Профессор Атала об органах «из пробирки» и науке в США и России. Японские ученые вырастили яйцеклетки из мышиных клеток кожи

В Москве начался двухнедельный научно-популярный фестиваль «Жизнь. Версия науки». В Политехническом музее пройдут лекции известных российских и зарубежных ученых, которые расскажут о том, что наука сегодня знает об эволюции живого и какие перспективы обрело человечество благодаря открытиям последних 30 лет в области биологии и нейрофизиологии. В программе фестиваля также многочисленные выставки футуристического искусства в жанре science art, которые пройдут в центре современного искусства «Винзавод».

Фестиваль открылся лекцией профессора Энтони Атала, эксперта в области регенеративной медицины, выращивания человеческих клеток, тканей и органов. Атала — директор Института регенеративной медицины Уэйк Форест (Северная Каролина, США), практикующий хирург и исследователь. Журнал Scientific American назвал его «врачом года» (Medical Treatments Leader of the Year) за достижения в области регенерации клеток, тканей и органов. В 2008 году журнал Esquire включил его в число 75 самых влиятельных людей XXI столетия.

Накануне выступления профессор Атала рассказал корреспонденту «Газеты.Ru» о своей работе, а также поделился впечатлениями о Москве и о российских ученых.

— Это ваш первый визит в Москву? Как вам город?
— Да, я в первый раз в Москве и в России, и мне здесь очень нравится. Москва — чудесный, очень красивый город!

— В вашем институте есть русские аспиранты или постдоки?
— Конкретно сейчас нет, но раньше у меня работали несколько русских ребят. Сейчас они, правда, продолжают работать в США, в Россию они не вернулись. Это очень сильные ребята, с очень высоким уровнем образования, активные исследователи — было приятно с ними работать.

— Как вы считаете, русские исследователи в России могли бы вести работы на таком же высоком уровне, как вы в США?
— Конечно могли бы. Здесь, в России, им очень не хватает материальных ресурсов, финансирования, поддержки государства. Наш центр получает гигантскую поддержку: только пятилетний контракт с Пентагоном принес в институт $85 млн.

Если бы российские ученые в России имели необходимые ресурсы, наука двигалась бы на совершенно другом уровне.

— Как начинались ваши работы по выращиванию органов из тканей?
— Отрасль регенеративной медицины не нова, она зародилась еще в 30-е годы XX века. В течение этих лет исследователи выделили три основные проблемы. Первая: клетки человеческого тела вне самого тела растут по-другому, не так, как внутри тела. Вторая: для создания искусственных органов нужны особые биосовместимые материалы, которые приживаются в организме пациента, не вызывая отторжения, - что-то вроде хирургической нити для швов. И третья: нам нужно, чтобы имплантируемые органы и ткани интегрировались в систему человеческого тела кровеносными сосудами, так как ни один орган не работает без кровоснабжения.

Мы начали свои работы около 20 лет назад.

Сначала мы научились качественно выращивать клетки вне тела пациента: если сначала мы вообще не умели выращивать клетки мочевого пузыря «в пробирке», то теперь специальные методы позволяют нам взять участок ткани площадью меньше половины почтовой марки и через 60 дней заполнить аналогичными клетками футбольное поле. Второй этап работы - подбор правильных факторов роста, обеспечивающих моделирование естественного роста. И теперь мы можем выращивать клетки самых разных типов вне человеческого организма. Для этого нужно извлечь кусочек ткани из организма, затем в соответствующих условиях размножить клетки и создать условия, в которых они сформируют полноценный орган, нарастая послойно, один слой за другим.

— Какие успехи были достигнуты?
— Первой выращенной тканью была ткань хряща. Это плоская ткань — ее создали достаточно просто. Была хорошая поддержка нашей работы государством, регуляторными органами. После этого мы вырастили кожу - также плоскую ткань, состоящую из одного типа клеток.

Эти медицинские технологии сейчас широко доступны на рынке медицинских услуг.

— А какие работы ведутся «на перспективу»?
— Нам также удалось вырастить сосуды - более сложные образования. Они отличаются тем, что являются уже трубчатыми органами и состоят из двух типов клеток: один из них находится внутри, выстилая внутреннюю поверхность сосуда, а другой снаружи - это мышечные клетки внешних стенок.

Третий тип органов - так называемые полые органы (например, мочевой пузырь и матка), они находятся в постоянном движении и состоят из более двух типов клеток. Эти органы сложнее реконструировать, так как они постоянно контактируют с мозгом и должны быть интегрированы в общую систему. Однако и в выращивании этих органов у нас большой прогресс. Мы берем фрагмент такой ткани у пациента, размножаем его вне организма, затем переносим на каркас из биосовместимого материала, чтобы вырастить полноценный орган, причем один тип клеток покрывает каркас, а другой находится внутри. Через 6-8 недель орган готов для пересадки, и мочевой пузырь мы пересаживаем так же успешно, как и хрящи, однако сама операция в этом случае гораздо сложнее.

Первый мочевой пузырь был пересажен 12 лет назад, первый хрящ - 16 лет назад.

