Тканевая инженерия (англ. tissue engineering) как дисциплина начала свою историю в первой половине XX века. Фундаментом послужили теоретические и практические разработки по созданию «искусственных» органов и тканей и работы по трансплантации клеток и биологически активных компонентов на носителях для восстановления повреждений в различных тканях организма [1].

В настоящее время тканевая инженерия является одной из наиболее молодых отраслей в медицине, базирующихся на принципах молекулярной биологии и генной инженерии [2]. Используемый в ней междисциплинарный подход направлен в первую очередь на создание новых биокомпозиционных материалов для восстановления утраченных функций отдельных тканей или органов в целом [3].

Цель таких технологий заключается в том, чтобы использовать собственные клетки пациента или иммунотолерантный «универсальный» источник клеток для выращивания тканей или органов in vitro (тканевая инженерия) с целью замены с последующей трансплантацией пациенту. В других вариантах клетки, полученные с помощью тканевой инженерии, могут быть имплантированы в организм пациента, где они будут стимулировать регенерацию поврежденных тканей и органов.

Однако для развития и совершенствования методов реконструктивной медицины на базе тканевой инженерии необходимо освоение технологий новых материалов, обладающих свойствами высокой функциональности и специфичности, включая конструирование систем, способных воспроизводить биологические функции живого организма.

Использование накопленных знаний по тканевой инженерии нашло применение в таких дисциплинах, как урология (лечение пороков развития мочевого пузыря, сопровождающихся рефлюксом), урогинекология (лечение стрессового недержания мочи), гинекология (хирургическое лечение пролапса тазовых органов) и др. [4].

По данным эпидемиологических исследований в гинекологии, пролапс гениталий является патологией, достигающей 34,1—56,3% среди женской популяции некоторых стран [5]. По данным отечественных авторов [6—8], число случаев пролапса гениталий колеблется от 1,7 до 38,9% и среди гинекологических заболеваний составляет 28—38,9%, около 15% от общего числа так называемых больших гинекологических операций. В структуре плановых показаний к оперативному лечению выпадение матки и влагалища занимает 3-е место после доброкачественных опухолей и эндометриоза [9, 10]. Особую актуальность проблема пролапса гениталий приобретает ввиду тенденции к «омоложению» этой патологии, сопровождаемой тяжелыми дисфункциональными изменениями соседних органов. У 85,5% больных развиваются функциональные расстройства смежных органов: недержание мочи — у 70,1% пациенток, нарушение дефекации — у 36,5%, диспареуния — у 53,3% [11].

Основным методом лечения является хирургическое вмешательство. По данным исследователей, существует от 200 до 500 видов операций по устранению пролапса гениталий [9, 11]. Такое большое количество операций объясняется тем, что полученные результаты не всегда устраивают пациенток и врачей. Сохраняется определенная частота рецидивов и дисфункций мочевого пузыря, прямой кишки и половой жизни, интра- и послеоперационные осложнения, побочные негативные эффекты. Так, частота рецидивов колеблется от 5 до 40%, а иногда достигает 50% [12]. В последнее время в хирургическом лечении пролапса тазовых органов широкое распространение получили методики с использованием сетчатых протезов.

Развитию методик с применением сетчатых протезов, которые могли бы создать надежный каркас для органов малого таза, способствовали низкая эффективность хирургического лечения и высокая частота рецидивов пролапса гениталий. Явление дисплазии соединительной ткани послужило фактором объяснения использования синтетических имплантатов для замещения фасциальных структур тазового дна.

Использование синтетических материалов началось в 50-х годах прошлого века в общей хирургии, они применялись в основном при пластических операциях по поводу послеоперационных грыж. За это время было проведено множество рандомизированных исследований по оценке эффективности и безопасности их применения. По данным R. Luijendijk и соавт. [13], применение синтетических протезов позволяет снизить частоту рецидивов с 43 до 24%. Одной из первых работ в этой области урогинекологии стала статья [14], в которой автор рассматривал попытку снижения частоты послеоперационного рецидива пролапса гениталий после передней кольпорафии, составляющей около 20—40%. В своей работе автор исследовал частоту рецидивов цистоцеле у больных, оперированных по поводу рецидива цистоцеле, с использованием сетчатого имплантата или повторной кольпорафии. Через 2 года после хирургического лечения было проведено повторное исследование с подтверждением частоты рецидива цистоцеле. В результате в первой группе (с использованием синтетического протеза) частота рецидива составила 0 по сравнению с 33% в группе с использованием кольпорафии (p<0,05). Отмечалась эрозия слизистой оболочки влагалища у 3 (25%) пациенток группы с пластикой синтетического протеза [14].

В 2000 г. A. Wattiez [15] провел лапароскопическую коррекцию выпадения культи влагалища и шейки матки методом промонтофиксации с применением мерсиленовых протезов.

В 2001 г. проведены два независимых рандомизированных исследования двумя группами ученых [16, 17]. В основе исследований лежало сравнение рецидивов пролапса гениталий после традиционной кольпорафии и имплантации синтетического протеза. Оба исследования показали более высокую эффективность операции с применением сетчатого имплантата.

Интерес вызвала работа, опубликованная M. Carey и соавт. [18]. В исследовании приняли участие 139 женщин, которых разделили на две группы. В 1-ю группу вошли 70 женщин, которым была проведена передняя кольпорафия, а во 2-ю группу — 69 женщин с пластикой тазового дна с использованием синтетического полипропиленового сетчатого протеза. Спустя 12 мес после операции авторы отметили клиническое излечение у 51 (81%) из 63 больных в группе с использованием сетчатого имплантата и у 40 (65,6%) из 61 пациентки в группе после кольпорафии. Осложнение в виде эрозии слизистой оболочки с протрузией протеза составило 5,6% во 2-й группе.

Самые крупные отчеты о результатах хирургического лечения выпадения тазовых органов у женщин принадлежат группе библиотеки Cochrane, которая провела анализ 22 рандомизированных клинических исследований, основанных на 2368 наблюдениях. Абдоминальная сакрокольпопексия была ассоциирована с более высокими показателями клинического излечения (относительный риск (ОР) 0,23, 95% доверительный интервал (ДИ) 0,07—0,77) и меньшей частотой диспареунии, чем при проведении влагалищной сакрокольпопексии (ОР=0,39, 95% ДИ 0,18—0,86). Однако влагалищная сакрокольпопексия требовала меньше операционного времени и меньших затрат, а также отмечалась более ранняя реабилитация пациенток. При проведении пластики цистоцеле традиционными хирургическими методами наблюдалась более высокая частота рецидива цистоцеле по сравнению с таковой в группе пациенток, у которых при коррекции цистоцеле применялся полигалактиновый синтетический имплантат или свиной дермальный лоскут (ОР=2,72, 95% ДИ 1,20—6,14). У 10% женщин от общего числа наблюдаемых повторно возникло недержание мочи при напряжении после операции. Авторами было отмечено, что симультанное выполнение таких операций, как имплантация свободной влагалищной петли, пликации эндопельвикальной фасции (ОР=5,5, 95% ДИ 1,36—22,32) или кольпосуспензия Берча при абдоминальной сакрокольпопексии (ОР=2,13, 95% ДИ 1,39—3,24) позволили снизить частоту возникновения de novo недержания мочи при напряжении [19].

В исследованиях В.Е. Радзинского и соавт. [20] показана наибольшая эффективность операций TVM (trans-vaginal mesh) с использованием сетчатого имплантата для реконструкции тазового дна. По данным P. Collinet и соавт. [21], отмечается высокая эффективность операции Prolift и безопасность метода на основании полученных результатов. В сравнительном исследовании отмечено преимущество данной операции перед передней или задней кольпорафией [21].

Неудачу в использовании из-за высокой частоты рецидивов потерпела синтетическая петля — mesh kit, которая была одобрена ассоциацией урологов и гинекологов в США (Posterior IVS Tunneller, Tyco Healthcare LP, Norwalk, CT). Результаты использования были описаны в работе B. Farnsworth [22].

Группа ученых Nordic Transvaginal Mesh Group — C. Elmér, D. Altman, M. Engh [23] — выполнила когортное исследование, в котором приняли участие 232 пациентки с выполненной пластикой тазового дна методом передней, задней и тотальной технологии Prolift. У 79 и 82% пациенток, перенесших операции методом передней и задней технологии Prolift соответственно, была достигнута полная анатомическая коррекция [23]. В группе операции по методу тотальный Prolift этот показатель составил 81%, а полная анатомическая коррекция ректоцеле отмечена у 86% пациенток. Интраоперационно хирурги столкнулись в 2 случаях с кровотечениями, превышающими 500 мл, и в 9 (3,4%) случаях с перфорацией мочевого пузыря и прямой кишки. Эрозия слизистой оболочки влагалища с протрузией сетчатого протеза по результатам данного исследования отмечена у 26 (11%) пациенток.

Группа исследователей [24] провела оценку влияния полипропиленовой сетки при имплантации на стенку влагалища и возникающих осложнений, индуцированных сетчатым имплантатом. Сорока девяти рожавшим резус-макакам среднего возраста произведена хирургическая имплантация синтетических сеток трех видов путем сакрокольпопексии и двух сеток более тяжелых, но с высокой пористостью и низкой жесткостью. Более легкая сетка оказывала негативное влияние на метаболизм коллагена и эластина, в то время как сетка с высокой пористостью вызывала лишь увеличение деградации эластина. При подведении итогов эксперимента было доказано, что имплантация легких, пористых и менее жестких сеток приводит к меньшему отрицательному воздействию [24].

Высокая частота рецидивов в реконструктивной тазовой хирургии дала повод ученым задуматься над разработкой улучшения хирургического лечения путем создания тканеинженерных конструкций с целью сокращения сроков реабилитации после хирургического вмешательства путем улучшения биосовместимости и в связи с отсутствием возникновения воспалительной реакции в раннем послеоперационном периоде, требующем дополнительной медикаментозной поддержки.

Обычные имплантаты из инертных материалов могут устранить только физические и механические недостатки поврежденных тканей [25]. Целью тканевой инженерии является восстановление биологических (метаболических) функций, т. е. регенерация ткани, а не простое замещение ее синтетическим материалом.

Развитие клеточных технологий и вовлечение в медицину новых методов молекулярной биологии открывают возможности для восстановления значительных дефектов тканей и органов с использованием созданных in vitro искусственных тканей [26].

Создание тканеинженерного имплантата (графта^​*​) включает несколько этапов:

— отбор и культивирование алло- или аутогенного клеточного материала;

— разработка специального носителя для клеток (матрицы) на основе биосовместимых материалов;

— нанесение клеточной культуры на матрицу и размножение клеток в биореакторе в специальных условиях культивирования;

— непосредственное внедрение графта в область пораженного органа или предварительное размещение в области, хорошо кровоснабжаемой, для улучшения процесса созревания и формирования микроциркуляции внутри графта (префабрикация). Данная конструкция должна способствовать поддержанию пролиферативной активности, соответствовать форме и физико-механическим свойствам пораженного участка.

Наиболее важным элементом успеха клеточных технологий и тканевой инженерии является наличие необходимого количества функционально активных клеток, способных дифференцироваться, поддерживать соответствующий фенотип и выполнять конкретные биологические функции. Клетки в ходе дифференцировки должны продуцировать внеклеточный матрикс (в его основе белки, в частности, коллаген) соответствующей организации и структуры, выделять цитокины и другие сигнальные молекулы, а также взаимодействовать с соседними клетками или тканями. В связи с этим возникает первая задача тканевой инженерии — поиск и наличие стабильного и доступного источника функционально активных клеток.

Клеточный материал может быть представлен клетками регенерируемой ткани или стволовыми клетками. Стволовые клетки — недифференцированные клетки, способные делиться, самообновляться и дифференцироваться в один тип или более специализированных клеток. Они могут быть получены путем направленного дифференцирования стволовых клеток костного мозга, пуповинной крови или жировой ткани [27].

