Принципи організації і функціонування молекулярного, клітинного і тканинного рівнів життя.

Тема. ГІСТОТЕХНОЛОГІЇ. ПРИНЦИПИ ОРГАНІЗАЦІЇ І ФУНКЦІОНУВАННЯ МОЛЕКУЛЯРНОГО, КЛІТИННОГО І ТКАНИННОГО РІВНІВ ЖИТТЯ

Мета:

ознайомити учнів з одним із напрямів біотехнології – гістотехнологіями та їх значенням у лікуванні хвороб людини;

показати принципи організації і функціонування молекулярного, клітинного і тканинного рівнів життя;

розвивати певні професійні якості майбутніх фахівців: почуття відповідальності, вміння працювати в колективі, культуру мовлення, вміння утримати увагу аудиторії, висловлювати та відстоювати свою думку, враховувати погляди інших;

формувати цілісне сприйняття світу через едність законів природи на прикладі міжпредметних зв’язків (інформатика, зарубіжна література).

Основні поняття і терміни: тканина, орган, організм, біологічна система, тканинна інженерія (гістотехнології), ієрархічність.

Обладнання: опорна схема, комп’ютер, презентація «Гістотехнології», підручник.

Хід уроку

За біотехнологіями – майбутнє подолання грізних захворювань людства.

професор Олександр Кухарчук,

заступник директора Інституту клітинної терапії України

І. Актуалізація опорних знань учнів

Що вам відомо про клітину? Тканину? Орган? Організм?

Мотивація вивчення теми. Властивість живих істот не помирати вічно згадується в багатьох релігіях (наприклад у християнстві, буддизмі, іудаїзмі). Напевно, скільки років існує людина розумна, стільки вона бореться за тривалість життя. У Біблії ми можемо прочитати про старозавітних патріархів, які жили сотні років. Ще в давнину алхіміки, піонери медицини, жерці різноманітних культів намагалися продовжити людське життя за допомогою різноманітних, часом вкрай оригінальних рецептів. З тих пір проминуло багато століть. На сьогодні середня тривалість людського життя в Україні менше 70 років. Онкозахворювання, захворювання серцево-судинної, нервової, видільної систем, шкіри призводять до смерті людей.

Проблемне запитання. А чи можна замінити хворий орган чи реконструювати непридатні тканини? Чи можна досягти безсмертя?

(повідомлення теми, мети та завдань уроку)

ІІ. Вивчення і опрацювання нового матеріалу

Принципи організації і функціонування молекулярного, клітинного і тканинного рівнів життя.

Клітини, тканини, органи, системи органів, організми — це біологічні системи, які складаються з елементів. Наприклад, елементами клітини як цілісної системи виступають її органели, взаємозв'язані між собою, елементами тканин тварин є клітини і міжклітинна речовина, а органи є елементами цілісного організму.

Біологічним системам притаманна ієрархічність. Це означає, що система одного рівня організації може бути елементом системи вищого рангу.

Клітина	Система, що складається з елементів — органел. Може розглядатися як елемент тканини.
Тканина	Система, що складається із клітин; є елементом ще складнішої системи — органа.
Орган	Система, яка складається із клітин і тканин; є елементом більш складної системи — організму
Організм	Система, що складається із взаємозв'язаних і взаємозалежних компонентів — клітин, тканин, органів і фізіологічних систем.

Багатоклітинний організм — це цілісна система. Жоден компонент багатоклітинного організму не може довго існувати самостійно, оскільки не може виконувати одночасно всіх функцій живого. Взаємозв'язки компонентів, поява між ними відмінностей у процесі взаємодії призводять до взаємної залежності, яка не дозволяє компонентам системи існувати поза нею.

Молекулярний, клітинний, тканинний, організмовий рівні життя мають спільні принципи організації та функціонування.

По-перше, вони є відкритими системами і для них характерний обмін речовин.

По-друге, усі живі системи стійкі. Будь-яка жива система може протистояти впливам зовнішнього середовища, використовуючи отримувану ззовні енергію. Живим системам властива адаптація, тобто пристосованість до середовища. Їм притаманний гомеостаз — здатність підтримувати постійність свого внутрішнього середовища.

По-третє, живі системи можуть змінюватися в ході індивідуального й історичного розвитку, тобто еволюціонувати.

Але властивості живих систем на цьому не вичерпуються. Так, живим організмам притаманні спадковість, мінливість, подразливість, циклічність та інші важливі фундаментальні властивості.

