Predgovor
Poštovane čitateljke i čitaoci,
kao što je poznato iz medija, ljudi se putem različitih informativnih kampanja pozivaju da se angažuju kao davaoci organa, budući da broj postojećih organa i prihvaćanje doniranih organa od strane imunog sistema često nisu dovoljni kako bi se zbrinuli svi ljudi kojima je potrebna transplantacija organa. Iz tog razloga već duže vremena postoje nastojanja da se razviju novi izvori organa koji se mogu presaditi. Primera radi, u današnje vreme nije nimalo neuobičajeno da pacijenti, kojima je potreban novi srčani zalistak, isti dobiju od svinjskog srca. Međutim, transplantaciona medicina ima uske granice kroz vrste.
Iz tog razloga se već duže vremena pokušava proizvesti veštačka tkiva i organe u laboratoriji, što se naziva bioinženjeringom ili inženjerstvom tkiva. Prednost takvih organa ili tkiva bi bila da više nema reakcija odbacivanja i da imuni sistem primaoca potpuno prihvati transplantat. Pored moguće proizvodnje bubrega, srčanih zalistaka ili jetri, ove tehnike bi npr. bile zanimljive i za osobe koje pate od alopecije, a nemaju mogućnost transplantacije sopstvene kose zbog premale davajuće regije. Ovde je nastala zamisao da bi se i folikuli dlake, koji su potrebni za takav tretman, mogli proizvesti u kulturi ćelije.
Takva razmatranja postoje uistinu od 1970-ih godina i isto tako dugo se vrše pokušaji da se ostvare te ideje. Međutim, koje je trenutno stanje biomedicinske proizvodnje transplantata od sopstvene kose? U svom novom članku želim da Vam objasnim trenutno stanje istraživanja i njegove osnove. Pri tome se u nastavku nećemo osvrtati samo na pitanje kako bi se mogli proizvesti transplantati od sopstvene kose specifični za pacijenta, nego ćemo razmatrati i stvarne prepreke u istraživanju takvih opcija tretmana i šta se iz tog razloga može realno očekivati od biomedicinskog istraživanja.
Uživajte u čitanju!
Srdačno, Vaša Angela Lehmann
Proizvodnja veštačkih organa i tkiva kao mogući izvor za transplantate od sopstvene kose
Već nekoliko godina takozvani bioinženjering odn. inženjerstvo tkiva – proizvodnja veštačkih tkiva i organa – beleži zapažene rezultate. Uvek nanovo se izveštava o tome da bi se u bližoj budućnosti i čitavi organi mogli da proizvedu u laboratoriji kao hitno potrebni implantati, sa najvećom imunokompatibilnošću i specifično prilagođeni svakom primaocu. U tom smislu se za proizvodnju transplantata od sopstvene kose nastoji uzgojiti ih specifično za primaoca. Iz tog razloga želim da Vas u svom aktuelnom članku informišem o trenutnom stanju istraživanja transplantata od sopstvene kose iz laboratorije za kulturu ćelija.
Kako ćelija zna šta je njen zadatak u telu?
Pre nego pristupimo pitanju kako se mogu proizvesti veštačka tkiva i organi, koji bi potencijalno mogli odvesti do revolucije u transplantacionoj medicini, moramo razmotriti zašto ćelija u telu uopšte „zna” šta je njen specifičan zadatak u nekom određenom organu ili tkivu. Ovde najpre možemo zamisliti oplođenu jajnu ćeliju. Ona se najpre jednom deli, tako da iz prvobitno jedne ćelije nastanu dve identične ćelije. Taj proces deobe se uvek nanovo ponavlja i broj pojedinačnih ćelija stalno raste. Međutim, ćelije se od jedne određene tačke menjaju, to znači da prolaze kroz proces specijalizacije. Dok od oplođene jajne ćelije može još postati svaka druga ćelija u telu, dakle npr. ćelija kože, jetre ili nervna ćelija, već specijalizovane ćelije ne mogu se više „prekvalifikovati”. Ovaj proces se naziva i diferencijacija ćelija i u zrelim somatskim ćelijama više nije reverzibilan prirodnim putem. To znači da će izdiferencirana nervna ćelija uvek ostati nervna ćelija.
