Прорыв медицины в лечении диабета
Сахарный диабет – заболевание, приводящее к пожизненным инъекциям инсулина, инвалидности и фатальным осложнениям. Ученые из Приволжского исследовательского медицинского университета (ПИМУ) приступили к разработке принципиально нового метода лечения этого недуга.
Чтобы понять механизм технологии, нужно сказать о том, как работает поджелудочная железа, отчего возникает диабет. В этом органе есть так называемые бета-клетки, объединенные в островки, которые автоматически продуцируют инсулин в ответ на повышение уровня глюкозы в крови. При ряде аутоиммунных или хронических болезней общая их масса снижается, появляются функциональные нарушения в виде недостаточной выработки инсулина. Результат – повышение уровня глюкозы в сыворотке крови.
– Это инсулинопотребный сахарный диабет. Он возникает, если число островков уменьшилось на 80 процентов, – рассказывает заведующий кафедрой факультетской хирургии и трансплантологии, главный внештатный трансплантолог минздрава Нижегородской области Владимир Загайнов.
Ученый подчеркивает, что метод лечения диабета только один – трансплантация поджелудочной железы. Потребность в этой операции в России удовлетворяется на тысячные доли процента, что связано с дефицитом донорских органов. Во всех остальных случаях речь идет о компенсации заболевания с помощью инсулина. Однако даже пересадка сопряжена с необходимостью иммуносупрессивной терапии, чтобы организм пациента не отторгал донорский орган. А у нее есть свои минусы, особенно в отдаленном периоде.
Главная идея проекта – пересадка не всей поджелудочной железы, а только островков, состоящих из тех самых бета-клеток.
– Островки будут выделяться из донорской железы специальным способом. Даже если целая железа не годится для трансплантации, из нее можно попытаться выделить островки и пересадить их, – поясняет Владимир Загайнов.
В мире эту идею пытаются реализовать разными способами и с разной степенью успешности. Введение островков от донора требует все той же небезопасной иммуносупрессивной терапии. В ПИМУ ученые разрабатывают вариант пересадки клеток, заключенных в специальные пористые капсулы. В теории клетки приживаются и начинают вырабатывать инсулин. Человек излечивается от диабета. А поры капсулы достаточно малы, чтобы предотвратить атаку иммунных клеток организма, поэтому никакой иммуносупрессивной терапии не требуется. Важно, что речь идет о малоинвазивных операциях, а не о сложной трансплантации. Возможных вариантов несколько: введение в брюшную полость путем пункции либо введение в печень по воротной вене.
Первые эксперименты ученых из НИИ экспериментальной онкологии и биомедицинских технологий ПИМУ вместе с Институтом металлоорганической химии РАН оказались успешными.
– В отдаленной перспективе планируем проработать выращивание бета-клеток из стволовых, – говорит Владимир Загайнов. – Параллельно вместе с коллегами из Национального медицинского исследовательского центра трансплантологии и искусственных органов имени Шумакова занимаемся легитимизацией технологии. Раньше в России за это никто не брался, поэтому трансплантация островков бета-клеток поджелудочной пока не вошла в список разрешенных, хотя в мире это уже существует. Надеемся, что в ближайшее время вопрос будет решен.
Планируем проработать выращивание бета-клеток из стволовых
В 2022 году проект, выполняемый по госзаданию Минздрава России, завершится. Можно будет испытывать метод на животных, а затем заниматься регистрацией. На мой вопрос, когда лечение будет доступно российским пациентам, профессор Загайнов ответил кратко:
– Деклараций в жизни хватает, давайте заниматься делом.
Комментарий
Ольга Занозина, доктор медицинских наук, заведующая отделением эндокринологии Нижегородской областной больницы имени Семашко:
– Наряду с совершенствованием самих инсулинов, способов их введения в организм пациента, улучшением терапевтического обучения больных сахарным диабетом развивается и другое направление – трансплантационные технологии, позволяющие вводить бета-клетки островков поджелудочной железы, которые вырабатывают инсулин, в организм больного человека.
