ОСТАННІЙ ПОДКАСТ
Підписуйся на найнауковішу розсилку!
І отримуй щотижневі новини науки і технологій

    Ми під'їдаємо крихти cookies за вами. Навіщо це нам?

    Читати

    Пардон за відволікалочку. Допоможи Куншт бути незалежним!

    Пардон за відволікалочку. Допоможи Куншт бути незалежним!

    Повідомлення успішно надіслано

    Для пошуку
    введіть назву запису
    Людина — 06.03.19
    ТЕКСТ: Ольга Маслова,
    Віра Єфремова
    Ілюстрації: Богдана Давидюк
    Ми любимо тексти без помилок. Якщо ви все ж таки щось знайшли, виділіть фрагмент і натисніть
    Ctrl+Enter.
    Не пальцем роблені

    Можна спробувати виростити у чашці Петрі котлету для бургера, однак створити людський орган своїми руками ще нікому не вдалося. Розповідаємо про властивості стовбурових клітин, вирощування органоїдів та «надруковані органи».

    Що ж таке вирощування органів? Тканинна інженерія – це сукупність підходів, що об’єднують біологічну, фізичну та хімічну галузі, й спрямовані на створення конструкцій для регенеративної медицини. Однак якщо все ж погратися зі словом «вирощування», то можна придумати декілька асоціативних аналогій. Так, для вирощування рослинки нам зазвичай потрібне насіння. Його роль виконують клітини: стовбурові й спеціалізовані.

    Я буду такою, якою ти хочеш

    Стовбурова клітина відрізняється від інших клітин тим, що здатна ділитись і давати початок як спеціалізованій, так і новій стовбуровій клітині. Кожна спеціалізована клітина займається своїми справами (скороченням, передачею імпульсів, виділенням секрету). У нашому організмі в різний час і в різних місцях перебувають також різні стовбурові клітини. Зрештою, людське життя починається з наймогутнішої з них – тотипотентної зиготи. Вона несе інформацію і про майбутній організм, і про те, як цей організм зв’язати з організмом матері. У материнському тілі ми проходимо етапи множинних перетворень і подорожей клітин, які нас створюють. У цей час стовбурові клітини називають спочатку плюрипотентними (здатними перетворюватися у будь-який тип і створювати «карту ембріона»), а потім мультипотентними (що здатні перетворюватися у багато типів клітин).

     

    У деяких стратегічно важливих місцях із особливими умовами у дорослому організмі залишаються запаси мультипотентних клітин. Вони ще здатні перетворюватися у різні типи тканин, але вже далеко не в усі. І майже в кожному органі присутні «робочі конячки» – клітини-попередниці та олігопотентні стовбурові клітини певної тканини, які замінюють відпрацьовані й майже відмерлі спеціалізовані клітини. Отже, головне, що відрізняє стовбурову клітину від спеціалізованої «робочої конячки», – це перетворення на інші типи клітин й асиметричний поділ: замість двох однакових клітин вона дає одну диференційовану й одну стовбурову.

     

    Зрозуміло, звідки беруться клітини, однак насінню потрібен ґрунт. Його роль у тканинній інженерії виконують різноманітні каркаси. Сьогодні доступні багато матеріалів для таких структур: і синтетичні, і натуральні, і біорозкладні (розчиняються в організмі), і стійкі (взагалі не розчиняються). Інколи потрібно, щоби матеріал лише надав структурі форму, клітинам – можливість оптимально розташуватися, а потім безслідно зникнув. А часом навпаки – щоб довго залишався в тілі й був міцним. Та просто вкинута насінина ще не гарантує появи життєздатної рослини, тож ґрунт потрібно удобрювати.

