Выращивание органов — перспективная биоинженерная технология, целью которой является создание различных полноценных жизнеспособных биологических органов для человека. Пока технология не применяется на людях, так как все попытки трансплантации подобных органов пока были безуспешными[1], однако идут активные разработки и эксперименты в этой области. Используя трехмерные клеточные культуры (3D cell culture) ученые научились выращивать "затравки" органов названные органоидами (англ.organoid), не путать с органеллами). Такие органоиды используются учеными для изучения и моделирования органогенеза; моделирования опухолей и различных заболеваний, которым могут быть подвержены определенные органы; тестирования и скрининга на органоидах различных лекарственных препаратов и токсичных веществ; а также для экспериментов по замене органов или терапии поврежденных органов трансплантатами[2][3]
Идея о искусственном выращивании человеческих органов не покидает учёных уже больше полувека, с того момента, как людям начали пересаживать органы доноров. Даже при возможности пересаживать большинство органов пациентам, в настоящее время очень остро стоит вопрос донорства. Многие пациенты умирают, не дождавшись своего органа. Искусственное выращивание органов может спасти миллионы человеческих жизней. Некоторые успехи в этом направлении уже достигнуты с помощью методов регенеративной медицины.
Эмбриоиды или эмбриональные тельца (англ.Embryoid bodies) представляют собой трехмерные агрегаты клеток, где представлены клетки всех трех зародышевых листков необходимых для образования органов и тканей организма. В условиях лаборатории их можно получить различными способами культивирования из недифференцированных ИПСК[4][5][6]. Формирование эмбриональных телец является обычным методом, используемым для дифференциации ИПСК в различные клеточные линии.
Культивируя эмбриоиды на коллаген-конъюгированных гидрогелях с жесткостью, подобной жесткости сердечной мышечной ткани Шкуматову с соавт.[7] удалось получить кардиоваскулярные органоиды, способные к сокращению. Этим они показали, что важную роль в дифференцировке клеток может играть жесткость межклеточного матрикса. Необходимость создания комфортных для культивируемых клеток механических напряжений, путем регуляции жесткости материала подложек для культивации была отмечена и в ряде других работ[8][9][10]
Важный шаг на пути к выращиванию в лаборатории органов сделали исследователи из Японии. Им удалось создать простую, но вполне функциональную печень человека.[11][12] Исследователи получили клетки печени из ИПСК и культивировали их совместно с эндотелиальными клетками (предшественницами кровеносных сосудов) и мезенхимальными клетками, которые выполняют роль "клея", объединяющего различные клетки. Оказалось, что при определенном соотношении этих клеток их совместная культура проявляет способность к самоорганизации и образует трехмерные шарообразные структуры, представляющие собой зачаток печени. При трансплантации этих зачатков печени мышам было обнаружено, что они, примерно за 48 часов, образуют связи с близлежащими кровеносными сосудами и способны выполнять характерные для печени функции. По мнению некоторых ученых, подобные зачатки печени, если уменьшить их размер, а затем ввести в кровоток поврежденной печени, могли бы способствовать нормализации ее функции. К сожалению, пока нет гарантии, что клетки печени, полученные из ИПСК, не вызовут образование опухолей. Требуется тщательная отработка этих методов[13].
Появились и другие примеры успешной трансплантации методом зародышевых органов. Так, например, группа исследователей из Токийского университета наук и корпорации «Organ Technologies Inc» во главе с профессором Такаси Цудзи (Takashi Tsuji) продемонстрировала полную функциональную регенерацию подчелюстных слюнных желез из биоинженерных зародышей слюнной железы после их ортотопической (с удалением дефектной железы) трансплантации, с целью восстановительной терапии путем замены органа, мышам с моделью дефекта слюнных желез. Биоинженерный зародыш, сконструированный in vitro, развился в зрелую железу путем формирования гроздевидных отростков с мышечным эпителием и иннервацией. Он производил и выделял слюну в ответ на вкусовую стимуляцию цитратом, восстанавливал процесс глотания пищи, защищал ротовую полость от бактериальной инфекции [14] . Эта же группа успешно провела ортотопическую трансплантацию биоинженерных зародышей слезных желез мышам с моделью имитирующей повреждение эпителия роговицы, вызванное дисфункцией слезной железы. В условиях in vivo биоинженерные зародыши дали начало слезным железам способным выполнять физиологические функции, включая образование слезы, в ответ на нервную стимуляцию, и защиту глазной поверхности [15].
