Поддержать программу
ПостНаука на Дожде
11:57
28 августа
Наука

Как создаются искусственные органы

Лекция биолога Сергея Киселева
2 292
0
Расписание
Следующий выпуск
3 декабря 16:00
суббота: 16:00
воскресенье: 02:00, 07:00, 16:00
понедельник: 02:00, 06:00
вторник: 11:00
четверг: 13:00

Биолог Сергей Киселев о плоских и трехмерных культурах, методах создания искусственных органов и проблемах биопечати.

Больше лекций и видеороликов смотрите на сайте проекта «ПостНаука».  

Великим достижением самого начала XX века было то, что люди научились культивировать клетки человеческого организма, млекопитающих вне организма. Для этого они использовали чашки Петри, то есть плоские поверхности, куда высаживали эти клетки. Вообще вначале это культивирование происходило даже в висячей капле, без поверхности, то есть капля свешивалась, и в этой капле, ни к чему не прикрепленной, отдельно плавали клеточки. Потом техника стала совершенствоваться, и мы научились растить клетки на поверхности так, что нам стало удобно смотреть на них в микроскоп, наблюдать, что происходит. И, конечно же, вся клеточная биология и генетика сильно развивались с учетом того, что мы сумели культивировать клетки нашего организма вне организма очень долгое время, выращивая их на чашках.

Но, как всегда, мы доходим до каких-то границ, когда чашка переполнена, мы говорим: надо двигаться куда-то дальше, потому что нам уже этого не хватает. Так же и человечеству теперь перестало хватать этого двумерного распространения клеток на чашке, потому что мы же трехмерные, мы же не плоские, размазанные как по асфальту, мы существуем трехмерно. Каким образом существует это содружество клеток в трех измерениях? Все наши органы тоже трехмерные. То есть с развитием технологий у исследователей появилась возможность изучать не плоские культуры, а трехмерные культуры, или, как их стали называть сейчас, органоиды.

Подобное направление появилось весьма недавно, буквально за последние, наверное, 3–5 лет. Понятно, что всегда было желание собрать какой-нибудь объемный орган с помощью чего-нибудь, но надо понимать, что в процессе индивидуального развития, формирования организма его никто не собирает снаружи — это все происходит как бы изнутри, клетки сами себя укладывают. А те, которые не уложились туда, куда надо, которые не оказались в правильном соседстве, на самом деле погибают, не находя руки помощи от соседней клетки. Тут стоит задача как раз обратная: нам надо собрать различные клетки так, чтобы они были дружны между собой и продолжали дальше расти. Это удается сделать не для всех типов клеток и культур. Но за последнее время действительно был очень большой прогресс в искусственном выращивании органоидов.

Первая замечательная работа была опубликована в 2013 году, когда австрийскими исследователями был выращен органоид, который они назвали мозжечковым органоидом. Они работали со стволовыми клетками и, как и многие, выращивали их на чашке, в плоскости, в культуре, но потом решили оторвать от поверхности и перенести в плавающую, в суспензионную культуру, чтобы клетки не прикреплялись. Для того чтобы не прикреплялись, они их поместили в биореактор с мешалкой, которая все время их перемешивала и не давала прикрепиться. Эти культуры клеток приняли сферическую форму, образовались маленькие сферы, а потом, что удивительно, они стали увеличиваться все больше и больше в размерах. Оказалось, что в биореакторных условиях, когда мы вокруг растущей ткани активно меняем культуральную среду, тем самым обеспечивая кислородом и питанием эти растущие клеточные образования, клетки себя чувствуют хорошо, в них идут правильные процессы.

Ученые изучали и использовали в своих экспериментах эмбриональные стволовые клетки. В эмбриональных стволовых клетках во время нейрональной дифференцировки в направлении нейронов, конечно, заложен потенциал формирования всего мозга. И что же они увидели через некоторое время? Когда предоставили нейрональной культуре возможность расти в трехмерном пространстве и при этом обеспечивали питательными веществами, то, что они получили, — это были зачатки мозжечка. Когда они извлекли эти культуры и стали их анализировать с помощью так называемых секций — порезали на очень тонкие секции и под микроскопом стали смотреть, на что похожи структуры гистологически, то есть как клетки там лежат, — оказалось, что действительно похоже на то, как происходит в мозжечке. После этого они взяли уже специальные маркерные белки и с их помощью окрасили эти срезы, и оказалось, что они действительно вырастили структуру мозжечка: там точно так же располагались клетки, такими же слоями, формировали такие же содружества клеток.

