Содержание
Мозг из пробирки: как выращивают искусственные органы
Полученные в лабораториях «органоиды» позволяют разрабатывать новые лекарства и технологии
Великим достижением начала XX века было то, что люди научились культивировать клетки млекопитающих вне организма. Вначале это культивирование происходило в висячей капле, без прикрепления клеток к поверхности. То есть капля свешивалась, и в этой капле, ни к чему не прикрепленные, плавали клетки. Потом техника стала совершенствоваться, и мы научились растить клетки в чашках Петри, рассматривая в микроскоп, что с ними происходит. Это достижение дало мощный импульс развитию клеточной биологии и генетики.
Закончили чтение тут
С развитием технологий у исследователей появилась возможность изучать уже не плоские культуры, а трехмерные или, как их стали сейчас называть, органоиды.
Подобное направление появилось совсем недавно, буквально в последние пять лет.
Понятно, что у ученых всегда было желание собрать какой-нибудь объемный орган, но надо понимать, что в процессе онтогенеза (индивидуального формирования организма) его никто не собирает «снаружи» — клетки сами по себе находят нужное место. А те, которые не нашли, погибают, не получив помощи от соседних клеток. Здесь же задача обратная: собрать различные клетки так, чтобы они были дружны между собой и продолжали расти. Это удается сделать не для всех типов клеток и культур. Но в последнее время наметился очень большой прогресс в искусственном выращивании органов.
В 2013 году австрийскими учеными было опубликовано пионерское исследование, в котором описывалось выращивание трехмерной структуры, напоминающей головной мозг.
Эта структура достигла размера в несколько миллиметров и получила название церебрального органоида.
Исследователи работали со стволовыми клетками человека и, как и многие, выращивали их в чашке, на плоской поверхности, но потом решили оторвать от поверхности и перенести клетки в плавающую, суспензионную культуру. Для этого они поместили их в биореактор, который все время перемешивал делящиеся клетки и не давал им прикрепиться к поверхности. Группы делящихся клеток формировали маленькие сферы, а потом, что удивительно, эти сферы стали все больше и больше увеличиваться в размерах. Оказалось, что в биореакторе — в условиях, когда мы активно меняем культуральную среду вокруг растущей ткани и тем самым обеспечиваем клетки кислородом и питанием — в этих растущих сфероидах протекают процессы, сходные с природными. Там идет специализация клеток и формирование структуры органа.
Ученые использовали в своих экспериментах эмбриональные стволовые клетки, в которых во время специализации в нейроны, конечно же, проявляется и потенциал формирования всей структуры мозга.
И когда нейрональной культуре предоставили возможность расти в трехмерном пространстве, получились зачатки мозга. Более детальный анализ этих органоидов показал, что в них происходят процессы, похожие на те, что происходят в мозге человека. Удивительным образом получилось, что вне человеческого организма (а исследователи использовали и эмбриональные стволовые, и репрограммированные стволовые клетки в качестве источника нейронов) сформировались структуры, соответствующие такому уникальному органу, как мозг. Более того, в случае использования репрограммированных клеток от больных микроцефалией (болезнью недоразвитого мозга) в культуре образовывались недоразвитые церебральные органоиды.
Таким образом, сегодня мы уже можем выращивать некоторые небольшие органоиды, которые будут повторять структуры отдельных органов человека. Тем самым мы получаем возможность более детально изучать какие-то процессы или что-то моделировать.
Немного по-другому был получен органоид кишечника. В качестве исходных клеток, как и в предыдущем случае, были взяты плюрипотентные стволовые клетки человека. Ученые определенным образом воздействовали на них с помощью ростовых факторов, а потом, дорастив до определенной стадии, поняли, что в чашке или биореакторе они не смогут хорошо расти, так как стали уже слишком большими и питательные вещества вовнутрь не проникают. Тогда исследователи решили пойти на такой трюк: они трансплантировали эти зачатки органоидов в лабораторную мышь, и в мышке эти клеточные структуры стали развиваться дальше.
В том месте, куда их трансплантировали, действительно развился кишечник — с криптами, ворсинками и другими необходимыми структурами.
Более того, когда этот кишечник человека, который развился в мышке, заразили Helicobacter pylori — бактерией, которая вызывает язвенную болезнь у человека, — органоид оказался инфицированным и проявил все признаки язвенной болезни.
Таким образом, получилось, что мы, с одной стороны, начали создавать что-то вне человеческого организма в лаборатории, а затем, чтобы получить более адекватную модель, перенесли это в животное, как в биореактор. Но и в этом случае органоид полностью имитировал то, что происходит в организме человека.
Органоиды дают сегодня уникальную возможность использовать их 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 его использованию для разработки определенной технологии создания человеческих органов.
