Matrica: supergydančios regeneracijos paslaptis

„Tai prasidėjo kaip mažas skauduliukas šalia kelio, tikriausiai nuo uodo įkandimo,“ pasakoja Elizabetha Loboa. Bet antibiotikų tepalas nepadėjo ir per dvi savaites iš vienos žaizdos pasidarė trys. Iš žaizdos vaizdo jos gydytojas įtarė supermikrobų MRSA infekciją ir paskyrė galingus naujausius geriamus antibiotikus. Čia pagunda pasidarė tiesiog nebepakeliama. „Užuot juos gėrusi, nusprendžiau išbandyti savo kuriamą gydymą su savimi,“ prisimena ji.

Loboa nebuvo tiesiog eilinė pacientė. Jos laboratorijoje Šiaurės Karolinos valstijos universitete Raleigh'yje, medžiagų inžinieriai ruošė ypatingus susinaikinančius supertvarsčius, gebančius užgydyti užkrėstas žaizdas greitai, be randų ar standartinių antibiotikų.

Loboa'o superpleistro pagrindas yra visiškai suyranti medžiaga, po kurios nelieka nieko kito, tik paties paciento atsistačiusios, sveikos ląstelės. Be to, tas pats metodas vieną dieną gali būti panaudotas gydant viską – nuo sudraskytų raumenų ir sunaikinto virškinamojo trakto, iki sutrupintų kaulų. Kai kurie tyrėjai jau sėkmingai panaudojo ją, kurdami organus nuo nulio ir vieną dieną ji gali suvaidinti svarbų vaidmenį, atstatant pažeistas smegenis. „Tai labai jaudina,“ sako Suchitra Sumitran-Holgersson iš Gothenbergo universiteto Švedijoje. „Stengiamės sukurti visą naują žmogišką būtybę.“

Tad, kas yra ta supermedžiaga? Kūne ji žinoma, kaip tarpląstelinė matrica – medžiaga, liekanti pašalinus gyvas ląsteles iš, tarkime, kraujagyslės, organo ar odos lopinėlio. Šis karkasas suteikia įvairioms mūsų kūno dalims būdingą jų formą ir tvirtumą.

Ir galvojome, kad ji tik tai ir atlieka. „Visi manė, kad ši matrica tiesiog laiko viską drauge,“ sako Stevenas Badylakas, regeneracinės medicinos tyrėjas Pittsburgho universitete Pennsylvania'joje, vienas iš ankstyvųjų matrica pagrįstų gydymo metodo pionierių. Regeneracinės medicinos tyrėjai ilgai bandė panaudoti ją organų atauginimui, manydami, jog tai tėra naudingas karkasas. Pavyzdžiui, bandymuose su gyvūnais, jie paimdavo inkstus ir švelniu valikliu išvalydavo juos nuo gimtųjų ląstelių. Tada panaudodavo likusį inertišką karkasą kaip modelį, ant kurio sudėliodavo, kaip manė, pasirodymo žvaigždes: kamienines ląsteles, iš naujo padengiančias matricą gyvu kūnu.

Bet prieš keletą metų pasidarė aišku, kad matricos daro daug daugiau, nei atrodo. „Dabar suprantame, kad jos struktūra yra tik antrinė paskirtis,“ sako Badylakas. „Ji turi daugybę funkcinių paskirčių.“

Pirmiausia, matrica nėra biologiškai neveiklus pašalietis. Nors ir sudaryta daugiausiai iš negyvų struktūrinių baltymų, tokių, kaip kolagenas ir elastinas, jame taip pat yra baltymų, laikančių tinkamas ląsteles tinkamoje vietoje tinkamu laiku. Pavyzdžiui, į kabliuką panašios molekulės, vadinamieji fibronektinai bei integrinai veikia, kaip tam tikrų ląstelių specifiniai molekuliniai lipukai.

Surinkusi reikiamas ląsteles, matrica pateikia dar vieną netikėtumą: ji gali įtikinti jas pavirsti kaulų, raumenų ar riebalų ląstelėmis, pagal tai, kokį įtempimą jos patiria matricoje. Jūsų kūne šis tempimas yra paprasčiausias kasdienio raumenų judėjimo įtampos pašalinis produktas. Laboratorijoje tai atliekama, manipuliuojant matricos standumu. Pavyzdžiui, stiprus matricos struktūros įtempimas visas gaunamas kamienines ląsteles vers tapti raumenų ar kaulų ląstelėmis. Patekusios į glebesnę matricą, jos tampa riebalų ląstelėmis(New Scientist, 13 February 2010, p 36).

Ir galiausiai, įtikinusi jas vystytis į tinkamos rūšies ląsteles, matrica turi savų rūpinimosi būdų, kad šios išaugtų į didesnes struktūras. Jos medžiagoje yra galingų augimo faktorių, padedančių formuotis kraujagyslėms, tiekiančioms deguonį augantiems organams.

