В будущем человечество научится выращивать в пробирке не только клетки, но и сложные органы, а то и живые организмы целиком. По крайней мере фантасты в этом уверены. В реальности до этого еще очень далеко.
Фото: SEBASTIAN KAULITZKI / SCIENCE PHOTO LIBRARY / Getty Images
Фото: SEBASTIAN KAULITZKI / SCIENCE PHOTO LIBRARY / Getty Images
Впечатляющие успехи достигнуты в технологиях реконструкции тканей, однако задача вырастить крупный орган остается невыполнимой. А вот с маленькими можно попробовать. Успехи в создании новых биоматериалов, совершенствование технологий выращивания клеток в искусственных средах, управление их программами дифференцировки, развитие технологий трехмерной печати позволяют это сделать. Кроме того, по мере изучения поведения клеток в развитии становится ясно, что при определенных условиях они способны к самоорганизации в структуры формирующихся ткани или органа.
Из клеток, аналогичных клеткам раннего эмбриона человека (так называемых плюрипотентных клеток), возможно получение небольших органоподобных структур (органоидов) или мини-органов, практически полностью воспроизводящих в миниатюре структуры нормальных органов. Такие модели дают бесценную и неисчерпаемую информацию о том, как формируется данный орган, как происходит образование тех или иных клеточных типов, как клетки взаимодействуют друг с другом и что нужно для того, чтобы это все происходило.
Многие механизмы развития воспроизводятся в том случае, когда взрослому организму необходимо восстановление утраченного в результате болезни или травмы. Это называется регенерацией.
Регенерация — сложный процесс, в котором задействовано множество факторов. Иногда надо восстановить целостность ткани (например, костной или мышечной), а иногда — орган целиком. У ящерицы или саламандры получается регенерировать конечность или хвост, у рыб — сердце, а вот человеку до этого далеко: даже поверхностные кожные раны не всегда заживают без следа, не говоря уже о поврежденном сердце или конечности. Однако есть у нас орган, который с определенной периодичностью сам по себе разрушается и вновь регенерирует в течение всей жизни. Это крошечная многоклеточная «машина» по производству шевелюры — спрятанный в глубине кожи волосяной фолликул. У человека стержень растет на протяжении нескольких лет, а затем наступает период разрушения, когда от фолликула остается небольшая группа клеток, замершая в покое. Через несколько месяцев по сигналу, поступающему из окружающих тканей и внутри самого фолликула, «птица феникс» оживает, клетки начинают делиться и выстраивают структуру фолликула, которая обеспечивает наращивание нового стрежня. В состав растущего фолликула входят по крайней мере два типа тканей и 15 типов клеток, в том числе тканеспецифичные (то есть обеспечивающие поддержание ткани данного типа) стволовые клетки. Все они по мере образования обновленного фолликула располагаются друг относительно друга и окружающей кожи в определенном порядке, что гарантирует каждый раз воспроизведение практически идентичной структуры волоса. Правда, с возрастом часть клеток все же погибает или не размножается должным образом. В результате человек седеет, волосы становятся тоньше или вовсе исчезают.
Если же «сон» фолликула затягивается или он погибает по какой-то причине, человек может облысеть и в молодом возрасте. Это во многих случаях психологически дискомфортное состояние. Понять закономерности регенерации волосяного фолликула — не только улучшить жизнь многих людей, но и приблизиться к восстановлению других жизненно важных органов, регенерация которых зависит от сложных взаимодействий между клетками, самосборки, правильного роста и образования новых типов клеток в процессе формирования тканей.
Кстати, стволовые клетки волоса, спрятанные в глубине кожи, становятся ценным источником клеточного материала в случае повреждения кожи: они размножаются, мигрируют наверх и «залатывают» бреши в защитном покрове нашего тела. Кроме того, есть определенные указания на то, что именно участие этих клеток в заживлении ран снижает вероятность формирования грубых рубцов.
В последние годы проделан большой путь в понимании механизмов, по которым клетки фолликула общаются между собой, размножаются и продуцируют составные части стержня волоса. Соответственно, появилась надежда на возможность выращивания волос в лаборатории или стимуляции их роста с помощью химических и биологически активных агентов, а также введения в кожу клеток нужного типа, которые по какой-то причине погибли у пациента. Есть у ученых и более амбициозная идея: попробовать «собрать» зачаток фолликула в пробирке. Включение таких зачатков в тканеинженерные живые аналоги кожи позволит улучшить косметические результаты лечения ран и ожогов, а отдельные зачатки могут быть в будущем использованы для аутологичной (то есть с использованием собственных клеток) трансплантации людям, страдающим от алопеции (облысения).
Пока что наиболее успешно получается выращивать зачатки волос из клеток мыши или очень ранних предшественников клеток кожи человека. Заставить клетки взрослого человека воспроизвести цикл регенерации фолликула в лабораторных условиях довольно трудно. Однако ряд научных экспериментов, проведенных за последние пять-семь лет, демонстрируют определенный прогресс в этом направлении.
В Институте биологии развития им. Н. К. Кольцова РАН в Москве также ведутся подобные исследования. Мы изучаем возможность самоорганизации зачатка волосяного фолликула человека, комбинируя клетки различных типов и создавая условия для их правильного взаимодействия и размножения. Если в висящую на крышке чашки Петри каплю культуральной среды поместить суспензию клеток, полученную определенным образом из кожи взрослого человека, можно наблюдать образование клеточных агрегатов. В таких агрегатах регистрируется повышение активности генов, ответственных за регенерацию фолликула. Клетки распределяются внутри агрегата определенным образом, а при пересадке таких агрегатов под кожу мышам наблюдается рост структур, напоминающих фолликул. В подобных экспериментах используются также и плюрипотентные клетки. В этом случае мы воспроизводим развитие кожи и комбинируем «молодые» клетки в надежде получить более совершенную структуру фолликула. Однако генетические программы, управляющие получением клеток нужных нам типов, далеко не все известны, поэтому полноценного «волоса из пробирки» придется еще подождать.