Біологічні системи нижчого рівня, наприклад клітини, хоча й підпорядковані системам вищого рівня (організму), але мають певну самостійність, оскільки пов'язані з навколишнім середовищем обміном речовин, енергії та інформації.

Від рівня до рівня спостерігається ускладнення біологічних систем і поява в них нових властивостей і якостей.

2. Гістотехнології (конференція)

Ведучий 1. Одним із напрямів біотехнології, що займається створенням біологічних замісників тканин і органів, є тканинна інженерія, або гістотехнології. Що таке клітинна (тканинна) інженерія? Клітинна (тканинна) інженерія - галузь біотехнології, в якій застосовують методи виділення клітин з організму і перенесення їх на поживні середовища, де вони продовжують жити і розмножуватися. Крім того, клітинна інженерія здійснює гібридизацію соматичних клітин організмів різних видів, родів, родин тощо. Тобто здійснює схрещування організмів, яке неможливо зробити іншим способом (людини і миші, людини і моркви, курки й дріжджів тощо). Гібридизація нестатевих клітин дає змогу створювати препарати, які підвищують стійкість організмів проти різних інфекцій, а також лікують ракові захворювання.

Наприклад, гібридизацією клітин, здатних виробляти певні антитіла, з раковими одержано гібридні клітини. Найпродуктивніші з цих клітин переносили на поживні середовища і вирощували культури, які виробляли антитіла.

Завдяки вирощуванню нестатевих клітин певних видів організмів на поживному середовищі створюють культуру клітин (тканин) для отримання цінних речовин, що значно знижує собівартість лікарських препаратів (наприклад, препарати лікарської рослини женьшеню). Оскільки нестатеві клітини, як правило, містять усю спадкову інформацію про організм, то існує можливість вирощувати з них значну кількість організмів з однаковими спадковими властивостями.

Ведучий 2. Перспективним напрямом клітинної інженерії є клонування організмів. Клон (від грец. клон - гілка, нащадок) - сукупність клітин або особин, які виникли від спільного предка нестатевим способом. Отже, клон складається з однорідних у генетичному відношенні клітин або організмів.

При клонуванні з незаплідненої яйцеклітини видаляють ядро і пересаджують у неї ядро нестатевої клітини іншої особини. Таку штучну зиготу пересаджують у матку самки, де зародок і розвивається. Ця методика дає можливість одержувати від цінних за своїми якостями плідників необмежену кількість нащадків, які є їхньою точною генетичною копією. Методом клонування вирощують різні органи і організми.

Історик. Сучасна тканинна інженерія почала оформлюватися в самостійну дисципліну після праць Д. Р. Волтера і Ф. Р. Мейєра. Цим ученим у 1984 р. вдалося відновити ушкоджену рогівку ока за допомогою пластичного матеріалу, штучно вирощеного з клітин, узятих у пацієнта. Із 1987 р. тканинну інженерію почали вважати новим науковим напрямом у медицині, що ґрунтується на використанні сучасних гістотехнологій.

Ведучий 1. Наскільки актуальна сьогодні проблема створення штучних органів?.. Послухаємо статистику.

Статист.

· Щорічно трансплантації нирки в Україні, за найскромнішими підрахунками, потребують близько 4000 пацієнтів, при цьому проводиться таких операцій усіма трансплантаційними центрами України трохи більше 100. Якщо говорити про дітей, то це близько 600 нових маленьких пацієнтів. (З інтерв’ю з завідувачем відділення трансплантації нирки Національного інституту хірургії та трансплантології імені О. Шалімова, практикуючим хірургом-трансплантологом - Владиславом Пилиповичем Закордонцем). Повністю позбавитися від захворювання можна тільки за допомогою пересадки нирки, але це справжня проблема: у минулому році було в США пожертвувано всього 17 тисяч трансплантатів, а кількість хворих у черзі перевищує 85 тисяч. Що вже говорити про нашу дійсність?

· За даними КОНЦЕПЦІЇ Державної цільової програми розвитку трансплантації в Україні

на 2006-2010 роки Приблизна щорічна потреба в трансплантації на Україні становить:

· нирки - 2500;

· печінки - 1500;

· серця - 1500.