Впервые R. Schofield [28] предположил, что колонии стволовых клеток находятся в тканевых нишах и обладают уникальными способностями, которые можно использовать в терапевтическом направлении [28]. Различают два механизма действия стволовых клеток, используемых в терапии. Во-первых, клетки способны к дифференциации и интеграции в травмированную область, а затем возможно замещение ими поврежденной ткани. Во-вторых, клетки способны к освобождению цитокинов, хемокинов и факторов роста, которые могут вступать в контакт с соседними клетками.

Использование стволовых клеток или клеток-предшественников, культивированных in vitro, — требующий времени дорогой процесс, который должен проводиться в соответствии со строгими и повышающимися стандартами International Urogynecology Association.

Белорусскими исследователями В.Г. Богдан и соавт. [29] проведен анализ биосинтеза коллагена при различных вариантах пластики брюшной стенки с трансплантацией мезенхимальных стволовых клеток, полученных из жировой ткани в условиях моделированной послеоперационной грыжи у лабораторных животных [29]. В результате имплантация полипропиленовой хирургической сетки как изолированно, так и в сочетании с трансплантацией культуры мезенхимальных стволовых клеток, полученных из жировой ткани, импрегнированной в желатиновый гель, при пластике брюшной стенки в области моделированного дефекта характеризовалась схожей динамикой изменения показателей экспрессии коллагена I и III типа, но различной степенью их выраженности. Получены данные о подтверждении влияния трансплантации мезенхимальных стволовых клеток на улучшение структурных характеристик формирующейся соединительной ткани, с увеличением образования коллагена I и III типа, что в дальнейшем влияет на лучшую вживляемость в ткани полипропиленовой сетки.

Первыми представили идею о клеточной терапии пролапса органов малого таза M. Но и соавт. [30], которым удалось простимулировать вагинальную репарацию у крыс. Они использовали стволовые клетки скелетных мышц мыши, культивированные in vitro и помещенные на поддержку, сделанную из бесклеточного подслизистого слоя тонкой кишки свиньи. Клетки скелетных мышц легко получить, и различные популяции мышечных стволовых клеток или клеток-предшественников с успехом использовались в лечении миофасциальной грыжи в эксперименте. Поперечнополосатые мышцы не свойственны стенкам влагалища, но M. Но и соавт. [30] продемонстрировали, что стволовые клетки скелетных мышц после имплантирования во влагалище крыс дифференцировались в гладкомышечные клетки, что может внести большой вклад в использовании таких клеток в хирургии пролапса органов малого таза. До сих пор неясно, было ли это результатом трансдифференцировки мультипотентной мышечной клетки или причиной послужила гетерогенность трансплантируемой популяции.

M. Boennelycke и соавт. [31] удалось предоставить данные, которые свидетельствовали о том, что использование аутологичных мышечных клеток, фибробластов или мезенхимальных стволовых клеток, культивированных на биосовместимые матрицы, может быть альтернативой для хирургической реконструкции нативной ткани при лечении пролапса тазовых органов. В качестве более экономически благоприятных и клинически применимых М. Boennelycke и соавт. [32] использовали фрагменты свежих мышечных волокон, культивированных на синтетической биодеградантной поддержке с содержанием метоксиполиэтиленгликольполилактидгликолевой кислоты, и имплантировали их в брюшную полость мышей. Спустя 8 нед возникала новая поперечнополосатая мышечная ткань, и биосовместимый матрикс постепенно исчез [32]. Мышечные стволовые клетки (клетки-сателлиты), находящиеся в свежих изолированных мышечных волокнах, являлись катализаторами в процессе образования новой ткани [33].