Работы по пересадке мочевого пузыря сейчас находятся в стадии клинических испытаний, всего в каждой из трех стадий по регуляторным правилам США приняли участие 10-20 человек.

— А что дальше? Каковы стратегические цели выращивания органов?
— Существует и четвертый тип органов - это твердые органы, к ним относятся, например, сердце и почки. Они принципиально сложнее: на единицу объема они содержат в разы больше клеток, чем полые, трубчатые или плоские органы. Пока нам удается выращивать их только на основе донорских органов, получаемых в результате смерти человека. Из такого органа мы сначала вымываем все клетки, оставляя лишь «скелет», то есть получаем орган, выглядящий как печень, имеющий форму печени, но печенью не являющийся. Затем на этот «скелет» мы наращиваем наши искусственно выращенные клетки.

Другая технология - 3D-печать твердых органов. В этом случае орган создается прибором, чем-то похожим на струйный принтер, только вместо чернил в него заправлены человеческие клетки разных типов, и процесс печати гораздо сложнее.

Мы надеемся достичь успеха в этой области через несколько лет.

— Сейчас в России набирают популярность банки стволовых клеток пуповинной крови. На ваш взгляд, есть ли смысл хранить кровь ребенка, поможет ли она ему в будущем?
— Все зависит от того, что именно вам нужно. Сейчас существуют технологии лечения рака крови с помощью стволовых клеток пуповинной крови. Соответственно, если в вашей семье есть наследственная вероятность рака крови, то хранить стволовые клетки детей имеет смысл. Если нет - польза на сегодня не очевидна.

В мировой науке супер-сенсация: революционный прорыв совершил японский профессор Есинори Кувабара — он создал искусственную матку и сумел вырастить в ней козленка. Теперь уже нет сомнений: дело за гомункулом, которым ученые бредили с XIII века.

Мир неумолимо приближается к рубежу, за которым само воспроизводство человека в искусственных условиях станет просто технологией и бизнесом. Какие еще горизонты открывает конвейер жизни?

У этой козы еще нет имени, более того, формально этого животного даже еще не существует, но тем не менее она уже стала самой настоящей научной сенсацией, а фотографии этой красавицы на прошлой неделе обошли весь мир. Снимки фантастические: профессор Есинори Кувабара из университета Juntendo в Токио склонился над полупрозрачным белым мешком, в котором и покоится коза, опутанная с головы и до копыт гибкими трубочками и проводами. Это первая в мире искусственная матка, в которой, как утверждают японцы, была выращена первая в мире искусственная коза, которая должна вот-вот родиться на свет.

Известие вызвало настоящую бурю в научном мире. Еще бы! 30 лет назад, когда ученые изобрели процедуру экстракорпорального оплодотворения (ЭКО) и провели первые опыты по зачатию "детей из пробирки", мир вдруг с ужасом узнал, что мужчины больше не нужны для продолжения рода. Именно тогда появились фантастические фильмы в стиле "Новых амазонок", предрекавшие скорую и безжалостную победу феминизма во всем мире. Но прогресс не стоит на месте. И теперь выясняется, что для продолжения человеческого рода не нужны и женщины. Строго говоря, для воспроизводства homo sapiens скоро уже будет не нужен сам человек.

Борьба за дни и граммы

Об изобретении искусственной матки ученые серьезно задумались еще полвека назад, когда перед медициной встала задача поддержания жизни недоношенных детей. Вообще, кувезы для недоношенных, появившиеся в роддомах в конце 70-х годов прошлого века, и есть первые модели искусственных маток — эти пластиковые контейнеры, снабженные водяными матрасами, были призваны имитировать условия пребывания плода в амниотической жидкости в теле матери. Для этого в кувезах поддерживается постоянная температура и влажность воздуха (около 60 процентов), также кувезы снабжены системой искусственной вентиляции легких и аппаратами искусственного питания как через кровь, так и через назогастральный зонд.

В 1979 году врачи сделали открытие, что искусственная вентиляция легких далеко не всегда может спасти жизнь новорожденного. Дело в том, что легкие из всех органов развиваются последними, и только на 22-24-й неделе беременности в организме младенцев появляется сурфактант — специальное вещество, противодействующее спадению альвеол в легких (при помощи этих крошечных пузырьков и совершается газообмен, когда кислород воздуха переходит в кровь, а углекислый газ — из крови в воздух). И если нет сурфактанта, то проводить вентиляцию легких не только бессмысленно, но и смертельно опасно.

Поэтому для спасения малышей нужно создавать не только специальную газовую среду, но и синтезировать многие вещества, которые плод получает от матери. Так медики научились моделировать в лабораторных условиях многие процессы, происходящие внутри человека, а "порог выживаемости" младенцев был сдвинут с 24 до 20 недель, то есть медики научились выхаживать 500-граммовый плод, по каким-то причинам отторгнутый материнским организмом. И каждый раз, когда этот "порог" удается сдвинуть хотя бы на несколько граммов, это событие равноценно взятию новой горной вершины — такова цена борьбы за жизнь. Кстати, не так давно в Научном центре акушерства, гинекологии и перинатологии имени академика В.И. Кулакова был поставлен новый мировой рекорд: врачи сумели сохранить жизнь недоношенной девочке весом всего в 450 граммов! То есть, чтобы сдвинуть "порог выживаемости" еще на 50 граммов, понадобилось свыше трех десятилетий напряженных научных исследований.