     

    Під час створення тканинно-інженерної конструкції необхідно контролювати те, що змушує стовбурову клітину перетворитися на певний, запланований саме у цьому місці, тип клітин. Саме тому використовують різні індукуючі фактори – цитокіни (білки активних клітин в імунній системі, які регулюють міжклітинну взаємодію – прим. ред.), гормони, складні коктейлі з інших речовин, котрі дають клітинам сигнал, що саме тут і саме зараз має сформуватися саме така тканина. Такі роботи потребують напрочуд дорогого обладнання та вимагають безпеки і чистоти, тому навіть найсучасніші лабораторії говорять не так про створення повноцінних органів, як про розробку фрагментів тканини або роботу з органоїдами.

    Не орган – органоїд

    Органоїди – це невеличкі (до кількох сантиметрів) комплекси клітин, що сформовані кількома різними типами клітин поза межами організму. Їх вирощують з індукованих стовбурових клітин, тобто «перепрограмованих» зі спеціалізованих клітин (це можна робити з будь-якими клітинами, проте найчастіше використовують клітини шкіри). Дослідники ініціюють процеси, які змушують клітину робити те, чого за звичайних умов вона б не робила. Для цього вони активують усього чотири гени – і клітина повертається до стану, коли вона була ще не клітиною шкіри, а стовбуровою. Уявіть панель керування космічного корабля: вона одна, але на ній можна натискати різні кнопки у різний час. Так само у кожній клітині перебувають приблизно від 10 000 до 20 000 генів. ДНК всюди однакова, але клітини мають виконувати різні функції, тож у кожної активовані різні гени. Завдяки цьому процесу ініціалізації з таких індукованих клітин потім можна вирощувати клітини майже будь-якого типу: клітини печінки, серцевого м’яза, нейрони.

     

    Органоїди є проміжною ланкою між клітинним рівнем організації, коли в чашці Петрі дослідник має клітини лише одного типу, та системним рівнем, коли вже йдеться про вирощені органи чи їхні системи. У 2013 році вчені створили органоїд кори головного мозку, інформацію про це можна знайти у статті «Cerebral organoids model human brain development and microcephaly» (з англ. «Церебральні органоїди слугують моделлю розвитку людського мозку та мікроцефалії» – пер. ред.) журналу Nature. Раніше дослідники не могли в реальному часі спостерігати за розвитком клітин мозку, бо для цього довелося б, наприклад, взяти ембріон і розрізати його мозок. Внаслідок появи органоїдів і досліджень, які відкривають усе нові можливості з їх вирощення, з’явилася можливість не лише стежити за певними процесами розвитку мозку on-line, а й відкривати окремі функції генів, типи клітин.

     

    Сьогодні на органоїдах моделюють також різноманітні захворювання. Зазвичай беруть органоїд, який виростили з індукованих стовбурових клітин здорової людини – так звані «контрольні клітини», – і ще один, який створили з таких самих клітин хворого пацієнта. Перед появою органоїдів патології здебільшого моделювали на тваринах. Та ми все ж відрізняємося від тварин, тому недостатньо «перенести» результати, отримані під час експерименту на мишах, на людські випадки. Першою стабільною культурою клітин, яку можливо було підтримувати поза організмом людини, були ракові клітини. За браком необхідних здорових клітин вчені робили відкриття саме на них. Проте, як і у випадку з мишами, неможливо було зробити висновок про патологічний розвиток хвороб Альцгаймера чи Паркінсона на клітинах, що не здатні функціонувати як звичайні.

     

    На жаль, дуже часто саме роботу з органоїдами ЗМІ видають за «вирощені органи». Так, після публікації результатів дослідження про органоїд кори головного мозку, яким займалася британська вчена Медлін Ланкастер із командою, його голосно назвали «дорослим мозком у пробірці».

    Уявіть панель керування космічного корабля: вона одна, але на ній можна натискати різні кнопки у різний час. Так само у кожній клітині перебувають приблизно від 10 000 до 20 000 генів

    Роздрукуйте нас, будь ласка!