Другая стратегия была предложена M. Hung и соавт. [34], которые использовали вагинальные фибробласты человека, культивированные in vitro и посаженные на синтетические биоразлагаемые матриксы из гликозилированной молочной кислоты (PLGA). Они были имплантированы подкожно в спину мышей, и авторы показали, что развился тканеинженерный аналог фасции [34]. M. Kapischke и соавт. [35] и A. Mangera и соавт. [36] использовали фибробласты при попытке улучшить биосовместимость имплантированных сеток. Фибробласты человека, культивированные in vitro, были взяты из влагалища, крайней плоти и щеки и посажены на различные полипропиленовые и биологические сетки с целью обеспечения биологического покрытия на границе между сеткой и тканью. Эффективность подсадки клеток на полипропиленовые сетки не сравнима с биологическими сетками, но исследования in vivo не проводились [35, 36]. Т. Drewa и соавт. [37] использовали 3 T3 мышиные фибробласты, культивированные in vitro и посаженные на синтетическую биоразлагаемую поддержку из полигликолевой кислоты, для успешного лечения дефектов стенок брюшной полости мышей. Подслизистая соединительная ткань влагалища содержит много фибробластов, и идея использования аутологичных вагинальных клеток для лечения пролапса органов малого таза кажется очевидной, но многие попытки в итоге оказались неудачными из-за молекулярных и клеточных особенностей данной патологии.

Успехом увенчалась попытка создания клеточно-инженерной конструкции для хирургического лечения пролапса тазовых органов с использованием полипропиленовой сетки и дермальных фибробластов, которые по своим свойствам схожи с мезенхимальными стволовыми клетками. А.И. Ищенко и соавт. [38] удалось получить монослой из жизнеспособных дермальных фибробластов, заполнивших ячейки полипропиленовой сетки уже на 30-е сутки эксперимента. Данная клеточно-инженерная конструкция за счет усиления синтеза коллагена [39—42] и прорастания фиброзной тканью может способствовать более надежной имплантации сетки в окружающие ткани по сравнению с теми же хирургическими имплантатами, не содержащими покрытия культурой дермальных фибробластов человека [43, 44].

Мезенхимальные стволовые клетки являются мультипотентными и могут дифференцироваться в различные виды тканей, например, в костную, хрящевую, жировую, ткани связок и сухожилий, и гладкомышечную ткань. Процесс дифференцировки направляется микроокружением в месте имплантации. Таким образом, аутологичные мезенхимальные клетки и, в частности, легко доступные стволовые клетки жировой ткани могут идеально подходить для лечения пролапса органов малого таза. Мезенхимальные стволовые клетки легко отделить и культивировать из костного мозга или жировой ткани. Они широко используются в различных медицинских отраслях для восстановления и регенерации поврежденных тканей [45, 46]. В урогинекологии стволовые клетки как из костного мозга, так и из жировой ткани были использованы для уретрального сфинктера в лечении стрессового недержания мочи у животных [47, 48]. Х. Zou и соавт. [48] успешно лечили стрессовое недержание мочи у крыс, которым до этого пересекали седалищный нерв, имплантируя субуретральную поддержку, которая состояла из посаженных на нее стволовых клеток костного мозга и биоразлагаемого шелкового волокна.

С. Dolce и соавт. [49] показали, что стволовые клетки костного мозга хорошо растут на полигликолевых сетках и покрытие сеток клетками улучшает биосовместимость, снижая образование интраабдоминальных спаек у крыс. S. Kunisaki и соавт. [50] считают, что мезенхимальные амниоциты, посаженные на композитную биологическую сетку, сделанную из бесклеточной дермы человека, подслизистой тонкой кишки и коллагена, были лучше фетальных миобластов в реконструкции диафрагмальных грыж у новорожденных ягнят.

Интересные данные описала в своем исследовании группа австралийских хирургов D. Ulrich и соавт. [51], которые в качестве мезенхимальных стволовых клеток использовали клетки эндометрия человека при хирургическом лечении пролапса тазовых органов при помощи полиамидных сетчатых имплантатов. В месте имплантации сетки с мезенхимальными стволовыми клетками эндометрия при гистологическом исследовании на 7-е сутки отмечалась значительная неоваскуляризация (р<0,05), а к 90-м суткам снижение количества макрофагов и инфильтрации лейкоцитов (р<0,05).

