Министерство обороны России заказало на сайте госзакупок прототип биоинженерной печени, созданной на основе стволовых клеток. Сообщение выглядит как новость из будущего, однако оно вполне реально. Конкурс стоимостью в полмиллиарда рублей должен завершиться уже 15 марта. О том, кто может его выиграть, остается только гадать, ведь во всем мире клинические испытания биоинженерной печени даже не начинались, а созданием прототипов занимаются всего пять-шесть лабораторий. Однако прогресс в этой области наблюдается действительно впечатляющий. Возможно, если не в ближайшие годы, то в ближайшие десятилетия солдаты будут приступать к боевым заданиям, вооруженные не только портянками и автоматом Калашникова, но и новейшей запасной биоинженерной печенью из проекта под шифром «Прометей».
Никому не нужно доказывать важность выращивания искусственных органов — это вещь очевидная. Сотни тысяч людей, которым не нашлось подходящего для трансплантации донора, и их родственники знают об этом очень хорошо. В теории выращивание искусственных органов сулит даже большие выгоды, чем трансплантация, так как подразумевает возможность использования собственного клеточного материала, который способен идеально приживаться, не вызывая никаких проблем с иммунной реакцией. Кроме того, искусственные органы можно выращивать заранее — так, чтобы в случае, например, ранения, можно было быстро провести операцию. Пересадкой могли бы воспользоваться и пациенты с хроническими болезнями — это обеспечило бы им многие годы жизни. Словом, искусственные органы — это колоссальная революция в медицине, сравнимая, пожалуй, только с открытием антибиотиков. Почему же она до сих пор не происходит и что этому мешает?
Понятно, что трудность выращивания искусственных органов связана со сложностью их строения, с тем, что каждый из органов формируется как продукт цельной программы развития организма. Невозможно взять кусочек недифференцированных клеток на очень ранней стадии (скажем, морулы) и вырастить из них сердце. Клеткам нужны градиенты факторов роста, которые определяют геометрию организма. Нужны контакты с другими клетками, сигналы, гормоны — все это очень сложно воспроизвести в пробирке. Если же речь идет о поздних стадиях эмбриона, когда программа развития клеток в тот или иной орган уже определена и требуется только хорошее кровоснабжение, возникают сложности другого плана. Лишенный таких клеток эмбрион не может выжить, а значит, ситуация не слишком отличается от выращивания клона человека на органы.
В последнее время, однако, из этой патовой ситуации начал намечаться выход, и, по словам многих ученых, он выглядит очень многообещающим.
Биоинженерный кожзам
Исторически к проблеме создания искусственных органов ученые подходили с инженерных позиций, представляя себе этот процесс чем-то сродни печати процессоров на кристалле кремния. Считалось, что органы будут создаваться из биосовместимых полимеров и каждую клетку внутри них ученые разместят согласно заранее составленному плану. Надо сказать, что в некоторых случаях такой подход вполне оправдался. Прежде всего это относится к созданию искусственных заменителей кожи. К примеру, искусственная кожа под брендом Аллодерм не только оказалась весьма востребованной при проведении операций, но и стала одной из самых коммерчески успешных разработок в регенеративной медицине последних лет. В других случаях (как, например, с созданием искусственной молочной железы) разработки завершались моделью для исследований, которая уже не имела шансов покинуть стены лабораторий.
На волне первых успехов с искусственной кожей в 2000 году журнал Time назвал инжиниринг тканей одной из самых перспективных профессий. Ожидания, однако, оказались немного завышенными. Подход, который оказался хорош для кожи, не оправдал себя в качестве метода получения сложных трехмерных органов — в основном из-за трудности создания сети сосудов. Некоторое возрождение интереса к нему наблюдается в связи с совершенствованием методов трехмерной печати (и благодаря усилиям известного ученого Энтони Атала), однако в целом перспективы такого метода пока остаются туманными.
На смену прямому инженерному подходу пришла концепция, которая поначалу даже не обсуждалась среди ученых. Речь идет не о создании органа de novo, а об использовании донорского органа, лишенного клеток — так называемого децеллюляризованного матрикса. В случае разных органов перспективность тех или иных подходов выглядит, конечно, по-разному, однако в целом именно этот подход кажется сейчас наиболее перспективным и реальным.
Органы из матрицы
Чтобы понять, что это такое, нужно на мгновение обратиться к гистологии. Органы и ткани животных состоят, как известно, не только из клеток. Немаловажной частью любого органа является внеклеточный матрикс, созданный в основном из белков: коллагена, ламинина, фибронектина. Матрикс окружает каждую клетку — это хорошо видно на срезе костей или хряща, но в других тканях все обстоит примерно так же. Именно матрикс определяет механические свойства ткани или органа, он формирует ячейки, в которых находятся клетки. Кроме того, в матриксе находятся некоторые факторы роста, влияющие на специализацию и судьбу клеток.
Одно из важнейших открытий регенеративной медицины последних лет заключается в том, что ученые нашли способ получать полностью лишенные клеток матриксы различных органов. Еще удивительнее то, что эти децеллюляризованные (лишенные клеток) органы можно заново населять другими клетками.