    Часто можна почути про продукт 3D-друку – «надруковані органи». 3D-принтер створює каркаси та матриці для тканинно-інженерних конструкцій. Для цього моделюється форма потрібного органа, і з біосумісного матеріалу створюється заготовка. У деяких випадках для відновлення структури достатньо замістити втрачену ділянку органа таким фрагментом, і згодом власні клітини обживуть його. Так, наприклад, можна відновити ніс і вуха.

    Інколи надруковану форму додатково заповнюють стовбуровими клітинами та чекають на успішне заселення і перетворення під впливом індукуючих факторів на потрібну тканинну композицію. У цих випадках йдеться про друк винятково «неживого» компонента, що вже є популярним напрямом у регенеративній медицині. Іншим підходом є власне біодрук – коли структура формується 3D-принтером, у який замість чорнил розміщують живі клітини. До біодруку є ряд скептичних зауважень, адже умови, за яких він відбувається, не зовсім сумісні з життєздатністю клітин. Такий друк анонсований лише кількома лабораторіями, а результатів їхніх експериментів поки немає.

    Три камені спотикання

    Усі успіхи створення органів поза межами організму поки обмежуються відтворенням фрагменту повноцінного органа (кишківника, печінки), а не створенням повністю автономної одиниці. Це не фантастичний фільм, де можна просто принести штучний орган на тарілочці в операційну та замінити людині хворий. Якщо з порожнистими структурами із декількох типів клітин, як вищезгаданий сечовий міхур або хрящі, вчені здатні якось упоратись, і ми справді можемо сподіватися на швидке введення у щоденну практику способів їх заміни, то зі складними органами, що мають багато шарів і специфічну структуру, все складніше. Є кілька каменів спотикання у сучасній тканинній інженерії.

    Найімовірніше, питання васкуляризації новостворених органів вирішиться найпершим. Друга проблема – іннервація, тобто проникнення в орган нервових закінчень. Тут усе складніше, бо проростити нервові закінчення ще важче, ніж кровоносні судини. Є однак третя проблема, з приводу якої ведуть найзапекліші дискусії і складність якої вносить найбільше песимізму. Йдеться про центральну регуляцію діяльності кожного з наших органів. Спочатку ми формуємося з двох клітинок, протягом життя їхня кількість сягає трильйонів, усі процеси регулюються на кількох рівнях, головним з яких є нейрогуморальний. Він пов’язаний із нервовою системою і гормонами. Клітини спілкуються через хімічні та електричні сигнали, кожен орган знає, чому він розташований саме тут і в такому стані, що він має робити та які сигнали передавати іншим структурам.

    Імунне питання «свій-чужий» можна вирішити, просто взявши для створення органа власні клітини. Це не завжди можливо, проте існують підходи застосування клітин, що не несуть маркерів імунної відповіді, тому це питання вважають частково вирішуваним. А вводити клітини у систему нового компонента, що створений поза межами компетенції нейрогуморального регулятора конкретного організму, – значно складніше. Тож створення навіть ідеального органа в лабораторії не гарантує його беззаперечного «прийняття в родину» самим організмом.

     

    Під час обговорення усіх цих проблем у нещодавному огляді у Nature «Perspective: Work with, not against, biology» (з англ. «Точка зору: працюємо з, а не проти біології» – пер. ред.) було висловлене припущення, що той шлях, яким сьогодні йдуть науковці, веде невідомо куди. Немає гарантії, що ці дослідження піднімуть регенеративну медицину на новий рівень. Тож або ми й далі «лупаємо сю скалу», чекаючи на розвиток біодруку й компонування тканин зі стовбурових клітин, або шукаємо нових методів, які, вірогідно, стратегічно відрізнятимуться від відомих підходів. Сьогодні однаково важливо створювати органи для медичних потреб і досліджувати виникнення хвороб на органоїдах.