Izdiferencirane ćelije su uzrok za to da se telo sastoji od različitih tkiva, pri čemu izraz „tkivo” uvek označava skup specijalizovanih ćelija istog tipa. Različita tkiva se razlikuju po tome što npr. njihove ćelije imaju karakteristične profile genske ekspresije. To znači, primera radi, da je u jednoj ćeliji jetre eksprimirano više gena koji su povezani s detoksikacijom tela, dok je u nervnim ćelijama eksprimirano više gena koji imaju neke veze sa prosleđivanjem nervnih informacija. Nadalje se tipovi ćelija razlikuju jedni od drugih po tome što se ćelije jednog tipa brže dele od ćelija nekog drugog tipa. Iz toga, između ostalog, rezultira činjenica da se različita tkiva mogu regenerisati različitom jačinom i brzinom. Shodno tome povreda kože po pravilu zaceljuje u roku od nekoliko dana, dok regeneracija nervnog tkiva posle moždanog udara, primera radi, može da traje godinama (ako uopšte dođe do toga).
Ova još postojeća sposobnost ćelijske diferencijacije označena je različitim pojmovima. Dok oplođena jajna ćelija, primera radi, može da stvara svaku drugu ćeliju u telu (ta jajna ćelija se zove totipotentna), određene matične ćelije mogu proizvoditi samo određena tkiva (ovde se govori o pluripotentnim ili multipotentnim ćelijama). Uprkos tome, u proteklim godinama je utvrđeno da se i u organima i tkivima odrasle osobe još nalaze pluripotentne matične ćelije koje se na osnovu činjenice da mogu formirati još mnoga druga tkiva mogu potencijalno koristiti za lečenje određenih oboljenja. Nasuprot tome, ukoliko se jednom specijalizovana ćelija više ne deli, već „samo izvršava svoj zadatak” u telu, ona se zove senescentna ćelija.
Na ovom mestu se treba pomenuti da se jedan od izazova, o kojima se govori u nastavku, sastoji iz toga da jedan organ ne sadrži uvek samo jedno tkivo, već je izgrađen od spojeva ćelija različitih tipova. Tako se, primera radi, u slučaju ljudske kože diferenciraju različiti tipovi: Tako su fibroblasti preteče ćelija vezivnog tkiva, nasuprot njima keratinociti sudeluju u formiranju gornjeg sloja kože (epiderme, dok su melanociti kroz proizvodnju pigmenata odgovorni za boju kože. Shodno tome, ni kod folikula dlake se ne može govoriti o tkivu, jer se u principu radi o organu dlake.
Kako bi se moglo uticati na kulture ćelija da formiraju specifična tkiva i organe?
Sve metode, koje su razvijene za proizvodnju organa ili tkiva u laboratoriji, sada za cilj imaju promenu tog evolucijskog programa specijalizacije ćelija. U tu svrhu su u međuvremenu dostupni mnogobrojni pristupi. Međutim, i ovde najpre mora da usledi kratak istorijski ekskurs:
Od sredine do kraja prošlog veka još je većina istraživača bila ubeđena da telo odrasle osobe raspolaže sa još veoma malo pluripotentnih matičnih ćelija koje formiraju tkivo i koje se samo ograničeno mogu koristiti za terapiju. Takve ćelije su, primera radi, bile poznate u koštanoj srži odnosno u krvotvornom sistemu. U to vreme se, između ostalog, verovalo da nervne ćelije mozga uopšte nemaju regenerativni potencijal, dakle, da su te ćelije senescentne i shodno tome da su, doduše, prisutne, ali da još samo izvršavaju svoje biološke zadatke. Međutim, u proteklih oko 30 godina je identifikovano sve više tkiva ljudskog tela u kojima se i u odraslom dobu može dokazati aktivnost matičnih ćelija, koja bi se mogla koristiti kao izvor regeneracije tkiva. Doduše, pritom se ne radi o totipotentnim matičnim ćelijama (koje mogu da formiraju sva tkiva), međutim, i odrasle (adultne) matične ćelije su još u stanju da formiraju mnoga srodna tkiva. Tako se adultne neuronalne matične ćelije mogu još diferencirati u neurone (nervne ćelije) i mikroglije (obezbeđuju snabdevanje neurona), što je npr. važno za regeneraciju mozga kod moždanog udara.