· Кількість проведених трансплантацій органів в Україні щорічно становить орієнтовно 1, 5 трансплантацій на 1 млн. населення, що становить 1, 1% від загальної потреби в трансплантації органів. Також Україна значно відстає за кількістю трансплантацій клітин від країн Європи, зокрема в трансплантації гемопоетичних стовбурових клітин. За даними Європейської групи по трансплантації крові та кісткового мозку (European Group for Blood and Marrow Transplantation - ЕВМТ) в 31 країні Європи сьогодні функціонує більш як 450 трансплантаційних центрів, які виконують понад 200 трансплантацій на 10 млн. європейського населення. Слід зазначити, що в розвинутих країнах Європи, які за кількістю населення можна порівняти з Україною, таких як Іспанія і Італія, виконується понад 400 - 500 трансплантацій клітин на 10 млн. населення відповідно.

· За аналітичними прогнозами, у майбутньому, до 50 % всіх оперативних втручань будуть пов'язані з трансплантацією органів, клітин та тканин.

· Наразі у Європі на пересадку органів очікують 60 000 пацієнтів. При цьому щодня вмирає12 людей, так і не дочекавшись на трансплантацію у зв’язку з відсутністю необхідного органу (yuridichna-gazeta).

Цікаво знати, що операції з трансплантації органів людині, без сумніву, вважаються однією з найбільших історій успіху в світовій медицині. Сучасна трансплантологія пройшла довгий і непростий шлях. Згідно легенди, першу досить фантастичну трансплантацію виконали в 3 столітті нашої ери святі Кузьма й Дем'ян, пересадивши білій людини нижню кінцівку від померлого мавра замість ампутованої власної, ураженої гангреною.

В умовах розвиненої спеціалізованої медичної допомоги трансплантація штучно виращених тканин і органів дозволить врятувати життя сотням, якщо не тисячам пацієнтів щороку. Як же відбувається сам процесс створення штучних тканин і органів?

Вчений-гістолог. Не зважаючи на значні хірургічні успіхи, в сучасній трансплантології ускладнення, повязані з відторгненням трансплантату, залишаються надзвичайно актуальними і на сьогоднішній день. Встановлено, що навіть при трансплантації органів/тканин, де не вимагається сумісність згідно системи людського лейкоцитарного антигену (наприклад серце, шкіра, рогівка) виживання трансплантату і хворих корелює зі ступенем імунологічної сумісності. Не менш важливою проблемою є й сама нестача органів для трансплантації, адже одна п'ята хворих просто не доживає до моменту, коли знаходиться трансплантат, а також низка етичних та правових питань, що регулюють процедуру отримання трансплантату.

Всі вищеперелічені фактори спонукали лікарів і науковців розпочати дослідження в напрямку відпрацювання методик штучного вирощування функціонально повноцінних органів для трансплантації.

Тканинна інженерія займається вирощуванням культури тканин і на цій основі створенням штучних органів. Цей процес складається з кількох етапів.

Спочатку відбирають донорський клітинний матеріал, виділяють тканинно-специфічні клітини, потім культивують їх.

До складу тканинно-інженерної конструкції, крім культури клітин, входить спеціальний носій — матриця. Клітини отриманої культури наносяться на матрицю, після чого починається їх культивація. Матриці можуть бути виготовлені з різних біоматеріалів. В якості матриці використовують децелюляризовані мембрани, отримані з тканин тварин чи трупів людей, або ж полімерний матеріал. Більшість біоматеріалів тканинної інженерії легко руйнуються в організмі й заміщуються його власними тканинами.

Ведучий 2. А що є клітинною сировиною для вирощування необхідних органів?

Біоінженер. Клітинною сировиною для вирощування органів є різні види стовбурових клітин.

На сьогоднішній день в світі є повідомлення про вирощені зі стовбурових клітин міні-печінку, тканину підшлункової залози, трахею, графти судин, клапани серця, рогівку, клапоті шкіри.