В конце 70-х произошло еще одно знаковое событие: в Лондоне родилась Луиза Джой Браун, прозванная журналистами Super-Baby — это был первый ребенок, зачатый методом ЭКО. Ученые получили возможность моделировать in vitro процессы внутриутробного развития плода как с самого начала возникновения жизни на клеточном уровне, так и в финальных стадиях. Возникла логичная мысль объединить эти два процесса в единое целое и создать некий аппарат для выращивания людей. Правда, тогда это казалось чистой воды фантастикой — в мире не было вещества, способного заменить плаценту. В итоге медики, занявшиеся изучением свойств этой чудо-ткани, открыли стволовые клетки и основали новую науку — стволовую медицину, благодаря которой и стал возможен новый научный прорыв.

Гонка за маткой

Профессор Есинори Кувабара, заведующий кафедрой акушерства и гинекологии университета Juntendo, занялся проблемой создания искусственной матки еще в 1995 году. Тогда он изобрел "мультиматку" — крохотное устройство, всего 2 мм в диаметре, в которое могут поместиться до 20 яйцеклеток подопытных мышей. Все их можно одновременно оплодотворить, и они будут развиваться до того момента, пока не придет черед провести имплантацию зародыша в матку суррогатной матери. Правда, в те годы из-за нарушений температурного режима и кислотности окружающей среды эмбрионы часто гибли, и тогда профессор Кувабара задумался, что неиспользованные яйцеклетки можно не замораживать, а дать возможность им развиваться. Вскоре он разработал новую технологию поддержания жизни зародышей. Профессор Кувабара извлекал матки у коз и помещал их в стерильные пластиковые емкости, заполненные искусственной амниотической жидкостью (околоплодными водами), в которых постоянно поддерживалась температура тела. В эти матки он помещал зародыши животных, подавая в емкости питательный "бульон".

"Мы обеспечиваем зародышам комфортные условия, имитируя естественную среду, в которой они существуют в организме животного,— цитировал слова Есинори Кувабары авторитетный журнал New Scientist.— Все эксперименты с искусственной маткой, проведенные на козах, показали, что аппарат работает более эффективно, чем обычное искусственное оплодотворение ЭКО, и больше половины эмбрионов в нем вырастают здоровыми".

Правда, довести эксперименты до логического завершения — рождения здорового животного — ученым так и не удалось: все зародыши гибли на самых различных стадиях. Тем не менее за годы бесчисленных экспериментов японцы смогли до совершенства отточить приемы поддержания жизни в искусственных матках. Также были изобретены и полимеры, способные заменить натуральные ткани, но пока об этих искусственных материалах японцы предпочитают не распространяться, справедливо опасаясь, что любое неосторожное слово будет тут же услышано конкурентами.

Действительно, сегодня в мире среди биотехнологических лабораторий развернулась настоящая гонка за право создания действующей технологии искусственного выращивания людей. Свои проекты искусственной матки есть и у американцев, и у корейцев, и у европейцев. Самый интересный проект разработали ученые из Центра репродуктивной медицины и искусственного осеменения Корнельского университета, которым удалось вырастить из стволовых клеток, взятых у женщин, некое подобие женского лона. Были проведены и эксперименты по искусственному оплодотворению, и, как заверила журналистов руководитель исследовательской группы доктор Хан-Чин Лиу, эмбрионы успешно прижились к стенкам лабораторных маток. Но вскоре эксперименты были прекращены — по ряду морально-этических соображений. Но факт остается фактом: даже если эксперимент Есинори Кувабары по рождению искусственной козы и завершится неудачей (а такую возможность осторожный профессор Кувабара, как он объяснил на сайте университета, никогда не исключает), то объединенными усилиями ученых мира искусственная матка так или иначе появится, причем в течение ближайших двух-трех лет.

Обидно, правда, что России даже и близко нет в списках участников этой новой биотехнологической революции. Обидно вдвойне — ведь в свое время советские ученые из Института акушерства и гинекологии АМН СССР сделали немало фундаментальных открытий в области антенатальной терапии (то есть лечения плода до его рождения). Можно еще вспомнить и о работах "чудика" Олега Белокурова из Ленинградского института акушерства и гинекологии им. Д.О. Отта, который еще в 1970-е годы пытался запатентовать свою "искусственную женщину" — так назывался прибор, который, как и кувезы в роддомах, при помощи света и нагрева воды имитировал внутриутробную среду, только не для новорожденного, а для некоего питательного "бульона" и оплодотворенной яйцеклетки. Изобретатель в итоге был подвергнут настоящей обструкции.