Kako bismo za bioinženjering ili inženjerstvo tkiva mogli da dobijemo matične ćelije bilo koje vrste od transplantata, na prvom koraku ih moramo izolovati iz tela. To je potrebno iz dva razloga: S jedne strane matične ćelije se često ne nalaze tačno na onom mestu u telu gde su potrebne za terapeutsku intervenciju (primera radi, određene matične ćelije se nalaze na dnu folikula dlake, dok bi za terapeutsku upotrebu bile potrebne u slojevima ćelija koji se nalaze iznad), a s druge strane većinom ih je premalo u telu kako bi se te ćelije mogle koristiti za terapiju. Izolacija sada omogućava da se te matične ćelije izvan tela u hranjivim rastvorima dovedu u kontakt s odgovarajućim faktorima rasta i diferencijacije, da se razmnožavaju (ponekad je moguće jako potaknuti sposobnost deobe izvan tela) i diferenciraju u željeni tip ćelije. Razmnožavanje se ponekad naziva „kloniranje”, ali je ovaj izraz problematičan u datom kontekstu. Međutim, pritom se pojavljuju prvi problemi: matične ćelije se u posudi za kulturu (Petrijeva šolja) ne ponašaju onako kao što to čine unutar tela. Primera radi, kulture matičnih ćelija bez jasnog razloga gube svoju sposobnost da se dele ili regenerišu, diferenciraju se spontano u neki neželjeni tip ćelija ili prelaze tokom vremena na mešane oblike koji nisu zanimljivi za daljne istraživanje. Shodno tome, pronalaženje pravih uslova za kulturu za svaki pojedinačni tip ćelije predstavlja veliki izazov. To se i danas često dešava po principu pokušaja i greške.
Kad se jednom uspešno odrede pravi uslovi za kulturu, i dalje je od značaja da se ćelijama daju pravi signali za moguću diferencijaciju. Za to postoje mnogobrojni faktori rasta koji mogu da izazovu mnoštvo efekata. Kako bi se postigao zadovoljavajući rezultat, i ovde se zahtevno moraju isprobati prave kombinacije. Međutim, na kultivirane matične ćelije utiču i efekti koji se samo teško ili uopšte ne mogu reprodukovati u laboratoriji. Primera radi, za uspešnu diferencijaciju potrebni su kontakti između ćelija istog tipa, ali i kontakti između ćelija različitih tipova. Na taj način kultivirane ćelije međusobno komuniciraju tako što, između ostalog, razmenjuju signalne supstance ili se na određen način redaju u posudi za kulturu. Ukoliko pritom jedna vrsta ćelije potakne neku drugu na diferencijaciju, tada govorimo o indukciji.
Kako bismo razjasnili da testiranje uslova za eksperimente nije nipošto trivijalno, u nastavku je u vremenskom toku ukratko prikazano kako je istraživana indukcija za stvaranje novih folikula dlake: takva indukcija je za stvaranje novih folikula dlake prvi put uspešno prikazana na glodarima, tako što je 1970. godine kod tih životinja utvrđen induktivni potencijal papilarnih ćelija (ćelija sloja krzna). Međutim, bilo je potrebno 14 godina da se isprobaju uslovi za kulturu, tako da je ovaj induktivni potencijal ostao sačuvan i kod papilarnih ćelija glodara koje su razmnožavane u kulturi ćelija. Doduše, istraživači su se suočili sa velikim teškoćama kad su tu spoznaju hteli da prenesu na ljudski organizam. Tek je 1999. godine uspešno dokazan induktivni potencijal za stvaranje novih folikula dlake od ljudskih ćelija ovojnica (nalaze se u gornjem sloju kože, odmah ispod epiderma) koje su usađene u intaktnu površinu kože. Doduše, pri tome je važna činjenica da se ta transplantacija izvršila preko polne barijere i uprkos tome je bila uspešna. Ipak je tek 2012. godine prvi put bilo moguće da se transplantacijom matičnih ćelija proizvede kompletan organ dlake u telu primaoca. Taj novi organ dlake bio je povezan s kompletnim sistemom snabdevanja hranjljivim materijama (krvotok i limfni tok) okolnog tkiva. Novi folikul dlake je prošao kroz više ciklusa dlake i formirane dlake su uspele da se podignu pomoću jednog postojećeg mišića dlake (piloerekcija, koja se kod čoveka naziva naježenost). Međutim, za ovaj eksperiment opet su korišćeni miševi i do danas nije bilo moguće potpuno preneti te rezultate na ljudski organizam. Razlog za to još uvek predstavlja zagonetku za istraživače, ali se i dalje radi na njenom rešenju.