Удивительным образом получилось, что вне человеческого организма — а они использовали как раз и эмбриональные стволовые клетки, и репрограммированные клетки человека — сформировался фрагмент человеческого органа.

Другая группа ученых из Англии чуть позже получила схожий органоид, но то, что они наблюдали, немножко изменив условия культивирования, — оказывается, там был органоид коры головного мозга. То есть мы можем выращивать некие небольшие органы (они так и были названы — органоиды), которые будут повторять структуры отдельных органов человека, тем самым давая нам возможность более детально изучать какие-то процессы, что-то моделировать. Вообще, самое замечательное в этих органоидах — это, наверное, моделирование, возможность моделировать что-то человеческое, но без участия человека.

Другим подобным органоидом был кишечник. Опять-таки в качестве исходных клеток были взяты плюрипотентные стволовые клетки человека, ученые определенным образом воздействовали на них с помощью определенных ростовых факторов, а потом, дорастив до определенной стадии, поняли, что на чашке и в биореакторе они не очень хорошо будут расти: они становятся очень большими. И тогда они решили пойти на такой трюк: они эти зачатки органоидов трансплантировали в мышку, и в мышке это стало развиваться дальше. И в том месте, куда трансплантировали эти зачатки, действительно развился кишечник — с криптами, со всеми необходимыми клетками и так далее.

Более того, когда этот кишечник человека, который развился в мышке, заразили Helicobacter pylori, то он оказался инфицированным и как бы проявил все признаки язвенной болезни. Таким образом, получилось, что мы, с одной стороны, начали создавать что-то вне человеческого организма, на чашке в лаборатории, потом, для того чтобы получить более адекватную модель, перенесли это в животное, но и в этом случае это полностью имитировало то, что происходит в организме человека. То есть подобные органоиды дают сегодня колоссальную возможность использовать это в первую очередь для разработки новых технологий, для поиска новых лекарств, для моделирования тех или иных заболеваний. Это уже относится не столько к области научного знания, сколько к тому, что мы используем научное знание для разработки определенной технологии создания этого органа.

Одним из способов создания органов является биопечать. Она сегодня находится в зачаточной форме, потому что принтеры уже хорошо разработаны, но пока что для биопечати не хватает биочернил, которые бы вели себя таким же образом, каким ведет себя программа и соединительная ткань организма во время развития, чтобы сначала каждая клетка была изолирована, а потом, когда мы орган напечатали, у нас получался орган, состоящий из клеток, которые взаимодействуют между собой.

Но идут и по другому пути: используют не биопечать, а биосборку. И мы в своей лаборатории достаточно успешно используем подобную биосборку. Мы, например, получаем отдельно клетки эндотелия сосудов, по которым проходит кровь, отдельно получаем клетки печени и отдельно получаем фибробласты стромы. Все это мы получаем из индуцированных плюрипотентных стволовых клеток, то есть генетически это принадлежит одному пациенту. Потом мы смешиваем в определенных условиях клетки эндотелия сосудов, клетки печени и клетки фибробласта в клетке стромы — у нас формируются шарообразные структуры, которые представляют зародыш печени, маленький фрагмент, как будто соту.

Если мы возьмем много таких сот, которые у нас легко собираются, сложим их воедино и они скоммуницируют друг с другом — чем сейчас мы как раз и занимаемся, — то мы получим уже большую печень. Но ее сборка произойдет искусственным образом, не так, как церебральный органоид, созданный за счет внутренней программы клеток, не так, как биопринтинг, когда мы клетки куда-то насильно запихиваем. Когда мы получили три клеточные популяции, они сами формируют одну структуру, аналогичную той, которая существует в печени. Наверное, это на сегодня самые яркие примеры существования и разработок искусственных органоидов, которые есть.

Фото: DepositPhotos