Дня невооруженного взгляда маленькие скопления клеток представляют собой недифференцированную массу, меньше, чем семена кунжута. Но стоит поместить их под микроскоп, и миниатюрные органы предстают в виде невероятно сложной системы: крошечная трубчатая система почек, тонкие складки коры головного мозга или слизистый слой оболочки кишечника. Спустя десятилетия изучения принципов роста и развития клеток на трехмерных конструкциях, имитирующих человеческий организм, ученые собрали настоящий зоопарк «органоидов», в который входят печень, желудок, сердце, почки, поджелудочная железа и т. п. В специальном выпуске журнала Development, исследователи в этой молодой области описывают, какие работы с органоидам были проведены к настоящему времени, а также рассказывают о новых достижениях. Вот краткий рассказ о том, что представляют собой эти прекрасные, но еще несовершенные модели:

Органоиды — это миниатюрные органы?

Едва ли. Да, эти глыбки клеток и в самом деле напоминают органы, но им не хватает тех особенностей, которые и позволяют оригинальным тканям выполнять функциональных частей организма. Особенно это касается системы кровеносных сосудов, без которой ткани попросту не будут расти и развиваться. На данном этапе, органоиды — это лишь упрощенные модели органов. Как бы то ни было, их существование все еще является выдающимся прорывом по сравнению с обычным выращиванием двухмерных клеточных культур в лабораторных условиях. Сегодняшние органоиды, к примеру, позволяют исследователям наблюдать за тем, как во время эмбрионального развития человека возникают протоструктуры органов и как определенные генетические мутации или инфекция могут нарушить их функционирование.

Как вырастить органоид

Желудочные органоиды, выращенные из эмбриональных стволовых клеток человека, имеют складки и гребни, которые имитируют развивающийся желудок

Все органоиды начинают как группы стволовых клеток, которые культивируются при определенных условиях и, как и в настоящем организме, в результате этого дифференцируются на несколько типов клеток, взаимодействующих между собой. Некоторые исследователи начинают с плюрипотентных стволовых клеток, выделенных из человеческих эмбрионов, или же перепрограммированных зрелых клеток, которые теоретически могут стать клетками любого типа. Органоиды по сути воспроизводят рост органов в первые недели и месяцы жизни. Они, как уже было сказано, могут помочь исследователям выявить сбои уже на таких ранних этапах: к примеру, можно индуцировать генетическую мутацию, вызывающую нехватку ключевых типов клеток в кишечнике.

Такие модели особенно ценятся в неврологии: когда исследователи захотели узнать, как вирус Зика влияет на растущий мозг, они обратились к органоидам, которые и показали, как вирус сначала захватывает, а потом и убивает нервные клетки. Отдельная область исследований органоидов основана на взрослых стволовых клетках, изолированных от тканей, которые выстилают наши органы и помогают им восстанавливаться после травмы. Эти клетки продуцируют более простые структуры, чем плюрипотентные стволовые клетки, но они все еще могут быть мощными прогностическими инструментами. Органоиды, моделирующие печень, желудок, кишечник и поджелудочную железу, могут показать, как генетические различия влияют на функцию органа или как организм может реагировать на лекарства.

Насколько достоверны результаты тестов на органоидах?

Так выглядит церебральный органоид Нервные стволовые клетки подсвечены красным, а нейроны — зеленым

Органоиды — это не настоящие органы, так можно ли доверять результатам испытаний на них? Практика показывает, что ответ положительный. По крайней мере один органоид уже проявил себя в клинических испытаниях. Индивидуальная модель минигута показала, что пациенты с редкими формами заболевания муковисцидозом (CF) могут воспользоваться новой дорогостоящей терапией, разработанной Vertex Pharmaceuticals. Пациенты получают образцы ректальной ткани, которые затем выращивают в миниатюрную модель, разработанную биологом стволовых клеток Хансом Клеверсом и коллегами из Утрехтского института в Нидерландах. Его команда вместе с исследователями из детской больницы Вильгельмины в Утрехте проверяют, как ведут себя органоиды и раздуваются ли они так же, как здоровые кишки — признак того, что их клеточные каналы эффективно перемещают воду с соляным раствором, а не простаивают, что привело бы к застою и инфекциям кишечника и легких у пациентов. Клеверс говорит, что до сих пор семеро детей получали лекарства на основании функционирования индивидуальных моделях кишок.

Но, как указывают несколько авторов в Development, насколько хорошо органоид имитирует истинный орган, пока неизвестно. Нейробиолог Го Ли Минг и его коллеги из Медицинской школы Университета Джона Хопкинса в Балтиморе, штат Мэриленд, смоделировали повреждения вирусом Зика мозговых органоидов и даже использовали их для скрининга перспективных кандидатов в препараты. Но она отмечают, что на данный момент эти модели не включают иммунную систему, которая, вероятно, влияет на развитие болезни. Исследователи могли просто смешать иммунные клетки с органоидами, отмечает команда, но, по их же словам, «мы пока не знаем, работают ли органоиды нормально».

Ученые столкнулись с еще одной большой проблемой: стандартизация. Оставьте стволовые клетки на персональных инкубаторах, и они будут производить органы с различными формами и смесями типов клеток. Один из документов, опубликованных в специальном выпуске журнала, описывает метод сортировки культур кишечных клеток для выделения тех, которые будут вырастать в более однородные, зрелые органоиды. Но органоиды все еще тяжело производить в больших, последовательных партиях, необходимых для скрининга лекарств и других манипуляций.

Можем ли мы использовать органоиды с целью выращивания тканей для трансплантации?

Самый важный вопрос, на который мы вынуждены дать отрицательный ответ: пока еще нет. Многие исследователи надеются, что однажды выращенные в лабораторных условиях ткани могут быть трансплантированы обратно в организм, чтобы восстановить или заменить собой орган. Ученые уже показали, что органоиды печени и толстой кишки, привитые в органы мыши, могут выживать и расти. Уэллс и его сотрудники в Детской больнице Цинциннати хотели бы использовать выращенную лабораторией ткань для излечения повреждений кишечника после инфицирования недоношенных детей. Но из-за того, что они не могут вырастить большие куски кишечника в лаборатории, они изучают методы выращивания органоидов в брюшной полости пациента, а затем связывание его с кишечным трактом. Тем не менее, прогресс в росте коаксиальной ткани органов вне тела был ошеломляющим. «Тот факт, что мы можем допустить, чтобы подобное произошло в чашке Петри, откровенно говоря, ошеломляет. … Я могу сказать вам, что я никогда не видел, чтобы такие эксперименты увенчались успехом ранее», говорит ученый.