Выращивание органов

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к: навигация, поиск

Выращивание органов — перспективная биоинженерная технология, целью которой является создание различных полноценных жизнеспособных биологических органов для человека. Пока технология не применяется на людях, так как все попытки трансплантации подобных органов пока были безуспешными[1], однако идут активные разработки и эксперименты в этой области. Используя трехмерные клеточные культуры (3D cell culture) ученые научились выращивать "затравки" органов названные органоидами (англ.organoid), не путать с органеллами). Такие органоиды используются учеными для изучения и моделирования органогенеза; моделирования опухолей и различных заболеваний, которым могут быть подвержены определенные органы; тестирования и скрининга на органоидах различных лекарственных препаратов и токсичных веществ; а также для экспериментов по замене органов или терапии поврежденных органов трансплантатами[2][3]

Современное состояние[править | править вики-текст]

Идея о искусственном выращивании человеческих органов не покидает учёных уже больше полувека, с того момента, как людям начали пересаживать органы доноров. Даже при возможности пересаживать большинство органов пациентам, в настоящее время очень остро стоит вопрос донорства. Многие пациенты умирают, не дождавшись своего органа. Искусственное выращивание органов может спасти миллионы человеческих жизней. Некоторые успехи в этом направлении уже достигнуты с помощью методов регенеративной медицины.

Эмбриоиды[править | править вики-текст]

Эмбриоиды или эмбриональные тельца (англ.Embryoid bodies) представляют собой трехмерные агрегаты клеток, где представлены клетки всех трех зародышевых листков необходимых для образования органов и тканей организма. В условиях лаборатории их можно получить различными способами культивирования из недифференцированных ИПСК[4][5][6]. Формирование эмбриональных телец является обычным методом, используемым для дифференциации ИПСК в различные клеточные линии.

Органоиды сердечно-сосудистой ткани[править | править вики-текст]

Культивируя эмбриоиды на коллаген-конъюгированных гидрогелях с жесткостью, подобной жесткости сердечной мышечной ткани Шкуматову с соавт.[7] удалось получить кардиоваскулярные органоиды, способные к сокращению. Этим они показали, что важную роль в дифференцировке клеток может играть жесткость межклеточного матрикса. Необходимость создания комфортных для культивируемых клеток механических напряжений, путем регуляции жесткости материала подложек для культивации была отмечена и в ряде других работ[8][9][10]

Органоиды печени[править | править вики-текст]

Важный шаг на пути к выращиванию в лаборатории органов сделали исследователи из Японии. Им удалось создать простую, но вполне функциональную печень человека.[11][12] Исследователи получили клетки печени из ИПСК и культивировали их совместно с эндотелиальными клетками (предшественницами кровеносных сосудов) и мезенхимальными клетками, которые выполняют роль "клея", объединяющего различные клетки. Оказалось, что при определенном соотношении этих клеток их совместная культура проявляет способность к самоорганизации и образует трехмерные шарообразные структуры, представляющие собой зачаток печени. При трансплантации этих зачатков печени мышам было обнаружено, что они, примерно за 48 часов, образуют связи с близлежащими кровеносными сосудами и способны выполнять характерные для печени функции. По мнению некоторых ученых, подобные зачатки печени, если уменьшить их размер, а затем ввести в кровоток поврежденной печени, могли бы способствовать нормализации ее функции. К сожалению, пока нет гарантии, что клетки печени, полученные из ИПСК, не вызовут образование опухолей. Требуется тщательная отработка этих методов[13].

Органоиды слюнных и слезных желез[править | править вики-текст]

Появились и другие примеры успешной трансплантации методом зародышевых органов. Так, например, группа исследователей из Токийского университета наук и корпорации «Organ Technologies Inc» во главе с профессором Такаси Цудзи (Takashi Tsuji) продемонстрировала полную функциональную регенерацию подчелюстных слюнных желез из биоинженерных зародышей слюнной железы после их ортотопической (с удалением дефектной железы) трансплантации, с целью восстановительной терапии путем замены органа, мышам с моделью дефекта слюнных желез. Биоинженерный зародыш, сконструированный in vitro, развился в зрелую железу путем формирования гроздевидных отростков с мышечным эпителием и иннервацией. Он производил и выделял слюну в ответ на вкусовую стимуляцию цитратом, восстанавливал процесс глотания пищи, защищал ротовую полость от бактериальной инфекции [14] . Эта же группа успешно провела ортотопическую трансплантацию биоинженерных зародышей слезных желез мышам с моделью имитирующей повреждение эпителия роговицы, вызванное дисфункцией слезной железы. В условиях in vivo биоинженерные зародыши дали начало слезным железам способным выполнять физиологические функции, включая образование слезы, в ответ на нервную стимуляцию, и защиту глазной поверхности [15].

