Великим достижением начала XX века было то, что люди научились культивировать клетки млекопитающих вне организма. Вначале это культивирование происходило в висячей капле, без прикрепления клеток к поверхности. То есть капля свешивалась, и в этой капле, ни к чему не прикрепленные, плавали клетки. Потом техника стала совершенствоваться, и мы научились растить клетки в чашках Петри, рассматривая в микроскоп, что с ними происходит. Это достижение дало мощный импульс развитию клеточной биологии и генетики.
С развитием технологий у исследователей появилась возможность изучать уже не плоские культуры, а трехмерные или, как их стали сейчас называть, органоиды. Подобное направление появилось совсем недавно, буквально в последние пять лет.
Понятно, что у ученых всегда было желание собрать какой-нибудь объемный орган, но надо понимать, что в процессе онтогенеза (индивидуального формирования организма) его никто не собирает «снаружи» — клетки сами по себе находят нужное место. А те, которые не нашли, погибают, не получив помощи от соседних клеток. Здесь же задача обратная: собрать различные клетки так, чтобы они были дружны между собой и продолжали расти. Это удается сделать не для всех типов клеток и культур. Но в последнее время наметился очень большой прогресс в искусственном выращивании органов.
В 2013 году австрийскими учеными было опубликовано пионерское исследование, в котором описывалось выращивание трехмерной структуры, напоминающей головной мозг.
Эта структура достигла размера в несколько миллиметров и получила название церебрального органоида. Исследователи работали со стволовыми клетками человека и, как и многие, выращивали их в чашке, на плоской поверхности, но потом решили оторвать от поверхности и перенести клетки в плавающую, суспензионную культуру. Для этого они поместили их в биореактор, который все время перемешивал делящиеся клетки и не давал им прикрепиться к поверхности. Группы делящихся клеток формировали маленькие сферы, а потом, что удивительно, эти сферы стали все больше и больше увеличиваться в размерах. Оказалось, что в биореакторе — в условиях, когда мы активно меняем культуральную среду вокруг растущей ткани и тем самым обеспечиваем клетки кислородом и питанием — в этих растущих сфероидах протекают процессы, сходные с природными. Там идет специализация клеток и формирование структуры органа.
Ученые использовали в своих экспериментах эмбриональные стволовые клетки, в которых во время специализации в нейроны, конечно же, проявляется и потенциал формирования всей структуры мозга. И когда нейрональной культуре предоставили возможность расти в трехмерном пространстве, получились зачатки мозга. Более детальный анализ этих органоидов показал, что в них происходят процессы, похожие на те, что происходят в мозге человека. Удивительным образом получилось, что вне человеческого организма (а исследователи использовали и эмбриональные стволовые, и репрограммированные стволовые клетки в качестве источника нейронов) сформировались структуры, соответствующие такому уникальному органу, как мозг. Более того, в случае использования репрограммированных клеток от больных микроцефалией (болезнью недоразвитого мозга) в культуре образовывались недоразвитые церебральные органоиды.
Таким образом, сегодня мы уже можем выращивать некоторые небольшие органоиды, которые будут повторять структуры отдельных органов человека. Тем самым мы получаем возможность более детально изучать какие-то процессы или что-то моделировать.
Немного по-другому был получен органоид кишечника. В качестве исходных клеток, как и в предыдущем случае, были взяты плюрипотентные стволовые клетки человека. Ученые определенным образом воздействовали на них с помощью ростовых факторов, а потом, дорастив до определенной стадии, поняли, что в чашке или биореакторе они не смогут хорошо расти, так как стали уже слишком большими и питательные вещества вовнутрь не проникают. Тогда исследователи решили пойти на такой трюк: они трансплантировали эти зачатки органоидов в лабораторную мышь, и в мышке эти клеточные структуры стали развиваться дальше.
В том месте, куда их трансплантировали, действительно развился кишечник — с криптами, ворсинками и другими необходимыми структурами.
Более того, когда этот кишечник человека, который развился в мышке, заразили Helicobacter pylori — бактерией, которая вызывает язвенную болезнь у человека, — органоид оказался инфицированным и проявил все признаки язвенной болезни.
Таким образом, получилось, что мы, с одной стороны, начали создавать что-то вне человеческого организма в лаборатории, а затем, чтобы получить более адекватную модель, перенесли это в животное, как в биореактор. Но и в этом случае органоид полностью имитировал то, что происходит в организме человека.
Органоиды дают сегодня уникальную возможность использовать их в первую очередь для разработки новых технологий, для поиска новых лекарств, для моделирования тех или иных заболеваний. Это уже относится не столько к области научного знания, сколько к его использованию для разработки определенной технологии создания человеческих органов.
