Molly Stevens: A new way to grow bone

Перекладач: Olga Krykun Утверджено: Mariya Udud

As humans, it's in our nature

Ми завжди прагнемо зміцнити

to want to improve our health and minimize our suffering.

своє здоров'я і полегшити страждання, бо така є людська вдача.

Whatever life throws at us,

Що б не спіткало в житті,

whether it's cancer, diabetes, heart disease,

рак, діабет чи хвороба серця,

or even broken bones, we want to try and get better.

або навіть зламані кістки, ми завжди шукаємо кращих шляхів лікування.

Now I'm head of a biomaterials lab,

Я очолюю лабораторію біоматеріалів,

and I'm really fascinated by the way that humans

і мене справді вражає,

have used materials in really creative ways

як споконвіку люди вигадливо застосовують

in the body over time.

в людському тілі різні матеріали.

Take, for example, this beautiful blue nacre shell.

Візьмемо, до прикладу, красиву блакитно-перламутрову мушлю.

This was actually used by the Mayans

Майя використовували її

as an artificial tooth replacement.

як штучні зуби.

We're not quite sure why they did it.

Ми не знаємо точно, навіщо вони це робили.

It's hard. It's durable.

Мушля тверда і міцна.

But it also had other very nice properties.

Однак, вона має й інші гарні властивості.

In fact, when they put it into the jawbone,

Якщо вставити її у щелепну кістку,

it could integrate into the jaw,

мушля може з'єднатися зі щелепою.

and we know now with very sophisticated

Ми дізналися про це завдяки

imaging technologies

новітнім технологіям відтворення зображень.

that part of that integration comes from the fact

Місце з'єднання помітно,

that this material is designed

тому що матеріал мушлі особливий,

in a very specific way, has a beautiful chemistry,

він має унікальний хімічний склад

has a beautiful architecture.

і прекрасну архітектуру.

And I think in many ways we can sort of think

Завдяки використанню майя блакитно-перламутрової мушлі

of the use of the blue nacre shell and the Mayans

як замінника зуба,

as the first real application

можна вважати їх першими,

of the bluetooth technology.

хто застосував технологію bluetooth.

(Laughter)

(Сміх)

But if we move on and think throughout history

Якщо ж ми будемо рухатися далі, то побачимо,

how people have used different materials in the body,

що впродовж історії саме лікарі найчастіше застосовували

very often it's been physicians

різні матеріали в людському тілі,

that have been quite creative.

і були в цьому дуже вигадливими.

They've taken things off the shelf.

Вони буквально використовували все, що бачили.

One of my favorite examples

Один з моїх найулюбленіших прикладів -

is that of Sir Harold Ridley,

це сер Гарольд Рідлі,

who was a famous ophthalmologist,

який був відомим офтальмологом,

or at least became a famous ophthalmologist.

чи принаймні став ним.

And during World War II, what he would see

Протягом Другої Світової Війни він обстежував

would be pilots coming back from their missions,

пілотів, що поверталися зі своїх завдань.

and he noticed that within their eyes

У них в очах він помічав

they had shards of small bits of material

маленькі уламки якогось матеріалу,

lodged within the eye,

застряглі прямо в оці.

but the very interesting thing about it

Найцікавіше,

was that material, actually, wasn't causing

що цей матеріал не викликав жодних

any inflammatory response.

запалювальних процесів.

So he looked into this, and he figured out

Роздивившись їх, він виявив,

that actually that material was little shards of plastic

що це були уламки пластику

that were coming from the canopy of the Spitfires.

з ліхтарів кабіни Спітфайрів.

And this led him to propose that material

Це спонукало його запропонувати цей матеріал

as a new material for intraocular lenses.

для виготовлення очних лінз.

It's called PMMA, and it's now used

Це - органічне скло (ПММА), яке тепер

in millions of people every year

рятує мільйони людей

and helps in preventing cataracts.

від катаракти.

And that example, I think, is a really nice one,

На мою думку, цей приклад вельми доречний,

because it helps remind us that in the early days,

адже він нагадує нам, що раніше

people often chose materials

обирались ті матеріали,

because they were bioinert.