Šių savybių išsiaiškinimas revoliucionavo organų auginimo būdus. Anksčiau šiais metais, Haraldas Ottas iš Massachusettso bendrosios ligoninės Bostone sukūrė pirmąjį pasaulyje funkcionuojantį dirbtinį inkstą, labai sudėtingą organą, kurio auginimui nuo nulio, kaip visada manė kamieninių ląstelių tyrėjai, reikėtų daugybės skirtingų ląstelių tipų. Ottas buvo priblokštas, kai suprato, kad nors į nuo ląstelių išvalytą inkstų matricą tiekė tik dviejų tipų ląsteles – kraujo kamienines ląsteles į kraujagysles ir endotelines ląsteles į kraują filtruojantį labirintą – visos skirtingos ląstelių rūšys susiformavo tose vietose, kur ir turėjo. Inkstai žiurkėms veikė taip gerai, kad Ottas dabar naudoja panašią techniką, kurdamas širdis, plaučius ir kasas. Jo laboratorija ne vienintelė siekia šio tikslo. „Darbuojamės su kepenimis, širdimis, inkstais, stemplėmis, gerklomis ir plonosiomis žarnomis,“ sako Sumitran-Holgersson.

Bet organai nėra vienintelis dalykas kurį norime regeneruoti. Badylakas išsyk suprato, kad matricos buvimo vietos nuorodos gali padėti jam išspręsti kitą problemą – raumenų auginimą. Sužaloti raumenys gali iš dalies ataugti, bet jei sunkus sužeidimas sunaikina per daug vienos raumenų grupės, randinis audinys neleidžia jam ataugti. Vienintelė alternatyva – raumenų perkėlimas iš kurios nors kitos kūno vietos, bet tai neveikia itin gerai, sako Badylakas. Toks sužeidimas paprastai reiškia amputaciją ir protezus.

O ką, jei galėtume panaudoti matricą paties žmogaus ląstelių pritraukimui ir raumens auginimui? Tai nebūtų pirmas kartas: iš mirusių donorų paimtos ir nuo ląstelių išvalytos trachėjos buvo sėkmingai panaudotos sukuriant pacientams naujas, visiškai veikiančias trachėjas. Tad Badylakas pradėjo bandymus, kuriuose panaudojo matricą, paimtą iš kiaulės pūslės šešiems žmonėms atauginti didelius gabalus raumenų, kurių jie neteko automobilių avarijose ar kitose traumose. Ronas Strangas, 28 metų JAV jūrų pėstininkas, kurio kvadricepso raumenį sunaikinto bomba Afganistane, pasisiūlė savanoriu. „Ronas nepadedamas negalėjo netgi atsistoti nuo kėdės,“ sako Badylakas.

Po chirurginio viso randinio audinio pašalinimo, Badylakas paprasčiausiai įdėjo matricos juostelę į tuščią vietą, pasirūpindamas, kad pakankamas įtempimas signalizuotų kūnui, kad tai turėtų būti raumenys, o ne lašiniai.

Ankstyvieji rezultatai buvo pribloškiantys. Po šešių mėnesių kiaulės matricos neliko, ją pakeitė visiškai nauja, natūrali matrica iš paties savanorio kūno – kartu su atitinkamais raumenimis.

„Vykstu į iškylas,“ sako Strangas, „ir galiu važinėtis dviračiu.“ Jis taip pat žaidžia futbolą ir krepšinį. Visų kitų savanorių būklė irgi ženkliai pagerėjo. „Kai kurie važinėja dviračiais po kalnus, nors anksčiau negalėjo atsistoti,“ pažymi Badylakas. Kitas jo tikslas – atkurti bent 25 procentus prarasto funkcionalumo kitiems 80-čiai savanorių.

Raumenų atauginimas yra vienas dalykas. O kaip dėl sutrupintų kaulų atkūrimo? Būtent tai stengiasi įgyvendinti Carmell Therapeutics Pittsburghe, tik kompanijos naudojama matrica gaminama iš žmogaus kraujo. „Mūsų medžiaga iš esmės yra smarkiai koncentruotas kraujo krešulys,“ sako Alanas Westas, vadovaujantis šiai kompanijai, kuri yra Carnegie Mellon universiteto padalinys. Naujausių tyrimų su gyvūnais sėkmė paskatino jį pradėti bandymus su savanoriais.

Į tešlą panašioje medžiagoje yra aukšta augimo faktorių, skatinančių kaulų gijimą, koncentracija. Metų trukmės bandymuose Pietų Afrikoje, šis „kaulų glaistas“ buvo užteptas ant 10 savanorių lūžusių blauzdikaulių. Nors Westas sako, kad dar per anksti pranešti rezultatus, leidžia suprasti, kad stebėtas grupės greitesnis gijimas turėtų padėti jiems gauti pritarimą didesniems bandymams, planuojamiems Europoje ir darbui su kitais kaulais.