Разработаны технологии для выращивания из плюрипотентных клеток органоидов почки, которые можно использовать для моделирования болезней почек и скрининга лекарств для их лечения, а в будущем и для подсадки пациентам миниатюрных почек, созданных из их собственных ИПСК[16]
Исследователи Датского центра стволовых клеток разработали метод трехмерной (3-D) культуры в геле Matrigel со специально подобранным составом среды, который может быть использован для выращивания миниатюрных «затравок» поджелудочной железы. В перспективе такие «затравки» могут быть полезны для борьбы с диабетом в качестве «запчастей»[17].
Воздействуя на сигнальные пути ИПСК человека удалось получить органоиды легких человека состоящие из эпителиальных и мезенхимальных компартментов легких, со структурными особенностями характерными для легочных тканей[18].
Аналогичная технология была использована для разработки способов получения органоидов сенсорного эпителия внутреннего уха, что в будущем позволит бороться глухотой[19]
С целью моделирования и исследования in vitro человеческого головного мозга и его заболеваний была создана трехмерная культура органоидов клеток головного мозга, полученных из плюрипотентных стволовых клеток[20][3][21][22][23]. Так называемые церебральные органоиды (англ. Cerebral organoid) могут быть использованы для изучения нейруляции и других процессов нейрогенеза, как простые модели сложных тканей мозга для изучения влияния токсинов и лекарств на ткани мозга путем их безопасного и экономичного первоначального скрининга, а также для получения образцов для ксенотрансплантации[24]
Исследованию кишечника человека помогут органоиды полученные из эпителиальных клеток тонкой и толстой кишки. С их помощью можно изучать стволовые клетки кишечника и механизмы нарушения физиологических функций желудочно-кишечного тракта[25][26], а также создавать опухолевые органоиды для изучения раковых заболеваний и скрининга лекарственных препаратов[27] .
Техника выращивания клеток в виде сфероидов в висячей капле была использована для культивации клеток сосочкового слоя волосяных фолликулов человека. Было показано, что при выращивании этих клеток в виде сфероидов, когда клетки растут как бы в более естественном трёхмерном окружении и взаимодействуют друг с другом, они способны заново индуцировать образование волосяных фолликулов в коже человека[28].
Создана так называемая «мускульная» ткань, реагирующая на сигналы, поступающие от нерва благодаря нервно-мышечному соединению, выращенному из клеток мышечной ткани и нейрональных клеток. Эта ткань потенциально может быть использована для фармакокинетических анализов и для создания привода мышц биороботов[29][30] и протезов.[31] Более того выращенная in vitro биоинженерная мышца оказалась способна к развитию и регенерации, а главное - смогла прижиться после трансплантации ее животному[32][33][34].
Из небольшого количества клеток носовой перегородки пациентов удалось вырастить хрящевую ткань, которая была использована для реконструкции носа после удаления онкообразования. По прошествии более одного года, все пациенты были удовлетворены эстетическими и функциональными результатами операции и никаких отрицательных эффектов зарегистрировано не было[35].
Тканевые имплантанты выращенные в лаборатории из собственных мышечных и эпителиальных клеток девочек-пациенток, которым требовалась операции по реконструкции вагины после пластической операции не только успешно прижились, сформировав нервы и сосуды, но и нормально функционируют уже 8 лет[36][37].