Конечно, у академиков были веские причины — вряд ли эта "женщина" могла бы принести полноценное потомство, но сам факт ее появления был свидетельством бурления исследовательской работы в научных лабораториях страны. Сегодняшняя же российская наука низведена до того состояния, что мы можем только осваивать чужие разработки, да и то не самые передовые. Тем не менее новая биотехнологическая революция неизбежно затронет и Россию, как бы ни хотелось обратного всем поклонникам патриархального уклада, традиционных консервативных "ценностей" и духовных "скреп", которые шельмуют даже идею о возможности суррогатного материнства. Раздаются даже призывы отказывать суррогатным детям в возможности посещать христианские храмы. Но что будет с нашими консерваторами, когда в мире появятся настоящие репликанты — люди, вообще не имеющие биологических матерей?

Готова ли Россия к таким переменам?

Фотография из лаборатории профессора Кувабары: так выглядит плод искусственной козы в искусственной матке

Недетские вопросы

Безусловно, заверили корреспондента "Огонька" в Научном центре акушерства, гинекологии и перинатологии имени академика В.И. Кулакова, менее всего медики, работающие в области биотехнологий, задумываются о создании нового — "искусственного" — человечества. Пока что на повестке дня стоят более приземленные задачи. Например, новые технологии позволят иметь собственных детей всем женщинам, страдающим дефектом матки или ее недоразвитием.

— Новые технологии позволят решить репродуктивные проблемы у многих молодых пар,— говорит профессор Владимир Бахарев.— Частота врожденных наследственных патологий у нас настолько высокая, что именно генетические факторы сегодня занимают второе место среди всех факторов младенческой смертности. Сегодня до 5 процентов новорожденных страдают различными наследственными патологиями, и поэтому мы настаиваем на том, чтобы молодые пары перед зачатием ребенка проходили бы генетическую экспертизу.

Технология выращивания плода в искусственной матке поможет решить все эти проблемы. При этом никто из молодых родителей даже не задумывается о технологиях генетического усовершенствования своих отпрысков — были бы здоровы, и слава богу. Впрочем, даже стопроцентно здоровые гены не гарантируют полного здоровья малышу. Бывает и так, что один из двух братьев-близнецов начинает буквально поглощать другого, забирая у него все жизненные силы, что в дальнейшем чревато проблемами уже для обоих. Спасти близнецов от столь сильной братской "любви" и поможет искусственная матка.

Другая область применения новых биотехнологий — фетальная хирургия. Это операции на зародышах человека, которые хирурги — ради дородового излечения младенца от пороков сердца — проводят прямо в материнской утробе. Зачастую эти операции очень опасны для жизни не только младенца, но и матери. Теперь же риск можно значительно снизить, поместив малыша в искусственную утробу.

Мамонты и папонты

Конечно, новая биотехнологическая революция открывает перспективы не только перед медициной. Помнится, несколько лет назад директор Музея мамонта СВФУ Семен Григорьев из Якутии делился своими планами о возрождении этих доисторических животных. Требовалось всего ничего — найти живые клетки с ДНК мамонта, причем генокод мамонта был уже вычислен по останкам шерсти. И найти слониху подходящих размеров для вынашивания мамонтенка — все-таки древние мамонты были крупнее нынешних слонов. Правда, сетовал ученый, в этом случае это будет уже не чистокровный мамонт, а полукровка, "слономамонт". Но вот благодаря искусственной матке можно вырастить хоть мамонта, хоть древнего гигантского мастодонта.

Между прочим, возрождение мамонтоводства давно уже стало национальной идефикс якутских ученых. Только представьте себе, какие перспективы открываются перед сельским хозяйством России в случае успешного окончания эксперимента по возрождению мамонтов! Представьте себе стада этих гигантских животных, прекрасно адаптированных для жизни в суровой тундре, которые дают тонны сверхполезного продукта — сотни тысяч лет эволюции и нашего совместного бок о бок проживания с мамонтами привели к тому, что именно мясо мамонтов человеческий желудок усваивает лучше всего. Во всяком случае, так утверждают ученые, исследовавшие влияние мамонтятины на человеческий организм.

— Кроме того,— доказывали якутские ученые,— это наш с вами неоплатный человеческий долг! Ведь именно антропогенный фактор привел к полному истреблению мамонтов — проще говоря, первобытные охотники истребили всех этих животных. И теперь, когда мы вышли на новую ступень эволюции, мы должны вернуть к жизни этих удивительных животных.

Биологам впервые удалось вырастить в пробирке эмбрионы, достигшие стадии внедрения в стенку матки. До этого исследователи получали зародышевые тельца, которые не развивались дальше этого этапа. Теперь специалисты могут создавать удобные платформы для изучения развития животных и человека, а также решить проблемы разработки искусственной утробы. рассказывает о научной работе ученых из Кембриджского университета, опубликованной в журнале Science.

Развитие позвоночных животных от одной клетки до многоклеточного организма - процесс очень сложный. В нем несколько стадий, в результате которых формируются различные группы влияющих друг на друга клеток. Хотя во всех одна и та же ДНК, от их местоположения в зародыше зависит то, какие гены будут активными. Это, в свою очередь, определяет функции клеток в тканях формирующегося организма.