Органоиды почек[править | править вики-текст]

Разработаны технологии для выращивания из плюрипотентных клеток органоидов почки, которые можно использовать для моделирования болезней почек и скрининга лекарств для их лечения, а в будущем и для подсадки пациентам миниатюрных почек, созданных из их собственных ИПСК[16]

Органоиды поджелудочной железы[править | править вики-текст]

Исследователи Датского центра стволовых клеток разработали метод трехмерной (3-D) культуры в геле Matrigel со специально подобранным составом среды, который может быть использован для выращивания миниатюрных «затравок» поджелудочной железы. В перспективе такие «затравки» могут быть полезны для борьбы с диабетом в качестве «запчастей»[17].

Органоиды легочной ткани[править | править вики-текст]

Воздействуя на сигнальные пути ИПСК человека удалось получить органоиды легких человека состоящие из эпителиальных и мезенхимальных компартментов легких, со структурными особенностями характерными для легочных тканей[18].

Органоиды сенсорного эпителия внутреннего уха[править | править вики-текст]

Аналогичная технология была использована для разработки способов получения органоидов сенсорного эпителия внутреннего уха, что в будущем позволит бороться глухотой[19]

Церебральные органоиды[править | править вики-текст]

С целью моделирования и исследования in vitro человеческого головного мозга и его заболеваний была создана трехмерная культура органоидов клеток головного мозга, полученных из плюрипотентных стволовых клеток[20][3][21][22][23]. Так называемые церебральные органоиды (англ. Cerebral organoid) могут быть использованы для изучения нейруляции и других процессов нейрогенеза, как простые модели сложных тканей мозга для изучения влияния токсинов и лекарств на ткани мозга путем их безопасного и экономичного первоначального скрининга, а также для получения образцов для ксенотрансплантации[24]

Эпителиальные энтероиды и колоноиды[править | править вики-текст]

Исследованию кишечника человека помогут органоиды полученные из эпителиальных клеток тонкой и толстой кишки. С их помощью можно изучать стволовые клетки кишечника и механизмы нарушения физиологических функций желудочно-кишечного тракта[25][26], а также создавать опухолевые органоиды для изучения раковых заболеваний и скрининга лекарственных препаратов[27] .

Сфероиды волосяных фолликулов[править | править вики-текст]

Техника выращивания клеток в виде сфероидов в висячей капле была использована для культивации клеток сосочкового слоя волосяных фолликулов человека. Было показано, что при выращивании этих клеток в виде сфероидов, когда клетки растут как бы в более естественном трёхмерном окружении и взаимодействуют друг с другом, они способны заново индуцировать образование волосяных фолликулов в коже человека[28].

Биоинженерная мышца[править | править вики-текст]

Создана так называемая «мускульная» ткань, реагирующая на сигналы, поступающие от нерва благодаря нервно-мышечному соединению, выращенному из клеток мышечной ткани и нейрональных клеток. Эта ткань потенциально может быть использована для фармакокинетических анализов и для создания привода мышц биороботов[29][30] и протезов.[31] Более того выращенная in vitro биоинженерная мышца оказалась способна к развитию и регенерации, а главное - смогла прижиться после трансплантации ее животному[32][33][34].

Хрящевые и мышечные ткани для операций по реконструкции[править | править вики-текст]

Из небольшого количества клеток носовой перегородки пациентов удалось вырастить хрящевую ткань, которая была использована для реконструкции носа после удаления онкообразования. По прошествии более одного года, все пациенты были удовлетворены эстетическими и функциональными результатами операции и никаких отрицательных эффектов зарегистрировано не было[35].

Тканевые имплантанты выращенные в лаборатории из собственных мышечных и эпителиальных клеток девочек-пациенток, которым требовалась операции по реконструкции вагины после пластической операции не только успешно прижились, сформировав нервы и сосуды, но и нормально функционируют уже 8 лет[36][37].