що були біоінертними.

Their very purpose was to perform a mechanical function.

Вони виконували суто механічні функції.

You'd put them in the body

Ці матеріали поміщали в тіло,

and you wouldn't get an adverse response.

і процесів відторгнення не відбувалося.

And what I want to show you is that

Я ж хочу показати,

in regenerative medicine,

що в регенеративній медицині

we've really shifted away from that idea

ми вже відмовилися

of taking a bioinert material.

від біоінертних матеріалів.

We're actually actively looking for materials

Ми навпаки, в пошуку матеріалів,

that will be bioactive, that will interact with the body,

які будуть біоактивними, які взаємодіятимуть із тілом,

and that furthermore we can put in the body,

поміщені в тіло,

they'll have their function,

виконають свою функцію

and then they'll dissolve away over time.

і з часом розчиняться.

If we look at this schematic,

Подивімось на цю схему,

this is showing you what we think of

вона показує, як ми розуміємо

as the typical tissue-engineering approach.

застосування тканинної інженерії.

We have cells there, typically from the patient.

Ми беремо клітини від пацієнта,

We can put those onto a material,

поміщаємо їх в матеріал,

and we can make that material very complex if we want to,

який можемо зробити доволі складним,

and we can then grow that up in the lab

вирощуємо все це в лабораторії,

or we can put it straight back into the patient.

або поміщаємо одразу в тіло пацієнта.

And this is an approach that's used all over the world,

Цей підхід застосовується по всьому світу

including in our lab.

і в нашій лабораторії також.

But one of the things that's really important

А найважливіше те,

when we're thinking about stem cells

що стовбурові клітини

is that obviously stem cells can be many different things,

можуть і готові ставати

and they want to be many different things,

багатьма різними речами.

and so we want to make sure that the environment

Тож необхідно переконатися, що середовище,

we put them into has enough information

в яке ми їх поміщаємо, має достатньо інформації

so that they can become the right sort

для того, щоб ці клітини стали потрібним

of specialist tissue.

видом тканини.

And if we think about the different types of tissues

Якщо говорити про різні типи тканин,

that people are looking at regenerating

які необхідно регенерувати людям

all over the world, in all the different labs in the world,

по всьому світу, в різноманітних лабораторіях,

there's pretty much every tissue you can think of.

то є потреба в усіх з них.

And actually, the structure of those tissues

Структура цих тканин різноманітна,

is quite different, and it's going to really depend

до того ж, важливе значення має,

on whether your patient has any underlying disease,

чи є у пацієнта основна хвороба

other conditions, in terms of how

та інші умови, що впливають на спосіб,

you're going to regenerate your tissue,

в який тканину буде регенеровано.

and you're going to need to think about the materials

Крім того, матеріали

you're going to use really carefully,

треба використовувати обережно,

their biochemistry, their mechanics,

враховуючи їхню біохімію, механіку

and many other properties as well.

та інші властивості.

Our tissues all have very different abilities to regenerate,

Всі людські тканини мають різну здатність до регенерації.

and here we see poor Prometheus,

Тут ми бачимо бідолашного Прометея,

who made a rather tricky career choice

він ризикнув,

and was punished by the Greek gods.

за що грецькі боги його покарали.

He was tied to a rock, and an eagle would come

Його було прикуто до скелі, і щодня прилітав орел

every day to eat his liver.

та з'їдав його печінку.

But of course his liver would regenerate every day,

Звісно, кожного разу його печінка відновлювалась,

and so day after day he was punished

тож так день у день, цілу вічність

for eternity by the gods.

здійснювалася кара богів.

And liver will regenerate in this very nice way,

Печінка регенерується у такий простий спосіб,

but actually if we think of other tissues,

однак інші тканини,

like cartilage, for example,

такі як хрящ, наприклад,

even the simplest nick and you're going to find it

навіть найменший поріз -

really difficult to regenerate your cartilage.

і хрящ вже буде дуже складно регенерувати.

So it's going to be very different from tissue to tissue.

Тож кожний тип тканини вимагає особливого підходу.

