Множество биологических молекул можно использовать в качестве лекарственных препаратов или средств их доставки к биологическим мишеням – определенным молекулам в составе клеток или их оболочек. В силу своей совместимости с тканями человека и способности распадаться после выполнения своих функций биологические молекулы обладают существенным преимуществом перед разработанными в добиотехнологическую эру медицинскими материалами и средствами доставки препаратов.
Например, гиалурон 100 ( гиалуроновая кислота ) – полисахарид, синтезируемый рядом организмов и представляющий собой эластичные водорастворимые молекулы, используется для предотвращения формирования послеоперационных шрамов при удалении катаракты, облегчения боли и улучшения подвижности суставов пациентов с остеоартритом, предотвращения агрегации тромбоцитов на поверхностях таких медицинских приспособлений, как катетеры и стенты ( устройства для восстановления просвета в полых органах ).
Гель из коллагена и эластина – белков, составляющих основу внеклеточного матрикса, обеспечивающего взаимодействие клеток, используется для ускорения заживления ожогов.
Марлеподобные лоскуты, сплетенные из длинных волокон фибриногена – белка, запускающего процесс свертывания крови, – могут использоваться для остановки кровотечений в экстренных ситуациях.
Адгезивные белки, синтезируемые живыми организмами, могут заменить хирургические нити и скобы, используемые для наложения швов. Они быстро и прочно склеивают живые ткани, а со временем адсорбируются и рассасываются.
Инновационное применение специально спроектированных биологических материалов используется для лечения больных в различных областях медицины ( травматология, ортопедия, стоматология, имплантология, челюстно-лицевая хирургия. эстетическая медицина, косметология ).
Биотехнологии позволяют усилить естественную способность организма к самовосстановлению. Человеческое тело обладает большим набором инструментов для содержания организма в порядке. В этот набор входят многочисленные белки и различные популяции стволовых клеток, способные излечивать заболевания, восстанавливать повреждения и обновлять изнашивающиеся со временем фрагменты организма.
Тканевая инженерия сочетает в себе достижения клеточной биологии и материаловедения и тем самым позволяет создавать в лабораторных условиях полусинтетические ткани и органы. Такие ткани состоят из биосовместимого каркаса, который в организме постепенно разлагается и адсорбируется, и живых клеток, выращенных с помощью методов культивирования клеточных культур. Конечной целью этого направления науки является возможность выращивания полноценных органов, состоящих из разных типов клеток и способных заменить органы, поврежденные в результате болезни или травмы.
В наиболее простых подходах тканевой инженерии для изготовления каркасов используются биологические материалы, такие как коллаген. Например, при изготовлении двухслойного кожного трансплантата коллагеновый гель инфильтрируется клетками соединительной ткани, после чего создается защитный поверхностный слой, состоящий из более устойчивых к внешним воздействиям клеток. Другие методы заключаются в создании жесткого каркаса из синтетического полимера, придании ему необходимой формы и последующей имплантации. Возможен также синтез полимеров из натуральных соединений. Такие полимеры обеспечивают создание более гибких каркасов, подходящих для создания кровеносных сосудов и полых органов. После имплантации такого каркаса в организм происходит его заселение клетками окружающих тканей. Другие варианты терапии подразумевают заселение каркаса выращенными в лабораторных условиях клетками перед проведением процедуры имплантации.
Первыми в лабораторных условиях были созданы простые ткани, такие как кожа и хрящ. Недавно ученым удалось создать биогибридную почку, которая способна поддержать жизнедеятельность пациента, страдающего острой почечной недостаточностью, в течение времени, требующегося для восстановления пораженной почки. У группы пациентов, вероятность выживания которых при лечении традиционными методами оценивалась в 10-20%, полностью восстановились функции почек и они покинули больницу в весьма удовлетворительном состоянии благодаря тому, что трансплантация биогибридных почек предотвратила развитие симптомов, характерных для острой почечной недостаточности: инфицирования, сепсиса, нарушения работы других органов. Гибридная почка состоит из полых трубочек, засевающихся почечными стволовыми клетками, которые пролиферируют до тех пор, пока полностью не покроют внутреннюю поверхность трубочек. Впоследствии эти клетки дифференцируются в клетки почек, способные синтезировать ряд гормонов и участвующие в фильтрации крови. Кроме выполнения непосредственных метаболических функций почки, гибридная почка способна адекватно реагировать на сигналы, посылаемые другими органами и тканями организма.
В человеческом организме синтезируется целый набор небольших белков, получивших название факторов роста. Эти белки стимулируют рост и деление клеток, а также, в некоторых случаях, управляют их дифференцировкой. Эти естественные белки, управляющие регенерацией тканей, могут использоваться при лечении ран, восстановлении поврежденной ткани, а также в тканевой инженерии, описанной выше. Белковая природа этих веществ дает возможность их крупномасштабного производства с помощью трансгенных микроорганизмов, растений или животных и последующего использования в качестве терапевтических агентов.
К наиболее важным факторам роста относятся: – факторы роста эпидермиса, которые стимулируют деление клеток кожи и могут использоваться для ускорения заживления ран;
– эритропоэтин, способствующий продукции эритроцитов и известный как один из первых биотехнологических продуктов;
– фактор роста фибробластов, стимулирующий рост клеток и использующийся при лечении ожогов и язв, а также для стимуляции роста новых кровеносных сосудов у пациентов с блокадой коронарных артерий;
– трансформирующий фактор роста-бета, помогающий эмбриональным клеткам дифференцироваться в различные ткани и запускающий рост новых тканей во взрослом организме;
– фактор роста нервов, способствующий росту нервных клеток и являющийся потенциальным терапевтическим агентом для лечения пациентов с повреждениями головного и спинного мозга, а также дегенеративными заболеваниями нервной системы, например, болезнью Альцгеймера.