Положительный эффект достигается при виртуозном заборе, хранении и введении островковых клеток больному человеку. При успешном результате – почти полный контроль за гликемией, отсутствие гипогликемий и потребности в экзогенном инсулине. Вся эта работа требует ювелирного мастерства.
Ученые Гарвардского университета сообщили о том, что им удалось разработать способ массового получения в лабораторных условиях нормально функционирующих, зрелых, вырабатывающих инсулин бета-клеток поджелудочной железы. Авторы метода утверждают, что теперь человечество находится в шаге от реализации мечты миллионов больных и их близких – полному излечению от диабета 1 типа.
В пятницу стало известно о прорыве в поиске эффективных методов лечения диабета 1 типа. Ученые Гарвардского университета сообщили о том, что им удалось разработать способ массового получения в лабораторных условиях из столовых клеток нормально функционирующих, зрелых, вырабатывающих инсулин бета-клеток поджелудочной железы. Причем в количествах, достаточных для трансплантации пациентам, чьи бета-клетки убиты собственной иммунной системой.
Авторы метода утверждают, что теперь человечество находится буквально в шаге от реализации мечты миллионов больных и их близких – полному излечению от диабета 1 типа. Среди них – и ведущий автор опубликованной в журнале Cell работы, биолог, специалист по стволовым клеткам Дуглас Мелтон (Douglas Melton). После того, как около 20 лет тому назад его маленькому сыну, а позже и дочери, был поставлен диагноз «диабет 1 типа», ученый посвятил свою жизнь и научную карьеру поиску средств лечения и уверен, что добился своего.
{#vrez.58707}
Клетки на замену
Как известно, поджелудочная железа в течение дня регулирует уровень глюкозы в крови с помощью секреции бета-клетками, расположенными в так называемых островках Лангерганса, гормона инсулина. При сахарном диабете 1 типа клетки собственной иммунной системы организма, по невыясненным пока причинам, проникают в островки Лангерганса и уничтожают бета-клетки. Недостаток инсулина приводит к таким тяжелым последствиям, как нарушение сердечной функции, потеря зрения, инсульт, почечная недостаточность и другим. Больным приходится пожизненно несколько раз в день делать себе инъекции подобранных доз инсулина, однако абсолютно точного соответствия естественному процессу выброса гормона в кровь добиться все же невозможно.
Ученые всего мира уже в течение десятилетий ищут способы замены утраченных из-за аутоиммунного процесса бета-клеток. В частности, был разработан метод трансплантации инсулоцитов (клеток островков Лангерганса), выделенных из донорских поджелудочных желез. Однако этот метод остается экспериментальным, доступным из-за нехватки донорских органов лишь небольшому числу пациентов. Кроме того, трансплантация донорских клеток, для предотвращения их отторжения, требует постоянного приема мощных иммуноподавляющих препаратов со всеми сопутствующими негативными побочными эффектами.
После изоляции в 1998 году эмбриональных стволовых клеток, потенциально способных превращаться в любые клетки организма, целью многих научных групп стали поиски методов получения функционирующих бета-клеток именно из них. Нескольким командам удалось in vitro (вне живого организма) трансформировать эмбриональные клетки в клетки-предшественники (прекурсоры) инсулоцитов, которые затем дозревают, будучи помещенными в организмы специально выведенной линии лабораторных животных и начинают вырабатывать инсулин. Процесс созревания занимает около шести недель.
В частности, такого успеха добились специалисты из Калифорнийского университета (Сан-Диего). 9 сентября они, совместно с местной биотехнологической компанией ViaCyte, объявили о начале первых в своем роде клинических испытаний экспериментального препарата VC-01, представляющего собой выращенные из эмбриональных стволовых клеток прекурсоры бета-клеток, помещенные в полупроницаемую оболочку. Предполагается, что первая фаза испытаний, призванная оценить эффективность, переносимость и безопасность различных доз препарата, продлится два года, в ней примут участие примерно 40 пациентов. Исследователи ожидают, что многообещающие результаты, полученные в ходе экспериментов на животных, удастся повторить на людях и имплантированные под кожу прекурсоры бета-клеток созреют и начнут производить нужное организму количество инсулина, что позволит пациентам отказаться от инъекций.
