Ученые из Мюнхена научились выращивать в лаборатории структурные элементы молочной железы из единственной клетки.
Регенеративная медицина на сегодняшний день застряла на проблеме трехмерных структур. Получать клетки разных типов понемногу учатся, используя iPS-клетки, более дифференцированные стволовые клетки или же прямое перепрограммирование финально дифференцированных клеток одного типа в клетки другого типа. На этом поприще достигнуты значительные успехи, удается получить в большом количестве клетки многих типов. Методику остается немного усовершенствовать, убедиться в ее безопасности, и в ближайшее десятилетие можно надеяться на то, что конкретных людей удастся вылечить от ранее неизлечимых болезней. Уже сейчас это верно для одной из болезней глаз. Клинические испытания применения перепрограммированных iPS-клеток для лечения другой болезни глаз сейчас идут.
Во всех этих случаях пациенту трансплантируется плоская двумерная структура, в которой терапевтическую роль играют клетки одного типа. Более глобальная задача заключается в изготовлении из перепрограммированных и дифференцированных клеток новых органов взамен неработающих. Но большинство органов состоят из клеток нескольких типов и имеют сложную трехмерную структуру. Организацией этой структуры во время эмбрионального развития управляют химические и механические сигналы. С химическими сигналами все более-менее понятно: близлежащие клетки синтезируют и секретируют в окружающее пространство сигнальные молекулы, эти молекулы попадают в клетки-мишени и направляют их на один из возможных путей развития.
Механические сигналы – результат механического взаимодействия соседних клеток друг с другом, субстратом и клеточным матриксом. Клеточная мембрана – это липидный бислой с вкраплением белков, понятно, что он не слишком жесткий. Большинство эукариотических клеток, помещенных в жидкость и лишенных возможности прикрепиться к чему-нибудь, принимают сферическую форму. Почти для всех клеток, кроме клеток крови, такое состояние нетипично, и они скоро погибнут. То есть поверхностное натяжение – непременное условие для функционирования большинства клеток. При культивировании клеток в лаборатории для создания такого натяжения используется способность клеток прикрепляться к некоторым видам пластика, но в организме человека, очевидно, никакого пластика нет – клеткам приходится поддерживать друг друга самим и синтезировать межклеточный матрикс – желеобразную среду, богатую белками типа коллагена с повышенной жесткостью.
На сегодняшний день многие попытки создать искусственные органы из собственных клеток будущего реципиента сводятся к тому, чтобы взять орган от любого донора (пусть гистологически несовместимого), удалить из органа все живые клетки (источник несовместимости), оставить межклеточный матрикс и заселить этот матрикс клетками реципиента. Параллельно с этим большое внимание уделяется искусственному синтезу и исследованию вновь синтезированных матриксов. Подбирая физические свойства матрикса, можно направлять в разные стороны развитие живущих в нем клеток.
Таким образом, для того, чтобы клетки сформировали новый орган, ученые должны научиться воспроизводить химические и механические сигналы, руководящие этим процессом во время эмбрионального развития. Но некоторые трехмерные структуры клетки все-таки могут образовывать самостоятельно. Предоставленные сами себе клетки некоторых типов в жидкой среде могут самостоятельно собираться вместе, образовывая микросферы. Некоторое время назад американским ученым удалось создать в пробирке прототип искусственных легких. Успех был обусловлен тем, что функциональными единицами легких как раз и являются сферические пузырьки – альвеолы с выходящими из них трубочками.
Похожее строение имеют структурные элементы молочной железы, также называемые альвеолами. Альвеолы – мешочки, состоящие из эпителиальных клеток, вырабатывающих молоко, и эпителиально-мышечных клеток, обеспечивающих сокращение альвеол и выделение молока наружу под действием окситоцина, объединены в молочные доли. Из долей молочные протоки идут к соску, по ним молоко попадает наружу.
Давно было известно, что за время менструального цикла и, особенно, во время беременности и кормления молочные железы активно обновляются и растут. Это значит, что в них наверняка есть клетки с хорошим пролиферативным потенциалом. Выделив эти клетки и подобрав подходящий коллагеновый матрикс и подходящие ростовые факторы, немецким ученым удалось заставить клетки сформировать функциональные структуры молочных желез. Некоторые из них даже оказались способны к сокращению. При попытках выращивать эти клетки не в матриксе, а прикрепленными к пластику, эффекта не наблюдалось – это лишний раз демонстрирует важность воспроизведения физических условий, в которых в реальности живут и работают клетки данного типа.