Mūšis su supermikrobais

Tačiau tam, ką gali atlikti natūrali matrica, yra ribos. Pavyzdžiui, Loboa žinojo, kad natūrali žmogaus tarpląstelinė matrica nėra natūraliai antimikrobiška. Bet iš tiesų apie šią problemą ji ėmėsi galvoti, kai draugas nuvyko į ligoninę kulkšnies keitimo operacijai ir žaizda užsikrėtė MRSA. „Jiems teko amputuoti koją žemiau kelio,“ sako ji. Tai buvo kaip žadintuvo skambutis. „Išmokome tiek daug apie įvairiausių audinių regeneravimą,“ pasakoja ji, „bet ne kaip apsisaugoti nuo infekcijų šiame vaistams atsparių mikrobų amžiuje.“

Taigi Loboa pradėjo kurti sintetinę matricą, kuri darytų būtent tai. Ji turėtų pamažu virsti paciento audiniu, uždengdama jį nuo aplinkos mikrobų. „Tai idėja apie tvarstį, kurio niekada nereikia keisti,“ paaiškina ji.

Paprastai matricos gaunamos iš žmonių ar kiaulių palaikų. Norėdama sukurti savo versiją, Loboa pradėjo nuo polilaktinės rūgšties, biologiškai skaidomos medžiagos, dažnai naudojamos medicininiuose implantuose, ir pakeitė ją į pluoštą, pakartojantį odos architektūrą. „Naujovė tai, ką galime nuveikti su šiuo pluoštu,“ pabrėžia ji. „Galime padaryti juos vientisus, porėtus ar tuščiavidurius.“ Ji pasirinko porėtą struktūrą, kurią galima impregnuoti kokteiliu iš priešuždegiminių vaistų ir Silvadur medžiagos, kurioje yra nedaug sidabro jonų, mirtinai pavojingų daugumai vaistams atsparių bakterijų, tarp kurių ir MRSA. Ši medžiaga veikia dviem fazėmis: pirmoji dozė nuslopina visus esančiu mikrobus, o tada antroji išsiskiria pamažu, naikindama bet kokius įsibrovėlius. Struktūra nulemia sidabro jonų ir ir kitų vaistų išsiskyrimo spartą. Loboa išbandė lėtai sidabrą išskiriančią matricą su kiaulėmis: netgi 4 centimetrų ilgio žaizdos, užkrėstos MRSA ar E. coli bakterijomis, išliko švarios.

Matydama, kad tiek daug kartų tai pavyko su jos kiauliškais pacientais, ji tvarstį uždėjo ant savo žaizdos. Ir tada išryškėjo tikroji tvarsčių vertė. „Užsidėjau tvarstį ir žaizdos neliko po trijų dienų,“ sako ji. Greitai išnyko ir pats tvarstis, palikdamas tamsų randą, kuris dabar jau beveik išnyko. Loboa rengiasi publikuoti rezultatus, su viena išimtimi. „Savo kojos duomenų neįtrauksiu,“ šypsosi ji.

Sintetinė matrica taip pat gali būti naudojama kaip daug stipresnių už natūralias kūno dalių forma. Viena grupė, kuri galėtų iš to gauti daug naudos, yra milijonai žmonių, atliekančių inkstų dializę.

Dializė – nemenkas išbandymas kūnui: reikia prisijungti prie kraują valančios mašinos tris kartus per savaitę, praduriant didžiąją rankos veną. Tam, kad kelių dienų inkstų darbas būtų atliktas per keletą valandų, kraujas per sistemą turi tekėti greitai. Nuo tokio intensyvaus naudojimo venos dažnai kolapsuoja ir gydytojai turi nuolat jas atverti iš naujo. Jei visa kita nepavyksta, įmanoma perkelti venas iš kitų kūno dalių, bet per mėnesius, kol persodina vena prigyja, turi būti naudojamas plastikinis kateteris, kuris dažnai užkrečiamas. „Tai labai slegia ir skausminga,“ sako Laura Niklason, audinių inžinierė iš Yale'o universiteto.

Tad, Niklason su kolegomis ėmėsi kurti specialiai pritaikytas natūralių venų matricas, stipresnes, nei tikrosios. Tam iš pradžių jie įdėjo greitai biologiškai skaidomą polimerą į vamzdelį, kurio diametras tiksliai atitiko venos parametrus, bet su storesnėmis sienelėmis. Tada padengė vamzdelį žmogaus lygiųjų raumenų ląstelėmis. Per kelias dienas ląstelės visiškai pakeitė biologiškai skaidomą vamzdelį natūralaus kolageno, identiško paciento nuosavam, matrica – tik storesne ir galinčia geriau pakelti papildomą dializės spaudimą. Po ląstelių pašalinimo šie vamzdeliai buvo chirurgiškai implantuoti pacientams ir tarnavo kaip venos dializei. Niklason įdėjo tokias venų matricas į 30-ies savanorių rankas Lenkijoje. Po keleto mėnesių jie laikosi gerai. Niklason planuoja atlikti dar 20 implantacijų JAV, ir taip teigiamai nusiteikusi dėl venų matricų, jog viliasi, kad juos panaudos kaip vainikinių arterijų šuntus.

Nepaisant to, dirbtinės matricos dar neturi daugybės natūralių matricų savybių. Sumitran-Holgersson, dirbusi su dirbtinėmis medžiagomis Gothenbergo universitete, sako, kad, nepaisant sintetinių implantų potencialo, natūralios matricos visada bus būtinos organų kūrimui. „Jos, be abejonės pranašesnės, nes turi tiek svarbių faktorių prikabinti ir diferencijuoti ląsteles,“ sako ji.

Tačiau kai kuriems tikslams įmanoma sukurti hibridus, perimančius tai, kas geriausia, iš abiejų pasaulių. Tai suteikia daug žadančią perspektyvą, gydant vieną iš blogiausių Krono ligos pasekmių: perianalines fistulas.

Šie abscesai išgraužia kanalą per žarnyno sienelę, ir išmatos gali prasiveržti per odą ar, blogiausiu atveju, į pilvo ertmę. „Per 20 šios ligos metų, jos atsiranda maždaug pusei,“ sako Eugene'as Bolandas, Techshot kompanijos, kuriančios pritaikytą medicininę įrangą, įsikūrusios Greenville'yje, Indiana'os valstijoje, vadovas. „Ir iš jų 50 procentų niekada nepasveiks.“ Prognozė niūri ir neguodžianti, su sauskelnėmis ir nuolatiniu nuskausminamųjų vartojimu.

Kartu su Louisville'io universitetu Kentucky'je, Bolandas matricos pagrindu sukūrė fistulos kamštį. Jis naudojo polikaprolaktoną, komponentą, kuris, panašiai, kai ir Loboa'os pluoštas, gali būti pakeistas, kad galėtų suteikti papildomas nišas ląstelėms. Dar jis pridėjo fibrinogeno, natūralių matricų komponento, padedančio gyti žaizdoms.

Smegenų atsigavimas

Siekdamas įstatyti juos dviems Krono liga sergantiems žmonėms, Bolandas padengė hibridinę matricą paviršiaus ląstelėmis, gautomis iš jų pačių riebalų ir implantavo kamščius į fistulas, ilgus metus nepasidavusias jokiam gydymui. Tai suveikė abiem atvejais. „Kanalai užsidarė vos po dviejų savaičių,“ sako jis ir tikisi išgydyti dar 20 žmonių, prieš pereidamas prie visaverčių tyrimų.

Matricos siūlo svaiginančias perspektyvas. Loboa, pavyzdžiui, kuria daugiasluoksnę versiją, kuri tuo pačiu metu galėtų atstatyti įvairių rūšių audinius, sužaotus sunkiose avarijose. Badylakas ir kiti netgi ima tirti jos teikiamą smegenų sužalojimo potencialą. Gregas Bixas iš Texaso A&M universiteto College Statione atrado kertinį matricos komponentą, galintį skatinti pačių smegenų savęs taisymą: signalinė molekulė iš insulto pakenktos smegenų matricos, – penktojo domeno (DV) perlekanas. Jis skatina naujų kraujagyslių augimą. Kai Bixas suleido DV pelėms ir žiurkėms, kurioms tyčia buvo sukeltas insultas, rezultatai buvo stulbinantys. „Po poros savaičių,“ sako jis, „nėjo pasakyti, kad joms buvo insultas.“

Praeis dar daug laiko, kol šie gydymo metodai taps realybe, bet Loboa viliasi, kad jos idėja sukurs naujus vaistus odos žaizdoms jau netolimoje ateityje. Ir nors didieji dirbtiniai organai, Otto ir kai kurių kitų tyrėjų vertinimu, dar nutolę per dešimtmetį, matricos gali padėti gydant labiau paplitusius kūno sužeidimus, tarkime, raumenų kaulų ir audinių, į kuriuos nusitaikė Badylakas ir kiti.

Netgi paprastos odos žaizdos darosi vis pavojingesnės dėl antibiotikams atsparių bakterijų klestėjimo ligoninėse ir už jų ribų, ir čia Loboa'os nekeičiamas tvarstis galėtų sužibėti. „Dabar ligoninės yra baugios vietos,“ sako Loboa.

Andy Coghlan
New Scientist, № 2934