Как подружить гены в клетках. Коктейль молодости, светящиеся котики, напечатанные органы и другие прелести науки - Ангелина Владимировна Потапова

Успехов в выращивании органоидов смогли добиться европейские ученые, создав в лабораторных условиях органоид-прототип кишечника [17].

Новизна этого исследования состоит в том, что органоид формирует правильную структуру, то есть стволовые клетки буквально знают, в каком направлении развиваться. Также клетки дифференцировались во все виды кишечных клеток, включая редкие и специализированные. А когда-нибудь в будущем мы услышим новости о возможности выращивать настоящие органы в пробирке.

А еще кишечником интересовались исследователи Медицинского центра детской больницы Цинциннати: они вернули «старым» клеткам пищеварительного тракта молодость и способность восстанавливаться [18]. С течением жизни клетки кишечника снижают свои функции: ухудшается всасываемость и регенерация эпителия.

Ученые экспериментировали со стволовыми клетками кишечника мышей и предположили, что белок Wnt, который играет важную роль в управление делением стволовых клеток, приведет к омоложению клеток кишечника. И действительно, восстановление сигнала от белка привело к позитивному эффекту! Заметно улучшился клеточный состав эпителия. Однако, чтобы сделать выводы, нужно провести еще ряд экспериментов.

Умные клетки могут группироваться, самокопироваться и доставлять лекарства

3D-печать захватывает не только легкую промышленность по всему миру, но и, кажется, приходит в медицину!

Идея печатать органы и ткани не новая, она появилась сразу с технологией 3D-печати. Но все не так просто: чтобы вырастить нормально функционирующий орган, мало просто построить клетки в нужном порядке. Наш организм использует сотни механизмов регуляции клеточного деления, в нем участвуют сигнальные молекулы, рецепторы и химические вещества в огромных количествах и определенных пропорциях. Установить, в какой момент какая молекула дает сигнал делиться клеткам и как, очень сложно. Поэтому предыдущие попытки вырастить органоиды в пробирке не увенчались успехом: клетки слишком плотно прилипали к питательной среде, что мешало их делению [19]. Но это помогло сформулировать один важный факт: межклеточное вещество, окружающее клетки, играет огромную роль, и нужно работать в этом направлении.

Так и сделал Маттиас Лутольф с коллегами из Федеральной политехнической школы Лозанны. Они выработали новый подход к биопечати [20]. Новый метод позволяет на микроскопическом уровне работать со структурой и использовать способность стволовых клеток к самоорганизации. Такой процесс повторяет естественный: клетки организуются под влиянием окружающего их матрикса.

Суть эксперимента заключалась в следующем: взяли стволовые клетки кишечника человека и поместили их в среду гидрогеля с коллагеном, которая по своим свойствам похожа на внеклеточный матрикс самого кишечника. Клетки отлично перемещались и начали организовываться в структуру. Через несколько дней ученые обнаружили зачатки кишечной эпителиальной трубки длиной от 5 до 15 мм! Причем тканевая организация соответствовала строению тонкого кишечника в норме!

Также команда Маттиаса смогла вырастить подобие эпителиальной выстилки тонкого кишечника мышки – специфической ткани, которая находится непосредственно в его просвете. Сначала клетки были расположены в один ряд, но потом благодаря самоорганизации стволовых клеток появился просвет, превративший ткань в полую трубку. Далее интереснее: клетки начали дифференцироваться почти во все виды, присутствующие в тонком кишечнике: ворсинчатые, бокаловидные, клетки Панета и энтероэндокринные клетки! Они даже реагировали на химические раздражители подобно обычным клеткам кишечника.

Данные эксперименты показывают, что для выращивания новых тканей и органов главная отправная точка – способность стволовых клеток к самоорганизации под влиянием окружающей среды, и в будущем станет возможно «печатать» функционально полноценные органы.

Способность стволовых клеток к самоорганизации не единственное их преимущество. Они обладают свойством самокопирования в больших количествах без потери генетической информации, как это происходит у обычных клеток при делении.

Американским биологам из Университета Тафтса под руководством Сэма Кригмана пришла идея – использовать принципы кинетики в своих экспериментах со стволовыми клетками [21]. Для этого взяли стволовые клетки из эмбриона лягушки и поместили их в соленый водный раствор при температуре 14 °C. За пять суток они развились в подобие кластеров из 3000 клеток. Внутри содержались эпителиальные клетки, а снаружи мерцательные, с ворсинками, благодаря им сферическая масса клеток стала активно двигаться.

В среде с содержанием одиночных стволовых клеток клетки кластера начинали активно «охотиться» на стволовые и включать в свою структуру, а через пять суток получался новый кластер. Правда, во втором и третьем поколениях способность терялась. Тогда благодаря компьютерному моделированию биологи поняли: нужно модифицировать форму кластера и добавить углубление. Теперь они стали похожи на пакманов, и способность к самокопированию больше не терялась, но при этом терялась энергия, а без нее клетки скоропостижно гибли.

Стоит отметить, что в данных экспериментах не задействована генная модификация или химические превращения: все держится чисто на кинетике. По словам исследователей, теперь можно определить, для каких живых организмов возможно самокопирование, как это сложилось эволюционно, а также помочь создать аналогичные структуры искусственных систем.

Наши соотечественники нашли еще одно применение стволовым клеткам: почему бы не использовать их в качестве доставщиков лекарств в нужные структуры [22]?

Самая большая проблема при химиотерапии онкологических заболеваний – отсутствие избирательного действия препарата и огромный побочный эффект на весь организм. Еще одно свойство стволовых клеток – патотропизм. Это означает, что клетка может мигрировать непосредственно в опухоль, следуя зову специфических сигнальных молекул.

Идея не нова, но до сих пор не удавалось грамотно «упаковать» лекарство, чтобы избежать его попадания в кровоток. По словам одного из авторов статьи, они создали и почтальона, и конверт: упаковали препарат винкристин в полиэлектролитные капсулы размером менее микрометра, которые разрушаются под действием инфракрасного излучения. Они выполнены из полимеров и разрушатся только при облучении лазером, когда достигнут своей цели! Эффективность проверена на клетках меланомы, выделенных из реальной ткани пациентов. При желании препарат можно менять на любой другой.

Оживить мертвого или отдать клетки мертвеца живому

Про возможность восстанавливать клетки сетчатки с помощью стволовых клеток донора мы уже говорили выше. Но специалисты по регенеративной медицине не остановились и пошли дальше: пересадили клетки сетчатки умершего человека приматам [23].

Известно, что около 200 млн человек страдают от дисфункции пигментного эпителия сетчатки – эти клетки питают фоторецепторы и обеспечивают поглощение рассеянного света. Именно нарушение их работы может стать одной из причин слепоты.

В ходе эксперимента исследователи взяли стволовые клетки сетчатки трупа человека и пересадили в глаза обезьян. Новые клетки успешно превратились в клетки пигментного эпителия и частично взяли на себя функцию родных клеток эпителия сетчатки. Побочных эффектов не наблюдалось в течение трех месяцев эксперимента.

По словам экспериментаторов, донорские стволовые клетки сетчатки помогают частично восстановить функцию желтого пятна! Однако требуются исследования, которые смогут подтвердить безопасность методики для людей.

А как стволовые клетки могут оживлять мертвых?

Малазийский сумантранский носорог – вид, который полностью вымер. В 2019 году он