Работая над созданием полноценных зубов, способных заменить утраченные, некоторые специалисты по тканевой инженерии имитируют процессы, происходящие на эмбриональном уровне. Альтернативный подход состоит в создании зубов из уже существующих клеток зубной ткани или выращивании таких клеток из тканей-предшественников. Оба метода уже дали результат: с их помощью получены правильные в структурном отношении зубы. Нерешенными остаются проблемы образования корней и идентификации идеального исходного материала для биоконструирования зубов человека. Однако прогресс в данной области столь стремителен, что, возможно, полноценый зуб станет первым органом, выращенным в пробирке.

 

Пол Шарп (Paul T. Sharpe) и Конан Янг (Conan S. Young) впервые встретились два года назад на конференции по биоинженерии зубов и костей. Шарп, профессор Королевского колледжа (Лондон), возглавляет отдел по изучению развития лицевой части головы в госпитале Гая в Лондоне. В 2002 г. он создал биотехнологическую компанию Odontis Ltd, основным направлением работы которой стало выращивание зубов и костей человека путем воспроизведения процессов их формирования у эмбриона. Янг преподает в Гарвардской стоматологической школе и является штатным научным сотрудником Института Форсайта в Бостоне. Он занимается конструированием зубов с использованием биодеградируемых каркасов.

Те или иные проблемы с зубами возникают в течение жизни у 85% взрослых европейцев. К 17 годам 7% людей теряют один-два зуба, а после 50 лет мы лишаемся в среднем 12 зубов. Идеальной заменой выпавшего зуба был бы новый, выращенный в том же месте из ткани самого пациента. Однако долгие годы о решении такой биоинженерной задачи оставалось только мечтать. Ситуация изменилась лишь недавно, благодаря детальному изучению начальных этапов формирования зубов и успехам в области биологии стволовых клеток и тканевой инженерии. Помимо тех благ, которые сулит больным новый метод, его дальнейшая разработка позволит решить и общие проблемы замены вышедших из строя органов. Зубы представляются очень удобным «испытательным полигоном»: они не относятся к числу жизненно важных органов, а потому неудача не грозит катастрофическими последствиями. Звучит, возможно, не очень гуманно, но опыты на зубах могут проложить дорогу к разработке аналогичных операций на тех органах, где врачебная ошибка недопустима.

Все вышесказанное не означает, что «зубная» инженерия – дело простое. Сложившийся за миллионы лет эволюции механизм формирования любых органов начинается еще на эмбриональном уровне. Задача специалистов в области тканевой инженерии – воспроизвести все этапы процесса с их изощренной системой контроля. И прежде чем приступить к ее решению, целесообразно разобраться в том, что задумала сама природа.

 

Шестинедельный человеческий эмбрион не превышает в длину 2,5 см, формы будущего тела едва заметны. Однако его клетки непрерывно обмениваются информацией, в том числе и относительно формирования зубов. Процесс передачи сигналов крайне сложен, поэтому органы нельзя вырастить от начала и до конца in vitro. Ученым вряд ли удастся когда-нибудь полностью воспроизвести условия естественного образования тканей. Но чем больше они узнают о самых ранних этапах их развития, тем скорее сумеют создать «ростки» зубов, имплантировать их в организм и предоставить природе возможность довершить остальное. Зарождение зубов происходит в результате взаимодействия между двумя разными типами эмбриональных клеток: эпителиальных и мезенхимных. На первых стадиях существования зародыша эпителиальные клетки ротовой полости (из них образуется ее выстилка) посылают первые сигналы клеткам мезенхимы (они строят костную структуру челюсти и мягкие ткани) к началу одонтогенеза (формирования зубов). Последние сообщают эпителиальным клеткам, что «задача ясна», далее начинается своеобразный диалог между участниками процесса «возведения» зубов.

 

Вначале будущий зуб представляет собой не более чем утолщение эпителия ротовой полости эмбриона. Из него в глубь подлежащей мезенхимы врастает эпителиальный пласт, вокруг которого, в свою очередь, происходит уплотнение мезенхимы. В результате к седьмой неделе у эмбриона образуется зубной зачаток. Прорастая все глубже, он принимает форму перевернутой чаши. Эта структура образует так называемый эмалевый орган, в полость которого снизу начинает врастать мезенхима. В дальнейшем из ее клеток формируются внутренние части зуба: дентин, пульпа, цемент, периодонтальная связка, удерживающая зуб в костной ткани челюсти. Из эпителиальных клеток образуется наружная часть, которая прорезывается из десны на 6–8−й месяц после рождения ребенка.