Помимо эмбриональных стволовых клеток, источником для получения инсулоцитов могут быть и индуцированные плюрипотентные стволовые клетки (iPSC) – незрелые клетки, перепрограммированные из зрелых и потенциально способные специализироваться в клетки всех типов, присутствующих во взрослом организме. Однако эксперименты показали, что этот процесс очень сложен и долог, а получающиеся бета-клетки лишены многих характеристик «родных» клеток.
Поллитра бета-клеток
Тем временем группа Мелтона заявила, что разработала метод, позволяющий избежать всех недостатков – источником инсулоцитов могут быть как эмбриональные стволовые клетки, так и iPSC, весь процесс происходит in vitro, а на выходе уже через 35 дней получается полулитровый сосуд с 200 миллионами зрелых, нормально функционирующих бета-клеток, что, теоретически, достаточно для трансплантации одному пациенту. Сам Мелтон назвал получившийся протокол «воспроизводимым, но очень кропотливым». «Никакого волшебства, только десятилетия упорной работы», – цитирует его журнал Science. Протокол включает поэтапное введение в очень точно подобранной комбинации пяти различных факторов роста и 11 молекулярных факторов.
{#vrez.58708}
Пока метод Мелтона показал отличные результаты в экспериментах на мышиной модели диабета 1 типа. Через две недели после трансплантации в организм больных диабетом мышей, полученные из стволовых клеток человеческие бета-клетки поджелудочной железы начали вырабатывать достаточное количество инсулина для того, чтобы вылечить животных.
Однако, прежде, чем перейти к испытаниям на людях, Мелтону и его коллегам необходимо решить еще одну проблему – как защитить трансплантат от атаки иммунной системы. Тот же самый аутоиммунный процесс, ставший причиной болезни, может затронуть новые бета-клетки, полученные из собственных iPSC пациента, а инсулоциты, полученные из эмбриональных стволовых клеток, могут стать мишенью для нормального иммунного ответа, как чужеродные агенты. В настоящее время группа Мелтона в сотрудничестве с другими научными центрами работает над тем, как наиболее эффективно решить эту проблему. Среди вариантов – помещение новых бета-клеток в некую защитную оболочку либо их модификация с тем, чтобы они могли не поддаваться атаке иммунных клеток.
Мелтон не сомневается, что эта трудность будет преодолена. По его мнению, клинические испытания его метода начнутся в течение ближайших нескольких лет. «Нам сейчас остается всего один шаг до финиша», – считает он.
Сурен Закиян, Сергей Медведев
«Наука из первых рук» №1(61), 2015
Сурен Минасович Закиян — доктор биологических наук, профессор, заведующий лабораторией эпигенетики развития Института цитологиии генетики СО РАН, заведующий лабораторией молекулярной и клеточной медицины Новосибирского научно-исследовательского института патологии кровообращения им. академика Е. Н. Мешалкина, заведующий лабораторией стволовой клетки Института химической биологии и фундаментальной медицины СО РАН. Автор и соавтор 215 научных работ, 5 патентов и 3 монографий. |
Сергей Петрович Медведев — кандидат биологических наук, старший научный сотрудник Института цитологии и генетики СО РАН и Института химической биологии и фундаментальной медицины СО РАН (Новосибирск), ведущий научный сотрудник Новосибирского научно-исследовательского института патологии кровообращения им. академика Е. Н. Мешалкина. Автор и соавтор 14 научных работ. |
В работах, попавших в 2014 г. в прорывы по версии журнала Science, ученым удалось значительно продвинуться в разработке альтернативной терапии сахарного диабета 1-го типа, суть которой состоит в трансплантации больным так называемых бета-клеток поджелудочной железы, вырабатывающих гормон инсулин. До сих пор такие клетки получали из тканей эмбрионов или брали у доноров посмертно. Однако их использование сталкивалось с рядом проблем, от тканевой несовместимости до этических. Выход, предложенный учеными, заключается в пересадке больным зрелых бета-клеток, полученных в лабораторных условиях из стволовых недифференцированных клеток самого пациента либо обычных соматических клеток путем их «перепрограммирования». Для широкого применения этой технологии требуется решить проблему защиты трансплантата, поскольку диабет 1-го типа — это аутоиммунное заболевание, и новые бета-клетки будут также подвергаться атакам иммунной системы.
