Технологии, которые меняют будущее трансплантологии и лечения болезней.
В последние годы ученые добились значительных успехов в создании миниатюрных органов и частей тела человека в лабораторных условиях. Несмотря на то, что регенерация органов и конечностей давно является реальностью для таких существ, как морские звезды и саламандры, для человека это остается на уровне научных исследований. Тем не менее, благодаря новым технологиям, исследователям удалось вырастить различные реплики человеческих органов, что открывает новые возможности в медицине.
Фаллопиевы трубы
В 2015 году ученые впервые вырастили внутренний слой клеток человеческих фаллопиевых труб из стволовых клеток. Созданные органоиды по своим характеристикам полностью соответствовали реальным трубам, включая их форму и функции. Это открытие позволило изучать фаллопиевы трубы более подробно и длительно, выявив два ключевых сигнальных пути, необходимых для их роста. Исследования в этой области могут значительно повлиять на лечение бесплодия и заболеваний, связанных с репродуктивной системой.
Мозг
За последние десять лет исследователи разработали миниатюрные трехмерные модели человеческого мозга, так называемые "мини-мозги". Эти модели включают миниатюрные эмбриональные мозги, спинной мозг и даже мозги с собственными глазами. Мини-мозги используются для изучения старения и развития нейродегенеративных заболеваний, таких как болезнь Альцгеймера, в том числе в условиях космоса. Эти модели позволяют ученым исследовать мозг в условиях, которые раньше были недоступны, и разрабатывать новые методы лечения.
Сердце
В 2024 году были выращены миниатюрные человеческие сердца из стволовых клеток. Эти сердца, размером с рисовое зерно, обладали кровеносными сосудами и всеми типами клеток, характерными для настоящего сердца, и даже били, как настоящие. Кроме того, разрабатываются "сердца-на-чипе" для изучения сердечных заболеваний и оценки новых лекарств. Модели также были отправлены в космос для изучения воздействия микрогравитации. Эти модели позволяют изучать как здоровое сердце, так и пораженное болезнью, что ускоряет процесс разработки лекарственных препаратов.
Почки
В 2015 году ученые вырастили мини-почку, содержащую все типы клеток, присущие человеческой почке. Этот органоид был создан из стволовых клеток с использованием специальных химических веществ, стимулирующих рост. Такая модель позволяет проводить тестирование лекарств и изучение развития почек. Исследования в этой области могут привести к созданию искусственных почек для трансплантации, что значительно улучшит качество жизни пациентов с почечной недостаточностью.
Легкие
Исследователи вырастили в лаборатории 3D органоиды легких, которые сформировали дыхательные пути, называемые бронхами, и небольшие легочные мешочки — альвеолы. По словам Джейсона Спенса, профессора внутренней медицины и биомедицинской инженерии Университета Мичигана, эти мини-легкие могут имитировать реакции настоящих тканей и служить моделью для изучения формирования органов, их изменений при заболеваниях и реакции на новые лекарства. Мини-легкие прожили в лаборатории более 100 дней.
Желудок
В 2014 году ученые вырастили миниатюрные желудки в лабораторной чашке. Органоиды формировались около месяца и представляли собой овальные полые структуры с внутренними складками, как у человеческого желудка. По словам одного из исследователей, профессора Джима Уэллса из Детского медицинского центра Цинциннати, эти мини-желудки будут особенно полезны для изучения воздействия бактерии Helicobacter pylori, вызывающей заболевания желудка, так как она ведет себя по-разному в организме животных и человека.
Влагалище
В 2014 году в журнале The Lancet было опубликовано исследование об успешной трансплантации лабораторно выращенных влагалищ четырем подросткам в возрасте от 13 до 18 лет. Органоиды создавались путем выращивания клеток пациентов на каркасе в форме влагалища в лаборатории. Влагалища функционировали нормально на протяжении восьми лет после операции, обеспечивая безболезненные половые акты.
Почти десятилетие спустя ученые разработали первую в мире «влагалище-на-чипе». Устройство длиной около 2,54 сантиметра содержало живые человеческие клетки и могло быть инфицировано бактериями, обитающими во влагалище.
