Искусственная сетчатка стволовые клетки
Из индуцированных стволовых клеток впервые удалось получить фрагмент сетчатки человека, клетки которой оказались чувствительны к свету.
Гибель клеток сетчатки служит одной из главных причин ухудшения зрения, особенно в пожилом возрасте. Болезнь может затрагивать и сами фоторецепторы, палочки и колбочки, и питающие их клетки, и те, что проводят сигнал от фоторецепторов дальше в мозге. И, к сожалению, до сих пор в таких случаях всё ограничивается поддерживающей терапией и попытками по возможности замедлить болезнь. С потерей же фоторецепторов приходится мириться: что пропало, то пропало. Так что больному остаётся лишь рассчитывать на то, что его состояние не ухудшится.
Однако со временем исследователи стали задумываться над тем, нельзя ли как-то скомпенсировать гибель клеток сетчатки. Один из вариантов – это использовать электронный протез, вроде тех, что создала компания Second Sight. Здесь действительно удалось достичь крупных успехов: протез под названием Argus II стал первым «заменителем сетчатки», рекомендованным к широкому использованию Министерством здравоохранения США.
Другой способ компенсировать дегенерацию сетчатки подразумевает использование стволовых клеток. В 2011 году исследователи из Джорджтаунского университета впервые сумели вырастить клетки сетчатки из индуцированных плюрипотентных стволовых клеток, которые можно получить из обычных специализированных клеток взрослого человека. Спустя год сотрудники биотехнологической компании ACT вместе с коллегами из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе показали, что больным с заболеваниями сетчатки можно пересаживать эмбриональные (натуральные) стволовые клетки, которые могут улучшить зрение человека, не вызывая иммунного отторжения и не угрожая злокачественной опухолью.
Однако какой бы способ компенсировать отмирание сетчатки вы ни выбрали, с ней есть одна большая проблема, и проблема эта заключается в её очень сложном устройстве. Сетчатка представляет собой своеобразный «бутерброд» из семи типов клеток, распределённых по нескольким слоям. Обычно, когда говорят о лечении стволовыми клетками, то имеют в виду, что необходимую ткань сначала выращивают в лаборатории, а потом пересаживают взамен больной ткани у человека. И, если вы хотите заменить испорченную сетчатку, вам нужно сделать так, чтобы стволовые клетки не только превратились в несколько типов клеток, но и чтобы они сформировали правильную слоистую структуру, иначе такая искусственная сетчатка просто не будет работать. Понимая всю сложность задачи, многие исследователи пытались просто вводить в глаз стволовые клетки, рассчитывая, что они сами смогут встроиться в нужное место.
И всё-таки полноценную сетчатку можно вырастить на лабораторном столе, как это сделали Мария Валерия Канто-Солер (Maria Valeria Canto-Soler) и её коллеги из Университета Джона Хопкинса. Исследователи пытались решить проблему, связанную с получением фоторецепторов из индуцированных стволовых клеток. Когда такое превращение проводят в искусственных условиях, вне организма, то в результате никак не удаётся получить функциональные клетки, которые реагировали бы на свет. В опытах такого рода стволовые клетки обрабатывают сложным коктейлем молекул, имитируя химические сигналы, которые клетки развивающейся сетчатки получают от своих соседей. То, что настоящие фоторецепторы всё-таки не «дозревают» до рабочего состояния, можно было бы списать на несовершенство молекулярного коктейля.
Но, вместо того, чтобы дальше совершенствовать это «зелье превращения», исследователи из Университета Джона Хопкинса пошли по другому пути. Они попытались воссоздать не столько химические, сколько физические условия, такие, как характер поверхности, на которой растут трансформирующиеся стволовые клетки, расстояния между ними и т. д. И действительно, на клетки действует ведь не только химия их окружения, но и физика, и архитектура формирующейся ткани и органа, взаимное расположение клеток относительно друг друга играет тут важнейшую роль.
В статье, опубликованной в Nature Communications, авторы работы пишут, что правильные физические условия заставляли стволовые клетки самих синтезировать необходимые для превращения вещества. В итоге, по словам экспериментаторов, им удалось на лабораторном столе получить кусочек человеческой сетчатки с правильной структурой и довести его до стадии 28-недельного зародыша. На этом этапе развития у фоторецепторов уже должна появляться чувствительность к свету. Исследователи ввели в искусственную сетчатку электроды и обнаружили, что её рецепторы действительно реагируют на свет – искусственная сетчатка была функциональной и весьма походила на обычную.
Имея на руках метод, с помощью которого удастся выращивать функциональную сетчатку из собственных клеток пациента, можно решить проблему всех заболеваний, связанных с дегенерацией зрительных клеток: больную сетчатку будут в буквальном смысле «латать» выращенными в лаборатории фрагментами. Однако, хотя в теории это можно делать хоть сейчас, на практике должен пройти ещё не один год, пока учёные будут оптимизировать и проверять метод в клинических исследованиях.
