Церебральные органоиды не выглядят как мозг: в них нет единой формы, нет кровеносных сосудов и вырастают они максимум до половины сантиметра

Мини-органы в пробирке: как клетки сами строят мозг, кишечник и щитовидку

Органоид — это живая трёхмерная структура, которую клетки выстраивают самостоятельно, следуя той же программе, что работает в эмбрионе. За последнее десятилетие органоиды превратились из лабораторной диковины в один из главных инструментов биомедицины, показав то, чего не могли ни мыши, ни чашки Петри.

Клетки знают, что делать

Долгое время биология клетки была плоской — в прямом смысле слова. Культуры выращивали на чашках Петри, в двух измерениях, и это давало свои результаты: возможность наблюдать, делить и красить структуры. Но живые органы трёхмерны, и поведение клеток в монослое и в объёме оказалось принципиально разным.

Переломным стал 2013 год: австрийские исследователи взяли эмбриональные стволовые клетки, отцепили их от поверхности и поместили в биореактор с мешалкой, которая не давала клеткам прикрепиться. Клетки собрались в сферы, сферы начали расти — и в результате получилась структура с гистологией мозжечка с теми же слоями и типами клеток. Вскоре другая группа, изменив условия культивирования, получила органоид коры головного мозга.

Открытие показало, что клетки не нуждаются во внешней сборке. Информация о том, как устроен орган, уже заложена внутри ткани. Исследователю достаточно запустить процесс и обеспечить питание — всё остальное клетки делают сами. Именно из этой логики выросло органоидное направление: создать условия, при которых будущий орган сконструирует себя изнутри.

Мозг в пробирке: от микроцефалии до вируса Зика

Нейробиология долго опиралась на мышей. Мышиный мозг хорошо изучен, легко доступен и генетически управляем — но он всё-таки не человеческий. Когда учёные захотели понять именно человеческий нейрогенез, потребовалась принципиально другая модель.

Церебральные органоиды — это миниатюрные фрагменты мозговой ткани, вырастающие из плюрипотентных стволовых клеток. Они не выглядят как мозг: в них нет единой формы, нет кровеносных сосудов, и вырастают они максимум до половины сантиметра. Но внутри они представляют собой отдельные мозговые области с правильной архитектурой, а также нейроны глубоких и поверхностных слоёв с формирующимися нервными трактами. Один из первых результатов, подтвердивших их ценность, — моделирование генетической микроцефалии: в мышиных моделях мутация почти не давала фенотипа, а в органоидах разница в размере была очевидна, и стало понятно, что нейральные стволовые клетки слишком рано переключались на производство нейронов, истощая собственный пул.

Когда в 2016 году ВОЗ объявила чрезвычайную ситуацию из-за вируса Зика и его связи с микроцефалией у новорождённых, органоиды мозга дали ответ в течение нескольких недель — скорость, невозможная для классических моделей. Выяснилось, что вирус особенно уязвимо поражает нейральные стволовые клетки плода, тогда как взрослый мозг переносит инфекцию без видимых последствий. Разница связана именно с тем, чем стволовые клетки плода отличаются от зрелых нейронов — и это стало отправной точкой для поиска лекарств. Некоторые соединения уже нашли в органоидах и проверили там же.

Сейчас направление движется дальше: органоиды применяются для исследований болезни Альцгеймера, лиссэнцефалии, аутизма с известными генетическими мутациями. Искусственно выведенные структуры дают то, чего не давали прежние модели — в одном из исследований удалось получить сразу оба типа белковых агрегатов, характерных для Альцгеймера: и бляшки, и клубки. В мышиных моделях для этого нужно было вводить несколько искусственных мутаций.

Кишечник в мышке и напечатанная щитовидка

Органоиды мозга — не единственное, что умеют клетки в лабораторных условиях. Параллельно развивались модели кишечника: стволовые клетки под действием ростовых факторов начинали формировать зачатки кишечного эпителия, но на чашке и в биореакторе дорастали лишь до определённого предела. Тогда исследователи пошли на нестандартный шаг: трансплантировали незрелые органоиды мышам. В организме животного они продолжили развитие — и там, куда их пересадили, сформировался человеческий кишечник с криптами и всеми необходимыми клеточными типами. Когда этот кишечник заразили Helicobacter pylori, он ответил так, как отвечает человеческий орган: проявил признаки язвенной болезни. Модель вела себя как человеческая ткань — но внутри мыши.

