Проблема нехватки донорских органов — одна из самых острых в современной медицине. Только в США более 104 тысяч человек ждут пересадки. Ситуация осложняется этическими, религиозными и законодательными барьерами, которые ограничивают возможности донорства в разных странах. В то же время растут медицинские расходы пациентов, а черный рынок органов продолжает существовать. Решением может стать не поиск новых доноров, а создание искусственных органов. Ученые разрабатывают как минимум четыре инновационных подхода, каждый из которых способен совершить революцию в трансплантологии.
Проблема отторжения и поиск решений
История трансплантологии началась с пересадки почки между однояйцевыми близнецами в 1954 году. Ключевой проблемой, с которой столкнулись врачи, стало иммунное отторжение. Иммунная система воспринимает чужеродный орган как угрозу. За распознавание «свой-чужой» отвечает главный комплекс гистосовместимости (MHC). Эволюционное разнообразие этих генов защищает нас от эпидемий, но усложняет подбор донора. Для подавления отторжения пациентам приходится принимать иммунодепрессанты, что ослабляет защиту организма. Идеальный искусственный орган должен быть всегда доступен, не вызывать отторжения и идеально подходить реципиенту.
1. Выращивание человеческих органов в животных-химерах
Один из самых футуристических подходов — создание химер, то есть организмов, состоящих из клеток с разной ДНК. Ученые экспериментируют с методом дополнения бластоцисты. Суть в том, что у эмбриона животного «отключают» ген, ответственный за развитие определенного органа, создавая «нишу развития». Затем в эмбрион вводят человеческие плюрипотентные стволовые клетки (полученные, например, с помощью факторов Яманаки), которые заполняют эту нишу и формируют недостающий орган. Таким способом уже удавалось вырастить крысиную поджелудочную железу в организме мыши.
Основная цель — свиньи, чьи органы схожи с человеческими по размеру. Хотя первые химеры человека и свиньи, созданные в 2017 году, показали низкий уровень интеграции человеческих клеток, исследования продолжаются. Ученые работают над повышением «уровня химеризма», например, подавляя механизмы самоуничтожения человеческих клеток в чужеродном окружении. В перспективе это позволит выращивать внутри животного персонализированный орган из клеток конкретного пациента.
2. Ксенотрансплантация: органы от генетически модифицированных животных
Этот подход наиболее близок к клиническому применению. Речь идет о прямой пересадке органов от животных (в основном свиней) человеку. Чтобы преодолеть барьер отторжения, животных подвергают сложной генетической модификации: отключают гены, вызывающие острую иммунную реакцию, добавляют человеческие гены, уменьшающие воспаление и свертываемость крови, и подавляют рецепторы гормона роста, чтобы орган не увеличивался.
Пионерские операции по пересадке генетически модифицированного свиного сердца человеку в 2022 году показали, что острое иммунное отторжение можно преодолеть. Пациенты прожили несколько недель, и причина их смерти, вероятно, была связана с общим состоянием здоровья, а не с отторжением как таковым. Современные версии свиных почек для трансплантации включают до 69 генетических правок. Еще одной задачей является инактивация эндогенных ретровирусов свиней (PERV), что уже было успешно сделано с помощью CRISPR-Cas9.
3. Органоиды: миниатюрные органы в пробирке
Третий путь использует удивительную способность стволовых клеток к самоорганизации. Ученые научились выращивать в лаборатории миниатюрные, но функциональные копии органов — органоиды мозга, легких, печени, кишечника и других. Для этого плюрипотентные стволовые клетки помещают в специальный трехмерный матрикс и создают условия, имитирующие эмбриональное развитие.
Органоиды — мощный инструмент для изучения болезней, тестирования лекарств и разработки персонализированной медицины. Например, на мозговых органоидах изучали влияние вируса Зика, а на ректальных — тестировали препараты от муковисцидоза. Начинаются и первые успешные трансплантации: органоиды сетчатки улучшили зрение у крыс, а кишечные органоиды помогли восстановить поврежденные ткани у мышей. Главное текущее ограничение — их малый размер, но в будущем они могут стать «заплатками» для регенерации больных органов.
4. 3D-биопечать органов
Четвертая технология — послойное создание органов с помощью 3D-биопринтеров. В качестве «чернил» используются клетки пациента, смешанные с биогелем. По цифровой модели, например, полученной с помощью КТ, принтер воссоздает структуру органа. Уже был создан и успешно пересажен пациентам искусственный мочевой пузырь, выращенный на биодеградируемом каркасе.
Основные сложности — создание сосудистой сети для питания крупных органов и обеспечение их иннервации. Тем не менее, прогресс налицо: ученым удалось напечатать небольшие, но функциональные фрагменты человеческого сердца, идеально подходящие конкретному пациенту. Также были созданы работающие мини-тимусы из человеческих клеток на мышином каркасе.
Вместо заключения
Человечество стоит на пороге эры искусственных органов. Четыре описанных подхода — химеры, ксенотрансплантация, органоиды и 3D-печать — объединяют передовые достижения генетики, биотехнологий и IT. Возможно, в будущем для разных органов будут оптимальны разные технологии. Эти разработки не только решат проблему дефицита донорского материала, но и откроют путь к лечению генетических заболеваний, углубленному изучению биологии и, возможно, созданию органов с улучшенными функциями. Скорость, с которой это будущее наступит, зависит от поддержки научного прогресса обществом.
Источник статьи: Искусственные органы: 4 технологии, за которыми будущее.