У млекопитающих развитие эмбриона может происходить как в теле матери, так и в яйце (у ехидны и утконоса). Зародыш возникает при оплодотворении ооцита (яйцеклетки). После этого происходит ее дробление - ряд делений с образованием все более мелких клеток (бластомеров). В результате формируется морула - шар, все внутреннее пространство которого заполнено 16-ю бластомерами.

За стадией морулы следует стадия бластоцисты. Бластомеры продолжают делиться, все более уплотняясь и образуя полую сферу. В ней запускается процесс дифференцировки клеток, и образуются два типа клеток: трофобласт, формирующий внешний слой бластоцисты, и эмбриобласт (внутренняя клеточная масса), находящийся внутри нее. Эмбриобласт создает компактное образование у одного из полюсов бластоцисты.

На стадии бластоцисты в клетках зародыша происходят процессы, которые устанавливают оси симметрии, а также регулируют экспрессию генов, что на следующих этапах приведет к формированию различных тканей. Эмбрион, который ранее напоминал сферу, становится асимметричным. Трофобласт дает начало экстраэмбриональным (внезародышевым) тканям, из которых затем образуются плацента, желточный мешок и амнион. Из эмбриобласта развиваются еще две группы клеток - эпибласт и гипобласт.

Из эпибласта в итоге формируется тело будущего организма. Однако это происходит только при том условии, что клетки данной группы взаимодействуют с внезародышевыми тканями. Гипобласт способствует образованию некоторых внезародышевых структур, в том числе примитивной энтодермы, которая дает потом висцеральную энтодерму, окружающую эпибласт и выполняющую регуляторные функции.

После того как бластоциста внедряется в слизистую матки в процессе беременности, структура зародыша меняется, постепенно усложняясь. Клетки эпибласта упорядочиваются, образуя форму розетки. Внутри возникает полость. Трофобласт в это время превращается во внезародышевую эктодерму (ExEc), в которой также есть полость. В конце концов обе полости соединяются. Кроме того, возникают мезодерма и первичные половые клетки, образуется зародышевый цилиндр.

Эпибласт состоит из эмбриональных стволовых клеток (ЭСК), способных дифференцироваться в три зародышевых листка: эктодерму, мезодерму и энтодерму. Клетки этих трех слоев - плюрипотентные, то есть могут превратиться во все типы клеток взрослого организма. Именно поэтому ЭСК используются для создания зародышеподобных структур - эмбриоидов. Они помогают понять механизмы развития плода, однако проблема в том, что в них не воспроизводятся процессы, протекающие in vivo (в живом организме) после внедрения в стенку матки.

Изображение: Magdalena Zernicka-Goetz, University of Cambridge

Ученые решили убедиться в том, что внезародышевые ткани обеспечивают дальнейшее развитие эмбриона, проведя соответствующие эксперименты in vitro (в пробирке). Взяли эмбриональные стволовые клетки и небольшие группы стволовых клеток из трофобласта (ТСК) - предшественников клеток внезародышевых органов. Из них были получены клеточные культуры, имитирующие взаимодействие эпибласта с трофобластом. Связи между клетками осуществлялись через трехмерные внеклеточные структуры из коллагенового матрикса «Матригель».

Матрикс заменял в культуре примитивную энтодерму, обеспечивая поляризацию клеток эпибласта и формирование полости. Оказалось, что в этих условиях ЭСК и ТСК образовывали форму, напоминающую зародышевый цилиндр и характерную для эмбрионов мышей после имплантации. Однако была не только внешняя схожесть. Тщательный анализ морфологии, размера, числа клеток и активности генов, характерных для определенных клеточных линий, показал, что в эмбрионах как in vivo, так и in vitro присутствовали отдельные структуры, полученные из стволовых клеток эпибласта и трофобласта.

Исследователи выделили несколько этапов развития зародыша в пробирке. Сначала наблюдается спонтанная самоорганизация, которая приводит к поляризации клеток и образованию полостей внутри эмбриональной и экстраэмбриональной частей зародыша. Затем полости объединяются в один большой эквивалент проамниотической полости. Потом две группы стволовых клеток взаимодействуют через сигнальный путь Nodal. Сигналами служат белки, участвующие в эмбриональной индукции; они направляют развитие отдельных частей зародыша - например, способствуют формированию нервной системы. Все завершается выделением костного морфогенетического белка, который индуцирует образование клеток, напоминающих первичные половые клетки.

Результаты исследования важны для решения проблемы создания искусственной утробы. В этом устройстве можно было бы вынашивать зародыши без участия живого существа. Однако до сих пор известны не все факторы, влияющие со стороны организма матери на дифференцировку клеток. Например, пока совершенно непонятна роль имплантации бластоцисты. Культивирование плодов in vitro в постимплантационный период невозможно без изучения того, что происходит с клетками зародышей в этот период. Новые эмбриоиды позволят проводить соответствующие исследования.

