«Клеточное строительство» в невесомости

 https://universemagazine.com/wp-content/uploads/2018/10/zaglushka-e1538748301621.png
Ольга Маслова
К.б.н., клітинна біологиня, співзасновниця Nobilitet

Тканевая инженерия — это совокупность биотехнологических подходов, направленных на воспроизведение структуры и функций тканей и органов вне организма с помощью различных инструментов. Одним из них является культивирование клеток, часто не только в так называемых культуральных сосудах (как для других биотехнологических целей), а в объемных структурах, созданных из элементов внеклеточного матрикса или аналогичных веществ. Такие структуры могут быть напечатаны на 3D-принтере или созданы другим способом. Мы часто слышим выражение «выращивание органов», но стоит отметить, что процесс создания тканево-инженерных конструкций очень сложен, поэтому слово «выращивание» не совсем подходит для его описания. Однако термина, который было бы так же удобно применять в быту, пока нет, поэтому далее мы попытаемся провести некоторые параллели с выращиванием растений на огороде.

По состоянию на 21 июля 2021 года 574 человека совершили путешествие в космос. Каждый день мы все чаще слышим о разработке биотехнологий во внеземных условиях и перспективах пребывания на других планетах.

На поверхности Земли сила тяжести постоянна, и хотя ее точная величина зависит от местоположения, стандартное значение ускорения под действием земной гравитации составляет 9,81 м/с². На Международной космической станции (МКС) астронавты находятся в состоянии свободного падения, поскольку любой находящийся на околоземной орбите космический корабль должен двигаться с такой скоростью, чтобы его отклонение от прямой под действием гравитационного ускорения соответствовало кривизне поверхности планеты (точнее, кривизне орбиты на соответствующей высоте). Благодаря этому силы, действующие на все предметы и членов экипажа орбитального комплекса, в миллионы раз меньше, чем в земных условиях. Такое состояние называют невесомостью или, точнее, микрогравитацией. Оно идеально подходит для изучения влияния отсутствия силы тяжести на живые системы, в том числе — для исследования их роста и развития как на клеточном уровне (в клеточной культуре), так и в сложных системах, где для построения тканевой архитектуры могут понадобиться различные новые подходы, в том числе дополнительные каркасы. Но мы уже имеем данные о преимуществах работы с клетками в условиях микрогравитации. Например, оказалось, что стволовые клетки в таких условиях ярче проявляют свою «стволовость», а некоторые, уже успевшие «избрать свою судьбу» (специализацию), могут даже дедифференцироваться — то есть «откатиться к предыдущим настройкам».

Со словом «выращивание» возникает несколько ассоциаций. Да, для разведения какого-то овоща нам обычно нужны семена. В тканевой инженерии их заменяют клетки. Для работы могут использоваться как стволовые, так и специализированные клетки. Первые из них — тема отдельной статьи, поскольку они делятся на несколько типов с принципиально разными свойствами и потенциальной широтой преобразований. Главное, что отличает стволовую клетку от специализированной «рабочей лошадки» — это способность превращаться в другие типы клеток и асимметрично делиться (т.е. давать при делении не две одинаковые клетки, а одну дифференцированную и одну такую ​​же стволовую).

Астронавтка Кристина Коук держит в руках пакет с «сырьем» для 3D-биопринтера — прототипа большего устройства, способного «печатать» полнофункциональные человеческие органы в условиях микрогравитации. Источник: NASA

Продолжая «агросравнения», семена нужно высадить в определенную почву. Ее роль в тканевой инженерии выполняют различные матрицы и каркасы. Сегодня ученым доступно огромное количество материалов для таких структур — синтетические, натуральные, биоразлагаемые (т.е. сами растворяющиеся со временем после попадания в живой организм) и устойчивые. В зависимости от задачи иногда нужно, чтобы материал только придал структуре определенную форму и дал возможность оптимально расположиться клеткам, а дальше было бы целесообразнее, чтобы он пропал без вреда. Иногда желательно, чтобы он долго оставался в теле и был крепким. Но просто бросить семена в землю — не гарантия появления жизнеспособного растения. Почву нужно удобрять. Для создания тканево-инженерной конструкции необходимо контролировать факторы, заставляющие стволовую клетку превратиться в определенный, запланированный именно в этом месте тип клеток. Поэтому при работе применяют различные индуцирующие факторы — цитокины, гормоны, сложные коктейли из веществ, посылающих клеткам сигнал, что именно здесь и сейчас должна сформироваться именно такая ткань. Также, конечно, за всеми описанными процессами необходим контроль. Для таких работ необходимо невероятно дорогое оборудование, они предъявляют очень высокие требования к безопасности и чистоте.

Органоиды — чрезвычайно важный для фундаментальной биологии и медицины объект исследований. По сути, это микроскопические или очень маленькие участки определенного органа, сформированные несколькими типами клеток в культуре. Такие «шарики» или «пластинки» из клеток используются для изучения процессов, происходящих при формировании определенной ткани или органа, позволяя исследовать сложные межклеточные взаимодействия и влияние различных факторов на образование конкретных структур. С помощью органоидов можно понять, как развивается орган во время эмбриогенеза или как он регенерирует при необходимости. А еще на них можно моделировать разные патологические процессы. Ведь понимание того, как все происходит, помогает найти мишени для лечения. Также важна возможность влияния на «больной» органоид различными веществами и тестирования целесообразности их применения при смоделированных патологиях. К сожалению, очень часто именно работу с органоидами неквалифицированные СМИ выдают за выращенные органы. Недавно одна лаборатория смогла создать органоид для изучения протекания нейродегенеративных заболеваний, а его уже успели объявить «взрослым мозгом в пробирке».

Еще одно широко известное направление — 3D-печать. Часто мы слышим о «напечатанных органах», и здесь тоже стоит кое-что уточнить. С помощью 3D-принтера можно создавать каркасы и матрицы для тканево-инженерных конструкций. Для этого моделируется форма нужного органа, применяется биосовместимый материал и формируется необходимая «болванка». В некоторых случаях для восстановления структуры достаточно заместить утраченную часть таким фрагментом, и со временем собственные клетки «обживут» его. Так удавалось поступить при восстановлении носа и ушей. Иногда напечатанную форму дополнительно заполняют стволовыми клетками, а далее ждут успешного «заселения» и превращения под влиянием индуцирующих факторов в нужную тканевую композицию. В этих случаях речь идет о печати исключительно «неодушевленного» компонента, и такие работы уже достаточно популярны в сфере регенеративной медицины. Другим подходом является собственно «биопечать» — когда структура формируется 3D-принтером, где роль «чернил» играют живые клетки. На этот счет имеется ряд скептических замечаний, поскольку условия, при которых происходит процесс печати, не совсем приемлемы для поддержания жизнеспособности клеток. Сегодня «печатаются» только мини-копии органов, которые могут быть полезны фундаментальной науке и для моделирования определенных состояний, но не для трансплантации людям. Однако в 2019 году именно на борту МКС удалось сделать важный шаг в биопринтинге в условиях микрогравитации — были «напечатаны» фрагменты мышиной щитовидной железы. Исследования в этом направлении активно продолжаются.

Исследователи считают, что микрогравитация может быть идеальной средой для выращивания «свободных» органов. Источник: NASA

Необходимо отметить, что все успехи в создании органов вне организма ограничиваются лишь возможностью воспроизвести фрагмент полноценного органа (кишечника, печени и т.п.), а не создать полностью автономный орган, который, как в фантастическом фильме, можно запросто принести на тарелочке в операционную. Если с хрящами либо полыми структурами типа мочевого пузыря, состоящими из нескольких типов клеток, ситуация кажется оптимистичной и мы действительно можем надеяться на быстрое внедрение в рутинную практику способов их замены, то со сложными многослойными органами, имеющими специфическую архитектонику, все не так просто. В этом направлении для современной тканевой инженерии существует несколько камней преткновения. Первый — это васкуляризация, то есть проникновение кровеносных сосудов. Это значительная проблема, но постепенно ее решают комбинированием клеточных типов и внесением предшественников клеток, формирующих сосуды. Наиболее оригинальный способ был описан несколько лет назад: для васкуляризации применили сосудистую систему растений — в прямом смысле вырастили кардиомиоциты (клетки сердца) на подготовленных листочках шпината с развитым жилкованием. Скорее всего, вопрос васкуляризации вновь созданных органов будет решен раньше других.

Вторая проблема — иннервация, то есть проникновение в орган нервных окончаний. Тут все сложнее, однако позитивные сдвиги также имеются. Третий вопрос, по поводу которого ведутся самые ожесточенные дискуссии, касается центральной регуляции деятельности каждого из наших органов. Когда мы формируемся из двух клеток и далее в процессе нашей жизни развиваемся, все процессы регулируются на нескольких уровнях, главным из которых является нейрогуморальный, то есть связанный с нервной системой и гормонами. Клетки «общаются» между собой с помощью химических и электрических сигналов, каждый орган знает, почему он расположен именно здесь и находится именно в таком состоянии, что он должен делать и какие сигналы передавать другим структурам. Все переплетено на многих уровнях понимания. И если иммунный вопрос «свой-чужой» можно решить, просто взяв для создания органа собственные клетки (правда, это тоже не всегда возможно, но существуют подходы с применением клеток, не несущих маркеров иммунного ответа, то есть этот вопрос также можно считать хотя бы частично решаемым), то способ введения в чрезвычайно тонкую и взаимопереплетенную систему взаимодействий нового компонента, создававшегося вне компетентности нейрогуморального регулятора конкретного организма, значительно более сложный. В сущности, создание даже идеального органа в лаборатории не дает гарантии его безоговорочного «принятия в семью» самим организмом. Возможно, именно исследования в условиях микрогравитации — реальной в космосе или искусственно созданной на короткое время в специальных лабораториях на самолетах — позволят сделать ключевой шаг в преодолении хотя бы некоторых проблем, возникающих в области тканевой инженерии сегодня.

В ходе обсуждения всех этих вопросов в обзоре 2016 года в журнале Nature появилось предположение касательно дальнейшего развития клеточной инженерии: либо мы продолжаем идти теми же путями и ждем развития имеющихся технологий (биопечати, компоновки тканей из стволовых клеток и т.п.), либо уже в ближайшее время появится определенная революционная технология, которая, вероятно, будет стратегически отличаться от известных подходов. Обзор 2019 года от тех же авторов отмечает, что тканево-инженерные направления становятся все ближе к клинике (в том числе из-за изменений в регуляторных подходах), но до сих пор остаются в основном экспериментальными, а не рутинными. Хотя, конечно, внедрение их в медицинскую практику является только вопросом времени.

Только самые интересные новости и факты в нашем Telegram-канале!

Присоединяйтесь: https://t. me/ustmagazine