Уши из яблок? Обещания биоинженеров пугают и радуют одновременно
Ради прорыва наука черпает вдохновение отовсюду. Липкая пластинка с бактериями подарила нам первый антибиотик — пенициллин. Соединение дрожжей с платиновым электродом под напряжением подарило нам мощный химиотерапевтический препарат — цисплатин. Доктор Эндрю Пеллинг из Университета Отттавы черпает свои радикальные идеи из классики научной фантастики «Маленький магазин ужасов». В частности, ему нравится главный антагонист фильма: людоедское растение «Обри-2».
Это нечто похожее на растение с чертами млекопитающего, рассказал Пеллинг на конференции Exponential Medicine в Сан-Диего на этой неделе. «Поэтому мы начали задаваться вопросом: можно ли вырастить это в лаборатории?».
Конечная цель Пеллинга, конечно, заключается не в том, чтобы оживить научно-фантастического монстра. Вместо этого он хочет понять, могут ли обычные растения предоставить необходимую структуру для замещения человеческих тканей.
Расцвет механобиологии
Выращивание человеческого уха из яблок может показаться странным процессом, но отправная точка Пеллинга состоит в том, что волокнистые внутренности поразительно похожи на микросреды, в которых в лабораториях обычно выращиваются биоинженерные человеческие ткани.
Для изготовления замены уха, например, ученые обычно вырезают или печатают на 3D-принтере полые опорные структуры из дорогих биосовместимых материалов. Затем они засевают человеческие стволовые клетки в эту структуру и кропотливо снабжают ее коктейлем факторов роста и питательных веществ, побуждая клетки расти. В конечном итоге, через недели и месяцы инкубации, клетки распространяются и дифференцируются в кожные клетки на лесах. В результате получается биоинженерное ухо.
Проблема в том, что порог входа очень высокий: стволовые клетки, факторы роста и материалы для лесов — все это дорого купить и сложно произвести.
Но нужны ли эти компоненты в действительности?
«Мы часто думаем о биологии сквозь призму генома или биохимии», говорит Пеллинг. Но клетки и ткани являются живыми компонентами — они растягиваются, сжимаются и сдвигаются, производя механические силы, которые действуют друг на друга.
В ходе ряда экспериментов Пеллинг и другие обнаружили, что эти механические силы являются не просто побочным продуктом биологии; скорее, они коренным образом регулируют лежащие в основе молекулярных механизмов клетки.
Ранее исследования показали, что каждый этап роста эмбрионов — «фундаментальный процесс в биологии» — можно регулировать и контролировать механической информацией. Другими словами, физические силы могут побуждать клетки делиться и мигрировать через ткани, поскольку наш генетический код направляет развитие всего организма.
В лаборатории растяжение и механическое стимулирование клеток, по-видимому, радикальным образом меняет их поведение. В одном из анализов команда Пеллинга насыпала раковых клеток на лист клеток кожи, выращенных на дне чашки Петри. Раковые клетки собрались вместе в маленькие шарики, образовав четкий барьер между микроопухолью и клетками кожи.
Но когда команда ученых поместила всю клеточную систему в устройство, которое ее слегка растягивало — имитируя дыхание и движение тела — клетки опухоли стали агрессивными, проникая в слой клеток кожи.
«Здесь нет никакой модификации генов или даже биохимии. Это чисто механическое воздействие», говорит Пеллинг. «Между этими вещами существует фундаментальная связь».
Что еще круче: для того, чтобы механические силы преобразовали поведение клеток, активного движения не требуется. Формы микросреды достаточно, чтобы направить их действия.
Например, когда Пеллинг поместил два типа клеток в физическую структуру с канавками, клетки самоотделились в течение нескольких часов, и один тип вырос в канавках, а другой на более высоких выступах. Просто ощущая форму этой рифленой поверхности, они «научились» отделяться и пространственно укладываться.
Итак: используя одну только форму, можно стимулировать клетки формировать сложные трехмерные модели.
И вот здесь нам поможет яблоко.
Яблоко… или ухо?
Под микроскопом микросреда яблока находится в том же масштабе длины, что и искусственные поверхности для изготовления замещающих тканей. Это открытие заставило ученых задуматься: неужто возможно использовать эту структуру поверхности растений для выращивания человеческих органов?
Чтобы проверить это, они взяли яблоко и вымыли все его растительные клетки, ДНК и другие биомолекулы. Остались только волокнистые леса — они еще застревают у вас в зубах. Когда команда поместила внутрь человеческие и животные клетки, клетки начали расти и распространяться.
Воодушевившись результатом, ученые вырезали яблоко в форме человеческого уха и повторили процесс выше. Через несколько недель клетки распространились и превратили кусок яблока в мясистое человеческое ухо.
Конечно, одной формы будет недостаточно. Заместительная ткань также должна прижиться внутри организма.
Затем команда имплантировала яблочные леса прямо под кожу мыши. Всего за восемь недель здоровые клетки мыши не только заселили матрицу, но и тело грызуна также произвело новые кровеносные сосуды, которые помогли лесам жить и процветать.
У биоинженерной ткани есть три важных свойства: она безопасна, она биосовместима и она производится из возобновляемого, этичного источника.
«Эта штука становится живой частью тела, будучи выращенной в яблоке, и нам понадобилось просто сходить в продуктовый магазин», говорит Пеллинг.
Переход от теории к практике
Пеллинг особенно восторгается своими результатами из-за простоты: для работы не требуются стволовые клетки или экзотические факторы роста. Элегантный подход просто использует физическую структуру растения.
В настоящее время команда расширяет свою работу до трех основных областей тканевой инженерии: хрящи мягких тканей, костная ткань, спинной мозг и нервы. Важность состоит в том, чтобы сопоставить специфическую микроструктуру растения с тканью.
И зачем ограничиваться телом, которое нам дала природа? Если формы лесов являются единственным детерминантом инженерии ткани или органа, почему бы не создать свои собственные формы?
Пеллинг вооружился этой идеей и создал дизайнерскую компанию, которая будет составлять леса для трех различных типов ушей: обычных человеческих ушей, заостренных ушей, как у Спока, и волнистых, которые смогут в теории подавлять или улучшать различные частоты.