Внешне процедура выглядит удивительно простой. Нужно взять орган донора — подойдет как испорченный орган трупа, так и орган животного, например, свиньи. К его главному сосуду (для печени — к портальной вене) присоединяется насос с раствором. Сначала, чтобы избавиться от крови, донорский орган промывают физиологическим раствором. Затем к нему примешивают все более концентрированные поверхностно-активные вещества, в том числе лаурилсульфат натрия (SDS), который является основным компонентом стиральных порошков. В результате действия детергентов клетки теряют свои контакты с внеклеточным матриксом и буквально вымываются из донорского органа. Вся процедура занимает не более четырех дней. В конце получается белая прозрачная копия (скажем, все той же печени), которая практически не отличается от оригинала по форме, однако полностью лишена клеток. Очевидцы говорят, что и на ощупь она совершенно точно такая же, как и обычная печень.
Самое удивительное, однако, заключается в том, что если теперь по тому же насосу запустить гепатоциты в питательном растворе, они станут заякориваться на вакантных местах, заполняя собой пустой матрикс. Ученые пока не знают, как именно это происходит — мигрируют ли клетки специально к опустевшим ячейкам в матриксе или легкость перезаселения объясняется его пористостью. Ясно одно — это происходит (иногда «заякоривается» до 90 процентов клеток), и искусственные «органоиды» (не путать с альтернативным названием органелл — внутренних компонентов клеток), которые при этом образуются, действительно начинают работать.
В опытах на мышах искусственная печень на основе бесклеточного матрикса была способна «в пробирке» выполнять функции, свойственные именно печени: секретировать альбумин, синтезировать мочевину и цитохромы. По оценкам ученых, эффективность работы таких искусственных органов достигает трети значения, характерного для нормальной здоровой ткани.
В чем преимущество создания искусственного органа, если он все равно требует наличия полноценных клеток для своей работы? Не проще ли обратиться к трансплантации? На самом деле эти преимущества довольно существенны. Во-первых, для создания биоинженерного органа можно использовать клетки органов, не подходящих для трансплантации, например, сильно поврежденных. Но самое интересное, конечно, заключается в том, что потенциально для создания искусственных органов можно использовать клетки самого пациента.
Ученые уже обладают методом получения стволовых клеток из дифференцированных клеток взрослого человека. В 2012 году создание этого метода как раз и отметил Нобелевский комитет. Индуцированные стволовые клетки можно подтолкнуть к развитию в нужном направлении при помощи специальных факторов роста, получив, таким образом, неограниченный источник клеток практически любого сорта.
В теории такая схема выглядит идеально: генетически идентичные пациенту клетки не вызывают реакции отторжения, а сам матрикс создан из настолько консервативных белков, что почти не отличается у человека и свиньи.
На практике, однако, все пока не так радужно. Дело в том, что искусственные органы живут обычно очень недолго, и чем орган сложнее, тем меньше время его существования. Разброс здесь очень велик, и ситуацию с каждым органом следует рассматривать отдельно.
Не так быстро
Печень — орган, если можно так выразиться, промежуточной сложности. Он гораздо сложнее мочевого пузыря, но проще по сравнению с легкими или почками. В ее составе существует всего три основных типа клеток. Это гепатоциты — основные «рабочие лошадки», эпителиальные клетки, выстилающие кровеносные сосуды, и клетки, выстилающие желчные протоки. Кроме того, печень известна своей уникальной способностью к регенерации, что теоретически должно облегчить задачу создания искусственного органа. И хотя прогресс в исследованиях наблюдается действительно очень впечатляющий, говорить о клиническом применении таких разработок пока очень рано.
Ни один из образцов биоинженерной печени, созданных к настоящему моменту, не просуществовал дольше четырех суток. Этого рекордного времени удалось добиться в работе на крысах, у которых органы вообще меньше, а значит, и меньше проблем с кровоснабжением. Если же говорить о печени свиньи, то среднее время существования искусственного органа составляет всего два часа, так что говорить о клиническом применении, пусть даже временном, пока не приходится.
Главная проблема искусственных органов на основе бесклеточных матриксов — недостаточное кровоснабжение. Дело в том, что, хотя крупные сосуды в лишенных клеток матриксах прекрасно сохраняются, основную работу кровь выполняет внутри капилляров. Они состоят фактически из одного только эпителия, который удаляется вместе со всеми остальными клетками. При перезаселении органа новыми клетками, капилляры практически не восстанавливаются. Это большая проблема для всего метода, и пока совсем неясно, удастся ли ее решить. Никто не может гарантировать, что она не окажется неразрывно связана с самим принципом использования бесклеточных матриксов и не «похоронит» всю многообещающую идею, как это уже не раз бывало в истории науки.
Все эти сложности — с капиллярами, с крайне низким временем жизни — по-видимому, не слишком смущают Министерство обороны России. Ведомство достаточно подробно (и вполне грамотно) прописывает «Тактико-технические требования к изделию», которое должно, как и положено печени, проводить гликонеогенез, обезвреживать ксенобиотики и синтезировать холестерин.
Кто-то может не понять такого оптимизма, проявленного Министерством, или усомниться в том, что кто-либо в России владеет подобной методикой. Одно можно сказать наверняка. Если результатом госзаказа на полмиллиарда рублей станет хотя бы одна хорошая научная статья, это можно будет считать самой успешной тратой денег в истории Министерства обороны.