Как было бы удобно, если бы наши органы можно было менять, как запчасти в автомобиле! Вот, например, желудок с язвой: не надо его долго и муторно лечить, достаточно вынуть старый и поставить новый. Обычно используют «запчасти», взятые у доноров, живых или мертвых, и это называется трансплантацией. Но что если вырастить орган с нуля?
В конце прошлого года по всем СМИ пролетела новость о сирийском мальчике, которому вырастили новую кожу. У него была редкая генетическая болезнь – буллезный эпидермолиз. На самом деле так называют целую группу заболеваний, но суть у них одна: белки, которые скрепляют клетки кожи, начинают плохо выполнять свои функции, и верхний ее слой – эпидермис – просто распадается, отслаивается (буквальный перевод названия «эпидермолиз» – растворение эпидермиса). Кожа покрывается волдырями и незаживающими воспаляющимися ранами, человек страдает от постоянных инфекций, у многих начинается рак кожи. Лечения как такового нет, больных поддерживают как могут. В тяжелых случаях смерть наступает довольно быстро.
У МАЛЬЧИКА КАК РАЗ БЫЛ тяжелый случай – к моменту, когда он поступил в больницу при Рурском университете (Германия), он потерял почти 80 % эпидермиса, хотя у него все же оставались неповрежденные участки кожи. Из них-то сотрудники больницы вместе с коллегами из Университета Модены и Реджо-Эмилии (Италия) и набрали клеток-кератиноцитов (из которых состоит эпидермис) и начали выращивать их в лабораторной культуре. Попутно исправив в ДНК мутацию, ставшую причиной болезни, – испорченный ген в кератиноцитах просто заменили на нормальный. Чтобы дать больному новую кожу, понадобились три операции – в 2015 и 2016 годах, и сейчас, спустя два года, мальчик жив, здоров и никаких признаков прежней страшной болезни у него нет.
Это не первый раз, когда человеку пересаживают выращенную кожу. Но обычно, когда говорят об искусственной коже, имеют в виду специальные белковые слои, которые изготавливают в лаборатории из коллагена и других белков. Такие белковые листы накладывают на поврежденные участки, и они стимулируют деление кожных клеток, то есть помогают коже восстановиться самой. В результате на месте раны появляется настоящая кожа, а не рубец. Такой метод регенерации активно распространяется с середины 1990-х годов. Но делать кожу из собственных клеток пациента стали сравнительно недавно.
МЫ ЗНАЕМ, ЧТО ВСЕ ОРГАНЫ и ткани в нашем организме получаются из стволовых клеток. И как только биологи научились работать с ними, сразу возникла идея: из этих клеток можно выращивать что угодно. Однако если мы возьмем стволовые клетки, принадлежащие кому-то другому, что-нибудь вырастим из них и пересадим себе, то немедленно получим проблемы с иммунитетом: для него чужие клетки ничем не будут отличаться от инфекции. Значит, нужно пользоваться клетками, взятыми у самого больного, – как в случае с сирийским мальчиком.
У каждого человека есть богатый набор стволовых клеток – из них получаются зрелые, специализированные клетки взамен состарившихся и погибших. Вот эти стволовые клетки и можно было бы использовать для выращивания органов (собственно, те кератиноциты, из которых вырастили кожу для мальчика, были не полностью дифференцированными клетками эпидермиса, а еще немного недозревшими, сохраняющими стволовой потенциал и способность к делению).
НО СТВОЛОВЫЕ КЛЕТКИ бывают разные. Они распределены по тканям и органам: например, есть стволовые клетки кожи, крови, кишечника и т. д. (таких клеток нет только у сердца). Стволовые клетки кожи могут превратиться только в зрелые, специализированные кожные клетки, но не в нейроны и не в эритроциты. Поэтому возникает проблема: что если нам нужны такие стволовые клетки, которые очень трудно извлечь? На самом деле, это уже не проблема. Сегодня мы умеем превращать дифференцированные клетки в стволовые – они называются индуцированными стволовыми клетками. (Нобелевскую премию по физиологии и медицине 2012 года дали как раз за метод, с помощью которого можно заставить зрелые клетки, так сказать, впасть в «детство».) То есть мы берем, к примеру, из кожи обычные, не стволовые клетки и обрабатываем их особым коктейлем из нескольких регуляторных белков – в итоге клетки становятся стволовыми. И по своим способностям они будут идентичны не просто стволовым клеткам, а эмбриональным, способным давать любой другой тип клеток. Из них можно получить хоть нейроны, хоть мышечные клетки, хоть кожные, главное – задать нужную программу развития. Почему же до сих пор мы не выращиваем легкие, желудки, почки, мозги, в конце концов?
