Пламенный насос. Естественная история сердца - Билл Шутт

Я встретился с Годеттом в его лаборатории, чтобы обсудить, что произошло дальше.

Он начал с объяснения того, что любой, кто работает над восстановлением поврежденного сердца, да и любого поврежденного органа, если уж на то пошло, сознает значимость кровеносных сосудов – диаметр многих из которых варьируется в пределах микроскопических размеров.

– Когда сердечная мышца не получает достаточно кровотока, она погибает, – сказал мне Годетт.

Это, как ранее указывал и Отт, вызывало особую озабоченность при изучении регенерации сердца и оказалось камнем преткновения в собственных исследованиях Годетта. Хотя его команде удалось заставить сердечные клетки расти на каркасах кровеносных сосудов вокруг децеллюляризованного сердца, они не смогли полностью воспроизвести его структурную и функциональную сложность.

– И вот почему мы придумали это, – сказал Годетт, предлагая мне рассмотреть что-то маленькое и зеленое.

Я осторожно держал предмет, восхищаясь его прожилками и тем, как он удивительно похож на лист шпината, который ученый, возможно, купил в продуктовом магазине. Годетт заверил меня, что это именно он и что именно так оно и было.

– Эти прожилки переносят воду, – сказал он. – Наши вены переносят кровь. С инженерной точки зрения и те и другие переносят жидкости. Поэтому Джош Гершлак, тогда мой аспирант, сказал: «Если мы избавимся от всего шпината, останутся ли у нас эти сосуды?» И вот тут-то и начался весь эксперимент.

Как и Отт с донорскими сердцами, Годетт и Гершлак (ныне постдок) выдерживают листья шпината в химической ванне, которая лишает их клеток, но сохраняет внеклеточный каркас. Аналогичным образом это позволяет сосудам сохранять свою первоначальную структуру и предотвращает отторжение этой структуры иммунной системой конечного реципиента.

Годетт устроил мне экскурсию по своей лаборатории, во время которой я увидел, как готовятся образцы. Используемые листья шпината подвешены по отдельности в небольших бутылочках примерно на 1,2 метра ниже емкости со специальным детергентом, подающимся самотеком. Стекая вниз, капли детергента движутся в тонких резиновых трубках, каждая из которых оканчивается иглой для подкожных инъекций большого диаметра, вставленной в кончик черенка листа.

Такая гравитационнная капельная система обеспечивает постоянный ток детергента к листу. Когда детергент встречается с клетками растения, он открывает в них мельчайшие отверстия, позволяя вытекать содержимому, так что, когда жидкость выходит из кончика листа, она уносит с собой содержимое клеток. После пятидневного периода перфузии остается бесцветная, структурно совершенная модель листа, хотя и без растительных клеток. Модель состоит из прочного структурного полисахарида, который называется целлюлозой.

Если эта субстанция о чем-то вам напоминает, то, вероятно, потому, что клеточные стенки растений состоят из целлюлозы, также известной как пищевое волокно, которое проходит непереваренным через наш кишечник, прочищая его, словно сантехник трубу. На самом деле ни одно позвоночное животное не может самостоятельно переваривать целлюлозу, хотя некоторые прибегают к помощи эндосимбиотических[135] бактерий. В органах пищеварительной системы, таких как слепая кишка лошади или рубец коровы, живет огромное количество этих микроорганизмов. Симбиотический аспект связан с тем, что бактерии получают хорошее, теплое место для жизни, в то время как их четвероногие косимбионты получают пользу от целлюлазы – фермента, расщепляющего целлюлозу.

Высвобождаясь в пищеварительный тракт, фермент вступает в контакт с богатой клетчаткой пищей травоядного, расщепляя полисахарид на легкоусвояемые соединения, простые сахара. Эта адаптация позволяет пищеварительной системе травоядного извлекать питательные вещества и энергию из таких прежде неусвояемых веществ, как трава. Среди беспозвоночных, даже тех, кто печально известен своим мастерством измельчения растений и древесины, многие также не могут переваривать целлюлозу без посторонней помощи. Некоторые группы термитов, например, нуждаются в эндосимбиотических бактериях, чтобы переваривать древесину, и детеныши термитов умрут от голода, если не получат свою собственную колонию кишечных микробов, размахивающих жгутиками.

Термиты получают их, потребляя немного фекалий родителя или партнера по гнезду. Другие виды термитов освободились от жгутиков, развив способность производить свою собственную целлюлазу без необходимости принимать в кишечнике около 50 миллиардов микробных гостей176.

Однако для целей Гленна Годетта важно то, что целлюлоза не только структурно добротна, но и близка к биологической инертности, поскольку человеческий организм практически не проявляет иммунной реакции на это вещество. Таким образом, это почти идеальный биосовместимый материал, и он уже одобрен для использования в некоторых медицинских устройствах. К ним относятся листы, состоящие из целлюлозных фибрилл, созданных бактериями, которые наносят на раны, а также имплантируемые капсулы для доставки лекарств.

Целлюлоза стала компонентом не в одной попытке создать с нуля структуры, подобные сердцу. Исследователи из Тель-Авива вместо шпината используют 3D-биопечать. Однако ранее их усилия были направлены на то, чтобы применять в качестве «чернил» для 3D-принтера биопсийный материал. В апреле 2019 года Тал Двир и его команда с большой помпой и освещением в средствах массовой информации объявили, что они действительно напечатали маленькое сердце (размером с сердце кролика). Эти ученые сталкиваются с многочисленными препятствиями. Среди них тот факт, что, хотя клетки напечатанной структуры могут сокращаться, само сердце еще не способно перекачивать кровь. Кроме того, команде Двира нужно будет решить вопрос о том, как напечатать крошечные кровеносные сосуды сердца177.

Еще предстоит провести много исследований и преодолеть множество препятствий. Но перспективы целлюлозы захватывают. Лаборатория Годетта смогла заставить клетки человеческого сердца расти на каркасах из шпината, и сейчас проводятся эксперименты по растворению целлюлозы после того, как она выполнила свою задачу. Есть надежда, что однажды сформированные на основе целлюлозы сосуды получится простимулировать, чтобы они стали заменяющими кровеносными сосудами, состоящими исключительно из человеческих клеток.

И хотя невозможно предсказать, какая часть этих исследований когда-либо найдет практическое применение, захватывающе интересно, что ученые вроде Годетта ищут в растительном царстве новый и чрезвычайно инновационный способ принести пользу людям.

Учитывая сложность регенерации сердца или других органов, таких как почки и легкие, я задавался вопросом, зачем понадобилось что-то столь радикальное. Почему бы вместо этого не поискать лучшие методы восстановления или не сосредоточиться на профилактике заболеваний?

Ответы связаны с тем, что в США ежегодно проводится около 40 тысяч трансплантаций органов (примерно 10 % из них – пересадка сердца), и по состоянию на сентябрь 2020 года в национальном списке ожидания США было около 109 тысяч кандидатов178. Этим пациентам уже поздно проводить профилактику заболеваний, и во многих случаях их органы настолько повреждены, что восстановление не может быть сколь-либо долгосрочным решением. Подсчитано, что каждый день около 20 человек умирают во время ожидания.