Takeishi et al. / Cell Reports, 2020
Американские биологи пересадили крысам реконструированную печень: каркас в ней был крысиным, а все типы клеток — человеческими. Получившиеся мини-печени были очень похожи на настоящие как по структуре, так и по функциям: они производили белки крови, мочевину и желчь. Они прижились у нескольких крыс и существовали в их организме в течение нескольких дней. Правда, избежать образования тромбов ученым так и не удалось, равно как и состыковать желчевыводящие пути мини-печени с кишечником — над этим еще предстоит работать. Работа опубликована в журнале Cell Reports.
Выращивать человеческие органы в лаборатории кажется куда более перспективной стратегией, чем пересаживать донорские — последние плохо хранятся и могут вызвать отторжение, к тому же подходящие доноры всегда в дефиците. Но не все органы легко собрать с нуля. Быстрее всего реконструкции поддались стенки полых органов — вероятно, благодаря своему простому устройству. Чтобы собрать, например, стенку уретры или влагалища, достаточно по очереди высаживать клетки на слои внеклеточного вещества.
С другими органами, которые не похожи на слоеный пирог, дело обстоит сложнее. Чтобы восстановить их структуру, ученые до сих пор поступали так: брали фрагмент реального органа, вымывали оттуда клетки, оставляя голый каркас (это называют децеллюляризацией), а потом заселяли его новыми клетками. С помощью этого метода уже удалось реконструировать, например, яичники мышей.
Но для печени — одного из самых востребованных для трансплантации органов — это сделать пока не удавалось: полученные печени не работали полноценно. Вероятно, дело в том, что ткань печени густо пронизана сосудами, а работа ее зависит от непрерывного тока крови, поэтому для создания этого органа нужно восстановить и входящие в его состав капилляры.
Группа исследователей под руководством Алехандро Сото-Гутьерреса (Alejandro Soto-Gutierrez) из Университета Питтсбурга решила собрать полноценную печень, воспользовавшись индуцированными плюрипотентными стволовыми клетками (это взрослые клетки, которые репрограммированы в зародышевое состояние), и протестировать ее на крысах. Ученые планировали получить каркас органа методом децеллюляризации печени крысы и наполнить его производными человеческих клеток.
Оборудование для создания и культивирования мини-печени (сверху). Децеллюляризованный и населенный клетками каркас (снизу).
На первом этапе работы авторы получили из плюрипотентных клеток человека собственно клетки печени — гепатоциты. Как по форме, так и по экспрессии генов полученные гепатоциты были похожи на обычную культуру клеток печени человека.
Затем, используя другой протокол дифференцировки, из тех же плюрипотентных клеток получили холангиоциты — клетки, ответственные за производство желчи. Их подселили в каркас крысиной печени, и они заняли там около 65 процентов площади желчных капилляров (в отличие от кровеносных капилляров, они не имеют собственной выстилки, это фактически просветы между холангиоцитами).
Далее, все из тех же плюрипотентных клеток, исследователи получили клетки выстилки сосудов — эндотелиоциты. Когда их ввели в каркас печени, они сформировали в среднем 75 процентов поверхности сосудов. Через несколько дней они все еще оставались жизнеспособны и функциональны — например, выделяли антикоагулянты, что очень важно, потому что в пересаженной печени легко образуются тромбы.
Из полученных клеточных типов авторы работы собрали полную модель человеческой печени. Сначала каркас заселили холангиоцитами, потом эндотелиоцитами, дальше пришло время гепатоцитов и вспомогательных клеток — стромальных мезенхимных клеток и фибробластов. В получившейся мини-печени клетки образовали друг с другом все необходимые клеточные контакты, но сохранили способность к регенерации. Например, среди гепатоцитов маркеры клеточного деления нашлись у 28 процентов клеток — это похоже на состояние печени зародыша, у которого около 19 процентов клеток еще способны размножаться. Кроме того, мини-печень выполняла разные положенные ей функции: выделяла желчь, превращала аммиак в мочевину и синтезировала белки крови, в том числе альбумин.
Томограммы кровеносных сосудов печени: обычной (слева), децеллюляризованной (посередине) и населенной клетками (правее центра). МРТ сосудов после заселения клетками (справа).
Наконец, реконструированную печень подсадили пяти иммунодефицитным (чтобы не вызвать отторжения) крысам. Через несколько дней животных умертвили, чтобы посмотреть, что происходит с трансплантатом. Оказалось, что ткань оставалась жива, не изменила своей морфологии и продолжила производить печеночные белки. Правда, желчные капилляры не смогли нормально воссоединиться с желчными протоками и двенадцатиперстной кишкой. Возможно, поэтому у нескольких животных заметили непроходимость кишечника.
Чтобы проверить эффективность своей методики, авторы работы проделали все то же самое, но используя крысиные клетки вместо человеческих. Из восьми крыс-реципиентов после первой недели остались живы четыре, ранняя смерть была вызвана тромбозом воротной вены печени.
Таким образом, исследователям удалось собрать структурный аналог печени, используя только человеческие клетки, но пока не удалось сделать его полностью функциональным. Для того, чтобы искусственная печень заработала в полной мере, им предстоит еще отточить детали трансплантации (во избежание тромбоза) и разобраться в том, что происходит с клетками-производителями желчи и почему их продукт не доходит до цели.