З метою тканинного культивування найбільше значення мають гемопоетичні стовбурові клітини, які можна отримати з кісткового мозку, периферичної та пуповинної крові; гемангіобласти (виділені з пуповинної крові); стовбурові клітини амніотичної рідини; ембріональні стовбурові клітини. Пуповинна кров - це і найбільш етичне та економічним джерело стовбурових клітин для медичних цілей. Лейкоцитарна фракція пуповинної крові визнана особливо перспективною клітинною сировиною для вирощування органів. Це пов'язано з тим, що пуповинна кров містить унікальні за якісними характеристиками популяції стовбурових клітин, які за здатністю диференціювати в спеціалізовані тканини співставні з ембріональними стовбуровими клітинами. Подібних клітин не виявлено більше в жодній тканині організму людини. Цінними також є ангіобласти пуповинної крові, що вже успішно застосовуються в біоінженерії структур серцево-судинної системи. Важливо також, що стовбурові клітини пуповинної крові - це молоді клітини з вищим потенціалом, ніж клітини дорослого організму, і менш схильні до мутацій. Крім того, процедура збору пуповинної крові абсолютно нешкідлива ні для матері, ні для новонародженого, і до того ж проводиться без контакту з останнім.

Вчений-гістолог. Першою за допомогою гістотехнологій була отримана штучна печінкова тканина. Інший успішний напрям тканинної інженерії — реконструкція сполучної тканини, особливо кісткової. Гладенько-м'язові тканинні конструкції використовують для відтворення таких

органів, як сечовід, сечовий міхур, кишкова трубка. Останнім часом значна увага приділяється створенню штучних клапанів серця, реконструкції великих судин і капілярних сіток.

Одним із найбільш важливих напрямів у тканинній інженерії є виготовлення еквівалентів шкіри. Відновлення органів дихання (гортані, трахеї, бронхів), слинних залоз, підшлункової залози також можливе за допомогою тканинних конструкцій.

Одним із найважливіших завдань тканинної інженерії є відновлення органів і тканин нервової системи, як центральної, так і периферичної.

Цікаво знати, що трансатлантична команда дослідників, яку очолюють професор Колін МакГукін з Центру пуповинної крові університету Ньюкасла і професор Ларрі Деннер з Техаського університету, саме зі стовбурових клітин пуповинної крові виростила людську тканину підшлункової залози, що продукує інсулін.

Створення штучних органів дозволить успішно лікувати різні захворювання людини, дасть можливість відмовитися від донорських органів.

Ведучий 1. Досягнення тканинної інженерії вселяють надію. Так в Мельбурнському університеті (Австралія) зі стовбурових клітин отримано клапоть рогівки, що відкриває нові перспективи для лікування хворих з опіками очей.

Групі японських вчених з Токійського університету вперше в світі вдалося за допомогою стовбурових клітин людини виростити тромбоцити. Японські фахівці сподіваються, що розроблений ними метод створення тромбоцитів, раз і назавжди вирішить проблему нестачі донорської крові.

Послухаємо лікарів про досягнення сучасної тканинної інженерії більш детально.

Лікар-кардіолог. На сьогоднішній день у світі декілька наукових груп активно працює над вирощуванням зі стовбурових клітин клапанів серця та імплантів судин. Відпрацювання методик тканинної інженерії клапанів серця зі стовбурових клітин особливо важливе для дітей з вродженими вадами серця, оскільки імплантовані їм штучні клапани не ростуть, і вимагають заміни по мірі росту дитини, що кожного разу супроводжується хірургічною операцією на відкритому серці.

В лабораторії США було вирощено серце щура. А в Токійському жіночому медичному університеті з 2000 по 2004 рр. 42 дітям з різними вадами розвитку великих судин грудної порожнини пересадили артерії, вирощені з власних клітин кісткового мозку на нетканинних матрицях.

Лікар-ортопед. Клітинна терапія вже досить широко застосовується у лікуванні травматичних та дегенеративних захворювань суглобів та переломах, що не зростаються протягом тривалого часу. Не менш важливим питанням для ортопедії/травматології є біоінженерія кісткової та хрящової тканини. В цьому напрямку надзвичайно перспективними є популяції мезенхімальних стовбурових клітин. Для прикладу, доведено, що з 500 мг мезенхімальних стовбурових клітин може утворитися 3 кг кісткової тканини. Такі клітини можна виділити з кісткового мозку, пуповинної крові, пульпи зубів. Вже сьогодні фінські вчені з університету в Тампере пересадили чоловікові верхню щелепу, вирощену з його власних стовбурових клітин. А в Йоркському університеті розпочато 3-річний проект, мета якого виростити кісткові клітини зі стовбурових клітин пуповинної крові. Проект здійснюється за підтримки Європейської комісії.