Восстановление недостающей конечности не имеет большого значения для морской звезды или саламандры - существ, которые обладают регенеративными способностями для замены пропавших рук и хвостов. Но они не единственные животные, которые могут восстановить поврежденные части тела. Олень может вырастить до 30 килограммов рогов всего за три месяца. У рыбок рерио может вырасти свое сердце, а плоские черви продемонстрировали, что могут восстановить свои собственные головы.

А для людей, что пропало, то пропало - или нет?

Выращенные в лаборатории

Отдельные клетки в вашем теле постоянно заменяются, когда изнашиваются, процесс, который замедляется со старением, но продолжается на протяжении всей жизни человека. Вы можете даже наблюдать эту частую и видимую регенерацию в одном из ваших органов: вашей коже. По словам Американского химического общества, люди меняют весь внешний слой кожи каждые две-четыре недели, теряя около 510 г клеток кожи в год.

Однако регенерация полных органов и частей тела, обычная практика среди «повелителей времени» сериала «Доктор Кто», выходит за рамки человеческой биологии. Но в последние годы ученые успешно культивировали целый ряд структур человеческого тела, аналогичные структуры были успешно протестированы на животных, и мелкие человеческие органы, известные как «органоиды», которые используются для изучения функции и структуры человеческого органа при уровне детализации, который ранее был невозможным. Вот несколько недавних примеров.

Фаллопиевы трубы

Используя стволовые клетки, ученые из Института иммунологической биологии им. Макса Планка в Берлине выращивали глубокий клеточный слой человеческих фаллопиевых труб, структур, которые соединяют яичники и матку. В заявлении, опубликованном 11 января, исследователи описывают полученные органоиды как имеющие общие черты и формы, характерные для полноразмерных фаллопиевых труб.

Минимозг

Созданный лабораторией мозг размером с карандашный ластик культивировался из клеток кожи учеными Университета штата Огайо и структурно и генетически подобен мозгу 5-недельного человеческого плода. Описанный как «заменитель мозга» представителями университета в заявлении от 18 августа, органоид имеет функционирующие нейроны с сигнальными удлинениями, такими как аксоны и дендриты. На фотографии минимозга метки идентифицируют структуры, которые обычно встречаются в мозге плода.

Минисердце

Исследователи подсказали, что стволовые клетки развиваются в сердечную мышцу и соединительную ткань, а затем организуются в крошечные камеры и «бьются». В видеоролике сердечные мышечные клетки (обозначенные красным в центре) бьют, а соединительная ткань (зеленое кольцо) защищает органоид в блюде, где он рос. Кевин Хили, Калифорнийский университет, Беркли, профессор биоинженерии и соавтор исследования, сказал в своем заявлении. «Эта технология может помочь нам быстро создать лекарства, способные генерировать сердечные врожденные дефекты, и принимать решения о том, какие препараты опасны во время беременности». Исследование было опубликовано в марте 2015 года в журнале Nature Communications

Минипочка

Команда австралийских ученых вырастила миниатюрную почку, дифференцируя стволовые клетки, чтобы сформировать орган с тремя различными типами почек в первый раз. Исследователи выращивали органоид в процессе, который следовал нормальному развитию почек. На изображении три цвета представляют типы клеток почек, которые образуют «нефроны», различные структуры в почках.

Минилегкое

Исследователи из нескольких учреждений сотрудничали для выращивания трехмерных органоидов легких, которые развивали бронхи, или структуры дыхательных путей, и мешочки легких. «Эти миниатюры могут имитировать ответы реальных тканей и будут хорошей моделью для изучения того, как формы органов, меняются с болезнью и показывают как они могут реагировать на новые препараты», - говорит в заявлении Джейсон Р. Спенс, старший автор исследования и доцент Внутренней медицины и клеточной и развивающей биологии в Медицинской школе Мичиганского университета. Минилегкие выжили в лаборатории более 100 дней.

Минижелудок

Минижелудки выращивали около месяца в чашке Петри, они сформировали «овальные формы, полые структуры», похожие на один из двух разделов желудка, сказал Джим Уэллс, соавтор исследования и профессор биологии развития в Медицинском центре Детской больницы Цинциннати. Уэллс сообщает, что крошечные желудки размером 3 миллиметра в диаметре, будут особенно полезны ученым, изучающих влияние определенной бактерии, вызывающей желудочное заболевание. Это потому, что бактерии ведут себя по-разному у животных, - сказал он.

Вагина

В апреле 2014 года в исследовании, опубликованном в журнале The Lancet, были описаны успешные трансплантации лабораторных вагин, созданные путем выращивания клеток пациенток. Пересадки, проведенные несколькими годами ранее у четырех девушек и молодых женщин в возрасте от 13 до 18 лет, исправили врожденный дефект, при котором влагалище и матка отсутствуют или недостаточно развиты. В течение восьми лет после пересадки проводили обследование, в течение которых органы функционировали нормально и позволяли иметь безболезненное сношение.

