Инженерия органов

В июне 2011 года пациент-африканец из Эритреи попал на хирургический стол с поражённой раком трахеей. Операция закончилась более чем успешно — ему пересадили совершенно новый, здоровый орган. Пациентам и раньше делались операции по трансплантации донорской трахеи, но Андемариам Теклесенбет Бейне был первым, кому пересадили орган, выращенный в лаборатории из его собственных стволовых клеток.

Трахея Бейне — одно из последних достижений в направлении инженерии органов. Цель этого направления достаточно ясна — получить возможность создавать органы для пересадки из собственной плоти пациента. Если эта цель будет достигнута, никому из пациентов, нуждающихся в трансплантации, не придётся стоять в длинной очереди на донорские органы. И никому из тех, кому всё-таки сделали операцию, не придётся принимать сильнодействующие иммуносупрессоры, подавляющие иммунную систему пациента, чтобы предотвратить отторжение чужеродного трансплантата.

Однако практическая сторона вопроса, разумеется, не столь однозначна. Возьмите, к примеру, описанный мной случай: весь процесс выращивания трахеи начался с трёхмерного сканирования органа пациента. С помощью полученных снимков Александр Сейфалиан в университетском колледже Лондона по стеклянному шаблону сделал точную копию трахеи из специального полимера, сконструировав таким образом основание органа, которое затем доставили в Швецию, где хирург Пауло Маккиарини засеял эту конструкцию стволовыми клетками, взятыми из костного мозга пациента. Стволовые клетки, имеющие свойство развиваться в любой вид клеток тела, проросли в конструкцию и воссоздали собственные ткани пациента. После этого команда Каролинского Университетского Госпиталя в Стокгольме инкубировала растущую трахею в биореакторе — специальной ёмкости, созданной для воспроизведения естественных условий внутренней среды человеческого организма.

Через два дня Маккиарини пересадил трахею пациенту. Операция длилась 12 часов, и спустя месяц Бейне был выписан из госпиталя — свободным от рака. Команда повторила операцию с другим раковым пациентом, американцем Кристофером Лайлсом. Успех Маккиарини показывает, насколько далеко мы продвинулись к возможности выращивания органов, несмотря на признание ведущими экспертами того факта, что для преодоления всех препятствий на пути к ней потребуются десятилетия исследовательской работы.

«Если говорить доступным языком, существуют четыре ступени прогресса», — комментирует один из ведущих специалистов в этом направлении Энтони Атала из Института Регенеративной Медицины Уэйк Фореста, США. Первая ступень — это однородные органы, такие как кожа, которые состоят лишь из нескольких видов клеток. Следующая ступень — это трубчатые органы, например трахея или кровеносные сосуды с более сложной формой и разнообразной клеточной структурой. Третья ступень включает полые мешкообразные органы, такие как мочевой пузырь или желудок. В отличие от трубчатых органов, которые функционируют как проводники, назначение последних состоит ещё и в секреции или фильтрации, в зависимости от органа. Некоторые из них могут растягиваться и расширяться.

Учёные воссоздали лабораторным путём все три типа органов. Тысячам пациентам была проведена пересадка лабораторно выращенной кожи и хрящей; удалось пересадить трахею; проходят клинические испытания искусственные кровеносные сосуды для пациентов на диализе и детей с врождёнными болезнями сердца. Сам Атала провёл несколько операций по пересадке лабораторно воспроизведённого мочевого пузыря: первый такой пациент, которому более десяти лет назад сделали пересадку, живёт сегодня полноценной жизнью.

Однако наибольшую сложность представляет четвёртая ступень — это цельные органы, такие как почки, сердце, лёгкие и печень. Они устроены тоньше, чем другие, и имеют усложнённую структуру, в которую вовлечены многие виды клеток, как и обширная сеть кровеносных сосудов, по которой кислород и питательные вещества поступают к этим клеткам. Инкорпорирование сосудов в растущие органы, особенно на микроскопическом уровне, — непременное условие успеха. Но именно оно является камнем преткновения на пути к конечному результату: без преодоления этой проблемы, органы, выращенные в лаборатории, всегда будут недостаточно развитыми.