ДЕЛО В ТОМ, ЧТО ВСЕ ЭТИ ОРГАНЫ – сложные трехмерные структуры. Даже кожа не так проста, как кажется, – она состоит из трех слоев (эпидермиса, дермы и нижнего жирового слоя), хотя с ней все же можно обращаться как с плоским листом. С желудком такой номер не пройдет: его нужно выращивать в 3D-формате. Кроме того, не будем забывать, что органы состоят из нескольких типов клеток: мышечных, эпителиальных, железистых и т. д.
То есть выращиваемому органу нужен какой-то костяк, трехмерная платформа, «строительные леса». Это должна быть пористая структура, к которой клетки могли бы легко прикрепляться и переползать с места на место, и чтобы их можно было легко «кормить» и снабжать разными регуляторными молекулами, направляющими развитие в нужную сторону. По мере роста клетки будут строить собственный каркас, выделяя во внешнюю среду белки и другие молекулы межклеточного вещества, которые поддерживают ткань, – значит, наш искусственный каркас должен вовремя раствориться, деградировать. И конечно, материал для «лесов» должен быть биосовместимым – то есть не вредить самим клеткам.
ТАКИЕ МАТЕРИАЛЫ СЕЙЧАС ЕСТЬ – каркасы для выращивания органов делают из коллагена, фибрина, полилактоновой кислоты, поликапролактона, гиалуроновой кислоты и т. д. Естественно, все эти вещества используют в сложных смесях, пытаясь достичь идеального баланса по всем параметрам. Что выращивают на каркасах? Например, мочевые пузыри: в Институте регенеративной медицины при Университете Уэйк-Форест их делают самых разных размеров, причем не просто делают, но и пересаживают больным с пороками развития этого органа. «Строительные леса» для мочевого пузыря изготавливают из коллагена и полигликолевой кислоты, а клетки берут у самих больных. Сначала каркас обрастает мышечными клетками, а потом клетками эпителия.
Чтобы орган прижился и заработал, в него должны прорасти кровеносные сосуды и нервы. К счастью, если орган простой, с этим может справиться сам организм – достаточно вовремя сделать пересадку, чтобы материал был еще в том состоянии, когда он может стимулировать в окружающих тканях рост нервов и капилляров и притягивать их к себе.
Какие органы делают таким способом? Помимо мочевого пузыря, крупные кровеносные сосуды, трахею, пищевод. Но выращенные пищеводы пока тестируют на животных, а недавний скандал с профессором регенеративной хирургии в Каролинском институте (Швеция) Паоло Маккиарини, который пересадил нескольким людям искусственные трахеи, показал, что и тут не все гладко. Доктор сильно преувеличил свои успехи – почти все пациенты с искусственными трахеями умерли вскоре после операции.
СРЕДИ ДРУГИХ ОРГАНОВ, которые сейчас вполне успешно выращивают в медицинских целях, стоит рассказать об искусственных влагалищах, которые были описаны в 2014 году в медицинском журнале The Lancet. Их сделали в вышеупомянутом Институте регенеративной медицины, где изготавливают мочевые пузыри. Влагалища получились вполне естественными, а пересаживали их 13–18-летним девушкам с синдромом Майер-Рокитанского-Кустер-Хаузера – так называют порок развития, когда у женщины при обычных внешних половых органах и нормальной работе яичников влагалище оказывается недоразвитым, а то и вообще отсутствует. Все операции прошли успешно, спустя полгода у пациенток наладилось дело с менструациями, и они даже могли заниматься сексом. Те же исследователи сегодня пытаются вырастить и пенис. Эксперименты пока идут на кроликах, но результаты обнадеживают: самцы, которым пересадили мужской половой орган, вполне успешно спариваются.