Сетчатка мыши: синим окрашены кровеносные сосуды, красным – волокна зрительного нерва, оранжевым – ганглионарные нейроны, зелёным – глиальные клетки. (Фото Visuals Unlimited / Corbis.)
Палочки и колбочки в сетчатке человека. (Фото Visuals Unlimited / Corbis.)
‹
›
Источник
В МФТИ на основе машинного обучения создают систему, которая будет сама отбирать и выращивать ткани для трансплантации сетчатки глаза. В ее основе самое простое применение искусственного интеллекта, имеющееся даже в смартфонах, — распознавание изображений. Нейросети определят, какие культуры стволовых клеток развиваются правильно и могут быть пригодны для операции. Такой подход поможет оптимизировать и существенно удешевить создание искусственных сетчаток в будущем. Пока целиком вырастить и пересадить пациенту искусственный орган не смогли нигде в мире — это очень долго и дорого.
Клеточный отбор
Сетчатка глаза выполняет простейшие математические операции со световыми сигналами. Результаты этой первичной обработки изображения отправляются в мозг. Нарушение регуляции выведения из глазного яблока излишней жидкости приводит к ее накоплению и повышению внутриглазного давления. Следствием становится глаукома — поражение сетчатки, в частности, потеря специальных клеток (ганглионаров). Создание искусственной сетчатки позволит заменить поврежденные участки. Другими методами вылечить эту патологию на сегодняшний момент невозможно. Поэтому во всем мире технологиям создания пригодного для пересадки в человеческий глаз материала уделяют огромное внимание.
Биоинформатики лаборатории геномной инженерии МФТИ совместно с партнерами из Гарварда разработали алгоритм и систему принятия решения о пригодности выращенной сетчатки и возможности ее трансплантации. Ученые также создают технологию получения искусственной сетчатки глаза из индуцированных стволовых плюрипатентных клеток (ИПСК). Их можно использовать как строительный материал для различных тканей человека.
В МФТИ вырастили десятки тысяч искусственных сетчаток и поэтапно изучили их развитие. Чтобы правильно обучить нейросеть, ученые накопили огромный массив данных о том, какие образцы развивались правильно, а какие нет.
— С помощью компьютерного зрения система сравнивает потенциальные сетчатки с предложенной качественной выборкой. Для этого мы используем генетически модифицированные ИПСК с флуоресцентным белком — определенным геном, который вводится в клеточную линию и активизируется, только когда сетчатка развивается правильно, — пояснил механизм работы системы руководитель лаборатории геномной инженерии МФТИ Павел Волчков. — Клетки светятся зеленым или красным цветом, когда превращаются в подходящие для выращивания сетчатки культуры, а мы фиксируем это излучение с помощью сканирующего микроскопа. Машина реагирует на подсвеченные образцы и делает снимки морфологической структуры в нескольких срезах.
На следующем этапе искусственный интеллект оценивает сетчатки уже без излучающего свет белка. Это важно, потому что пересадить человеку трансплантат с мутацией в генах нельзя. Поэтому искусственный интеллект обучили также анализировать обычные черно-белые изображения структуры будущих сетчаток, выращенных без генных изменений.
На пути к полной пересадке
Как пояснил Павел Волчков, создать из ИПСК структуру, подобную сетчатке глаза, впервые смогли в Японии. На настоящий момент Британия и США также переходят в фазу клинических испытаний такого трансплантата. Больным с серьезными нарушениями зрения пересаживают выращенные в лаборатории образцы, но это пока не сетчатка целиком, а ее фрагмент в виде заплатки. Российская разработка станет важным шагом на пути к пересадке более значительной части сетчатки, чего пока не делают нигде в мире.
Профессор Петр Баранов из Гарварда, с которым сотрудничает лаборатория геномной инженерии МФТИ, занимается еще одной важной задачей на пути к созданию искусственной части глаза. Он выращивает компонент сетчатки, участвующий в передаче сигнала в визуальный центр мозга. Его будут использовать для восстановления оптического нерва, например, при глаукоме. Это важнейшая работа, так как при нарушении функционирования нерва пересадка искусственной сетчатки не поможет человеку, потерявшему зрение.
Лекарственная терапия, в частности нейропротекторы, которые применяют в настоящее время при повреждениях сетчатки, способны лишь замедлить дегенеративные процессы. Однако они не могут полностью излечить и восстановить зрение, потерянное в результате таких заболеваний, как возрастная макулодистрофия, глаукома или диабетическая ретинопатия, сообщила «Известиям» ведущий научный сотрудник Инжинирингового центра микротехнологии и диагностики СПбГЭТУ «ЛЭТИ» Татьяна Зимина.
