Человек 2.0. Перезагрузка. Реальные истории о невероятных возможностях науки и человеческого организма - Адам Пиорей

Подобно многим другим биоинженерам, начинавшим свои опыты до нее (в том числе и Хью Герру, который позже будет работать на другом конце того же кампуса и в конце концов откроет институт биоинженерии вместе с Робертом Лэнджером, с которым она когда-то проводила совместные исследования), Вуньяк-Новакович начала осознавать, что наиболее эффективный подход — «биомиметический», т. е. воспроизводящий природные условия.

«Во всей нашей области долго считались главными молекулярные факторы, — говорит она. — А потом наступила эпоха биоматериалов, и многие решили, что идеальный биоматериал должен быть инертным, то есть он не должен ничего делать [не должен вступать ни в какие реакции]. Потребовалось много времени и усилий очень многих людей, чтобы мы поняли: биоматериалы должны сообщать клеткам, что им делать. Потому что клетки соприкасаются с ними, тянут за них, давят на них, ощущают их. И мы начали думать, что идеальный биоматериал — тот, который выглядит и работает как нативная [природная] матрица тканин

Этот же урок Бадилак в конце концов усвоит применительно к своим подопытным собакам. Если он слишком сильно ограничивал их движения после ввода ВКМ, собачий организм оказывался не в состоянии заново отрастить вырезанный участок ахиллесова сухожилия. Как выяснилось, внеклеточный матрикс даже после того, как его помещали внутрь организма животного, нуждался в воздействии естественных условий (или подобных им), чтобы проявить свои волшебные свойства.

Еще в 90-х годах этот урок хорошо усвоила Лаура Никласон, постдок МТИ, работавшая вместе с Вуньяк-Новакович в лэнджеровской лаборатории. Никласон — пионер в области выращивания артерий. Первоначально ее основным инструментом были методики, с помощью которых она пыталась убедить стволовые клетки врастать в артерии. Для этого она помещала их в химические супы, идентичные по составу тем смесям, которые окружают эмбрион на протяжении различных стадий его развития. Но когда она стала экспериментировать с различными типами каркасов, удерживающих стволовые клетки на месте, она тоже сделала неожиданное открытие.

«Тогда считали, что, если вы хотите вырастить артерию, вам нужен очень прочный полимер, который не будет разлагаться, — говорит она. — Потому что артерии должны противостоять серьезным физическим нагрузкам, а если они разорвутся, это будет не очень-то хорошо для пациента, верно?»

Но когда Никласон попробовала применить такой подход, получавшиеся артерии оказывались слишком хлипкими и по виду очень отличались от настоящих. Когда же исследовательница стала пробовать каркасы с различными свойствами, разлагающиеся с разной скоростью, она с удивлением обнаружила, что подложки, которые разлагались быстрее всего, позволяли создать самые прочные и «реалистичные» артерии. Для решения проблемы вновь понадобилось посмотреть, как поступает природа, и сделать точно так же. Получалось, что без воздействия тех физических сил, которые появляются в системе, когда подложка быстро разлагается, артериям не хватало важнейших сигналов, подаваемых им средой и, очевидно, необходимых их клеткам для правильной адаптации к среде и для «калибровки» прочности артерии, которая строится из этих клеток.

По словам Вуньяк-Новакович, контролирование характеристик среды, в которой развиваются стволовые клетки, гораздо важнее, чем первоначально казалось ученым.

«Все эти факторы, в придачу к физическим параметрам их окружения, показывают стволовым клеткам, в какой части тела они находятся, — подчеркивает исследовательница. — Нам необходимо создавать искусственную среду, которая всё это имитирует и направляет развитие клеток, чтобы те формировали нужные типы тканей в нужном месте и в нужное время».

В 2005 г. Вуньяк-Новакович перешла в Колумбийский университет и нацелилась на следующий научный рубеж — проблему сердечной ткани. Для исследовательницы биоинженерное создание здоровой ткани сердца казалось одной из самых сложных задач. Клетки сердца, лишившись кислорода, начинают погибать не позднее, чем через 15–20 минут: именно это происходит в организме, когда закупорка артерий приводит к инфаркту. В отличие от некоторых других тканей организма, сердечная не способна к нормальному самостоятельному заживлению. Организм просто закрывает омертвевший участок рубцовой тканью, оставляя на пути распространения крови постоянное препятствие, где не идут никакие биологические процессы, и тем самым ухудшая способность сердца перекачивать кровь. Такой шрам не только ослабляет всё остальное тело: его возникновение приводит к тому, что оболочка сердца истончается, а само оно увеличивается в размерах — и в конце концов отказывает.

Вуньяк-Новакович рассуждала так: если ей удастся создать ткань, которая сможет заменить эти отмершие клетки, в результате удастся «выбрать слабину» и поспособствовать предотвращению расширения сердца. Более того, если позволить новым сосудам врастать в этот участок, то можно привлечь сюда клетки-регенераторы, питательные вещества и кислород: в результате отмершую ткань, возможно, удастся разрушить и вывести из организма, закупоренные сосуды будут очищены, и освободится пространство для роста новых клеток. Возможность такого волшебного ремонта явилась исследовательнице одним прекрасным утром 2001 г. К тому времени она уже знала, с чего начинать. Как и в случае с хрящевой тканью, Вуньяк-Новакович обратится к самой природе в поисках тех улучшений, которые можно внести в биореакторы, чтобы убедить сердечные клетки расти.

Для нее одно из самых удивительных свойств сердечной ткани — то, что сердце является первым органом нашего тела, который начинает функционировать. Оно начинает биться уже через три недели после старта развития эмбриона: когда электрические сигналы из верхней части сердца распространяются вниз, по всем его клеткам, тем самым осуществляя деполяризацию клеточных мембран и заставляя клетки подергиваться. В 2001 г. Вуньяк-Новакович задалась вопросом: что будет, если воздействовать на мышечные клетки сердца с помощью пульсации, которую порождает обычный медицинский кардиостимулятор? Может быть, именно такая пульсация окажется фактором, стимулирующим их рост? Чтобы выяснить это, она вместе со своей аспиранткой Милицей Радишич поместила сердечные клетки крысы на мягкую, эластичную подложку, залила специальной жидкостью и начала ритмическую стимуляцию клеток при помощи этого хорошо известного прибора.

Однажды утром, примерно через неделю, Вуньяк-Новакович пришла в лабораторию, извлекла клетки из сосуда и поместила их под микроскоп. Только она склонилась посмотреть, как в помещение вошла одна из ее постдоков, с грохотом захлопнув за собой тяжелую дверь лаборатории.

— Подожди, — сказала ей Вуньяк-Новакович. — Ты всё нарушила. Вся система трясется.

Она встала, заперла дверь, вернулась к микроскопу и обнаружила, что клетки по-прежнему находятся в движении. Они вовсе не «тряслись» от внешней вибрации — они бились без всякой посторонней помощи.

«Вначале это было нечто совершенно неорганизованное, диффузное: одна клетка здесь, другая — там. Но прошла всего неделя, и это уже было упорядоченное клеточное сообщество, которое начинало функционировать», — вспоминает Вуньяк-Новакович.

Более того, эта ткань настолько походила на обычную ткань сердца, что поначалу исследовательница даже решила, что перепутала результат инженерии с материалом контрольной группы. Она повторила эксперимент и отправила получившиеся культуры клеток коллеге в Швейцарию — на независимый анализ. Он не смог отличить друг от друга два образца сердечной ткани.