Kakva je trenutna situacija sa proizvodnjom folikula za transplantacije sopstvene kose?
U odnosu na ljudski organizam jasna identifikacija pluripotentnih matičnih ćelija kože koje mogu da formiraju skoro sve vrste tkiva, koje su potrebne u koži, bila je spektakularna spoznaja novijeg istraživanja. Pomoću analize porekla u telu su identificirane te ćelije koje se mogu diferencirati u sve ćelije kože (uključujući organ dlake). Te matične ćelije se nalaze na dnu udubljenja folikula dlake i stvaranje folikula dlake može se indukovati kontaktom sa delimično specijaliziranim ćelijama kože, kad stupe u kontakt jedna s drugom. Nešto kasnije je uspešno pokazano da ta sposobnost ostaje sačuvana i onda kad se ćelije izoliraju i razmnožavaju u kulturi ćelije.
Međutim, istražioci su u tom trenutku naišli na jedan dodatan problem, koji na početku nije bio u fokusu interesa: organi su, a samim time i organ dlake, trodimenzionalni objekti koji se samo nedovoljno mogu formirati u ravnoj, dvodimenzionalnoj posudi za kulturu ćelija. To zavisi od toga da optimalni uslovi za rast odnosno diferencijaciju još nisu garancija da će se ćelije u prostoru poredati isto onako kao što bi to bio slučaj kod trodimenzionalnog folikula dlake u ljudskoj koži. Za ovo su potrebne dodatne modifikacije uslova istraživanja.
Od tada su neprestano vršena ispitivanja koja se odnose na trodimenzionalni rast i 2013. godine je ostvaren novi prodor. U tom trenutku je bilo poznato da se induktivna sposobnost ljudskih papilarnih ćelija, koje mogu da stimulišu matične ćelije da stvaraju nove folikule dlake, barem delimično gubi u kulturama ćelija, te se ta okolnost svodila na nedostatak kontakta ćelije s okolnim tkivima, kao npr. epidermom (gornjim slojem kože). Oslanjajući se na ta razmatranja, istraživači su umesto dvodimenzionalnog eksperimentalnog režima počeli da koriste trodimenzionalni, kod kojeg ćelije nisu rasle kao do tada na dnu posude za kulturu ćelija, nego su lebdele u kapljicama na poklopcu Petrijeve šolje. Na slici u nastavku prikazano je kako konkretno izgleda ta razlika uslova rasta.
Legenda: Slika prikazuje razliku između dvodimenzionalne i trodimenzionalne kulture ćelije. Dok je u dvodimenzionalnoj varijanti i sa strane (1) i odozgo (2) vidljivo da ćelije stvaraju samo jedan sloj na dnu Petrijeve šolje, ćelije se u trodimenzionalnom eksperimentalnom režimu organizuju sa strane (3) i odozgo (4) na poklopcu Petrijeve šolje u visećim kapima hranjivog rastvora.
Čak i ako bi se moglo pretpostaviti da to predstavlja samo jednu veoma malu promenu uslova istraživanja, iz tog pristupa su nastale vrlo zanimljive promene: U istraživanju profila genske ekspresije, odnosno pitanja koliko jako su određeni geni izraženi u ćeliji, utvrđeno je da su trodimenzionalne kulture ćelija za 22 odsto sličnije željenim matičnim ćelijama folikula dlake u odnosu na ćelije koje su rasle u dvodimenzionalnoj kulturi ćelija. Zatim su te ćelije iz trodimenzionalne kulture transplantovane u miševe bez dlake i formirali su se novi folikuli dlake koji su se sastojali od ljudskih i ćelija miša i proizvodile su dlake. Naredna istraživanja moraju da pokažu da li će ovaj mehanizam fukcionisati i kod transplantacije s čoveka na čoveka. Međutim, ovaj eksperiment je bio pionirski, budući da je prvi put bilo moguće izolovati i kultivisati ljudske matične ćelije bez da se izgubi sposobnost stvaranja folikula, te je to zatim dokazano transplantacijom na drugi organizam.