Генная терапия органоидов[править | править вики-текст]

Важным препятствием при трансплантации тканей и органов является их отторжение. Даже если операция прошла успешно пациенту с пересаженным органом приходится всю оставшуюся жизнь принимать препараты препятствующие отторжению. Чтобы сделать трансплантат «невидимым» для иммунной системы человека, создана культура человеческих эмбриональных стволовых клеток, которые синтезируют две молекулы подавляющие активность Т клеток,а именно: CTLA4-Ig (Cytotoxic T lymphocyte-associated antigen-4-immunoglobulin) и PD-L1 (Programmed death ligand 1) причем как до так и после дифференциации. Особенностью этих клеток является то что образующиеся из них аллогенные (от другого человека) ткани не вызывают иммунной реакции и отторжения после трансплантации.[38][39] Это значит, что трансплантацию органов и тканей выращенных из этих «универсальных» клеток, возможно, удастся проводить без необходимости проверки на совместимость.

Роль самоорганизации тканей[править | править вики-текст]

Ученые до сих пор не могут объяснить, как клетки самоорганизуются в сложные ткани. Как это ни удивительно, упорядоченные структуры возникают из клеток практически без внешних сил или влияния. Самоорганизация возникает на основе своего рода клеточной демократии. На протяжении развития, клетки воздействуют на поведение друг друга и принимают решения, исходя из "разговора" с соседями. По мнению японского ученого Sasai[40], самоорганизация возникает только в популяциях определенного размера. "Подобные явления самоорганизации можно увидеть только в группах насчитывающих приблизительно от 1000 до 100000 клеток. На этом уровне, клетки могут быть непосредственно демократичными, им не нужно специального губернатора или президента, чтобы организовать их". Клетки «сортируются»: однотипные слипаются, а разнотипные остаются разобщёнными. Позднее возникают центры организации, руководящие морфогенезом путем выделения ростовых факторов (морфогенов) с помощью градиентов, концентрации которых создаются так называемые биополя.[41][42][43]

Процессом самоорганизации клеточной культуры в органоиды можно управлять, подбирая необходимые компоненты 3D среды. Важно отметить, одинаковые органоиды можно получить используя разные среды. Важно только дать правильный "пусковой" сигнал, а механизм самоорганизации сделает все остальное[44]

Роль межклеточного матрикса[править | править вики-текст]

Для нормального функционирования и обновления клеткам тканей в организме необходим межклеточный матрикс, создающий, поддерживающий и регулирующий условия их существования в нише. Внеклеточный матрикс представляет собой многофункциональную систему активно участвующую во множестве процессов связанных с развитием организма, нередко исполняя роль «подсказки» направляющей дифференцировку клеток в том или ином направлении. Компоненты матрикса можно подразделить на две условные группы: структурные белки, такие как фибриллярные белки и гликозаминогликаны, и регуляторные белки, в том числе всевозможные ростовые факторы (например TGFβ и IGF), матриклеточные белки (белки семейства CCN, IGFBP, декорин и бигликан), ферменты (металлопротеиназы) и рецепторы (интегрины). Воссоздать в точности столь сложную систему и архитектуру органа искусственным путем, например, с помощью 3D-биопринтинга, пока не представляется возможным. Однако ученые разработали технологии, получения межклеточного матрикса из аллотрансплантатов донорских органов путем промывания их растворами детергентов, в процессе которого клетки донора удаляются и остается только бесклеточная матрица, все еще сохраняющая архитектуру (в том числе сеть кровеносных и лимфатических сосудов и матрицу нервной ткани), а также большинство регуляторных белков. Затем эту матрицу засевают клетками реципиента и помещают в биореактор. В результате можно вырастить аутотрансплантат, который состоит из клеток реципиента и поэтому не должен, по идее, отторгаться его иммунной системой[45]

Разработан протез трахеи, который на на 95% состоит из тканей пациента, что позволяет избежать отторжения органа. Каркасом для протеза стала кость, выращенная из тканей надкостницы. Внутренняя поверхность органа создавалась из стволовых клеток и собственной слизистой пациента. Биореактором, в котором новая трахея созревала в течение шести месяцев, послужили ткани грудной стенки больного. В результате инкубации в протезе сформировалась собственная сосудистая система[46].