Академик Хубутия: Из стволовых клеток человека можно будет вырастить орган
Александр Корольков/РГ
Изменить точку зрения заставил космос, который поставил перед наукой множество совершенно новых проблем.
Это не только невесомость, перегрузки, нахождение космонавта в замкнутом пространстве. Как сложится жизнь человека, побывавшего в космосе? Отразится ли это, скажем, на работе сердечно-сосудистой системы, внутренних органов, зрения, слуха? Сможет ли человек, облетевший планету, стать родителем нормальных детей и так далее до бесконечности. Проблемы «выходили» за пределы медицины. Но, к счастью, всегда в нашей стране были провидцы, умеющие предвидеть будущее. Это прежде всего, ректор Московского физико-технического института Олег Михайлович Белоцерковский, директор Института медико-биологических проблем Олег Георгиевич Газенко, один из основателей космической медицины Василий Васильевич Парин. Этому трио блистательных ученых мы обязаны созданием кафедры физики живых систем в Московском Физтехе. Последние 12 лет ее возглавляет академик РАН, знаменитый трансплантолог Анзор Шалвович Хубутия. С ним и беседуем об этой необычной кафедре, которая сегодня востребована не менее, чем в год создания.
Анзор Шалвович, что значит физика живых систем?
Анзор Хубутия: Главная задача кафедры — теоретические, экспериментальные и медико-биологические исследования процессов, происходящих в живых системах в норме, патологии, при различных экстремальных состояниях. Мы изучаем то, что происходит в клетках человеческого организма. То, что не видно простым глазом, что возможно только при умении проникать в жизнь клетки.
Расшифруйте!
Анзор Хубутия: Расшифрую конкретным примером: биомеханика кровообращения, дыхания и движения. Если перевести это на совсем доступный язык, то мы отслеживаем физико-химическое состояние крови, органов дыхания в норме, патологии и экстремальной ситуации.
Стоп! Это же очень ныне актуально. Мы же достоверно не знаем, как тот же проклятый ковид калечит легкие, приводит к образованию тромбов? Не знаем, влияет ли он на наше поведение…
Анзор Хубутия: Вы правы.
Наши исследования весьма ко двору в этой пандемической ситуации. Есть уже наработки нашей кафедры, которые помогают понять причины таких осложнений при ковиде и дать свои предложения по преодолению этих последствий. Выпускники Физтеха разработали и уже серийно производят специальные колонки для удаления из крови цитокинов, которые образуются в большом количестве при ковиде. Эти цитокины повреждают сосудистую стенку и тем самым приводят к образованию микротромбов.
Спасибо за пример. Он подчеркивает прозорливость ученых, которые 55 лет назад доказали необходимость подобного научного подразделения и создали кафедру физики живых систем.
Анзор Хубутия: Я бы не хотел, чтобы о нашей кафедре судили только по ее работам в области борьбы с нынешней пандемией. На нашей встрече старожил кафедры, работающий на ней со времени основания, Валерий Михайлович Заико. Он занимается важнейшей проблемой — разработкой и созданием искусственных органов.
Анзор Шалвович, вы показываете мне искусственный левый желудочек сердца.
Вот я держу его в руках. Трудно представить, что эта довольно тяжелая железяка может заменить важнейший человеческий орган — само сердце. Но он два с половиной года работал в грудной клетке пациента. И позволил заменить больное сердце, провести его пересадку. Того пациента когда-то видела в НИИ имени Склифосовского. Но не представляла, что пациент жил с таким устройством в груди.
Анзор Хубутия: А теперь они в серийном производстве. Не являются дефицитом. Наше устройство на уровне лучших мировых стандартов, а стоимость в три раза ниже зарубежных аналогов.
Вы показали мне и прежнее устройство левого желудочка. То, которое когда-то использовал в своей практике наш другой великий соотечественник, уникальный человек — я была с ним знакома — академик Валерий Иванович Шумаков. Не могу не вспомнить о нем в этом разговоре. Ведь Валерий Иванович 24 года возглавлял кафедру, о которой мы сегодня рассказываем.
Анзор Хубутия: Сейчас одна из главных тем кафедры — создание культуры сердечной ткани из стволовых клеток.
Это позволит из собственных клеток выращивать жизненно важные органы.
Анзор! Вы рискуете? Не боитесь, что тем самым главное, чему посвящена ваша жизнь, пересадка, то есть трансплантация, органов станет не нужна? Не нужны будут доноры. Можно будет из собственных стволовых клеток самого человека вырастить тот орган, который заменит пораженный болезнью. И уйдет необходимость в специалистах-трансплантологах. Утратят актуальность «листы ожидания», проблемы подавления иммунитета. Вот вышло из строя у человека то же сердце. Нужно его заменить, чтобы спасти жизнь. И вы берете у него стволовые клетки. Начинается над ними научное колдовство. И в лаборатории вашей кафедры появляется выращенное в данном случае сердце. А если надо, то почки, печень…
Вот вышло из строя у человека сердце. Нужно его заменить, чтобы спасти жизнь. Вы берете у него стволовые клетки, и начинается научное колдовство
Анзор Хубутия: Ответить честно? Я об этом мечтаю. Но добавлю: безработица мне, трансплантологу, не грозит.
