

1. Возможно ли включить гены регенерации у взрослого человека?
   Теоретически да, но на практике механизм блокировки остаётся неизученным. Исследования на животных показывают частичные успехи.

2. Что эффективнее: имплантаты или биофабрикация?
   Они решают разные задачи. Имплантаты быстро восстанавливают опорные структуры, а биофабрикация создаёт живые ткани, минимизируя риск отторжения.

3. Когда биофабрикация станет массовой?
   По оценкам исследователей, первые серийные решения ожидаются в начале 2030-х годов. Технология требует создания банка клеток и масштабирования процессов выращивания органов.