Это поставило вопрос о следующем шаге: если органоиды достигают нужной сложности in vivo, можно ли их создавать без участия живого организма? Именно здесь на сцену вышла биопечать. В 2015 году российская лаборатория 3D Bioprinting Solutions впервые в мире напечатала функциональный васкуляризированный орган — щитовидную железу мыши. Для проверки функции использовали радиоактивный йод: им полностью уничтожили нативную железу, затем пересадили напечатанный орган — и функция восстановилась на 50%. Это не был орган из стволовых клеток: в качестве строительного материала брали зачатки эмбриональной щитовидки. Но сам факт — что напечатанный орган начал работать — стал важным доказательством принципа.

Принтер для живого: как печатают ткани

Трёхмерная биопечать — это роботическая послойная печать живыми клетками и биоматериалами по цифровой модели. Технология существует уже около двадцати лет и прошла путь от концепции до коммерческих биопринтеров, учебников и специализированных журналов.

Процесс устроен в три этапа. Сначала — препроцессинг: нужна точная цифровая модель органа. Её получают через компьютерную томографию, серийные срезы или математически — зная правила ветвления сосудов, можно построить трёхмерную модель сосудистого дерева и вокруг него восстановить весь орган. Затем — собственно печать: принтер картезианского типа, перемещающийся в четырёх направлениях, укладывает слой за слоем смесь живых клеток и гидрогеля. Гидрогель (биочернила) должен вести себя как жидкость во время печати и немедленно полимеризоваться после. После завершения получается не орган, а «тканевая конструкция». Третий этап — постпроцессинг: созревание, уплотнение, а затем и слияние клеток превращает конструкцию в нечто, механически и функционально похожее на ткань.

Принципиальная проблема биопечати сегодня — не в принтерах, а в биочернилах. Гидрогель должен создавать клеткам правильное окружение: сначала защищать их и удерживать форму, а потом позволять им взаимодействовать так же, как они делают это в живом организме. Это задача, которую пока никто не решил до конца. Параллельно развивается альтернативный подход — биосборка: получить три типа клеток из индуцированных плюрипотентных стволовых клеток одного пациента (эндотелий сосудов, клетки печени и фибробласты), смешать в нужных условиях — и они сами соберутся в шарообразные структуры, аналогичные сотам печени. Сложить эти соты вместе значит получить большой фрагмент органа без принтера и без скаффолда.

Синтетическая биология: когда клетку перепрограммируют

Органоиды — это часть синтетической биологии, которая занимается созданием живых систем с новыми свойствами. Это не химический синтез: «синтез» здесь ближе к философскому — получение нового из старого в новых комбинациях. Флуоресцентные белки медузы встраивают в нейроны мыши, наблюдая процессы в живой ткани в реальном времени. Световые рецепторы из водорослей переносят в нейроны — и получают нервную систему, управляемую светом. Иммунные элементы бактерий переносят в клетки эукариот — и получают CRISPR, инструмент редактирования генома.

Именно здесь синтетическая биология встречается с органоидами напрямую. Биосенсоры — белки, меняющие флуоресценцию в ответ на стимул, — нельзя использовать непосредственно в человеке, но в органоидах они работают: позволяют наблюдать за патологическими процессами и искать вещества, способные их скорректировать. Например, отслеживая концентрацию пероксида водорода — сигнальной молекулы, которая при патологии вызывает окислительный стресс — можно находить соединения, снижающие её уровень в конкретных компартментах клетки.

Более радикальные применения уже находятся на стадии клинических испытаний. Пациентам с деградацией фоторецепторов сетчатки вводят вирусный вектор со светочувствительными белками из водорослей — клетки, которые в норме собирают сигнал от палочек и колбочек, сами становятся фоточувствительными. Глаз — иммунно привилегированная зона, куда иммунная система практически не добирается, поэтому здесь чужеродные белки не вызывают атаки. Несколько пациентов уже получили возможность различать световые паттерны и ориентироваться в пространстве.

Сложность оптогенетики за пределами глаза состоит именно в иммунной системе: рано или поздно она распознаёт чужеродный белок и уничтожает несущие его клетки. Альтернатива — термочувствительные каналы из змей. Это белки, которые уже есть в человеческом организме в похожих формах, поэтому иммунная система их не атакует. Встроив такие каналы в бета-клетки поджелудочной железы и воздействуя инфракрасным лазером, можно управлять секрецией инсулина — не добавляя ничего чужеродного.

Телеграм: t.me/ainewsline

Источник: postnauka.org

Источник: ai-news.ru