Половой член

Ученые из Института восстановительной медицины Уэйк-Форест использовали клетки кроликов для выращивания эректильной ткани полового члена, пересадки лабораторных пенисов на самцов кроликов, которые затем успешно спаривались. Но процесс все еще находится на экспериментальных этапах, и требуется утверждение от Управления по контролю за продуктами и лекарствами США, чтобы команда расширила свою работу и включила человеческую ткань. Институт Восстановительной медицины Вооруженных Сил США предоставляет деньги для исследования, так как оно может принести пользу солдатам, пострадавшим от паховых травм в бою.

Пищевод

В Кубанском государственном медицинском университете в Краснодаре международная команда ученых построила рабочий пищевод путем выращивания стволовых клеток в течение трех недель. Они затем успешно имплантировали орган крысе. Ученые протестировали новый пищевод на прочность, раздувая и дефлируя его в 10 000 раз, внедряя искусственные структуры у 10 крыс и заменяя до 20 процентов оригинальных органов животных.

Ухо

Ученые имеют трехмерные печатные человеческие уши, культивируя их, покрывая живыми клетками, которые росли вокруг формы. Исследователи создали форму ушной формы, моделируя ухо ребенка с помощью программного обеспечения 3D, а затем отправив модель на трехмерный принтер. Как только ученые имели форму в руке, они наполнили ее коктейлем из живых клеток уха и коллагена коров, получив ухо. Затем изготовленные уши имплантировали крысам в течение одного-трех месяцев, в то время как ученые оценивали изменения в размере и форме по мере роста органов.

Клетки печени

Печень, самый крупный орган внутри человеческого тела, способна совершать большие подвиги восстановления, находясь на своем месте. Вне тела орган ведет себя по-другому. Ученым было чрезвычайно сложно выращивать клетки печени, называемые гепатоцитами, и сохранять живыми. Впервые ученые из Германии и Израиля успешно культивировали гепатоциты в лаборатории, опубликовав свои исследования 26 октября 2015 года в журнале Nature Biotechnology. Хотя это не полноценный орган (или даже органоид), это развитие имеет многообещающие последствия для клинического исследования, с Яаком Нахмиасом, директором Центра биоинженерии Александра Грасса в Еврейском университете в Иерусалиме и ведущим автором исследования, описывающим его в Заявление как «святой Грааль исследований печени».

В настоящее время врачи завершают работу над созданием искусственных маток, в которых эмбрионы смогут развиваться вне материнского тела. Эта работа рассматривается, как настоящий прорыв в борьбе с бездетностью, отмечается в сегодняшней статье влиятельной британской газеты Guardian.

Ученым удалось создать прототип женского лона, полученный из клеток взятых из организма женщин. Эмбрионы успешно приживаются, прикрепляясь к стенкам лабораторных маток, и начинают активно развиваться. Однако, эксперименты пока прекращают на стадии нескольких дней роста эмбриона, поскольку эти опыты находится противоречии с законом об искусственном оплодотворении.

Искусственные матки-капсулы возможно будут выглядеть таким образом

"Мы надеемся завершить процесс создания искусственных маток с использованием открытой нами методики уже через несколько лет", - заявила доктор Хан-Чин Лиу из Центра репродуктивной медицины и искусственного осеменения Корнельского университета. – Теперь женщины, страдающие дефектом матки или ее недоразвитием, впервые смогут иметь собственных детей".

Очевидный прогресс в этой области одновременно ставит ученых в трудное положение. С одной стороны, искусственные матки, наконец, положат конец различным проблемам, связанным с деторождением, но, в другой стороны, они же создадут массу проблем этического характера, которым посвящена крупнейшая научная конференция "Конец естественному материнству?" открывающаяся в Оклахоме на будущей недели.

Масло в огонь подливают воинствующие феминистки, которые заявляют о том, что с появлением искусственных маток мужчины смогут полностью отказаться от женщин, убрав их с лица земли, но, сохранив возможность, воспроизводить женские особи.

Работа доктора Лиу заключается в правильном отделении клеток, выстилающих женское лоно, и выращивании их в лабораторных условиях, используя гормоны и иные факторы роста.

Вслед за этим доктор Лиу с коллегами выращивают целый покров этих клеток на остовах биоразрушаемых материалов, которые по форме полностью напоминают внутреннее строение женского лона. Клетки постепенно разрастаются, создавая ткань, а материал, послуживший им основой, саморазрушается под их воздействием. Затем в искусственно созданную ткань добавляют питательные вещества и гормоны, такие как эстроген.

Наконец, берутся эмбрионы, оставшиеся от программ по искусственному осеменению и вводятся во внутрь выращенных маток. Эмбрионы прикрепляются к стенкам искусственного лона и начинают расти.

Пока опыты прерывают на шестой день. Однако, в ближайшее время доктор Лиу планирует продолжить свой эксперимент, выращивая эмбрионы в течение 14 дней. Этот срок максимально разрешен законом для проведения абортов. "Для нас важно посмотреть, сможет ли у эмбрионов развиваться венозная система, а также смогут ли клетки развивать примитивную плаценту", - отмечают врачи.