Now, bone is somewhere in between,

Кістка має середню складність,

and this is one of the tissues that we work on a lot in our lab.

це одна з тканин, з якими ми багато працюємо в нашій лабораторії.

And bone is actually quite good at repairing.

Кістки дуже гарно відновлюються.

It has to be. We've probably all had fractures

І так повинно бути. Скоріш за все, у всіх нас були переломи

at some point or other.

в різний час.

And one of the ways that you can think

Одним із можливих способів

about repairing your fracture

відновлення перелому

is this procedure here, called an iliac crest harvest.

є процедура під назвою забір з гребня клубової кістки.

And what the surgeon might do

В такому випадку хірург

is take some bone from your iliac crest,

бере трохи кісткової тканини з гребня клубової кістки,

which is just here,

який знаходиться тут,

and then transplant that somewhere else in the body.

і трансплантує її десь в інше місце в тілі.

And it actually works really well,

Виходить дійсно добре,

because it's your own bone,

тому що це рідна кістка,

and it's well vascularized,

і вона щільно пронизана судинами,

which means it's got a really good blood supply.

тобто гарно постачається кров'ю.

But the problem is, there's only so much you can take,

Проблема в тому, що тканини можна взяти небагато,

and also when you do that operation,

крім того, після цієї операції

your patients might actually have significant pain

пацієнти можуть відчувати значний біль

in that defect site even two years after the operation.

в місці дефекту навіть через два роки після операції.

So what we were thinking is,

Ми думали над тим,

there's a tremendous need for bone repair, of course,

що, дійсно, існує велика потреба у відновленні кісток,

but this iliac crest-type approach

однак гребне-клубовий підхід

really has a lot of limitations to it,

має забагато застережень.

and could we perhaps recreate

І, можливо, ми могли б при потребі

the generation of bone within the body

відтворити процес генерації кістки всередині тіла,

on demand and then be able to transplant it

а потім трансплантувати отримане,

without these very, very painful aftereffects

уникаючи такої болючої післядії,

that you would have with the iliac crest harvest?

як при заборі з гребня клубової кістки?

And so this is what we did, and the way we did it

Тож ми здійснили це,

was by coming back to this typical tissue-engineering approach

повернувшись до типового для тканинної інженерії підходу,

but actually thinking about it rather differently.

на який ми, однак, подивились по-новому.

And we simplified it a lot,

Ми його значно спростили,

so we got rid of a lot of these steps.

позбувшися цих кроків.

We got rid of the need to harvest cells from the patient,

Ми позбулися потреби збирати клітини від пацієнта,

we got rid of the need to put in really fancy chemistries,

проводити складні хімічні досліди

and we got rid of the need

та

to culture these scaffolds in the lab.

культивувати матриці в лабораторії.

And what we really focused on

Ми зосередились

was our material system and making it quite simple,

на системі матеріалів,

but because we used it in a really clever way,

яку спростили, але в такий хитрий спосіб,

we were able to generate enormous amounts of bone

що це дозволило виробляти

using this approach.

велику кількість кістки.

So we were using the body

Тож ми використовуємо тіло,

as really the catalyst to help us

як каталізатор для вироблення

to make lots of new bone.

великої кількості нової кістки.

And it's an approach that we call

Цей підхід ми називаємо

the in vivo bioreactor, and we were able to make

біореактором in vivo, завдяки йому

enormous amounts of bone using this approach.

нам вдалося виробити багато нової кістки.

And I'll talk you through this.

Я розповім вам про це.

So what we do is,

Ми робимо наступне.

in humans, we all have a layer of stem cells

У всіх людей є шар стовбурових клітин

on the outside of our long bones.

на зовнішній стороні довгих кісток.

That layer is called the periosteum.

Цей шар називається окістя.

And that layer is actually normally

Зазвичай воно

very, very tightly bound to the underlying bone,

щільно прилягає до кістки

and it's got stem cells in it.

і містить стовбурові клітини.

Those stem cells are really important

Вони є дуже важливими

in the embryo when it develops,

для розвитку ембріона,

and they also sort of wake up if you have a fracture

а при переломі вони ніби прокидаються,

to help you with repairing the bone.