3D-печать позволяет точно воспроизвести все изгибы. Фото: www.inhabitat.com
НАКОНЕЦ, ПОХОЖИМ ОБРАЗОМ делают уши и носы. Все начинается, опять же, с каркаса, или формы, которую изготавливают из пористого биоразлагаемого полимера. Затем каркас насыщают стволовыми клетками, взятыми у пациента, – они превращаются в клетки хряща, и постепенно искусственная форма замещается настоящей хрящевой тканью. Но уху (или носу) нужны кожа, кровеносные сосуды и нервы. Чтобы все это появилось, сформировавшийся хрящ вживляют человеку под кожу (обычно в руку), и кожа постепенно обрастает вокруг уха (или носа), заодно в нем появляются нервы и сосуды. Остается только пересадить получившийся орган на место. Нельзя сказать, что такая техника распространена повсеместно, но все же несколько научных центров в мире делают уши на биоразлагаемых заготовках – например, Калифорнийский университет в Лос-Анджелесе и Центр регенеративной медицины при Эдинбургском университете. В случае ушей и носов чаще поступают так: берут у человека готовый хрящ – например, из грудной клетки – и делают из него ухо или нос нужной формы. Затем вживляют под кожу и ждут, когда организм сделает на хрящевой форме готовый орган. С одной стороны, это лишняя хирургическая операция, да и нельзя сказать, что в нашем теле есть избыток хряща, чтобы его можно было вот так расходовать. С другой – такой метод проще и дешевле, чем выращивание стволовых клеток на биоразлагаемой заготовке. Один из последних примеров – ухо, которое этой весной пересадили хирурги Военного медицинского центра Уильяма Бомонта (Техас): они работали с пациенткой, потерявшей свое ухо в автомобильной аварии два года назад. Хрящ брали из грудной клетки, а новый орган созревал под кожей руки. Другой пример: в 2013 году врачи из больницы округа Фучжоу (Китай) сделали нос пациенту, который лишился его из-за инфекции. Нос изготовили из реберных хрящей, а созревал он на лбу – хрящевую заготовку пересадили под кожу головы. КСТАТИ, ФОРМЫ ДЛЯ УШЕЙ из биоразлагаемых полимеров печатают на 3D-принтере – трехмерная печать позволяет точно воспроизвести все изгибы, выступы и впадины. Возникает вопрос – почему бы не напечатать орган целиком? Исследования в этом направлении активно ведутся, и сейчас есть принтеры, печатающие биочернилами: смесью из белков и других биомолекул с добавлением клеток. Однако проблема в том, что клетки часто не выдерживают действие механических сдвигающих сил, проходя через сопла печатающей головки. Кроме того, чтобы напечатать полноценный орган, принтер должен манипулировать клетками сразу нескольких типов, а сделать это не всегда получается. Поэтому чаще используют бесклеточные биочернила, с помощью которых создают те самые каркасы и формы, о которых шла речь выше. Но если говорить о сложных органах, то даже каркас для них удается изготовить далеко не всегда.
ОРГАНЫ, О КОТОРЫХ МЫ ГОВОРИЛИ до сих пор: трахея, пищевод, мочевой пузырь и т. д., – устроены просто и представляют собой пузырь или трубку со стенками из двух-трех клеточных слоев. Даже если взять нос и уши – по сути, это хрящи, покрытые кожей. Почки, легкие, желудок – совсем другое дело. В них больше разных типов клеток, и у них намного более сложная внутренняя архитектура. Их, конечно, тоже пытаются выращивать так, как мы описали выше, – заполняя клетками каркас. Например, несколько лет назад в журнале Nature Medicine вышла статья с описанием искусственно выращенной почки – правда, крысиной. Делали ее так: брали почку погибшей крысы, очищали от клеток, оставляя волокна соединительнотканных белков, и получившийся каркас засевали двумя типами клеток: одни должны были заново сформировать сосуды, а другие – все остальные ткани почки. Трехмерная структура восстановленной почки почти не отличалась от живой. Только после пересадки она работала хуже, чем обычная.
ПОХОЖИК КАРКАСЫ делают и с помощью 3D-печати. Но потом, когда клетки пытаются заселить на готовую конструкцию, оказывается, что они не могут должным образом общаться друг с другом – межклеточные химические сигналы не доходят до адресата. И чем сложнее орган, тем эта проблема острее. 3D-принтерами получается создавать только трехмерные модели сложных органов, на которых можно исследовать отдельно взятые физиологические и молекулярно-клеточные процессы. Если же мы хотим сделать орган для пересадки, его нужно выращивать с нуля – чтобы клетки, постепенно размножаясь и дифференцируясь, сами создавали трехмерную структуру органа и настраивали сигнальные пути между собой, так, как это происходит при обычном развитии организма.
МЫ УЖЕ ДОВОЛЬНО МНОГО ЗНАЕМ об индивидуальном развитии, о том, как формируются органы, какие молекулярные сигналы задействованы в этом процессе, но пока приходится довольствоваться выращенными органами, которые по размеру не превышают органы зародыша. И тут у нас есть и мини-почка, и мини-сердце, способное биться (его в 2015 году описали в Nature Communications исследователи из Калифорнийского университета в Беркли), и мини-легкое с крохотными бронхами, и мини-кишечник с мини-желудком. Есть даже мини-мозг, хотя сотрудники института молекулярной биотехнологии Австрийской академии наук, которые его сделали, предпочитают называть его церебральным органоидом. Его выращивали из индуцированных стволовых клеток (полученных из клеток кожи), которых понуждали развиваться в сторону мозговых нейронов. И клетки сформировали структуру, похожую на мозг девятинедельного зародыша. В нем были зачатки желудочков мозга, элементы будущей коры и мозговых оболочек. Спустя какое-то время мини-мозг останавливался в росте (в нем не было кровеносных сосудов), но продолжал жить. Однако когда другие исследователи из Института Солка (США) сделали такой же органоид и пересадили его в мозг мыши, в него проросли кровеносные сосуды, и он возобновил рост. Более того, новый мозг сумел подсоединиться к «старому» – то есть нейроны мозга-хозяина и органоида нашли контакт друг с другом и начали работать в команде (статья об этом опубликована в Nature Biotechnology в апреле этого года).
Мини-мозг. Фото: Genome Institute of Singapore, A*STAR, www.nature.com
ТУТ, КОНЕЧНО, СРАЗУ ХОЧЕТСЯ фантазировать о том, как можно лечить последствия инсульта или болезни Альцгеймера, просто заменяя больные куски мозга на здоровые. А главное – о том, чтобы эти времена настали поскорее. Но пока, повторим, нам приходится довольствоваться лабораторными мини-органами. Если быть совсем точным, то такие части тела зачастую представляют собой даже не орган, а его фрагмент: почечный нефрон, веточку легочных бронхиол, несколько микроскопических кишечных складок. Хотя для исследователей они дают массу информации о том, как формируются настоящие органы, как в них перемещаются клетки, какие молекулярные сигналы они рассылают друг другу.
НО И НЕПОСРЕДСТВЕННЫЙ практический смысл у мини-органов тоже есть: их можно использовать, например, для тестирования лекарств или токсинов. Обычно такие исследования проводят на клеточных культурах, которые просто растут слоями в лабораторной посуде, или на животных. Даже если отвлечься от этических проблем, все-таки крысы, мыши и кролики во многих отношениях отличаются от человека, да и клеточная культура – это совсем не орган. Мини-почка, мини-кишечник, мини-мозг и прочие мини все же больше похожи на наши настоящие органы, и потому они могут довольно точно рассказать, как отреагирует наше тело на то или иное потенциально полезное или вредное вещество.
Это новость от журнала ММ «Машины и механизмы». Не знаете такого? Приглашаем прямо сейчас познакомиться с этим удивительным журналом.