Важным препятствием при трансплантации тканей и органов является их отторжение. Даже если операция прошла успешно пациенту с пересаженным органом приходится всю оставшуюся жизнь принимать препараты препятствующие отторжению. Чтобы сделать трансплантат «невидимым» для иммунной системы человека, создана культура человеческих эмбриональных стволовых клеток, которые синтезируют две молекулы подавляющие активность Т клеток,а именно: CTLA4-Ig (Cytotoxic T lymphocyte-associated antigen-4-immunoglobulin) и PD-L1 (Programmed death ligand 1) причем как до так и после дифференциации. Особенностью этих клеток является то что образующиеся из них аллогенные (от другого человека) ткани не вызывают иммунной реакции и отторжения после трансплантации.[38][39] Это значит, что трансплантацию органов и тканей выращенных из этих «универсальных» клеток, возможно, удастся проводить без необходимости проверки на совместимость.
Ученые до сих пор не могут объяснить, как клетки самоорганизуются в сложные ткани. Как это ни удивительно, упорядоченные структуры возникают из клеток практически без внешних сил или влияния. Самоорганизация возникает на основе своего рода клеточной демократии. На протяжении развития, клетки воздействуют на поведение друг друга и принимают решения, исходя из "разговора" с соседями. По мнению японского ученого Sasai[40], самоорганизация возникает только в популяциях определенного размера. "Подобные явления самоорганизации можно увидеть только в группах насчитывающих приблизительно от 1000 до 100000 клеток. На этом уровне, клетки могут быть непосредственно демократичными, им не нужно специального губернатора или президента, чтобы организовать их". Клетки «сортируются»: однотипные слипаются, а разнотипные остаются разобщёнными. Позднее возникают центры организации, руководящие морфогенезом путем выделения ростовых факторов (морфогенов) с помощью градиентов, концентрации которых создаются так называемые биополя.[41][42][43]
Процессом самоорганизации клеточной культуры в органоиды можно управлять, подбирая необходимые компоненты 3D среды. Важно отметить, одинаковые органоиды можно получить используя разные среды. Важно только дать правильный "пусковой" сигнал, а механизм самоорганизации сделает все остальное[44]
Для нормального функционирования и обновления клеткам тканей в организме необходим межклеточный матрикс, создающий, поддерживающий и регулирующий условия их существования в нише. Внеклеточный матрикс представляет собой многофункциональную систему активно участвующую во множестве процессов связанных с развитием организма, нередко исполняя роль «подсказки» направляющей дифференцировку клеток в том или ином направлении. Компоненты матрикса можно подразделить на две условные группы: структурные белки, такие как фибриллярные белки и гликозаминогликаны, и регуляторные белки, в том числе всевозможные ростовые факторы (например TGFβ и IGF), матриклеточные белки (белки семейства CCN, IGFBP, декорин и бигликан), ферменты (металлопротеиназы) и рецепторы (интегрины). Воссоздать в точности столь сложную систему и архитектуру органа искусственным путем, например, с помощью 3D-биопринтинга, пока не представляется возможным. Однако ученые разработали технологии, получения межклеточного матрикса из аллотрансплантатов донорских органов путем промывания их растворами детергентов, в процессе которого клетки донора удаляются и остается только бесклеточная матрица, все еще сохраняющая архитектуру (в том числе сеть кровеносных и лимфатических сосудов и матрицу нервной ткани), а также большинство регуляторных белков. Затем эту матрицу засевают клетками реципиента и помещают в биореактор. В результате можно вырастить аутотрансплантат, который состоит из клеток реципиента и поэтому не должен, по идее, отторгаться его иммунной системой[45]
Разработан протез трахеи, который на на 95% состоит из тканей пациента, что позволяет избежать отторжения органа. Каркасом для протеза стала кость, выращенная из тканей надкостницы. Внутренняя поверхность органа создавалась из стволовых клеток и собственной слизистой пациента. Биореактором, в котором новая трахея созревала в течение шести месяцев, послужили ткани грудной стенки больного. В результате инкубации в протезе сформировалась собственная сосудистая система[46].
FIRST PRIZE RALLIES SCIENTISTS WORLDWIDE TO BIOENGINEER A LIVER. The first registered team to meet the required guidelines by December 31, 2018, will win the award $1 million. New Organ's goal is to ensure no one dies from lack of a healthy organ. The New Organ Liver Prize is the first step toward that goal.
Искусственный орган.