Форма будущего зуба определяется его местоположением. Некоторые посылаемые эпителиальными клетками сигналы, которые запускают процесс одонтогенеза, участвуют в регуляции работы важной категории генов мезенхимы. Все они содержат специфическую нуклеотидную последовательность (так называемый гомеобокс) и способствуют развитию различных органов. При формировании челюсти в определенных ее участках активизируются разные гомеобокс-гены, предопределяющие закладку и формирование моляров, премоляров, клыков и резцов.

Так, гомеобокс-ген Barx1 экспрессируется в тех клетках мезенхимы, где в будущем появятся моляры. В ходе опытов на животных ученые вынудили этот ген проявиться там, где должен был быть резец.

Зуб – настоящее чудо дизайнерского искусства, сотворенное природой. У человека на его формирование уходит минимум 14 месяцев. В закладке зубов у эмбриона участвуют ткани двух типов; между их клетками происходит непрекращающийся диалог. Специалисты по тканевой инженерии тщательно исследуют этот поток информации, чтобы использовать полученные данные при создании функциональных искусственных зубов.

 

Первые намеки на зубы у эмбриона человека появляются на 6–7−й неделе после зачатия, когда начинает угадываться форма головы. На месте образования будущего зуба происходит небольшое уплотнение эпителиальной ткани ротовой полости, и эпителиальные клетки начинают посылать сигналы клеткам подлежащей мезенхимы. По мере прорастания эпителия в ткань мезенхимы клетки последней посылают ответные сигналы и концентрируются вокруг эпителиального выроста, образуя зачаток зуба. К 9−й неделе слой эпителиальной ткани образует структуру в форме перевернутой чаши, которую заполняет мезенхима. В центре чаши появляется эмалевый «узелок», который теперь служит основным «командным пунктом», откуда отдаются приказы клеткам эпителия и мезенхимы. К 14−й неделе формируется «колокол», состоящий из слоя дифференцирующихся клеток, называемых амелобластами (из них позже образуется эмаль) и слоя одонтобластов (прародителей дентина). Последними появляются корни, формирование которых завершается к моменту прорезывания зубов (6–12 мес. после рождения).

 

 

Однако вместо него сформировался моляр. Способность контролировать и предопределять форму зуба крайне важна для зубной инженерии, и ключевую роль здесь играет регуляция активности таких генов, как Barx1. Кроме того, каждый сигнал должен поступать клеткам развивающегося зуба в определенное время.

 

Первые эксперименты по воспроизведению зубов животных были проведены в Англии в начале 1960−х гг. В последующие тридцать лет ученые пытались вырастить зуб, соединив вместе крошечные кусочки эпителиальной ткани и мезенхимы из области зубного зачатка, взятого у эмбрионов мышей. Такую конструкцию помещали в культурную среду или имплантировали в ту область тела животного, которая хорошо снабжалась кровью. Оказалось, что эмбриональные зубные зачатки до поры до времени развивались нормально, однако образования дентина и эмали не происходило, и дальше процесс не шел.

 

Для завершения формирования зубов необходимы определенные факторы роста и сигналы, поступающие эмбриону от клеток челюсти. Казалось бы, в таком случае нужно просто трансплантировать зубной зачаток в челюсть – и из него разовьется нормальный зуб. Однако ткань челюсти взрослого человека существенно отличается от эмбриональной, и нет никакой уверенности, что посылаемые ею сигналы будут адекватными.

 

В ходе исследований зубы поросят измельчили в порошок и обработали ферментами. Полученные изолированные клетки поместили в биодеградируемый каркас. После недельной инкубации по периметру формы образовалось скопление клеток – синяя полоска (рисунок вверху слева). В последующие 25 недель (рисунок вверху справа) каркас растворился, зато появились пульпа, эмаль и дентин. Результатом таких экспериментов стало образование крошечных структур, похожих на зубы. Однако правильная организация тканей новообразования (внизу слева) отмечалась лишь в 15–20% случаев. Чаще «зуб» не имел упорядоченной структуры (внизу справа). Тем не менее подобные эксперименты свидетельствуют о способности изолированных клеток зубов к самоорганизации и образованию островков тканей зуба.

 

 

Кроме того, важно, чтобы искусственный зачаток имел правильное соотношение разных клеток, иначе в нем не образуются нужные вещества и структуры. Лучше всего было бы использовать в качестве исходного материала ткани самого пациента (в этом случае они не воспринимаются организмом как чужеродные и не вызывают отторжения). Итак, чтобы добиться успеха в зубной инженерии, нужно выполнить три условия. Во-первых, использовать клетки самого пациента, во-вторых, добиться того, чтобы будущий зуб правильно развивался в окружении ткани челюсти взрослого организма, образуя корни, прочно фиксирующие его на месте с помощью периодонтальной связки. И в-третьих, чтобы форма и размер новой структуры были такими же, как у настоящей.