Почку пересаживают чаще всех прочих органов: трансплантация — единственный радикальный способ вылечить больного с почечной недостаточностью. Гемодиализ, то есть очищение крови вне организма, — это лишь временное решение проблемы, до получения донорского органа. В США около одного миллиона пациентов с таким диагнозом, причем каждый год его ставят примерно 100 тысячам человек. 100 тысяч больных ждут донорскую почку, и только 18 тысяч ежегодно ее получают. В листе ожидания почки ежегодная смертность составляет 5–10%.
Недостаток донорских органов — первая проблема трансплантологии.
Вторая проблема — людям с пересаженным органом надо пожизненно принимать иммуносупрессанты для подавления иммунитета и, соответственно, подвергаться риску различных заболеваний. У 20% пациентов все равно возникают эпизоды острого отторжения донорской почки в течение 5 лет после трансплантации. 40% умирают или теряют функции пересаженной почки в течение 10 лет после трансплантации. Создание пригодной для пересадки биоинженерной почки позволит спасти множество жизней.
В области создания биоинженерных органов развиваются два принципиально разных направления: одно основано на возможностях 3D-биопечати тканей и органов, другое — на использовании естественных или синтетических каркасов, которые засеваются стволовыми клетками. Ученые Массачусетской больницы общего профиля (Massachusetts General Hospital) пошли по второму пути.
Они создали почку из каркаса почки крысы, который заселили соответствующими клетками крысы и человека.
Биоинженерную почку трансплантировали в организм крысы и убедились в ее работоспособности. Результаты работы исследователи опубликовали в журнале Nature Medicine. Пересаженная почка выполняла все свои функции: пропускала кровь по сосудам, фильтровала, абсорбировала и выделяла мочу.
«Уникальным в этом подходе является то, что мы полностью сохранили архитектуру органа, так что биоинженерный трансплантат фактически ничем не отличался от донорской почки и встраивался в кровеносную и в выделительную системы», — сказал Харальд Отт, сотрудник Центра регенеративной медицины Массачусетской клиники, первый автор статьи.
Сначала ученые взяли почку крысы и полностью удалили из нее клетки. Эта операция — децеллюризация, производится путем перфузирования (промывания) органа детергентным раствором, вымывающим клетки. В результате они получили лишенный клеток каркас почки, состоящий в основном из коллагена, полностью сохраняющий структуру органа. Что очень важно, сохранялась микроструктура основных элементов почки — нефронов, состоящих из почечного тельца с клубочком капилляров внутри и системы канальцев.
Этот каркас почки крысы заселили новыми клетками, причем для конструирования полноценной почки надо было использовать клетки нескольких типов.
Взяли клетки эндотелия (внутренней стенки) кровеносных сосудов человека и клетки почечного эпителия новорожденной крысы. Для того чтобы поместить их в нужные места, эндотелиальные клетки доставлялись путем введения через почечную артерию, а клетки почечного эпителия вводили через уретру. Микроструктурный анализ показал, что при таком способе доставки клетки первого типа заселяли кровеносные сосуды и капилляры внутри клубочков, а клетки второго типа закреплялись в почечных тельцах и канальцах. После этого почка дозревала в биореакторе в течение 12 дней.
Готовую биоинженерную почку проверили на работоспособность. Сначала через почку пропускали кровь in vitro, вне организма. В результате фильтрации и обратного всасывания воды и питательных веществ почка образовывала мочу. Затем ученые проверили почку in vivo — пересадили биоинженерный орган крысе с удаленной собственной почкой. Операция прошла удачно, почку подсоединили к кровеносной и выделительной системе. Оказавшись в организме, почка стала выполнять свою функцию и выделять мочу.
Работу почки исследователи оценили по нескольким параметрам – скорость фильтрации крови, выделение креатинина (продукта распада белков), обратное всасывание глюкозы и электролитов.
Пока, пишут авторы, по всем показателям функция биоинженерной почки снижена по сравнению с обычной донорской почкой.
Как они полагают, частично это может быть связано с незрелостью клеток новорожденной крысы, которыми засевали каркас. В дальнейшем они собираются выращивать клетки в культуре до их созревания и тем самым добиться получения функционально полноценной биоинженерной почки.
«Если эта технология окажется применима к размерам человеческой почки, пациенты, страдающие от почечной недостаточности, которые многие годы ждут донорскую почку, получат альтернативу – биоинженерную почку, заселенную их собственными клетками», — говорит Харальд Отт.
Шаг к этому уже сделан: исследователи подвергли процедуре децеллюризации почку, взятую от умершей свиньи, и почку, взятую от умершего человека.
Процедура оказалась успешной: им удалось получить каркас почки человека с сохранением его микроструктуры. Сейчас ученые изучают методы получения нужных типов клеток от пациента и выращивания их в культуре в количестве, необходимом для засевания каркаса человеческого размера. В идеале каркас нужно засевать собственными клетками пациента, что полностью исключит отторжение органа. Так что ученые надеются, что со временем биоинженерная почка сможет полностью заменить донорскую (для пересадки больным с почечной недостаточностью).