Сахарный диабет — самое распространенное эндокринное заболевание в мире: по данным Международной федерации диабета сегодня им страдает более 300 млн человек. Болезнь не обошла и семью Дугласа Мелтона, руководителя одной из исследовательских групп, занимающихся разработкой клеточной терапии диабета. Их работы вошли в список наиболее выдающихся научных достижений 2014 г. по версии журнала Science.
Сахарный диабет — болезнь, характеризующаяся стойким увеличением в крови концентрации глюкозы, — сегодня входит в тройку самых распространенных видов заболеваний. При диабете 2-го типа бета-клетки островков Лангерганса в поджелудочной железе вырабатывают пептидный гормон инсулин, который регулирует уровень глюкозы в крови, но ткани организма теряют чувствительность к нему. Этот наиболее распространенный (до 80–90% случаев) тип сахарного диабета, который называют еще инсулинонезависимым, развивается преимущественно в пожилом возрасте и характеризуется относительно легким течением.
При диабете 1-го типа наблюдается аутоиммунное поражение бета-клеток поджелудочной железы, вырабатывающих гормон инсулин. Такой тип диабета приводит к полной пожизненной зависимости от инъекций инсулина — на данный момент это практически единственный способ терапии этого тяжелого заболевания. Больной должен постоянно следить за уровнем глюкозы в крови и в зависимости от «скачков» уровня глюкозы самостоятельно корректировать дозы инсулина. При этом в любом случае у больного развиваются осложнения: дисфункция почек и сердечно-сосудистой системы, поражение глаз (диабетическая ретинопатия), некротическое поражение тканей. Результатом является существенное снижение качества жизни больных, а зачастую инвалидность и ранняя смерть.
Говоря об альтернативной возможности терапии сахарного диабета, надо упомянуть о существовании достаточно успешной практики пересадки донорских бета-клеток. Их получают из тканей эмбрионального происхождения или берут у доноров посмертно. После такой трансплантации больной на несколько лет становится независимым от инъекций инсулина. Проблемы такого вида терапии связаны с качеством и количеством донорского материала, не говоря уже о тканевой несовместимости реципиента и донора. Ведь после пересадки больные вынуждены принимать препараты, подавляющие активность иммунной системы, к тому же через какое-то время все равно происходит отторжение трансплантата. Еще одно препятствие — проблемы этического характера, связанные с использованием тканей эмбрионов.
Выход из ситуации в принципе есть: бета-клетки поджелудочной железы можно получать in vitro (в лабораторных условиях) из клеточных культур. Их источником могут быть плюрипотентные стволовые клетки человека, т. е. «первичные» недифференцированные клетки, из которых происходят все клетки наших органов и тканей. Для получения бета-клеток можно использовать как стволовые клетки эмбрионов, так и индуцированные плюрипотентные стволовые клетки, которые получают из обычных соматических клеток взрослого человека путем их «перепрограммирования».
Технологии получения индуцированных плюрипотентных стволовых клеток известны и достаточно хорошо разработаны. Но вот получить из них зрелые бета-клетки гораздо сложнее, так как для этого необходимо буквально в чашке Петри воспроизвести сложнейшие процессы, происходящие во время эмбрионального развития человека, используя сигнальные молекулы и химические соединения, направляющие развитие клеток в нужную сторону.
В список выдающихся научных исследований прошлого года, опубликованный журналом Science, как раз и вошли работы двух исследовательских групп: из Гарвардского института стволовых клеток (США) и Медицинской школы Массачусетского университета в Вустере (США) под руководством Д. Мелтона и из Университета провинции Британская Колумбия (Канада) и компании BetaLogics (США) под руководством Т. Кифера, посвященные технологиям получения in vitro бета-клеток поджелудочной железы (Pagliuca et al., 2014; Rezania et al., 2014). Взяв в качестве исходного материала стволовые клетки человеческого эмбриона, в итоге ученые получили клетки, проявляющие все основные качества бета-клеток. То есть в них «работали» определенные гены и присутствовали специфические белки, так что эти клетки были способны продуцировать инсулин в ответ на присутствие глюкозы. Пересаженные лабораторным мышам из чистой линии, служащей экспериментальной моделью сахарного диабета, эти клетки нормально функционировали и компенсировали первоначальное отсутствие инсулина!
Огромное преимущество этого метода в том, что с его помощью можно получать функционирующие бета-клетки в довольно большом количестве. В финале процесса из одного флакона для культивирования объемом 0,5 л можно получить до 300 млн клеток — этого числа вполне достаточно, чтобы компенсировать недостающий инсулин у одного человека весом около 70 кг. Или для проведения скрининга среди 30 тыс. отдельных химических соединений — потенциальных лекарственных веществ, если использовать клетки не по «прямому назначению», а для фармакологических исследований.
Безусловно, описанные технологии нуждаются в совершенствовании. В частности, необходима разработка детальных протоколов получения бета-клеток из индуцированных плюрипотентных стволовых клеток. Это позволит не только в любой период жизни пациента и практически из любых клеток его собственного организма при необходимости получить необходимое количество бета-клеток, но и разрешит проблему иммунологической несовместимости донора и реципиента.
Однако остается другая проблема: поскольку диабет 1-го типа — это аутоиммунное заболевание, то новые бета-клетки будут опять атакованы иммунной системой, как когда-то свои «родные» клетки пациента. Поэтому пересаженные клетки надо научиться защищать! Только в этом случае подобное лечение может стать доступным и широко применимым, ведь использование иммунодепрессантов оправдано только в самых тяжелых случаях.
Сейчас разрабатываются разные варианты подобной защиты. Например, можно покрыть клетки специальным гидрогелем, однако в этом случае их будет гораздо труднее удалить из организма при необходимости. К тому же пока не существует способа воспрепятствовать их инкапсуляции (заключению в соединительнотканную оболочку) подобно другим чужеродным телам в организме, что перекроет пересаженным клеткам приток питательных веществ. Сейчас идет поиск химических веществ, пригодных для изготовления гидрогеля, который не будет вызывать такого эффекта.
Другое решение предложили конкуренты команды Мелтона — американская компания ViaCyte. Суть его в том, чтобы поместить пул незрелых бета-клеток внутрь тела в биологически совместимой оболочке: предполагается, что предшественники бета-клеток будут там постепенно созревать и успешно функционировать. Такое устройство уже создано; более того, в компании уже запустили первый этап клинических испытаний. Но хотя результаты аналогичных исследований на животных выглядят многообещающе, есть опасения относительно эффективности этого способа.
В любом случае, уже сейчас имеющиеся технологии внушают надежду, что проблема лечения сахарного диабета будет в скором времени решена. Использование бета-клеток, произведенных из стволовых клеток пациентов, даже при условии постоянного приема иммунодепрессантов может стать огромным облегчением для больных тяжелыми формами диабета, которые постоянно сталкиваются с опасными для жизни изменениями уровня сахара в крови.
Литература:
1. Pagliuca F. W., Melton D. A. How to make a functional β cell // Development. 2013. V. 140. № 12. P. 2472–2483. DOI: 10.1242/dev.093187.
2. Pagliuca F. W., Millman J. R., Gürtler M. et al. Generation of functional human pancreatic β cells in vitro // Cell. 2014. V. 159. № 2. P. 428–439. DOI: 10.1016/j.cell.2014.09.040.
3. Rezania A., Bruin J. E., Arora P. et al. Reversal of diabetes with insulin-producing cells derived in vitro from human pluripotent stem cells // Nat. Biotechnol. 2014. V. 32. № 11. P. 1121–1133. DOI: 10.1038/nbt.3033.
4. Ledford H. Stem-cell success poses immunity challenge for diabetes // Nature. 2014. V. 514. № 7522. P. 281. DOI: 10.1038/514281a.