Искусственные органы: человек умеет все

Вторым направлением можно считать исследования генетических и прочих микробиологических процессов, вызывающих старение. Познание этих процессов, возможно, в будущем даст возможность затормозить увядание организма и продлить активную жизнь за вековой предел, а возможно, и далее.

И наконец, к третьему направлению относятся исследования в области создания подлинных запчастей к человеческому телу — тканей и органов, которые структурно и функционально будут мало чем отличаться от природных и позволят своевременно «отремонтировать» организм, пораженный тяжелой болезнью или возрастными изменениями. Известия о новых шагах в этой области приходят сегодня едва ли не ежедневно.

Запускаем печать

Базовая технология выращивания органов, или тканевой инженерии, заключается в использовании эмбриональных стволовых клеток для получения специализированных клеток той или иной ткани, например гепатоцитов — клеток паренхимы (внутренней среды) печени. Эти клетки затем помещаются внутрь структуры соединительной межклеточной ткани, состоящей преимущественно из белка коллагена.

Таким образом обеспечивается заполнение клетками всего объема выращиваемого органа. Матрицу из коллагена можно получить путем очистки от клеток донорской биологической ткани или, что гораздо проще и удобнее, создать ее искусственным путем из биоразрушаемых полимеров или специальной керамики, если речь идет о кости. В матрицу помимо клеток вводятся питательные вещества и факторы роста, после чего клетки формируют единый орган или некую «заплатку», призванную заместить собой пораженную часть.

Правда, выращивание искусственной печени, легкого и других жизненно важных органов для пересадки человеку сегодня пока недостижимо, в более простых случаях такая методика успешно применяется. Известен случай пересадки пациентке выращенной трахеи, осуществленной в РНЦ хирургии им. Б.В. Петровского под руководством итальянского профессора П. Маккиарини. В данном случае в качестве основы была взята донорская трахея, которую тщательно очистили от клеток. На их место были введены стволовые клетки, взятые из костного мозга самой пациентки. Туда же были помещены факторы роста и фрагменты слизистой оболочки — их также позаимствовали из поврежденной трахеи женщины, которую предстояло спасти.

Недифференцированные клетки в таких условиях дали начало клетками дыхательного эпителия. Выращенный орган имплантировали пациентке, причем были приняты специальные меры для проращивания имплантата кровеносными сосудами и восстановления кровообращения.

Впрочем, уже существует метод выращивания тканей без применения матриц искусственного или биологического происхождения. Метод нашел воплощение в устройстве, известном как биопринтер. В наши дни биопринтеры «выходят из возраста» опытных образцов, и появляются мелкосерийные модели. Например, аппарат компании Organovo способен распечатать фрагменты тканей, содержащих 20 и более клеточных слоев (причем туда входят клетки разных типов), объединенных межклеточной тканью и сетью кровеносных капилляров.

Соединительная ткань и клетки собираются воедино по той же технологии, которую используют при трехмерной печати: движущаяся головка, позиционирующаяся с микронной точностью в трехмерной сети координат, «выплевывает» в нужную точку капельки, содержащие либо клетки, либо коллаген и другие вещества. Разные производители биопринтеров сообщили, что их устройства уже способны распечатывать фрагменты кожи подопытных животных, а также элементы почечной ткани. Причем в результате удалось достичь правильного расположения клеток разных типов друг относительно друга. Правда, эпохи, когда принтеры в клиниках будут способны создавать органы разного назначения и больших объемов, придется еще подождать.

Мозг под замену

Развитие темы запчастей для человека неизбежно приводит нас к теме самого сокровенного — того, что делает человека человеком. Замена мозга — пожалуй, самая фантастическая идея, касающаяся потенциального бессмертия. Проблема, как нетрудно догадаться, в том, что мозг — похоже, самый сложный из известных человечеству материальных объектов во Вселенной. И, возможно, один из самых непонятных. Известно, из чего он состоит, но очень мало известно о том, как он работает.

Таким образом, если мозг удастся воссоздать как совокупность нейронов, устанавливающих друг с другом связи, надо еще придумать, как поместить в него всю необходимую человеку информацию. Иначе в лучшем случае мы получим взрослого человека с «серым веществом» младенца. Несмотря на всю сверхфантастичность конечной цели, наука активно работает над проблемой регенерации нервной ткани. В конце концов, цель может быть и скромнее — например, восстановление части мозга, разрушенной в результате травмы или тяжелого заболевания.

Проблема искусственной регенерации мозговой ткани усугубляется тем, что мозг обладает высокой гетерогенностью: в нем присутствует множество типов нервных клеток, в частности тормозные и возбуждающие нейроны и нейроглия (буквально — «нервный клей») — совокупность вспомогательных клеток нервной системы. Кроме того, разные типы клеток определенным образом расположены в трехмерном пространстве, и это расположение необходимо воспроизвести.

Нервный чип

В одной из лабораторий знаменитого Массачусетского технологического института, известного своими разработками в сфере информационных технологий, подошли к созданию искусственной нервной ткани «по-компьютерному», применив элементы технологии изготовления микрочипов.

Исследователи из Бостона взяли смесь нервных клеток, полученных из первичной коры мозга крысы, и нанесли их на тончайшие пластины гидрогеля. Пластины образовали своего рода сэндвич, и теперь задача состояла в том, чтобы вычленить из него отдельные блоки с заданной пространственной структурой. Получив такие прозрачные блоки, ученые намеревались изучать процессы возникновения нервных связей внутри каждого из них.

Задача была решена с помощью фотолитографии. На пласты гидрогеля накладывались пластиковые маски, которые позволяли свету воздействовать лишь на определенные участки, «сваривая» их воедино. Так удалось получить разнообразные по размерам и толщине композиции клеточного материала. Изучение этих «кирпичиков» со временем может привести к созданию значимых фрагментов нервной ткани для использования в имплантах.

Если инженеры MIT подходят к изучению и воссозданию нервной ткани в инженерном стиле, то есть механически формируя нужные структуры, то в Центре биологии развития RIKEN в японском городе Кобе ученые под руководством профессора Йошики Сасаи нащупывают другой путь — evo-devo, путь эволюции развития. Если плюрипотентные стволовые клетки эмбриона могут при делении создавать самоорганизующиеся структуры специализированных клеток (то есть разнообразные органы и ткани), то нельзя ли, постигнув законы такого развития, направлять работу стволовых клеток для создания имплантатов уже с природными формами?

И вот главный вопрос, на который намеревались найти ответ японские биологи: насколько зависит развитие конкретных клеток от внешних факторов (например, от контакта с соседними тканями), а в какой степени программа «зашита» внутри самих стволовых клеток. Исследования показали, что есть возможность вырастить из изолированной группы стволовых клеток заданный специализированный элемент организма, хотя внешние факторы играют определенную роль — например, необходимы определенные химические индуцирующие сигналы, заставляющие стволовые клетки развиваться, скажем, именно как нервная ткань. И для этого не понадобится никаких поддерживающих структур, которые придется наполнять клетками — формы возникнут сами в процессе развития, в ходе деления клеток.

По запатентованной Сасаи методике японцам удалось вырастить трехмерные структуры нервной ткани, первой из которых стала полученная из эмбриональных стволовых клеток мышей сетчатка глаза (так называемый зрительный бокал), которая состояла из функционально различных типов клеток. Они были расположены так, как предписывает природа. Следующим достижением стал аденогипофиз, не просто повторяющий структуру природного, но и выделяющий при пересадке мыши необходимые гормоны.

Разумеется, до полнофункциональных имплантов нервной ткани, а тем более участков человеческого мозга еще очень и очень далеко. Однако успехи искусственной регенерации тканей с применением технологий эволюции развития указывают путь, по которому пойдет вся регенеративная медицина: от «умных» протезов — к композитным имплантатам, в которых готовые пространственные структуры «проращиваются» клеточным материалом, и далее — к выращиванию запасных частей для человека по тем же законам, по которым они развиваются в естественных условиях.