Легкие в пробирке
Искусственное легкое
Александра Брутер, Полит.ру
Американским ученым удалось создать миниатюрное искусственное легкое, не используя донорские органы (Dye et al., In vitro generation of human pluripotent stem cell derived lung organoids // eLife, 2015). Такое легкое пока нельзя никому пересадить, но это уже большой прогресс на пути к созданию искусственных трехмерных органов.
До сих пор, если у человека отказывает какой-то орган, у него начинаются большие проблемы. Некоторое время, например, в случае отказа почек, позволяет продержаться диализ, но качество жизни при этом сильно снижается. Фактически, помочь может только пересадка донорского органа. Трансплантировать можно только такой орган, в котором донор не очень нуждается: либо это парный орган, либо это недавно погибший донор. Недавно появился третий вариант, когда орган просто был уже не нужен донору: женщинам, не имевшим матки, пересаживали матку пожилых родственниц, уже имевших детей. Во всех этих случаях еще надо решить проблему с иммунным ответом реципиента против донорского органа. На практике это значит, что быстро можно осуществить только родственную трансплантацию, если есть подходящий родственник. Во всех остальных случаях больному придется долго ждать и надеяться на чудо.
Гораздо проще и, как следствие, чаще происходит трансплантация костного мозга. Донору в этом случае ничего не грозит, и единственным требованием остается тканевая совместимость. Простота трансплантации костного мозга связана с двумя аспектами: во-первых, стволовые клетки крови сами по себе быстро размножаются, и, во-вторых, костный мозг не обладает такой сложной трехмерной структурой как, например, легкие или печень.
Трехмерная структура каждого органа формируется один раз, в ходе эмбрионального развития. Разные органы в разной степени могут регенерировать и самообновляться, латая мелкие повреждения, но целиком органы человека регенерировать не могут. Организм не может сам себе отрастить новую почку. В регуляции эмбрионального развития участвует очень много молекулярных сигналов, которыми клетки обмениваются между собой, а весь остальной организм – с группой клеток, которые должны сформировать орган. Далеко не все эти сигналы расшифрованы учеными и могут быть сымитированы в пробирке, а без них нельзя получить новый функциональный орган, сколько бы стволовых клеток у вас ни было.
В качестве полумеры последнее время развивается направление, связанное с разрушением в донорских органах клеток и заселением оставшегося после этого межклеточного матрикса собственными клетками реципиента. Это делает любого донора подходящим, даже совсем не родственника, да к тому же при жизни плохо обращавшегося со своими органами.
Гораздо амбициознее выглядит задача научиться выращивать органы или их функциональные элементы совсем не прибегая к донорским органам.
Функциональный элемент легкого – это трубочка (бронхиола) и находящийся на ее конце мешочек (альвеола). Воздух поступает по трахее в бронхи, бронхи ветвятся, и самые тонкие веточки на концах – это и есть бронхиолы. К поверхности альвеол подходят кровеносные сосуды, и там и происходит газообмен. Вся эта почти фрактальная конструкция нужна, чтобы максимально увеличить площадь газообмена.
Именно этот «мономер» легкого – трубочку с мешочком на конце и удалось вырастить американским ученым. В эмбриогенезе легкие начинают развиваться на третьей неделе после оплодотворения как выросты из передней (верхней) части будущего пищеварительного тракта. Это орган преимущественно энтодермального происхождения. Способ превратить плюрипотентные стволовые клетки в энтодерму ученые нашли уже некоторое время назад, для этого достаточно добавить к клеткам активин А. Чтобы направить клетки на дальнейший путь превращения в легочные клетки, авторам работы пришлось подобрать еще целый ряд активаторов и ингибиторов различных сигнальных путей, регулирующих рост и дифференцировку клеток.
В итоге у них получились сфероиды, состоящие из тех же типов клеток, что и альвеолы, и воздуховодные пути, напоминающие бронхиолы. Больше всего получившиеся структуры похожи на легкие на определенном этапе эмбрионального развития. Ученые не предоставляли культивируемым клеткам дополнительного матрикса или каких-то других внешних структур, чтобы помочь пространственной организации. Всеми процессами они управляли, активируя и ингибируя сигнальные пути.
Так выглядит органоид в обычном микроскопе…
…и его срез при флуоресцентном микроскопировании
рядом со срезом взрослой легочной ткани – по структуре они вполне похожи.
Снимки из пресс-релиза University of Michigan Medical School
Scientists coax stem cells to form 3-D mini lungs – ВМ.
В лабораторных условиях органоиды просуществовали около 100 дней. Пока еще рано говорить о том, что ученые получили органы, подходящие для трансплантации, но это уже существенный шаг вперед. Уже сейчас на полученных органоидах можно изучать особенности эмбрионального развития легких и эффекты потенциальных лекарств.
Портал «Вечная молодость» http://vechnayamolodost.ru
30.03.2015