Вырастить органы в чашке Петри. Как и зачем?

Для невооруженного глаза эти небольшие образования выглядят не слишком впечатляюще — однородная масса размером меньше, чем кунжутное зернышко. Однако стоит поместить их под объектив микроскопа, и миниатюрные органы, искусственно полученные в лаборатории, предстанут перед вашими глазами во всей своей удивительной сложности: вы увидите миниатюрные канальцы почек, причудливые складки коры головного мозга и слои мышц стенки кишечника. Сейчас, после почти десяти лет борьбы в попытках заставить клетки расти, организовываться и специализироваться в трехмерные структуры аналогичные тем, что присутствуют в тканях человека, ученые наконец смогли создать настоящий «зоопарк органоидов», в который входят печень, поджелудочная железа, желудок, почки, сердце, даже молочные и слюнные железы. В работе, опубликованной сегодня в журнале Development, исследователи, работающие над этим сравнительно молодым направлением, описывают, каких высот удалось достичь в исследовании органоидов к настоящему моменту. Далее представлен краткий обзор того, о чем они говорили.

Действительно ли органоиды можно считать миниатюрными органами?

Пока — едва ли. Да, эти скопления клеток напоминают органы во многих отношениях, однако у них отсутствуют некоторые черты, которые позволяют настоящим органам расти и функционировать – например, у них нет системы кровеносных сосудов, что ведет к невозможности получения органов крупного размера из-за сложностей в обеспечении питания и удаления продуктов метаболизма, так что сейчас органоиды не развиваются дальше крохотных и упрощенных моделей органов. Тем не менее, они являются ощутимым шагом вперед в сравнении с теми двухмерными культурами, которые напоминают полноценный орган так же, как бумажный самолетик напоминает Boeing 747. Современные модели органоидов позволяют ученым наблюдать, как развивается орган на ранних этапах эмбриогенеза, как определенные мутации или инфекции могут нарушить работу органа.

Как мне вырастить органоид?

Все начинается с стволовых клеток, культивируемых в тщательно контролируемых условиях, что позволяет им дифференцироваться во множество типов клеток, которые самоорганизуются и кооперируют друг с другом. Большое значение имеет источник стволовых клеток – некоторые исследователи начинают с плюрипотентных стволовых клеток, извлеченных из человеческого эмбриона или полученных из репрограммированных зрелых клеток. Такие органоиды повторяют рост полноразмерных органов в первые недели и месяцы развития. Они хорошо подходят для обнаружения различных отклонений от нормального развития. «Вы можете наблюдать, как каскад событий, ведущий к развитию врожденной патологии, разворачивается перед вашими глазами в чашке Петри», говорит James Wells – биолог из детского госпитального медицинского центра в Цинциннати, штат Огайо.

Подобные модели развития органов имеют особенно высокую ценность в нейронауках: когда исследователи хотели узнать, влияет ли вирус Зика на развивающийся мозг, органоиды стали идеальным инструментом, который продемонстрировал, как вирус захватывает и затем убивает нервные клетки-предшественники.

Другое поле исследований органоидов опирается на использование стволовых клеток взрослых, которые изолируются из тканей, окружающих наши органы и помогающих им восстановиться после повреждений. Эти клетки позволяют получить более простые структуры, чем те, что возникают при использовании плюрипотентных клеток. Тем не менее, они все еще являются мощным предиктивным инструментом – органоиды, моделирующие печень, желудок, кишечник и поджелудочную железу, могут показать нам, как генетические вариации влияют на функционирование органа и какой ответ этот орган может дать на различные фармакологические препараты.

Насколько достоверны данные, полученные с помощью органоидов?

Если речь идет о тестировании фармакокинетики какого-либо препарата, то тут один органоид уже успел показать себя в деле – кастомизированная модель кишечника продемонстрировала, какие пациенты, страдающие от редких форм цистического фиброза, могут рассчитывать на улучшение при применении новой и дорогостоящей терапии, разработанной Vertex Pharmaceuticals. У пациентов были изъяты образцы прямой кишки и на их основе выращены органоиды. Полученные модели затем подвергались воздействию препарата, чтобы проверить, будут ли они набухать в той же степени, что и кишечник здоровых людей, это являлось бы признаком того, что клеточные каналы эффективно транспортируют воду и электролиты, избегая образования слизи и застоя крови, которые ведут к развитию инфекций в кишечнике и легких у пациентов с цистическим фиброзом. Благодаря использованию органоидов семь детей получили препарат, расходы на который были возмещены страховыми компаниями.

Но, как указывают несколько авторов публикации в Development, пока еще не до конца понятно, насколько точно органоид может моделировать настоящий орган. Ученый Guo-Li Ming и её коллеги из Медицинской Школы при Университете Джона Хопкинса в Балтиморе использовали церебральные органоиды для исследований патогенеза вируса Зика и даже использовали их при изучении потенциальных кандидатов для фармакотерапии. Она обращает внимание на то, что сейчас модели не включают в себя элементы иммунной системы, которая существенно влияет на процесс развития заболевания. По ее словам, конечно, исследователи могут просто добавить иммунные клетки в органоид, но «будут ли они там нормально работать – мы не знаем».

Также не стоит забывать о еще одной важной проблеме: стандартизация. Оставьте стволовые клетки на произвол судьбы, и они произведут вам органоиды самой разнообразной формы и сочетаний типов клеток. Одна из частей сегодняшней публикации в Development описывает метод сортировки культур интестинальных клеток таким образом, чтобы получить из них более-менее унифицированные органоиды. Тем не менее, большие затруднения вызывает получение крупных однородных партий, необходимых для исследований препаратов и других целей.

Можно ли применять органоиды в трансплантологии?

Пока нет. Многие исследователи надеются, что однажды ткани, выращенные в лаборатории, можно будет пересадить для того, чтобы восстановить или даже вырастить заново поврежденный орган, для того, чтобы восстановить или даже вырастить заново поврежденный орган. Ученые уже продемонстрировали, что органоиды печени и кишечника, будучи пересаженными в тело мыши, могут продолжать свое существование и даже расти. James Wells и его коллеги надеются использовать полученные в лаборатории ткани для того, чтобы излечить постинфекционные повреждения кишечника у младенцев. Но из-за того, что получить достаточно крупный образец в лаборатории пока не представляется возможным, они экспериментируют с возможностью выращивания органоида сразу в теле младенца с последующим его хирургическим включением в состав пищеварительного тракта. «Так или иначе, нам придется ждать еще лет десять того момента, когда можно будет опробовать технологию на людях», сообщает Wells. Однако, факт того, что модели органов можно будет выращивать вне тела, сам по себе удивителен. «То, что сейчас мы можем делать подобное в чашке Петри – это невероятно… Уверяю вас, никогда бы не подумал, что мы дойдем до чего-то подобного».

Источник: www.sciencemag.org

Комментарии: