Стволовые клетки: когда органы можно будет печатать на 3D-принтере

Стволовые клетки изучают во всем мире. Самая главная их способность – самообновляться и превращаться в клетки различных органов и тканей. Использование стволовых клеток в различных областях медицины – перспективное направление, которое может помочь избавить человечество от многих заболеваний. Об этом в своей книге «Как подружить гены в клетках. Коктейль молодости, светящиеся котики, напечатанные органы и другие прелести науки» рассказывает кандидат биологических наук Ангелина Потапова, защитившая диссертацию на тему стволовых клеток. «Ведомости. Город» публикует отрывок о том, что в будущем станет возможно «печатать» функционально полноценные органы. 

3D-печать захватывает не только легкую промышленность по всему миру, но и, кажется, приходит в медицину. Идея печатать органы и ткани не новая, она появилась сразу с технологией 3D-печати. 

Но все не так просто: чтобы вырастить нормально функционирующий орган, мало просто построить клетки в нужном порядке. Наш организм использует сотни механизмов регуляции клеточного деления, в нем участвуют сигнальные молекулы, рецепторы и химические вещества в огромных количествах и определенных пропорциях. Установить, в какой момент какая молекула дает сигнал делиться клеткам и как, очень сложно. Поэтому предыдущие попытки вырастить органоиды, «зачатки» искусственных органов, в пробирке не увенчались успехом: клетки слишком плотно прилипали к питательной среде, что мешало их делению. 

Но это помогло сформулировать один важный факт: межклеточное вещество, окружающее клетки, играет огромную роль, и нужно работать в этом направлении. Так и сделал Маттиас Лутольф с коллегами из Федеральной политехнической школы Лозанны. Они выработали новый подход к биопечати. Новый метод позволяет на микроскопическом уровне работать со структурой и использовать способность стволовых клеток к самоорганизации. Такой процесс повторяет естественный: клетки организуются под влиянием окружающего их матрикса. 

Суть эксперимента заключалась в следующем: взяли стволовые клетки кишечника человека и поместили их в среду гидрогеля с коллагеном, которая по своим свойствам похожа на внеклеточный матрикс самого кишечника. Клетки отлично перемещались и начали организовываться в структуру. Через несколько дней ученые обнаружили зачатки кишечной эпителиальной трубки длиной от 5 до 15 мм. Причем тканевая организация соответствовала строению тонкого кишечника в норме! Также команда Маттиаса смогла вырастить подобие эпителиальной выстилки тонкого кишечника мышки – специфической ткани, которая находится непосредственно в его просвете. Сначала клетки были расположены в один ряд, но потом благодаря самоорганизации стволовых клеток появился просвет, превративший ткань в полую трубку. Далее интереснее: клетки начали дифференцироваться почти во все виды, присутствующие в тонком кишечнике: ворсинчатые, бокаловидные, клетки Панета и энтероэндокринные клетки. Они даже реагировали на химические раздражители подобно обычным клеткам кишечника. 

Данные эксперименты показывают, что для выращивания новых тканей и органов главная отправная точка – способность стволовых клеток к самоорганизации под влиянием окружающей среды, и в будущем станет возможно «печатать» функционально полноценные органы. 

Способность стволовых клеток к самоорганизации не единственное их преимущество. Они обладают свойством самокопирования в больших количествах без потери генетической информации, как это происходит у обычных клеток при делении. 

Американским биологам из Университета Тафтса под руководством Сэма Кригмана пришла идея – использовать принципы кинетики в своих экспериментах со стволовыми клетками. Для этого взяли стволовые клетки из эмбриона лягушки и поместили их в соленый водный раствор при температуре 14 °C. За пять суток они развились в подобие кластеров из 3000 клеток. Внутри содержались эпителиальные клетки, а снаружи мерцательные, с ворсинками, благодаря им сферическая масса клеток стала активно двигаться. В среде с содержанием одиночных стволовых клеток клетки кластера начинали активно «охотиться» на стволовые и включать в свою структуру, а через пять суток получался новый кластер. Правда, во втором и третьем поколениях способность терялась. 