См. также[править | править вики-текст]

Литература[править | править вики-текст]

Примечания[править | править вики-текст]

  1. Leading Surgeons Warn Against Media Hype About Tracheal Regeneration http://dx.doi.org/10.1016/j.jtcvs.2013.12.024
  2. Cantrell MA, Kuo CJ.(2015). Organoid modeling for cancer precision medicine. Genome Med.;7(1):32. DOI: 10.1186/s13073-015-0158-y.PMID 25825593
  3. 1 2 Lancaster MA, Knoblich JA.(2014). Generation of cerebral organoids from human pluripotent stem cells. Nat Protoc.;9(10):2329-40. DOI:10.1038/nprot.2014.158. PMID [http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/25188634 25188634]
  4. Steven D. Sheridan, Vasudha Surampudi, Raj R. Rao, (2012). Analysis of Embryoid Bodies Derived from Human Induced Pluripotent Stem Cells as a Means to Assess Pluripotency, Stem Cells International, 2012 , Article ID 738910, http://dx.doi.org/10.1155/2012/738910
  5. Toni-Marie Achilli, Julia Meyer, Jeffrey R Morgan,(2012). Advances in the formation, use and understanding of multi-cellular spheroids, Expert Opinion on Biological Therapy, 12(10) , 1347-1360 DOI:10.1517/14712598.2012.707181
  6. Carpenedo RL, Sargent CY, McDevitt TC (2007) Rotary suspension culture enhances the efficiency, yield, and homogeneity of embryoid body differentiation. Stem Cells 25: 2224–2234. DOI:10.1634/stemcells.2006-0523
  7. Shkumatov A, Baek K, Kong H (2014) Matrix Rigidity-Modulated Cardiovascular Organoid Formation from Embryoid Bodies. PLoS ONE 9(4): e94764. DOI:10.1371/journal.pone.0094764
  8. Heras-Bautista, C. O., Katsen-Globa, A., Schloerer, N. E., Dieluweit, S., El Aziz, O. M. A., Peinkofer, G., ... & Pfannkuche, K. (2014). The influence of physiological matrix conditions on permanent culture of induced pluripotent stem cell-derived cardiomyocytes. Biomaterials, 35(26), 7374-7385.
  9. Qiu, Y., Bayomy, A. F., Gomez, M. V., Bauer, M., Du, P., Yang, Y., ... & Liao, R. (2015). A role for matrix stiffness in the regulation of cardiac side population cell function. American Journal of Physiology-Heart and Circulatory Physiology, 308(9), H990-H997. DOI:10.1152/ajpheart.00935.2014
  10. Patel, A. K., Celiz, A. D., Rajamohan, D., Anderson, D. G., Langer, R., Davies, M. C., ... & Denning, C. (2015). A defined synthetic substrate for serum free culture of human stem cell derived cardiomyocytes with improved functional maturity identified using combinatorial materials microarrays. Biomaterials. 61, 257–265. DOI:10.1016/j.biomaterials.2015.05.019
  11. Takanori Takebe, Keisuke Sekine, Masahiro Enomura, et al. & Hideki Taniguchi (2013) Vascularized and functional human liver from an iPSC-derived organ bud transplant. Nature DOI:10.1038/nature12271
  12. Человеческую печень вырастили в мышах
  13. Huch, M; Gehart, H; Van Boxtel, R; Hamer, K; Blokzijl, F; Verstegen, M. M.; Ellis, E; Van Wenum, M; Fuchs, S. A.; De Ligt, J; Van De Wetering, M; Sasaki, N; Boers, S. J.; Kemperman, H; De Jonge, J; Ijzermans, J. N.; Nieuwenhuis, E. E.; Hoekstra, R; Strom, S; Vries, R. R.; Van Der Laan, L. J.; Cuppen, E; Clevers, H (2015). Long-Term Culture of Genome-Stable Bipotent Stem Cells from Adult Human Liver. Cell 160 (1–2): 299–312. DOI:10.1016/j.cell.2014.11.050. Полный текст в свободном доступе на сайте PMC: 4313365. PMID 25533785.
  14. Ogawa, M., Oshima, M., Imamura, A., et al. & Tsuji, T. (2013) Functional salivary gland regeneration by transplantation of a bioengineered organ germ. Nature Communications; 4, Article number: 2498 DOI: 10.1038/ncomms3498
  15. Hirayama, M., Ogawa, M., Oshima, M., et al. & Tsuji, T. (2013) Functional lacrimal gland regeneration by transplantation of a bioengineered organ germ. Nature Communications, 4, Article number: 2497 DOI: 10.1038/ncomms3497
  16. Little, M. H., & Takasato, M. (2015). Generating a self-organizing kidney from pluripotent cells. Current opinion in organ transplantation, 20(2), 178-186. DOI:10.1097/MOT.0000000000000174
  17. Greggio, C., De Franceschi, F., Figueiredo-Larsen, M., Gobaa, S., Ranga, A., Semb, H., ... & Grapin-Botton, A. (2013) Artificial three-dimensional niches deconstruct pancreas development in vitro. Development, 140(21), 4452-4462. doi: 10.1242/dev.096628
  18. Dye, B. R., Hill, D. R., Ferguson, M. A., Tsai, Y. H., Nagy, M. S., Dyal, R., ... & Spence, J. R. (2015). In vitro generation of human pluripotent stem cell derived lung organoids. Elife, 4, e05098. DOI: http://dx.doi.org/10.7554/eLife.05098
  19. Longworth-Mills, E., Koehler, K. R., & Hashino, E. (2015). Generating Inner Ear Organoids from Mouse Embryonic Stem Cells. Methods in Molecular Biology, 10, 7651 DOI:10.1007/7651_2015_215
  20. Lancaster, M. A., Renner, M., Martin, C. A., Wenzel, D., Bicknell, L. S., Hurles, M. E., ... & Knoblich, J. A. (2013). Cerebral organoids model human brain development and microcephaly. Nature, 501(7467), 373-379.
  21. Smith, I., Silveirinha, V., Stein, J. L., Torre‐Ubieta, L., Farrimond, J. A., Williamson, E. M., & Whalley, B. J. (2015). Human neural stem cell‐derived cultures in three‐dimensional substrates form spontaneously functional neuronal networks. Journal of tissue engineering and regenerative medicine. DOI:10.1002/term.2001.
  22. Harris, J., Tomassy, G. S. and Arlotta, P. (2015), Building blocks of the cerebral cortex: from development to the dish. WIREs Dev Biol. doi: 10.1002/wdev.192
  23. Anca M Paşca, Steven A Sloan, Laura E Clarke, Yuan Tian, Christopher D Makinson, Nina Huber, Chul Hoon Kim, Jin-Young Park, Nancy A O'Rourke, Khoa D Nguyen, Stephen J Smith, John R Huguenard, Daniel H Geschwind, Ben A Barres, Sergiu P Paşca (2015). Functional cortical neurons and astrocytes from human pluripotent stem cells in 3D culture. Nature Methods; DOI:10.1038/nmeth.3415
  24. Build-a-Brain
  25. Mahe, M. M., Sundaram, N., Watson, C. L., Shroyer, N. F., & Helmrath, M. A. (2015). Establishment of Human Epithelial Enteroids and Colonoids from Whole Tissue and Biopsy. Journal of visualized experiments: JoVE, (97). 52483. DOI:10.3791/52483
  26. Lukovac, S., & Roeselers, G. (2015). Intestinal Crypt Organoids as Experimental Models. In The Impact of Food Bioactives on Health (pp. 245-253). Springer International Publishing. DOI:10.1007/978-3-319-16104-4_22
  27. van de Wetering, M., Francies, H. E., Francis, J. M., Bounova, G., Iorio, F., Pronk, A., ... & Clevers, H. (2015). Prospective Derivation of a Living Organoid Biobank of Colorectal Cancer Patients. Cell, 161(4), 933-945. DOI: http://dx.doi.org/10.1016/j.cell.2015.03.053
  28. Higgins C.A., Chen J. C., Cerise J. E., et al. & Christiano A. M. (2013) Microenvironmental reprogramming by three-dimensional culture enables dermal papilla cells to induce de novo human hair-follicle growth. PNAS, doi:10.1073/pnas.1309970110
