Когда нам вырастят новую печень

Как «выращивают» полноценные биологические органы человека в лабораторных условиях, смогут ли они заменить донорские, когда такие технологии станут массово доступными и для чего нужны мини-органы в ликбезе от директора Института молекулярной медицины Первого МГМУ им. И.М. Сеченова, профессора Андрея Замятнина.

Андрей Замятнин. Фото: пресс-служба Первого МГМУ им. И.М. Сеченова

Андрей Александрович, действительно ли выращивание органов человека уже поставлено на поток? Какие из них вырастить легче, а с какими возникают проблемы?

— Увы, про поток говорить еще очень рано. Создание жизнеспособных человеческих органов — очень сложная биоинженерная технология. А проведение подобных процедур даже с теми органами, выращивание которых принципиально возможно и перспективно, осложнено дороговизной и трудоемкостью процесса. Наиболее проблемными в этом смысле являются печень, поджелудочная железа. Естественно, возникают проблемы с органами нервной системы, которые в силу своей специфики качественно отличаются от других органов. В этих случаях задействовано слишком много межклеточных связей, и пока не очень понятно, как эти связи можно установить с использованием биоинженерных технологий.

Что касается печени, то проблема заключается в том, что есть некие ограничения, определяющие возможности регенерации органа. Замечено, что регенерировать печень до полновесного органа можно лишь при наличии как минимум четверти ее части. До сих пор не совсем понятны механизмы таких ограничений. По мнению мирового лидера по регенеративной медицине профессора Энтони Атала из Wake Forest University, вероятно, существует некая регуляция на уровне организма, определяющая состояние органа и степень его жизнеспособности, то есть потенциал к регенерации.

На сегодняшний день наибольший успех достигнут в создании органов с наименее сложным строением (кожи, костей, хрящей), а также полых органов (мочевого пузыря, трахеи). Тем не менее, процесс создания органов не до конца изучен, в связи с чем существует ряд проблем, которые постепенно находят свое решение. Так же неизвестно (так как не изучено), насколько безопасно использование искусственных органов, и какие последствия могут возникать при их пересадке, включая побочные эффекты.

И все-таки, как скоро эти технологии станут массово доступны? Сегодня тысячи людей ждут трансплантации почки. Есть надежда, что в ближайшем будущем для этого не потребуется донорский орган, его просто вырастят?

— Надежда есть, но не стоит забывать о дороговизне технологии. Как и любой новый продукт, новая технология изначально имеет высокую стоимость, даже если не рассматривать вопросы этики. Пока же донорская почка стоит меньше, чем почка выращенная. Будем надеяться, что в скором времени технология, а значит, и выращенные по ней искуственные органы станут более доступными.

За рубежом есть единичные случаи трансплантации «выращенной» почки. Однако неизбежно возникают вопросы, находящиеся в компетенции законодательств таких стран, например, связанные с разрешениями на операции и этическими нормами. Речь идет, в первую очередь, о выборе источника исходного материала (клеток) для выращивания органов, а также о проблемах, связанных с установлением границ между экспериментом и лечением.

А в чем, если кратко, заключается суть технологии? Как вообще можно вырастить орган отдельно от самого человека?

— Любой орган состоит из внеклеточного матрикса (ВМ), выполняющего функцию каркаса соединительной ткани, который придает органу форму и плотность, а также заполняющих его определенных клеточных компонентов (в основном, фибриллярных белков и протеогликанов), специфичных для каждого типа тканей. В ходе развития организма, начиная со стадии эмбрионального периода, внеклеточный матрикс создается собственными клетками за счет обмена клеточных компонентов с внешней средой. Соответственно, биоинженерные технологии «выращивания» органов должны воспроизводить этот процесс максимально приближенным к естественному. А разработчики должны решить две основные задачи: каким образом стимулировать клетки к формированию внеклеточного матрикса, и, собственно, как сохранить жизнеспособность таких клеток в составе матрикса.

Внеклеточный матрикс может быть создан как из искусственных, так и из биологических материалов. Главное, чтобы клеточные компоненты матрикса были жизнеспособными, функциональными и при необходимости способными к модифицированию в целях разработчика. Например, используется биодеградируемый искусственный матрикс, который со временем должен рассасываться, замещаясь натуральным.

Для выращивания органов также используют стволовые клетки, способные к самообновлению и дифференциации (превращению) в специализированные типы клеток. В живом организме стволовые клетки участвуют в процессах регенерации и восстановления поврежденных органов и тканей. Наибольшее количество этих клеток содержатся в костном мозге и жировой ткани, меньше — в коже, кровеносных сосудах, мышечной ткани. Основным источником аллогенных (неродственных) стволовых клеток является пуповинная кровь новорожденных, поэтому так активно развиваются программы по созданию банков стволовых клеток пуповинной крови практически во всех странах мира.

Уже получило развитие новое направление технологий регенеративной медицины — 3D-биопринтинг (3D-bioprinting), который использует технологии трёхмерной биопечати органов из аутологичных (собственных) стволовых клеток пациента. Технология состоит в разработке трехмерной модели органа и получения групп клеток, контактирующих друг с другом с образованием трехмерной структуры. Такие группы клеток и являются печатным материалом для 3D-биопринтинга органов.

Кроме искусственных органов, необходимых для замены поврежденных, выращивают еще и мини-органы для лабораторных целей.

— Да. И это очень перспективное научное направление. В частности, мини-органы используют для тестирования лекарств (как альтернативу опытам на животных), а также в случаях, для которых не существует животных моделей (например, при заболеванниях, связанных с иммунной системой). Также такой подход мог бы помочь решить этические проблемы, связанные с негуманным отношением к животным. Например, ученые уже научились «выращивать мясо» животных, то есть, по сути, это и есть выращивание в пробирке мышц из стволовых клеток.

Что касается технологий, то для лабораторной практики четкой границы между органами и клетками практически нет. Различные клетки (модельные клеточные линии) используются уже десятки лет, а сейчас на их основе начинают «собирать» органоподобные модели.

А есть своя специфика в случаях, когда органы выращивают для трансплантации человеку, и когда их создают для опытов?

— И в том и в другом случае преследуется главная цель — добиться максимальной идентичности. Если эта цель не будет достигнута, то в случае трансплантации выращенный орган будет отторгаться организмом. В случае же использования органа в экспериментальных целях будет невозможно оценить достоверность полученных результатов, а значит, и экстраполировать выявленные эффекты на организм человека.

Андрей Замятнин является также руководителем Стратегической академической единицы (САЕ) «Мультидисциплинарный центр клинических и медицинских исследований», занимающейся помимо подготовки высококвалифицированных кадров, разработкой биомедицинских продуктов. Центр помимо Института молекулярной медицины включает в себя Институт регенеративной медицины (директор Бутнару Д.В.) и Институт фармации и трансляционной медицины (директор Тарасов В.В.).