Пенис
Ученые вырастили эректильную ткань пениса в лаборатории, используя клетки кроликов. В 2014 году лабораторно выращенные пенисы были трансплантированы самцам кроликов, которые успешно спаривались. Исследование направлено на создание органоидов для мужчин с травмами паха или врожденными аномалиями. Однако на тот момент исследования находились на экспериментальной стадии, и требовалось одобрение Управления по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов США (FDA) для продолжения работы с использованием человеческой ткани.
Ухо
Ученые создали 3D-печатные человеческие уши, выращенные из живых клеток на форме уха. Форма была создана по модели уха ребенка с использованием 3D-программного обеспечения и отправлена на 3D-принтер. Затем исследователи заселили форму смесью живых клеток коровьего уха и коллагена из хвостов крыс для поддержки роста клеток. Искусственные уши имплантировались крысам на один-три месяца для оценки изменений размера и формы. Следующим шагом будет использование человеческих клеток для создания заменяющих ушей детям с микротией, врожденной деформацией, приводящей к потере слуха.
Толстая кишка
В 2024 году ученые создали реалистичные 3D "мини-кишки" из стволовых клеток мышей, стимулированных химическими веществами для роста в лаборатории. Затем они вызвали колоректальный рак в органоидах, включив определенные гены, связанные с раком. Эти опухоли росли в лаборатории несколько недель и напоминали рак, наблюдаемый у мышей, что позволило исследователям детально изучить развитие болезни. Следующим шагом будет выращивание мини-колонов из клеток пациентов с колоректальным раком для применения результатов к людям.
Яички
Миниатюрные 3D версии яичек были выращены впервые в 2024 году из клеток мышей с помощью ростовых химических веществ. Органоиды прожили в лаборатории до девяти недель и выглядели как настоящие. Исследователи считают, что эти органоиды можно использовать для изучения нарушений функции яичек, таких как расстройства полового развития и мужское бесплодие.
Плацента
Ученые также смоделировали плаценту в лаборатории для изучения ее развития во время беременности и причин возникновения серьезных осложнений. В 2018 году они создали 3D мини-плаценты, которые выделяли гормоны, дающие положительный результат на тестах на беременность. Шесть лет спустя та же команда использовала более развитую модель для идентификации белков, важных для здорового развития плаценты. Эти белки влияют на кровоток и имплантацию плаценты в матку. Понимание их дисфункции может дать важные инсайты в расстройства беременности, такие как преэклампсия.
Конъюнктива
Исследователи вырастили 3D модель прозрачной защитной оболочки глаза — конъюнктивы, используя стволовые клетки из тканей, предоставленных донорами и пациентами, проходившими операции на глазах. Органоид содержал все типы клеток, которые обычно находятся в конъюнктиве, включая клетки, необходимые для выработки слизистых слез. Он также содержал ранее неизвестный тип поверхностных клеток, связанных с аллергией . В дальнейшем планируется использовать органоид для создания заменяющей конъюнктивы для людей с ожогами глаз или раком.
Кровеносные сосуды
В 2024 году ученые создали "кровеносный сосуд-на-чипе", имитирующий форму сосудов и демонстрирующий поток крови через них. 3D модель содержала клетки, выстилающие человеческие сосуды, и физическую основу, поддерживающую их. Исследователи надеются, что модель будет использована для изучения воздействия змеиного яда и ускорения разработки новых противоядий.
Клетки печени
Печень, крупнейший внутренний орган, обладает удивительными способностями к восстановлению и регенерации в организме, но выращивание ее клеток вне тела было крайне сложной задачей. В 2015 году ученые из Германии и Израиля впервые успешно вырастили гепатоциты в лаборатории. Хотя это не полноценный орган или органоид, это достижение имеет огромные перспективы для клинических исследований. Яаков Нахмияс, директор Центра биоинженерии им. Александра Грасса при Еврейском университете в Иерусалиме, назвал это достижение "святым Граалем исследований печени".
Эти достижения открывают новые горизонты в медицине, позволяя более точно изучать человеческие органы, разрабатывать эффективные лекарства и даже выращивать органы для трансплантации. В будущем подобные технологии могут значительно улучшить качество жизни миллионов людей, предоставляя новые возможности для лечения различных заболеваний.