щоб допомогти відновити кістку.

So we take that periosteum layer

Ми розробили спосіб,

and we developed a way to inject underneath it

в який вводимо під окістя

a liquid that then, within 30 seconds,

рідину, яка, за 30 секунд

would turn into quite a rigid gel

перетворившись на густий гель,

and can actually lift the periosteum away from the bone.

відділяє окістя від кістки.

So it creates, in essence, an artificial cavity

По суті, він створює штучну порожнину,

that is right next to both the bone

яка межує з кісткою

but also this really rich layer of stem cells.

та багатим шаром стовбурових клітин.

And we go in through a pinhole incision

Ми потрапляємо всередину крізь отвір від голки,

so that no other cells from the body can get in,

щоб інші стовбурові клітини не змогли туди потрапити.

and what happens is that that artificial in vivo bioreactor cavity

Виходить так, що ця штучна порожнина біореактора in vivo

can then lead to the proliferation of these stem cells,

спонукає стовбурові клітини до поділу,

and they can form lots of new tissue,

тож вони формують багато нової тканини,

and then over time, you can harvest that tissue

яку ви можете згодом зібрати

and use it elsewhere in the body.

й використати деінде в тілі.

This is a histology slide

На цьому гістологічному слайді

of what we see when we do that,

зображене те, що ми бачимо в процесі.

and essentially what we see

По суті, ми бачимо

is very large amounts of bone.

велику кількість кістки.

So in this picture, you can see the middle of the leg,

На цьому малюнку бачимо середину ноги,

so the bone marrow,

це - кістковий мозок,

then you can see the original bone,

далі бачимо рідну кістку,

and you can see where that original bone finishes,

і бачимо, де рідна кістка закінчується,

and just to the left of that is the new bone

а зліва - це нова кістка,

that's grown within that bioreactor cavity,

вирощена в біореактивній порожнині,

and you can actually make it even larger.

її можна виростити навіть ще більшою.

And that demarcation that you can see

Ця межа, що її ви бачите

between the original bone and the new bone

між рідною кісткою та новою,

acts as a very slight point of weakness,

є трохи слабким місцем,

so actually now the surgeon can come along,

тож тепер робота хірурга

can harvest away that new bone,

зібрати нову кістку,

and the periosteum can grow back,

а окістя відросте знову,

so you're left with the leg

тому нога залишиться

in the same sort of state

в такому ж стані,

as if you hadn't operated on it in the first place.

як до операції на ній.

So it's very, very low in terms of after-pain

Тому і біль після операції набагато менший,

compared to an iliac crest harvest.

проти болю від збору з гребня клубової кістки.

And you can grow different amounts of bone

Можна вирощувати скільки завгодно кістки,

depending on how much gel you put in there,

залежно від того, скільки гелю ввести,

so it really is an on demand sort of procedure.

тож це дійсно процедура, що робиться при потребі.

Now, at the time that we did this,

Відтоді, як ми почали цим займатися,

this received a lot of attention in the press,

преса приділяла цій роботі чимало уваги,

because it was a really nice way

адже це дійсно чудовий спосіб

of generating new bone,

виробляти нову кістку.

and we got many, many contacts

І до нас зверталися різні люди,

from different people that were interested in using this.

щоб використати його на собі.

And I'm just going to tell you,

Я розкажу вам,

sometimes those contacts are very strange,

які часом дивні і несподівані

slightly unexpected,

бувають звернення.

and the very most interesting,

А найцікавіше,

let me put it that way, contact that I had,

скажімо так, звернення

was actually from a team of American footballers

було від американської команди футболістів,

that all wanted to have double-thickness skulls

всі вони хотіли

made on their head.

зміцнити собі череп.

And so you do get these kinds of contacts,

І такі звернення трапляються,

and of course, being British

звісно, я, як британка,

and also growing up in France,

що виховувалася і у Франції,

I tend to be very blunt,

буваю дуже прямолінійною,

and so I had to explain to them very nicely

тому я чемно пояснила,

that in their particular case,

що в їхньому випадку

there probably wasn't that much in there

під зміцненим черепом

to protect in the first place.

нічого буде захищати.

(Laughter)

(Сміх)

(Applause)

(Оплески)

So this was our approach,

Отже, це наш підхід,

and it was simple materials,

це прості матеріали,

but we thought about it carefully.

але ретельно обдумані.

And actually we know that those cells

Відомо, що ці клітини

in the body, in the embryo, as they develop

в тілі, в ембріоні

can form a different kind of tissue, cartilage,

можуть формувати різні тканини, і хрящ.

and so we developed a gel that was slightly different

Тож ми розробили трохи інший гель

in nature and slightly different chemistry,

за природою і складом,

put it in there, and we were able to get

ввели його туди, і змогли отримати

100 percent cartilage instead.

стовідсотковий хрящ.

And this approach works really well, I think,

На мою думку, цей підхід працює добре

for pre-planned procedures,

для заздалегідь спланованих процедур,

but it's something you do have to pre-plan.

це те, що обов'язково потрібно спочатку спланувати.

So for other kinds of operations,

Інші види операцій

there's definitely a need for other

потребують інакших

scaffold-based approaches.

матрице-орієнтованих підходів.

And when you think about designing

Для розробки дизайну

those other scaffolds, actually,

інших матриць

you need a really multi-disciplinary team.

необхідна команда фахівців з багатьох галузей.

And so our team has chemists,

Тож в нашій команді є хіміки,

it has cell biologists, surgeons, physicists even,

клітинні біологи, хірурги, навіть фізики.

and those people all come together

Ми всі збираємося разом

and we think really hard about designing the materials.

і ретельно обдумуємо дизайн нових матеріалів.

But we want to make them have enough information

Ми прагнемо розмістити в них достатньо інформації,

that we can get the cells to do what we want,

щоб змусити клітини робити так, як нам треба,

but not be so complex as to make it difficult

але і не робити їх надто складними, щоб вони були

to get to clinic.

доступними в клініці.

And so one of the things we think about a lot

Одна із задач, над якою ми багато працюємо -

is really trying to understand

це зрозуміти

the structure of the tissues in the body.

структуру тканин у тілі.

And so if we think of bone,

Коли ми вивчаємо кістку,

obviously my own favorite tissue,

особисто мою улюблену тканину,

we zoom in, we can see,

ми збільшуємо і дивимось,

even if you don't know anything about bone structure,

навіть якщо ви нічого не знаєте про структуру кістки,

it's beautifully organized, really beautifully organized.

вона дійсно гарно скроєна.

We've lots of blood vessels in there.

Тут є багато кровоносних судин.

And if we zoom in again, we see that the cells

При збільшенні видно,

are actually surrounded by a 3D matrix

що клітини оточені тривимірною матрицею

of nano-scale fibers, and they give a lot

з нановолокон, які несуть багато

of information to the cells.

інформації про клітини.

And if we zoom in again,

Подальше збільшення

actually in the case of bone, the matrix

дає нам вигляд матриці

around the cells is beautifully organized

довкола клітин, прекрасно влаштованої

at the nano scale, and it's a hybrid material

на нанорівні. Це гібридний матеріал,

частково органічний, частково ні.

that's part organic, part inorganic.

А це веде до цілої галузі,

And that's led to a whole field, really,

що займається вдосконаленням матеріалів

з подібною гібридною структурою.

that has looked at developing materials

Тут я демонструю два приклади

that have this hybrid kind of structure.

виготовлених нами матеріалів з такою структурою,

And so I'm showing here just two examples

що їх можна справді кроїти.

where we've made some materials that have that sort of structure,

Цей дуже м'який,

and you can really tailor it.

а цей гібридний матеріал

You can see here a very squishy one

винятково пругкий,

and now a material that's also this hybrid sort of material

і зовсім не ламкий.

but actually has remarkable toughness,

А неорганічний матеріал був би доволі ламким,

and it's no longer brittle.

і не мав би такої

And an inorganic material would normally be really brittle,

сили і міцності.

and you wouldn't be able to have

Ще хотілося б сказати,

that sort of strength and toughness in it.

що багато матриць, які ми виготовляємо, є пористими

One other thing I want to quickly mention is that

для того, щоб там виростали кровоносні судини.

many of the scaffolds we make are porous, and they have to be,

Зазвичай пори

because you want blood vessels to grow in there.

набагато більші за клітини,

But the pores are actually oftentimes

тому навіть у цьому 3D

much bigger than the cells,

клітина має вигляд пласкої хвилястої поверхні,

and so even though it's 3D,

що є трохи дивним.

the cell might see it more as a slightly curved surface,

Одне з можливих рішень -

and that's a little bit unnatural.

виготовляти матриці трохи менших розмірів,

And so one of the things you can think about doing

щоб вони оточували клітини у 3D

is actually making scaffolds with slightly different dimensions

і давали їм більше інформації.

that might be able to surround your cells in 3D

Багато роботи проводиться в обох цих напрямках.

and give them a little bit more information.

Насамкінець хотілося сказати

And there's a lot of work going on in both of these areas.

про застосування цього при серцево-судинних захворюваннях,

Now finally, I just want to talk a little bit about

які є великою клінічною проблемою.

applying this sort of thing to cardiovascular disease,

Відомо,

because this is a really big clinical problem.

що після серцевого нападу, на жаль,

And one of the things that we know is that,

тканина може відмирати,

unfortunately, if you have a heart attack,

що може призвести до невтішного результату.

then that tissue can start to die,

Було б чудово,

and your outcome may not be very good over time.

якби ми змогли зупинити відмирання

And it would be really great, actually,

або регенерувати тканину.

if we could stop that dead tissue

По всьому світу відбувається безліч дослідів зі стовбуровими клітинами,

either from dying or help it to regenerate.

які формують різні типи клітин.

And there's lots and lots of stem cell trials going on worldwide,

Спільне в цих дослідах те,

and they use many different types of cells,

що клітини часто відмирають

but one common theme that seems to be coming out

після імплантації.

is that actually, very often, those cells will die

Їх поміщають як у серці,

once you've implanted them.

так і в кровоносній системі,

And you can either put them into the heart

проте ми не можемо

or into the blood system,

досягнути потрібної кількості клітин,

but either way, we don't seem to be able

яка б дісталася потрібного нам місця

to get quite the right number of cells

і змогла б здійснити вдалу

getting to the location we want them to

регенерацію клітин

and being able to deliver the sort of beautiful

для успішних клінічних результатів.

cell regeneration that we would like to have

Одне із завдань, над яким працюємо ми

to get good clinical outcomes.

та багато людей в цій галузі,

And so some of the things that we're thinking of,

це розробка необхідних матеріалів.

and many other people in the field are thinking of,

Відмінність у тому,

are actually developing materials for that.

що ми й досі потребуємо хімії, механіки,

But there's a difference here.

потребуємо цікавої топографії,

We still need chemistry, we still need mechanics,

а також цікавих рішень способів оточення клітин.

we still need really interesting topography,

Та і клітинам теж

and we still need really interesting ways to surround the cells.

сподобається матеріал,

But now, the cells also

який буде провідником,

would probably quite like a material

тому що клітини самі будуть дуже добре відповідати

that's going to be able to be conductive,

і передавати сигнали між собою.

because the cells themselves will respond very well

Ви можете це бачити зараз,

and will actually conduct signals between themselves.

клітини синхронно пульсують на цих матеріалах,

You can see them now

це є дійсно

beating synchronously on these materials,

and that's a very, very exciting development

дуже вражаюче дійство.

that's going on.

На завершення хочу сказати,

So just to wrap up, I'd like to actually say that

що працювати в цій галузі

being able to work in this sort of field,

для всіх нас означає

all of us that work in this field

не тільки захопливу науку,

that's not only super-exciting science,

а й можливість

but also has the potential

допомогти пацієнтам,

to impact on patients,

великим і малим,

however big or small they are,

і це дійсно великий привілей.

is really a great privilege.

На цьому дякую вам усім.

And so for that, I'd like to thank all of you as well.

Дякую.

Thank you.

(Оплески)

(Applause)