Заведующий кафедры физики живых систем не подсиживает меня, трансплантолога. Ведь выращенный искусственный орган надо пересадить на место вышедшего из строя. Хотелось бы дожить до того момента, когда выращенные органы станут практикой спасения.
А мне набраться терпения, чтобы посмотреть пересадку выращенного органа…
исследователей из Стэнфордского университета сделали важный шаг на пути к выращиванию органов | News Center
Исследователи продемонстрировали первоначальную жизнеспособность эмбриона, содержащего клетки как шимпанзе, так и макаки, в предварительном исследовании, изучающем возможность генеза органов приматов.
30 августа 2022 г.
— By Hanae Armitage
Острая нехватка органов, доступных для пересадки человеку, вынудила исследователей проявить творческий подход к созданию новых органов. Некоторые связывали свои надежды со свиньями; другие стремятся вырастить органы в чашке, но эти усилия в основном бесплодны или сопровождаются осложнениями.
Подход, который одновременно является наиболее многообещающим и наименее успешным, заключается в разработке органов человека у животных. Но новое исследование, проведенное учеными из Стэнфордской школы медицины и их сотрудниками, закладывает предварительную основу для метода, который может предоставить ученым возрожденный путь для этого типа генерации органов.
Чтобы показать, что такой подход осуществим, необходимо продемонстрировать, что человеческие стволовые клетки (которые вырастают в специализированные клетки и части тела, включая органы) могут выживать в раннем эмбрионе животного, который действует как своего рода биологического инкубатора. Но возможности для разработки этих клеток должным образом ограничены: законы в Соединенных Штатах и научная этика тщательно запрещают экспериментировать с химерами (смесь двух генетически разных клеток) между людьми и приматами, объяснил Майкл Снайдер, доктор философии, профессор. и кафедрой генетики.
Вместо этого команда обратилась к клеткам нечеловеческих приматов, чтобы действовать как прокси.
«В этом исследовании мы используем клетки шимпанзе, потому что знаем, что они генетически очень близки к человеческим клеткам. Мы показываем, что стволовые клетки шимпанзе могут выживать на другой животной модели — в данном случае на макаке-резусе — в надежде, что жизнеспособность позволит нам дополнительно изучить генезис органов в будущем», — сказал Хиромицу Накаучи, доктор медицинских наук, профессор генетики. . «Это наша долгосрочная цель. И это непросто».
Другие исследовательские группы пробовали этот подход, но ни одна из них не увенчалась успехом. Только когда стэнфордский ветеринарный исследователь Мортеза Рудгар, DVM, PhD, разработал новый метод получения более стабильных, надежных плюрипотентных стволовых клеток шимпанзе, обладающих способностью расти в ткани любого типа, команда обрела новую надежду на этот метод.
Статья, описывающая выводы группы, была опубликована в Cell Reports 30 августа. Накаучи; и Кэтрин ВандеВорт, доктор философии, профессор Исследовательского центра приматов Калифорнийского университета в Дэвисе, являются соавторами исследования.
Рудгар является ведущим автором.
Дверь когда-то была закрыта, теперь приоткрыта
Ученые годами гонялись за перспективой создания человеческих органов у животных — многие даже считают это святым Граалем органогенеза. Использование собственных стволовых клеток человека для выращивания, скажем, новой печени позволит избежать любой возможности отторжения, поскольку новая ткань будет отражать их естественную биологическую структуру, а также устранит часто мучительно долгое время ожидания в списках трансплантатов.
Накаучи — пионер и давний сторонник межвидовой генерации органов. В своей ранней работе он продемонстрировал, что крысиную поджелудочную железу можно создать у мыши. Затем его команда показала, что органы, созданные внутри тела другого вида, могут быть пересажены обратно исходному виду без отторжения. «Если бы этот принцип работал между людьми и крупными животными, можно было бы производить человеческие органы у животного, такого как свинья», — сказал Накаучи.
Однако биология приматов и грызунов может сильно отличаться друг от друга, поэтому ученым необходимо воспроизвести результаты исследования грызунов на приматах. Но культивировать стволовые клетки шимпанзе оказалось непросто. Они были привередливы, коварны и неуправляемы в чашке, преждевременно умирая и дифференцируясь или вырастая в определенные типы клеток, когда им не положено. (Часть создания стволовых клеток хорошего качества заключается в обеспечении стабильности клеток, чтобы их можно было запрограммировать на трансформацию в определенный тип ткани, сказал Рудгар.) После многих неудачных экспериментов импульс в этой области иссяк.
Новая методика Рудгара, которая точно настраивает генную активность стволовых клеток шимпанзе, наделяя их большей стабильностью, открывает двери для этих исследований и возможность продолжения исследований.
Самой большой победой стала жизнеспособность, которую команда продемонстрировала с клетками нечеловеческих приматов в раннем эмбрионе, который был больше похож на скопление клеток, чем на что-либо, напоминающее живой орган или животное, сказал Рудгар.
Более надежные стволовые клетки, полученные из клеток крови, взятых у шимпанзе в Юго-Западном национальном центре приматов в Техасе во время обычного медицинского осмотра, были объединены с эмбрионом макаки-резус. Два дня спустя имплантированные клетки были еще живы. «Мы смогли показать, что клетки выживают, размножаются и растут», — сказал Снайдер. «Эти улучшенные стволовые клетки станут неотъемлемой частью нашей модели и исследований».
Хотя открытие, подтверждающее принцип работы, является захватывающим, еще слишком рано говорить о том, предвещает ли наблюдаемая жизнеспособность эмбриона химеры подход к персонализированной трансплантации органов. Однако это дает ученым повод продолжить следующий этап своих исследований.
Этический прогресс
Команда исследует, могут ли стволовые клетки эмбрионов-химер принимать новые клеточные формы и создавать различные ткани. По словам Рудгара, по мере того, как стволовые клетки трансформируются и превращаются в различные типы тканей, крайне важно установить биологические барьеры.
«Есть способы помешать стволовым клеткам стать определенными типами клеток, такими как клетки мозга или нервной системы», — сказал он. «Создание примата, не являющегося человеком, с клетками человеческого мозга — это граница, которую мы не переступим».
Помимо того, что высококачественные стволовые клетки играют центральную роль в изучении формирования органов у людей, они могут принести пользу шимпанзе. Например, многие протоколы оценки в фармацевтической промышленности тестируют новые лекарства или методы лечения на живых приматах. Если бы стволовые клетки нечеловеческих приматов могли надежно генерировать органы, они могли бы заменить, уменьшить или даже устранить потребность в тестировании живых приматов, кроме человека.
Рудгар подчеркивает, что исследование носит постепенный характер. «Мы не должны забегать вперед. Нам нужно отвечать на один научный вопрос за раз, активно оценивая научную и этическую обратную связь», — сказал он. «По мере того, как наука растет, этические дискуссии будут расти вместе с ней, и вместе, как сообщество, мы сможем понять, как действовать дальше».
Финансирование этого исследования было предоставлено Национальным институтом здравоохранения (гранты P51OD011133 и T32HL120824-6) и премией Калифорнийского института регенеративной медицины за лидерство в исследованиях.
Исследователи из Медицинской школы Университета Джона Хопкинса внесли свой вклад в это исследование.
Контакты для СМИ
Stanford Medicine объединяет исследования, медицинское образование и здравоохранение в трех своих учреждениях — Стэнфордской школе медицины, Стэнфордском здравоохранении и Стэнфордском детском здравоохранении. Для получения дополнительной информации посетите веб-сайт Управления по связям с общественностью по адресу http://mednews.stanford.edu.
КУЛЬТИВИРОВАНИЕ ВЗРОСЛЫХ ТКАНЕЙ И ОРГАНОВ ВНЕ ТЕЛА | JAMA
КУЛЬТИВИРОВАНИЕ ВЗРОСЛЫХ ТКАНЕЙ И ОРГАНОВ ВНЕ ТЕЛА | ДЖАМА | Сеть ДЖАМА
[Перейти к навигации]
Эта проблема
- Скачать PDF
- Полный текст
Поделиться
Твиттер
Фейсбук
Эл.
адрес
LinkedIn- Процитировать это
- Разрешения
адресАртикул
15 октября 1910 г.
АЛЕКСИС КАРРЕЛ, MD ; МОНТРОЗ Т БЕРРОУЗ, MD
Информация об авторах
НЬЮ-ЙОРК
Из лабораторий Рокфеллеровского института медицинских исследований.
ДЖАМА. 1910;55(16):1379-1381. дои: 10.1001/jama.1910.04330160047018
Полный текст
Эта статья доступна только в формате PDF. Загрузите PDF-файл, чтобы просмотреть статью, а также связанные с ней рисунки и таблицы.
Абстрактный
Решение многих проблем патологии человека в значительной мере зависит от открытия еще неизвестных физиологических закономерностей зарождения, роста и эволюции клеток.