Przełom w laboratorium: inżynierowie wyhodowali działający fragment przełyku z komórek świni

Naukowcy po raz pierwszy odtworzyli w laboratorium fragment przełyku z komórek zwierzęcia, a następnie wszczepili go z sukcesem.

Eksperyment przeprowadzono na miniaturowych świniach i obserwowano je przez pół roku. Zwierzęta, którym usunięto część naturalnego przełyku, wróciły do normalnego jedzenia, jakby ubytek nigdy nie istniał. Dla lekarzy zajmujących się dziećmi z ciężkimi wadami przewodu pokarmowego to bardzo mocny sygnał, że zbliża się nowa era leczenia.

Dlaczego przełyk tak trudno naprawić

Przełyk kojarzy się często z prostą rurą, która łączy gardło z żołądkiem. W rzeczywistości to znacznie bardziej skomplikowany narząd. Musi rytmicznie kurczyć się i rozluźniać, przekazywać impulsy nerwowe, a do tego wytrzymywać ciągłe rozciąganie i nacisk pokarmu oraz płynów.

Klasyczne operacje rekonstrukcyjne są bardzo obciążające. Chirurdzy często muszą „poświęcić” fragment żołądka lub jelita, żeby zastąpić brakujący przełyk. U dzieci z długoodcinkową atrezją przełyku (wrodzonym brakiem jego części) takie zabiegi bywają wieloetapowe, wiążą się z licznymi powikłaniami i latami kontroli.

Nowe podejście polega nie na przenoszeniu innego narządu w miejsce przełyku, lecz na zbudowaniu żywego fragmentu przełyku od zera, z użyciem komórek samego pacjenta.

Jeśli taka technika sprawdzi się u ludzi, dzieci z ciężkimi wadami wrodzonymi oraz dorośli po nowotworach przełyku mogliby uniknąć części najbardziej inwazyjnych operacji.

Jak powstał laboratoryjny przełyk ze świńskich tkanek

Biologiczny „szkielet” z usuniętymi komórkami

Zespół kierowany przez chirurga dziecięcego Paolo De Coppiego z University College London zaczął od pobrania od świni fragmentu przełyku. Następnie poddano go procesowi tzw. dekomórkowania. Z tkanek usunięto wszystkie żywe komórki, pozostawiając jedynie matrycę pozakomórkową – coś w rodzaju trójwymiarowej, biologicznej rusztowania.

Taki szkielet zachowuje naturalny kształt i strukturę narządu: układ włókien, warstw i przestrzeni, w których normalnie znajdują się komórki. Jednocześnie pozbawia się go elementów, które mogłyby wywołać silną reakcję immunologiczną po przeszczepieniu.

Własne komórki jako „materiał budowlany”

Kolejny krok to zasiedlenie tej konstrukcji komórkami biorcy. Badacze pobrali od miniaturowych świń ich własne komórki mięśniowe. W laboratorium przeprogramowali je do postaci komórek o charakterze macierzystym, zdolnych do przekształcenia się w różne typy komórek potrzebne w przełyku.

Tak przygotowaną mieszankę wstrzyknięto do oczyszczonej matrycy przełyku. Przez tydzień całość przebywała w biorreaktorze, który zapewniał odpowiednie warunki – dopływ tlenu, składników odżywczych i bodźce mechaniczne sprzyjające prawidłowemu ułożeniu komórek.

Od pobrania tkanek do gotowego przeszczepu mijało około dwóch miesięcy – czas zbliżony do realnych terminów planowego leczenia dzieci z ciężkimi wadami przełyku.

Eksperyment na miniświniach: czy sztuczny przełyk naprawdę działa

Usunięcie fragmentu przełyku i wszczepienie przeszczepu

W badaniu wzięło udział osiem miniaturowych świń ważących około 10 kilogramów. Chirurdzy usunęli u nich fragment przełyku o długości 2,5 centymetra. Ubytek zastąpiono wyhodowanym w laboratorium przeszczepem.

Nowy fragment przełyku zabezpieczono specjalną biodegradowalną siatką. Miała ona kilka zadań: stabilizować przeszczep w pierwszych tygodniach, ułatwiać wnikanie naczyń krwionośnych oraz wspierać odbudowę tkanek. Z czasem materiał stopniowo się rozkładał.

Co działo się w organizmach zwierząt

W publikacji w czasopiśmie Nature Biotechnology opisano półroczny okres obserwacji. Pięć świń przeżyło cały ten czas, jadło normalnie i prawidłowo przełykało. U trzech pozostałych zespół zdecydował o wcześniejszym uśpieniu ze względów dobrostanu, aby ograniczyć cierpienie zwierząt.

Analiza wykazała, że w obrębie przeszczepu rozwinęły się:

• włókna mięśniowe zdolne do kurczenia się,
• włókna nerwowe przekazujące impulsy,
• gęsta sieć naczyń krwionośnych odżywiająca tkankę.

Co szczególnie ważne – w ciągu trzech miesięcy implanty wytwarzały ciśnienie wystarczające do sprawnego przesuwania pokarmu do żołądka. Zwierzęta nie wymagały płynnej diety ani specjalnego karmienia na dłuższą metę.