— Поэтому исследования в области применения стволовых клеток для замещения клеток сетчатки обещают появление первых эффективных средств для применения в клинической практике, — отметила она.
Директор НИЦ офтальмологии РНИМУ им. Н.И. Пирогова Христо Тахчиди уверен, что разработка российский ученых — важный шаг на пути к пока еще далекому будущему медицины.
— Эта важная и интересная работа, которая приближает нас к созданию искусственной сетчатки. Однако нужно понимать, что после отбора клеточных конструктов нужно их пересадить. Затем проследить, как организм человека реагирует на трансплантат, изучить возможные эффекты. А это вопрос будущего офтальмологии, — сказал эксперт.
В дальнейшем исследователи планируют объединить алгоритм по отбору качественных основ для будущих сетчаток с роботизированным решением, которое позволит оптимизировать и удешевить процесс их выращивания. Отбор и производство можно будет поставить на поток. Сейчас выращивание сетчатки — долгий и трудоемкий процесс, который занимает от 30 до 50 недель. Также он очень затратный: образцы делают в большом количестве — тысячами, чтобы из них отобрать всего несколько лучших. Затем уже из них ученые смогут отыскать один единственный пригодный для пересадки экземпляр.
Новая технология отбора клеточных линий позволит сократить стоимость траснплантата на порядок, а время изготовления — примерно вдвое. Сейчас этот процесс стоит около $100 тыс. и занимает до 50 недель. Однако, как отмечают ученые, речь пока идет только о лабораторных исследованиях.
Источник
.jpg)
Специалисты Центра биологии развития RIKEN (Кобе, Япония) в лабораторных условиях создали из стволовых клеток сетчатку глаза. В журнале «Nature», где были опубликованы результате этого исследования, также было обнародовано предположение, до сих пор казавшееся фантастикой — возможность массового использования искусственной сетчатки для лечения различных заболеваний, в т.ч. пигментного ретинита и макулярной дегенерации.
Японские исследователи использовали для создания светочувствительных клеток сетчатки глаза эмбриональные стволовые клетки мышей — недифференцированные клетки, которые могут превращаться в любые клетки организма.
Слой стволовых клеток спонтанно организовался в сложную структуру, напоминавшую развивающийся глаз эмбриона. Трехмерная слоистая структура напоминала двустенный мешок, который в конечном итоге превращается во внутренний и внешний слои сетчатки глаза. Ученые признались, что и сами были удивлены тем, насколько хорошо клетки самоорганизовались при небольшом вмешательстве извне. По их мнению, получение полностью стратифицированной трехмерной ткани сетчатки является новой ступенью развития регенеративной медицины в лечении дегенеративных заболеваний сетчатки, а также открывает новые возможности для трансплантации искусственной сетчатки целиком, а не отдельных ее участков.
Результаты этого исследования эксперты назвали «поразительными» и выразили надежду, что они дадут надежду на выздоровление многим незрячим и слабовидящим людям во всем мире. Самой распространенной группой потенциальных пациентов, которым могла бы помочь данная методика лечения — люди с возрастной макулярной дегенерацией, наиболее частой причиной слепоты у пожилых людей. Только в Великобритании в настоящее время около 600 000 таких пациентов. Для многих из них невозможно выполнение привычных для большинства людей задач — чтения, просмотра телевизора, вождения автомобиля и т.п.
Исходным материалом в данном исследовании были эмбриональные стволовые клетки мышей, к которым добавили своеобразный коктейль из протеинов, витаминов и стимуляторов роста, чтобы стимулировать процесс превращения стволовых клеток в клетки сетчатки глаза. Полученные клетки были еще незрелыми и примерно соответствовали клеткам сетчатки плода перед рождением. В конечном итоге ученые надеются, что им удастся отработать технологию получения таких клеток в больших количествах, чтобы пациентам с нарушениями зрения могли быть пересажены как отдельные участки сетчатки, так и полностью сформированная сетчатка глаза. Материалом для получения таких клеток может стать, например, небольшая полоска кожи.
По мнению японских специалистов, участвовавших в данном исследовании, в конечном итоге с использованием подобных методик можно создать искусственное глазное яблоко. Одна из биотехнологических компаний в США уже получила лицензию для проведения исследований с участием людей по лечению слепоты с использованием стволовых клеток.
Мнения специалистов
Профессор Джеймс Бейнбридж, Moorfields Eye Hospital NHS Foundation Trust:
Получение искусственной сетчатки из эмбриональных стволовых клеток является новой вехой в регенеративной медицине, которая заполнит множество пробелов в понимании причин глазных болезней. И особенно здорово то, что это также может помочь в получении клеток для трансплантации.