Группе китайских исследователей [52] удалось продемонстрировать улучшение регенеративной способности тканей при хирургическом лечении пролапса тазовых органов с использованием мезенхимальных стволовых клеток из жировой ткани на сетчатом имплантате с коллагеновым гелем по сравнению с тем же сетчатым имплантатом без клеточного покрытия. Через 4 нед отмечалась активная экспрессия коллагена I типа и эластических волокон, а также произошли изменения в клеточной морфологии (изменилась конфигурация клеточного ядра) [52].

L. Shi и соавт. [53] описали в своем исследовании применение мезенхимальных стволовых клеток, полученных из жировой ткани и культивированных на микросфере из фиброина шелка в 4 точки вокруг мочеиспускательного канала крысам с синдромом недержания мочи. При этом проводилось пересечение полового нерва, что привело к снижению нервно-импульсного воздействия на мочевой пузырь. Спустя 4 нед наблюдения за экспериментом отмечалось восстановление нервного импульса и площади травмированного участка. Окончательные положительные результаты в регенерации сфинктера уретры зафиксированы спустя 8 и 12 нед после инъекции.

В 2013 г. были проведены исследования D. Ulrich и соавт. [54]. В экспериментах использовались полиамидные сетчатые имплантаты, которые покрывались слоем мезенхимальных стволовых клеток (источник клеток — эндометрий человека). В результате проведенной работы было доказано, что полученная тканеинженерная конструкция имела наименьший процент отторжения по сравнению с полиамидными сетками из-за образования более прочной конструкции с прорастанием волокон фибрина.

В последние десятилетия при создании матриц графтов непрерывно растет интерес к биодеградируемым природным (биологическим) полимерам (альгинатам, коллагену, желатину, хитозанам, фиброинам шелка) и полиэфирам бактериального происхождения — полигидроксиалканоатам (ПГА), синтезируемым микроорганизмами. Уникальным материалом, сочетающим высокую прочность и эластичность, является шелк паутинной нити. Эти свойства наряду с хорошей биологической совместимостью делают шелк перспективным материалом для использования в тканевой инженерии. Однако получение природного паутинного шелка связано со значительными трудностями и обычно нерентабельно, а количество шелка недостаточно для широкого практического применения. Успехи в расшифровке генов паутинных белков и создание их рекомбинантных аналогов позволили получить материалы, подобные природному шелку. О.Л. Пустоваловой и соавт. [55] в ГосНИИгенетика ранее был получен белок 1F9 — аналог спидроина-1 паука Nephila clavipes, который может стать основой при создании матриксов для тканевой инженерии.

Перспективными в использовании биодеградируемых имплантатов на основе регенерированного фиброина шелка Bombyx mori являются исследования Q. Li и соавт. [56] и И.И. Агапова и соавт. [57]. Цель их исследований — сравнение более быстрого образования монослоя из мезенхимальных стволовых клеток, полученных из жировой ткани на полипропиленовых сетчатых имплантатах и изделиях из регенерированного фиброина шелка Bombyx mori. В итоге перспективной была признана конструкция на основе регенерированного фиброина шелка Bombyx mori из-за большей природной совместимости основы матрикса и высокой экспрессии коллагена I и III типов, влияющей на прочность вживляемости в межфасциальные слои пациента.

H. Kim и соавт. [58] продемонстрировали использование в качестве графта жидкого фиброина шелка для улучшения регенерации костной ткани. Мезенхимальные стволовые клетки костного мозга человека на 56-е сутки образовывали плотный двухярусный слой новой ткани. Данная тканеинженерная конструкция способствовала росту колонии остеобластов за счет увеличения пролиферации с образованием внеклеточного матрикса.

В настоящее время исследуются свойства этих материалов, а также возможность их практического использования. К недостаткам природных биополимеров относят высокую стоимость их получения, сложность обработки, недостаточную механическую прочность [59].

Таким образом, в настоящее время достигнуты серьезные успехи в изучении клеточных технологий и тканевой инженерии. Изучены свойства стволовых клеток, способных дифференцироваться, поддерживать соответствующий фенотип и выполнять конкретные биологические функции. Создание современных тканеинженерных конструкций может явиться одним из путей повышения качества хирургического лечения пролапса гениталий.