В останні роки також активізувалися дослідження щодо можливості вирощування зі стовбурових клітин імплантів зубів. Японським вченим вдалося виростити зі стовбурових клітин зуб у миші. Колектив дослідників з Форсайтовського інституту виростили зі стовбурових клітин живий зуб у свині. А британські вчені під проект по вирощуванню зі стовбурових клітин зубів отримали грант на 500 тисяч фунтів стерлінгів. Вони вживлятимуть в ясна людини спеціально запрограмовані стовбурові клітини, в результаті чого на місці втраченого зуба повинен вирости новий. Даний метод протезування має значні переваги над штучними зубами, зокрема не матиме негативного впливу на ясна та сусідні зуби.

Очікується, що в недалекому майбутньому дана технологія стане загальнодоступною, а коштуватиме такий імплант так само, як звичайне протезування. Щоправда, американські вчені прогнозують можливість вирощування зубів зі стовбурових клітин лише років через 10, хоча д-р Памела Єлик з Гарвардської школи стоматології вважає, що стоматологи зможуть використовувати стовбурові клітини значно раніше з метою заповнення ними порожнини в зубі замість пломбувальних матеріалів.

Лікар-геронтолог. Виявляється, що за допомогою тканинної інженерії можна буде вирішити й проблему передчасного старіння. Доречі, пошуки засобів омолодження тривають з глибокої давнини («молодильні яблука» та інші сюжети в казках) і з античної епохи; середньовічні алхіміки шукали еліксир безсмертя і омолодження, конкістадори (наприклад, Понсе де Леон) шукали в Америці «фонтан вічної юності», графиня Єлизавета Баторі купалася в крові вбитих нею дівчат (схожі експерименти робили й інші могутні люди).

Проблематика фізіалогічного омолодження була почалася досліджуватся у медицині з 1910-1920-х років, цим займався, зокрема, відомий фізіолог Євген Штейна у Відні (він пов'язував омолодження з клітинами Лейдіга в статевих залозах, а чоловікам робив операцію вазектомії з метою збільшення не тільки потенції, але життєвої сили взагалі; робив він також пересадку статевих залоз тварин людям).

В даний час вважається, що омолодження можливе шляхом «ремонту» клітин і тканин людського організму, заміни їх на штучно вирощені.

Літератор. Цікаво знати, щоексперименти в області омолодження епохи Штейнаха (співзвучні настроям оновлення «старого світу» і «сексуальної революції») знайшли відображення в літературі 1920-х років:

· Повість Михайла Булгакова «Собаче серце», де лікар професор Преображенський надає людям послуги з омолоджування (пересаджує дамі яєчники мавпи, робить літньому ловеласу щеплення), а потім ставить експеримент з пересадки гіпофізу людини і яєчок собаці (у результаті чого омолоджуючого ефекту не відбувається, а собака повністю перетворюється на людину, очевидно, ідентичного донору органів — Климу Чугункіна, хоча з одним собачим атавізмом — неприязню до «котів»). У повісті згадується також вуличний плакат з текстом «Чи можливе омолодження?»

· Роман Марієтти Шагінян «Мес-Мендуся», де банкір Вестінгауз «збирається омолодитися, зробити щеплення Штейнаха».

· Розповідь Артура Конан Дойля «Людина рачки», де в результаті ін'єкцій клітин тварин людині, ця людина починає пересуватися, як тварина.

Ведучий 2. Виходить, що створення штучних органів – це панацея від невиліковних хвороб, продовження людського життя? Без жодних проблем?

Вчений-гістолог. (епіграф) За прогнозами фахівців, саме тканинна інженерія забезпечить наступне покоління медичних імплантів, позбавлених ризику відторгнення, труднощів з пошуком донорів та супроводжуючих цю процедуру етичних проблем. Створення штучних органів дозволить успішно лікувати різні захворювання людини, дасть можливість відмовитися від донорських органів.

Але створення штучних тканин пов'язане з багатьма проблемами. Наприклад, клітини під час культивування можуть змінювати свої властивості й перетворюватися з нормальних на близькі за характеристиками до пухлинних. Імовірність такого переродження зростає через стимулювання розмноження клітин. Крім того, сам процес культивування має реальну загрозу зараження клітин. Джерелом інфекції можуть бути живильні середовища, сироватки або порушення регламенту робіт, адже технологія створення тканин досить складна і копітка. Багато проблем виникає всередині організму після пересадження штучних тканин. Незважаючи на це, тканинна інженерія є найбільш перспективним напрямом у біотехнології, який швидко розвивається.