Барбара Мак-Лафлен, благотворительный фонд RNIB:
Это исследование внесло значительный вклад в использование стволовых клеток для лечения пациентов с заболеваниями глаз. Мы приветствуем такие усилия, особенно в проведении фундаментальных исследований, начиная с испытаний на мышах и до проведения исследований с участием людей, которые являются неотъемлемой частью развития эффективных и безопасных методов лечения.
Профессор Робин Али, Университетский колледж в Лондоне:
Это очень и очень важная веха в изучении стволовых клеток. Совершенно поразительно, что полученные искусственным путем структуры выглядят так, как будто они только что взяты из живого организма. Испытания на людях, вероятно, будут проведены в ближайшие 5 лет, а в течение 10-20 лет синтетические клетки сетчатки будут широко использоваться в клинической практике для восстановления зрения у незрячих и слабовидящих людей.
Хирург-офтальмолог Роберт Макларен, Оксфордский университет:
Сама идея получения искусственной сетчатки из стволовых клеток выглядит очень заманчиво, не говоря уж о практических результатах и перспективах использования такой методики в клинической практике.
Использованы материалы BBC, Daily Mail и официального веб-сайта Центра биологии развития RIKEN
Источник: /
Источник
Сетчатка глаза от латинского retina, является внутренней оболочкой глазного яблока, выстилающей его заднюю часть. Сюда проецируется зрительная информация, проходящая через зрачок, здесь она воспринимается и передается для обработки в мозг.
Сетчатка является периферическим звеном зрительного анализатора и обеспечивает восприятие и преобразование света в нервные, а потом и зрительные импульсы.
В сетчатке насчитывают 10 слоев. В ней содержатся палочки и колбочки (фоторецепторы), биполярные, горизонтальные, амакриновые, а также ганглиозные клетки глаза.
Зачем нужна искусственная сетчатка
Существуют патологии, из-за которых могут возникать необратимые изменения сетчатки: травмы, опухоли, кровоизлияния, дегенеративные процессы. В результате человек слепнет.
Поэтому проблема создания искусственной сетчатки в медицине имеет критическую важность.
В диагностике патологии сетчатки применяются: оптическая когерентная томография сетчатки, ретинография, магнитно-резонансная томография, вызванные потенциалы.
Итальянские исследователи
В городе Генуя (Итальянский технологический институт), под руководством профессора Фабио Бенфенати (Fabio Benfenati), создали искусственную сетчатку из органических материалов, биополимеров. Модель работает по принципу фотоэлемента: на поврежденные клетки сетчатки накладывают полимерный материал. Когда на него попадают световые электромагнитные волны, полимер генерирует электроимпульсы и передает их глубжележащим клеткам. Уже проводятся вживления данной конструкции в глаз крыс, взамен их естественной сетчатки.
Япония, Киото
Концерн «Сэйко-Эпсон» создает свою модель сетчатки. Основа – алюминиевая матрица и напыленный на него фотоэлементный слой кремния. Испытания проводятся на морских угрях. Размеры такой искусственной сетчатки могут варьировать от нескольких миллиметров до сантиметра.
Франция, Париж
Доктор Жозе Саэль из госпиталя «Кенз-Вен» провел первую операцию по вживлению искусственной сетчатки человеку. Осложнений и побочных эффектов не наблюдалось. Имплантировали изделие компании «Секонд сайт», которая состояла из 60 фоторецепторов. Аналогичные операции также проведены и в Швейцарии.
США, Стэнфорд
В местном университете исследователи во главе с Джеймсом Лаудине разрабатывают искусственную сетчатку с высоким зрительным разрешением. Их конструкция не требует источника энергии, так как работает по типу солнечной батареи. Основа – кремний со светочувствительными элементами. Для работы также требуются специальные очки и микрокомпьютер. Свет, попадая на встроенные в очки видеокамеры, преобразуется в инфракрасные лучи. Именно ИК излучение и активирует фоточувствительные элементы матрицы.
Комментарии профессора Р.Ф. Гимранова.
В мире более 30 миллионов, ослепших из-за патологии сетчатки людей. Многим из них можно было бы помочь, имея приемлемую по цене технологию искусственной сетчатки глаза. Также необходимы соответствующие медицинские операционные и нейрофизиологические технологии по внедрению имплантата и правильной настройке.
Мы более 20 лет проводим активацию и стимуляцию различных звеньев зрительного анализатора, в том числе и сетчатки. Хорошие результаты наблюдаются при раннем обращении больных с частичной атрофией зрительных нервов, демиелинизирующих заболеваниях, амблиопией. Однако если время было упущено, утрачено, то наши технологии бессильны и таким больным может помочь только искусственная сетчатка глаза.
Была ли эта статья полезна?
Вы можете подписаться на нашу рассылку и узнать много интересного о лечение заболевания, научных достижений и инновационных решений:
Приносим извинения!
Как можно улучшить эту статью?
Гимранов Ринат Фазылжанович
Записаться к специалисту
×
Источник
