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.