Uprkos tome, za dodatno istraživanje bioinženjeringa folikula dlake (koje se ređe naziva i kloniranje folikula dlake), koji bi bilo pogodno za lečenje alopecije ili nekog drugog oblika gubitka kose, proizilaze još mnogobrojne teškoće. Već smo razmatrali identifikaciju pogodnih uslova kulture i prelaz sa dvodimenzionalnog na trodimenzionalni eksperimentalni dizajn. Dodatni izazovi se sastoje u tome što novo stvorene dlake nemaju uvek željenu teksturu. Tako su formirane dlake ponekad znatno tanje ili deblje ili nemaju vlastitu boju jer u ovom eksperimentalnom režimu fale melanociti koji stvaraju pigmente. Dodatan problem rezultira još uvek iz prostornog rasporeda ćelija: prilikom transplantacije se, doduše, formiraju folikuli dlake, međutim, oni urastaju jedni u druge, uopšteno nisu jasno razgraničeni ili iz jednog folikula raste više stabljika dlake. Te stabljike dlake su neorganizovane, tako da bi se kasniji smer rasta dlake u slučaju transplantacije sopstvene kose mogao samo teško odrediti, ukoliko bi se kosa presađivala kao sitni implantati. I dalje je nejasno koliko ciklusa dlake takav folikul mora da prođe pre nego što prestane da stvara novu dlaku. Bez te informacije teško se može proceniti koliko je održiva transplantacija sopstvene kose pomoću veštački formiranih folikula dlake. Osim toga, koliko god nove spoznaje bile pozitivne, ne smemo zaboraviti da je takvo istraživanje uvek povezano sa velikim troškovima i da finansijski interesu uvek utiču na istraživanje.
Legenda: Shema pokazuje kako iz jednog veštački stvorenog folikula dlake raste više stabljika dlake u različitim smerovima.
Prema tome, sažeto se može reći da je istraživanje bioinženjeringa ili kloniranja folikula dlake, doduše, sigurno na dobrom putu, kao što pokazuju uspesi proteklih godina. Međutim, istraživačima predstoji još mnogo posla, tako da lečenje opadanja kose pomoću veštački stvorenih folikula dlake u laboratoriji neće biti moguće već sutra, ali se može očekivati da će se u predstojećim godinama i decenijama ti postupci moći toliko usavršiti da će biti moguća široko rasprostranjena terapeutska upotreba folikula dlake proizvedenih u laboratoriji.
Sa transplantacijom sopstvene kose i danas nam na raspolaganju stoji već proveren postupak koji omogućava ljudima, koji pate od alopecije ili drugih oblika opadanja kose, da suzbiju svoju patnju. Ne može se paušalno reći da li je taj postupak specijalno za Vas pogodna opcija tretmana i da li je, primera radi, davajuća regija dovoljna za tretman. U tu svrhu je potrebno stručno savetovanje i informisanje pacijenata koje zanima transplantacija sopstvene kose. Ukoliko takođe imate osećaj da patite od povećanog gubitka kose ili Vas uopšteno i neobavezno interesuju mogućnosti i granice transplantacije sopstvene kose, stupite u kontakt sa mnom kako bismo dogovorili savetodavni razgovor u našoj klinici u kojem ćemo zajedno pronaći odgovorno rešenje.
Srdačno,
Vaša Angela Lehmann
Dodatna literatura
Higgins, C. A., Chen, J. C., Cerise, J. E., Jahoda, C. A. & Christiano, A. M. (2013). Microenvironmental reprogramming by three-dimensional culture enables dermal papilla cells to induce de novo human hair-follicle growth. Proceedings of the National Academy of Sciences, 110(49), 19679–19688.
Stenn, K. S. & Cotsarelis, G. (2005). Bioengineering the hair follicle: fringe benefits of stem cell technology. Current opinion in biotechnology, 16(5), 493–497.
Tezuka, K., Toyoshima, K. E. & Tsuji, T. (2016). Hair follicle regeneration by transplantation of a bioengineered hair follicle germ. Multipotent Stem Cells of the Hair Follicle: Methods and Protocols, 71–84.