  29. Muscle-powered bio-bots walk on command
  30. Madden, L., Juhas, M., Kraus, W. E., Truskey, G. A., & Bursac, N. (2015). Bioengineered human myobundles mimic clinical responses of skeletal muscle to drugs. eLife. DOI: http://dx.doi.org/10.7554/eLife.04885
  31. Morimoto, Y., Kato-Negishi, M., Onoe, H., & Takeuchi, S. (2013). Three-dimensional neuron–muscle constructs with neuromuscular junctions. Biomaterials, 34(37), 9413-9419.
  32. Mark Juhas, George C. Engelmayr, Jr., Andrew N. Fontanella, Gregory M. Palmer, and Nenad Bursac.(March 2014). Biomimetic engineered muscle with capacity for vascular integration and functional maturation in vivo. PNAS, DOI:10.1073/pnas.1402723111
  33. Кирилл Стасевич (апрель 2014). ИСКУССТВЕННЫЕ МЫШЦЫ СПОСОБНЫ К САМОЛЕЧЕНИЮ. КОМПЬЮЛЕНТА
  34. Claudia Fuoco, Roberto Rizzi, Antonella Biondo, et al., (2015). n vivo generation of a mature and functional artificial skeletal muscle. EMBO Molecular Medicine, DOI:10.15252/emmm.201404062
  35. Ilario Fulco, Sylvie Miot, Martin D Haug, et al. (2014). Engineered autologous cartilage tissue for nasal reconstruction after tumour resection: an observational first-in-human trial. The Lancet. DOI:10.1016/S0140-6736(14)60544-4
  36. Atlántida M Raya-Rivera, Diego Esquiliano, Reyna Fierro-Pastrana, et al. & Anthony Atala.(2014). Tissue-engineered autologous vaginal organs in patients: a pilot cohort study. The Lancet; DOI:10.1016/S0140-6736(14)60542-0
  37. Стасевич К. ВЛАГАЛИЩЕ ИЗ ПРОБИРКИ ПРИЖИЛОСЬ В ЧЕЛОВЕЧЕСКОМ ОРГАНИЗМЕ. КОМПЬЮЛЕНТА
  38. Zhili Rong, Meiyan Wang, Zheng Hu, et al. &, Xuemei Fu. (2014) An Effective Approach to Prevent Immune Rejection of Human ESC-Derived Allografts. Cell Stem Cell,; 14 (1): 121 DOI:10.1016/j.stem.2013.11.014
  39. Plege-Fleck A, Lieke T, Römermann D, Düvel H, Hundrieser J, Buermann A, Kraus L, Klempnauer J, Schwinzer R. Pig to rat cell transplantation: reduced cellular and antibody responses to xenografts overexpressing PD-L1. Xenotransplantation 2014; 21: 533–542. DOI:10.1111/xen.12121
  40. The Man Who Grew Eyes From Scratch
  41. Bement, W. M., & von Dassow, G. (2014). Single cell pattern formation and transient cytoskeletal arrays. Current opinion in cell biology, 26, 51-59.
  42. Ishihara, K., Nguyen, P. A., Wühr, M., Groen, A. C., Field, C. M., & Mitchison, T. J. (2014). Organization of early frog embryos by chemical waves emanating from centrosomes. Philosophical Transactions of the Royal Society B: Biological Sciences, 369(1650), 20130454.
  43. Karus, M., Blaess, S., & Brüstle, O. (2014). Self‐organization of neural tissue architectures from pluripotent stem cells. Journal of Comparative Neurology.
  44. Greggio, C., De Franceschi, F. and Grapin-Botton, A. (2015), Concise Reviews: In Vitro-Produced Pancreas Organogenesis Models in Three Dimensions: Self-Organization From Few Stem Cells or Progenitors. STEM CELLS, 33: 8–14. DOI:10.1002/stem.1828
  45. Transplantable bioengineered forelimb in an animal model
  46. Петербургские врачи установили биоинженерный протез трахеи

Ссылки[править | править вики-текст]

FIRST PRIZE RALLIES SCIENTISTS WORLDWIDE TO BIOENGINEER A LIVER. The first registered team to meet the required guidelines by December 31, 2018, will win the award $1 million. New Organ's goal is to ensure no one dies from lack of a healthy organ. The New Organ Liver Prize is the first step toward that goal.