    Перший – це васкуляризація, тобто формування й розростання кровоносних судин. Це проблема, бо судини важко вставити у структуру, щоб вони правильно функціонували й кров у них достатньо насичувалася киснем. Сьогодні її намагаються вирішити комбінуванням клітинних типів і внесенням попередників клітин, що формують судини. Найоригінальніший спосіб з’явився нещодавно – для васкуляризації застосували судинну систему рослин. У прямому сенсі виростили клітини серця (кардіоміоцити) на підготовлених листочках шпинату з розвинутим жилкуванням.

    Найімовірніше, питання васкуляризації новостворених органів вирішиться найпершим. Друга проблема – іннервація, тобто проникнення в орган нервових закінчень. Тут усе складніше, бо проростити нервові закінчення ще важче, ніж кровоносні судини. Є однак третя проблема, з приводу якої ведуть найзапекліші дискусії і складність якої вносить найбільше песимізму. Йдеться про центральну регуляцію діяльності кожного з наших органів. Спочатку ми формуємося з двох клітинок, протягом життя їхня кількість сягає трильйонів, усі процеси регулюються на кількох рівнях, головним з яких є нейрогуморальний. Він пов’язаний із нервовою системою і гормонами. Клітини спілкуються через хімічні та електричні сигнали, кожен орган знає, чому він розташований саме тут і в такому стані, що він має робити та які сигнали передавати іншим структурам. Імунне питання «свій-чужий» можна вирішити, просто взявши для створення органа власні клітини. Це не завжди можливо, проте існують підходи застосування клітин, що не несуть маркерів імунної відповіді, тому це питання вважають частково вирішуваним. А вводити клітини у систему нового компонента, що створений поза межами компетенції нейрогуморального регулятора конкретного організму, – значно складніше. Тож створення навіть ідеального органа в лабораторії не гарантує його беззаперечного «прийняття в родину» самим організмом.

    Під час обговорення усіх цих проблем у нещодавному огляді у Nature «Perspective: Work with, not against, biology» (з англ. «Точка зору: працюємо з, а не проти біології» – пер. ред.) було висловлене припущення, що той шлях, яким сьогодні йдуть науковці, веде невідомо куди. Немає гарантії, що ці дослідження піднімуть регенеративну медицину на новий рівень. Тож або ми й далі «лупаємо сю скалу», чекаючи на розвиток біодруку й компонування тканин зі стовбурових клітин, або шукаємо нових методів, які, вірогідно, стратегічно відрізнятимуться від відомих підходів. Сьогодні однаково важливо створювати органи для медичних потреб і досліджувати виникнення хвороб на органоїдах.

    ТЕКСТ: Ольга Маслова,
    Віра Єфремова
    Ілюстрації: Богдана Давидюк
    Статті
    Наука
    Екологічно чиста отрута: уривок з книжки «Зоологічна екскурсія супермаркетом»

    Чому краще утриматися від «дикого» промислу морепродуктів, особливо у водоймах, де цвіте вода?

    Наука
    Передумови приходу диктаторів до влади: Італія, Німеччина, РФ

    Що стало передумовами приходу диктаторів до влади на прикладі фашистської Італії, нацистської Німеччини та путінської росії? Розповідає співавтор і ведучий каналу «Історія Без Міфів» Владлен Мараєв.

    Людина
    Як кожен з нас може подякувати військовим і допомогти їм з адаптацією

    Як змінюється світосприйняття військових і що ми можемо зробити, аби висловити їм вдячність і допомогти в адаптації до мирного життя?

    Біологія
    Не тільки в історії. Який слід залишить війна в наших генах

    Як війни, голод та важкі психологічні травми залишають слід у геномі людини й чи можемо ми на це якось повпливати?

    Космос
    Що таке сонячні плями і чи впливають вони на людей

    Чи можуть спалахи на Сонці та магнітні бурі провокувати погане самопочуття в людей?

    Ідеї
    Пропаганда у російському кіно

    Як кіно стало частиною пропагандистської та політичної ідеології росії та чи можна якось дати цьому раду?

    Повідомити про помилку

    Текст, який буде надіслано нашим редакторам: