Цивилизация
Выращивание органов — перспективная биоинженерная технология, целью которой является создание полноценных жизнеспособных органов. В качестве основы для будущего органа могут служить как плюрипотентные стволовые клетки, так и специальные биологические каркасы, на которые потом наращиваются клетки живых тканей.
Стволовые клетки — это незрелые клетки, имеющиеся у многих видов многоклеточных организмов. В 2006 году японские исследователи нашли способ превращения дифференцированных стволовых клеток (то есть тех, которые уже выполняют в организме конкретную функцию) в плюрипотентное состояние. Это означало, что
ученые могут брать стволовые клетки взрослого организма и путем перепрограммирования превращать их в клетки, составляющие другую ткань или внутренний орган.
На основе этой методики в 2014 году ученые сумели вырастить человеческий желудок — правда, его диаметр составлял около 3 мм. Несмотря на свою миниатюрность, этот органоид повторял структуру настоящего желудка. Главным достижением исследователей стало то, что им удалось заставить плоскую клеточную структуру, сформированную из стволовых клеток, превратиться в трехмерный объект — трубку, прототип желудочного мешка. Авторы исследования, о котором сообщалжурнал Nature, назвали свое достижение не органом, а органоидом. Несмотря на то что внутри мини-желудка присутствовали характерные складки и участок, контролирующий работу пищеварительных ферментов, некоторых важных признаков настоящего органа у него не было.
Несмотря на некоторые недостатки, модель желудка смогла стать прекрасным объектом для изучения естественной реакции органа на бактерию Helicobacter pylori, которая часто служит причиной развития гастритов, язв и даже рака: бактерии хватило суток, чтобы спровоцировать ранние этапы гастрита и активировать один из онкогенов.
Внутренние органы могут выращиваться и при использовании специальных каркасов — как искусственно изготовленных, так и натуральных, взятых от донорских органов. Каркас представляет собой точную копию органа пациента и состоит из прочного и пористого материала. Этот материал засеивается собственными клетками человека, взятыми из костного мозга. Прикрепление клеток к каркасу длится несколько суток и происходит в биореакторе — приборе, который создает благоприятные условия для развития культивируемых в нем микроорганизмов и клеток. В 2012 году в России была проведена первая в мире операция по пересадке пациентке изготовленной таким образом трахеи и части гортани. Проводил операцию скандально известный хирург Паоло Маккиарини.
Команда ученых под руководством Гаральда Отта из Массачусетской больницы общего профиля не первый год занимается выращиванием органов на каркасах, полученных от донорских органов: так, в 2010 и в 2013 годах журнал Nature Medicine сообщал об успехах врачей в выращивании легкого и почки. Уникальность методики специалистов заключается в том, что
требующий замены орган используется в качестве «шаблона»: он обрабатывается комбинацией химикатов, которые уничтожают клетки мягких тканей и оставляют обрамляющие их соединительные белки.
При изготовлении почки врачи заполняли «шаблон» клетками, извлеченными из зародыша крысы. Ученые добились того, что большая часть этих клеток проникла внутрь «шаблона» и закрепилась там, где раньше обитали клетки грызуна. Через несколько недель заготовка превратилась в полноценный орган, пропускающий через себя кровь и выделяющий мочу. Исследователи утверждают, что функционировала новая почка несколько хуже, чем второй, «родной» орган крысы, но при этом не наблюдалось ни кровотечений, ни отторжения организмом пересаженного объекта.
Несколько дней назад журнал Biomaterials сообщил еще об одном достижении команды Гаральда Отта. Впервые в мире ученым удалось вырастить в лабораторных условиях не внутренний орган, а конечность крысы — предплечье. Во время первого этапа работы с донорского органа — лапки крысы — удалялись все мягкие ткани, но «каркас» конечности сохранялся. В случае грызуна этот каркас составили коллагеновые структуры, формирующие мышцы, кровеносные сосуды, сухожилия и кости.
Второй этап работы заключался в «заселении» каркаса клетками, взятыми из тела той же крысы. При воссоздании кровеносных сосудов ученые также воспользовались клетками человеческого эндотелия — слоя, который выстилает внутреннюю часть сосудов и сердечные полости. По словам Отта, это
обеспечило сосудам прочность и сделало невозможным их разрыв при начале циркуляции крови.
Лапка крысы сформировалась в биореакторе в течение 2–3 недель. В завершение работы исследователи покрыли ее кожей. Перед тем как пересадить конечность грызуну, ученые убедились, что мускулы способны нормально функционировать: для этого через них пропускали электрический ток и наблюдали за сокращением мышц. После трансплантации по лапке начала циркулировать кровь. Теперь исследователям предстоит убедиться в том, что крыса научится полноценно пользоваться новой лапкой, а также в том, что организм грызуна не начнет отторгать конечность.
Гаральд Отт заявляет, что в настоящее время он и его коллеги работают над выращиванием лапы примата: ученым уже удалось освободить ее каркас от мягких тканей. Однако исследователи не рассчитывают на быстрый результат: по их мнению, до создания первой человеческой руки, которая будет способна заменить утраченную конечность, пройдет еще не менее десятилетия.