Тогда благодаря компьютерному моделированию биологи поняли: нужно модифицировать форму кластера и добавить углубление. Теперь они стали похожи на пакманов, и способность к самокопированию больше не терялась, но при этом терялась энергия, а без нее клетки скоропостижно гибли. Стоит отметить, что в данных экспериментах не задействована генная модификация или химические превращения: все держится чисто на кинетике. По словам исследователей, теперь можно определить, для каких живых организмов возможно самокопирование, как это сложилось эволюционно, а также помочь создать аналогичные структуры искусственных систем. 

Наши соотечественники (ученые Института биомедицинских систем и биотехнологий СПбПУ и Российского научного центра радиологии и хирургических технологий им. академика А. М. Гранова – прим. ред.) нашли еще одно применение стволовым клеткам: почему бы не использовать их в качестве доставщиков лекарств в нужные структуры? Самая большая проблема при химиотерапии онкологических заболеваний – отсутствие избирательного действия препарата и огромный побочный эффект на весь организм. 

Еще одно свойство стволовых клеток – патотропизм. Это означает, что клетка может мигрировать непосредственно в опухоль, следуя зову специфических сигнальных молекул. Идея не нова, но до сих пор не удавалось грамотно «упаковать» лекарство, чтобы избежать его попадания в кровоток. По словам одного из авторов статьи, они создали и почтальона, и конверт: упаковали препарат винкристин в полиэлектролитные капсулы размером менее микрометра, которые разрушаются под действием инфракрасного излучения. Они выполнены из полимеров и разрушатся только при облучении лазером, когда достигнут своей цели. Эффективность проверена на клетках меланомы, выделенных из реальной ткани пациентов. При желании препарат можно менять на любой другой.

Опасность стволовых клеток 

Почти на всех конференциях и даже на защите диссертации у меня спрашивали лишь об одном: «А что, если стволовые клетки превратятся в раковые?» К сожалению, эти вопросы задавались не без основания. Как только ученые «разведали» удивительные свойства стволовых клеток, практики тут же начали думать, как же можно их применить. И конечно же, как только из каждого утюга стало доноситься, что стволовые клетки – это панацея, сильнейшие мира сего начали их «втюхивать» налево и направо, а те, кто побогаче, познаменитее и постарше, с большим удовольствием пользовались «благами современной цивилизации».

Клеточный туризм начиная с 2010 г. процветал во многих странах. Но какой ценой? В том, что стволовые клетки стали причиной развития раковых опухолей, много слухов, но были и исследования, подтверждающие их опасность.

В 2016 г. американские врачи опубликовали в New England Journal of Medicine статью о случае развития опухоли в результате «лечения» стволовыми клетками в коммерческих клиниках. Мужчина, желающий избавиться от последствий инсульта, решился на введение в спинномозговой канал мезенхимальных, эмбриональных и плодных стволовых клеток. Все эти манипуляции ему сделали в клиниках Китая, Аргентины и Мексики. Через некоторое время у мужчины парализовало ноги и началось недержание мочи, помимо всего прочего, у него дико болела спина. С помощью МРТ с контрастным веществом, биопсии и анализа ДНК врачи выяснили, что под твердой оболочкой спинного мозга этого мужчины плотное клеточное быстрорастущее новообразование, которое состоит в основном из чужеродных клеток. У этого образования были все признаки злокачественного, но секвенирование не выявило ни одного изменения в геноме, характерного для рака. Врачи недоумевали, ведь до этого они ни разу такого не видели. После курса лучевой терапии новообразование уменьшилось в размере, а пациент смог шевелить правой ногой. 

И все же волков бояться – в лес не ходить. В стволовых клетках таится огромный потенциал для того, чтобы лечить различные заболевания и восстанавливать ткани.