Основное условие для всех ступеней инженерии органов одно — требуется источник собственных клеток пациента. Для роста органа необходимо выстроить клетки правильным образом. Несмотря на то, что полученный образец клеток пациента, взятый из живого органа, чаще всего не превышает размер почтовой марки, клетки могут быть культивированы в достаточном количестве in-vitro для того, чтобы засеять вcю основу органа. Стволовые клетки, взятые из костного мозга, как при трансплантации трахеи Бейне, являются более ценным источником. А с 2006 года учёные стремительно осваивают новые пути перепрограммирования взрослых клеток обратно в стволовые, чтобы получить ещё один источник рабочего материала для желанного воссоздания органов.

После того как клетки получены, необходимо создать карту последовательности их роста, а также их модель специализации. Это значит, необходимо поместить их в определённые условия, при которых будет соблюдаться правильный баланс температуры, pH, гормонов и прочих факторов, то есть воссоздать условия внутренней среды человеческого тела: артерии, выращенные лабораторно, должны испытывать пульсацию, подвергаясь давлению, сродному с нормальным давлением крови; воссозданные мышцы нуждаются в физиологических сокращениях; лёгким необходимо регулярно испытывать действие потоков воздуха, как при обычном дыхании. «Каждая клетка имеет генетическую информацию, необходимую для строительства органа. Нужно лишь поместить эти клетки в правильную среду», — говорит Атала.

Формируя орган, клеткам нужно расти в строго определённом порядке, поэтому очень важно создать для них правильный каркас. Для таких простых органов, как трахея Бейне, возможно создать каркас полностью из инородного материала. Однако структура сложных органов нуждается в соединительнотканном скелете натуральных органов, полученных либо из животных, либо из трупов, для чего используются специальные реактивы, элиминирующие все клетки из соединительнотканного скелета органа. После данной процедуры, на такую основу можно посеять клетки пациента, нуждающегося в трансплантации. Весь процесс подобен разбору здания до его каркаса и дальнейшей его застройки новыми стенами. Учёным удалось воссоздать таким образом печень, лёгкие и даже сердце, способное к сокращению. В настоящее время ведутся экспериментальные операции по пересадке таких органов животным.

Атала разрабатывает многообещающую технологию строительства органов при помощи трёхмерных принтеров. Эти устройства представляют собой модифицированные версии обычных струйных принтеров, однако вместо капель чернил они распыляют живые клетки. Слой за слоем они способны формировать трёхмерные структуры органов и их кровеносных сосудов. Результаты такой работы ошеломили публику на конференции TED в прошлом году, когда Атала прямо на сцене буквально напечатал прототип живой почки, хоть и нефункционирующий. «Освоение последней четвёртой ступени в инженерии органов остаётся лишь вопросом времени, — говорит Атала. — Нам предстоит ещё длинный путь в достижении цели полного замещения органов, но я абсолютно уверен в том, что в конечном счёте эти технологии будут нам доступны».

Даже после того как учёные завершат разработку технологии выращивания органов, проблема не будет решена в одночасье: чтобы эти единичные научные прорывы превратились в рутинную медицинскую практику, необходимо будет решить ещё много сопутствующих производственно-снабженческих задач. «Могли бы вы представить производство органов в промышленных масштабах? — спрашивает Роберт Ленгер, один из первопроходцев в этой области. — Могли бы вы представить производство органов как воспроизводимые блага, которые бы имели срок годности, и можно было бы их поместить для сохранности в холод? Очень много технических преград нам придётся преодолеть».

Достижение такого результата займёт много времени, возможно десятилетия. Лора Никласон из Йельского университета впервые описала технологию создания артерии в 1999 году, и сегодня такие артерии находятся лишь на рубеже клинических испытаний. Если создание подобных несложных трубок, находящихся по классификации Атала лишь на второй ступени, заняло 12 лет, разумно предположить, что создание цельных органов займёт намного больше времени.

В настоящее время возрастает медицинское значение инженерии органов: «Число пациентов в списках на трансплантацию продолжает расти, в то время как количество донорских органов остаётся тем же, и нужда в них становится лишь заметнее год от года, — комментирует Атала. — Сюда же вносит свой вклад увеличение продолжительности жизни человека вследствие развития медицины, потому что, чем больше живёт человек, тем больше вероятность поражения какого-нибудь его внутреннего органа».

Russian translation of the article by Philip Sorokin:

Yong, E., 2012. Will we ever... grow synthetic organs in the lab? [WWW Document]. www.bbc.com. URL https://www.bbc.com/future/article/20120223-will-we-ever-create-organs.