Следующий этап исследования – опыты с искусственными матками собак и мышей. Если эти эксперименты окажутся удачными, ученые будут добиваться разрешения на продление срока развития человеческого зародыша.

Несколько другую методику используют японские ученые из Токийского университета. Группа профессора Йосинори Кувабара извлекает матки у коз и помещает их в стерильные пластиковые емкости, заполненные амниотической жидкостью (околоплодными водами), в которой постоянно поддерживается температура тела. Исследователи поддерживают жизнеспособность козьей матки и выращивают ее в течение 10 дней, подавая в емкости питательные вещества.

Опыты японской группы направлены на помощь тем женщинам, которые страдают от выкидышей или преждевременных родов, не имея возможности выносить плод положенный срок.

Вместе с тем, обе группы специалистов убеждены, что в искусственных матках можно выращивать зародыши все положенные девять месяцев. Ученые утверждают, что это станет возможным уже в ближайшие несколько лет. Искусственное выращивание детей даст возможность и однополым парам иметь своих собственных детей.

Пока вокруг этих опытов наворачивают массу этических проблем,ученые продолжают работу, надеясь подарить радость материнствам тем, кого природа лишила этого счастья.

По мнению некоторых футуристов, вынашивание ребенка в искусственной матке вне человеческого тела получит широкое распространение уже через 30 лет. Сторонники эктогенеза, отвергающие естественный отбор, уже проводят эксперименты по выращиванию эмбрионов животных в утробе, прикрепленной к искусственной плаценте.

Сторонники эктогенеза считают, технология позволит уменьшить количество смертей при родах, поскольку плод будет находиться под постоянным контролем. Противники направления опасаются, что неестественный способ рождения ребенка приведет к переосмыслению социальных ролей, а отсутствие контакта с матерью отрицательно скажется на развитии ребенка.

Эктогенез предполагает бестелесное выращивание организма. Технологию применяют к животным и бактериям. Для создания искусственной утробы нужна искусственная матка, которая обеспечит плод питанием, и амниотическая жидкость для удаления отходов из развивающегося организма. Всё это подключается к компьютеру, который полностью контролирует развитие плода.

Альтернативный метод воспроизводства может подойти женщинам, имеющим проблемы с зачатием и вынашиванием ребенка. Эктогенез также позволит отказаться от суррогатного материнства и обзавестись детьми в любом возрасте.

С другой стороны, женщинам, решившим сделать аборт, будет предложено поместить эмбрион в искусственную матку для последующего выращивания. После рождения этот ребенок может быть передан в приемную семью. С развитием эктогенеза также изменится представление о традиционной семье - одиноких родителей станет больше.

Американо-венгерский футуролог Золтан Иcтван рассказал в интервью интернет-изданию Motherboard, что использование технологий эктогенеза станет возможным в течение ближайших 20 лет. А уже через 30 лет, по его мнению, бестелесное выращивание людей будет поставлено на поток. Иcтван отмечает, что большая часть необходимых для этого технологий уже существует, процесс затягивают юридические вопросы и проблемы нравственного и этического характера. Ну а там подоспеет и искусственный интеллект .

Ученые впервые смогли вырастить живую конечность в лабораторных условиях. Когда пришитая к телу крысы конечность наполнилась кровью, животное начало шевелить своей новой лапой. Достижение Массачусетской общей больницы (Massachusetts General Hospital) позволит по требованию выращивать замену ампутированным конечностям.

Эксперты в области регенерации органов и частей тела высоко оценили достижение своих коллег, назвав это превращение фантастики в реальность. Авторы исследования, в свою очередь, заявили, что разработанная ими технология позволяет выращивать как верхние, так и нижние конечности.

Сейчас люди, потерявшие свои конечности из-за болезни, несчастного случая или в ходе военных действий, могут восстановить свои утраченные части тела с помощью протезирования или трансплантации. Однако движения высокотехнологичных протезов все еще выглядят не настолько естественно, как хотелось бы. В случае пересадки конечностей пациенты должны принимать мощные иммунодепрессанты, которые ослабляют иммунную систему. Это нужно для того, чтобы организм не отторг трансплантат.

Ученые обещают, что конечности, выращенные в лабораторных условиях, будут выглядеть более естественно, а их движения будут отличаться повышенной плавностью. А поскольку они создаются из собственных клеток пациента, им не требуется иммунодепрессия.

Каркасом для новой конечности послужила лапа мертвой крысы. Ее обработали специальным раствором, чтобы остановить деление клеток. Затем рабочий материал поместили в контейнер с добавлением здоровых кровеносных сосудов, мышечных клеток, необходимых питательных веществ и кислорода. Спустя две-три недели, как пишет New Scientist, конечность была восстановлена.

После присоединения к телу живой крысы конечность быстро наполнилась кровью. Крыса смогла управлять своей новой лапой.

Ученые говорят, что еще предстоит проделать немало работы, прежде чем они будут готовы тестировать выращенные в пробирке конечности на человеке. По их оценкам, на это уйдет как минимум десять лет.

По мнению некоторых футуристов, уже через 30 лет людей начнут массово выращивать вне тела.