Wszystkie świnie przeszły bez powikłań najbardziej ryzykowne pierwsze 30 dni po zabiegu, które w transplantologii uchodzą za krytyczne.

U części zwierząt pojawiły się miejscowe zwężenia odtwarzanego odcinka przełyku. Zespół poradził sobie z nimi przy użyciu endoskopu, stosując metody podobne do tych, które rutynowo wykorzystuje się u ludzi – mechaniczne poszerzanie przewężonego miejsca.

Co jeszcze trzeba dopracować zanim skorzystają z tego pacjenci

Problem długości i unaczynienia

Dotychczasowe przeszczepy miały niewielką długość. U dzieci z rozległymi wadami przełyku potrzeba czasem 10, a nawet 15 centymetrów brakującego odcinka. Zwiększenie długości fragmentu oznacza znacznie większe wymagania dotyczące dopływu krwi.

Bez odpowiednio gęstej sieci naczyń krwionośnych centralna część długiego przeszczepu mogłaby zamierać. Dlatego obecnie zespół skupia się na opracowaniu sposobów wstępnego „uzbrojenia” matrycy w naczynia lub takich technik wszczepiania, które maksymalnie ułatwią wnikanie krwi do całego odcinka.

Standaryzacja procesu w laboratorium

Jeśli ta metoda ma trafić do szpitali, nie może opierać się na ręcznym, żmudnym dopracowywaniu każdego przeszczepu. Naukowcy pracują nad stworzeniem linii produkcyjnej, na której z przygotowanych wcześniej świńskich matryc będzie można szybko tworzyć implanty „szyte na miarę” dla konkretnego pacjenta.

Docelowo lekarze mogliby zamówić gotową matrycę przełyku, a następnie zasiedlić ją komórkami pobranymi od dziecka lub dorosłego, bez potrzeby długotrwałego dostosowywania całego procesu od zera.

Zastosowanie komórek biorcy ma jeszcze jedną ogromną zaletę: ogranicza potrzebę stosowania mocnych leków immunosupresyjnych, które dziś przy przeszczepach narządów są standardem. W przypadku małych dzieci, których organizm dopiero się rozwija, to szczególnie istotne.

Kiedy realna szansa na zabiegi u ludzi

Zespół Paolo De Coppiego szacuje, że jeśli kolejne eksperymenty na zwierzętach potwierdzą bezpieczeństwo i skuteczność metody, pierwsze próby kliniczne u dzieci mogą rozpocząć się w ciągu trzech–czterech lat. Najprawdopodobniej będą to bardzo starannie wyselekcjonowane przypadki najcięższych wad przełyku, dla których obecnie brakuje satysfakcjonujących opcji.

W dalszej perspektywie ta technika może pomóc także dorosłym pacjentom, którzy stracili fragment przełyku z powodu nowotworu czy chemicznego oparzenia. Zamiast skomplikowanych operacji z użyciem fragmentów żołądka lub jelita pojawiłaby się możliwość uzupełnienia brakującego odcinka bardziej naturalnym przeszczepem.

Jak to może wyglądać w praktyce dla pacjenta

W hipotetycznym scenariuszu dziecku z rozległą wadą przełyku lekarze pobierają niewielką ilość komórek z mięśni. W laboratorium specjaliści zamieniają je w bardziej „elastyczne” komórki o charakterze macierzystym i umieszczają na gotowej matrycy ze świńskiego przełyku. Po kilku tygodniach do dwóch miesięcy powstaje fragment tkanek, który można wszczepić podczas planowego zabiegu.

Po operacji dziecko przez jakiś czas pozostaje pod ścisłą kontrolą. Endoskopista regularnie sprawdza wnętrze przełyku i w razie miejscowych zwężeń może je poszerzyć, zanim zaczną utrudniać połykanie. Taki przeszczep, teoretycznie, miałby szansę rosnąć razem z małym pacjentem, zmniejszając ryzyko konieczności kolejnych dużych operacji w przyszłości.

Szerszy obraz: medycyna regeneracyjna nabiera tempa

Historia świńskiego przełyku przebudowanego z użyciem komórek biorcy to tylko jeden z przykładów, jak szybko rozwija się medycyna regeneracyjna. Podobne podejścia testuje się już przy odtwarzaniu fragmentów tchawicy, pęcherza moczowego czy skóry. Wspólną cechą jest wykorzystanie matryc tkankowych i własnych komórek pacjenta.

Takie rozwiązania wymagają jednak solidnej infrastruktury – dobrze wyposażonych laboratoriów, standaryzowanych procedur i ścisłej współpracy chirurgów, biologów komórkowych i inżynierów biomedycznych. Równolegle toczy się dyskusja etyczna dotycząca wykorzystania tkanek zwierzęcych oraz kosztów takich terapii. Jeśli uda się je obniżyć, zyska na tym nie tylko wąska grupa pacjentów z rzadkimi wadami, ale cała gastroenterologia i chirurgia onkologiczna.