Легкое вырастили и запрограммировали

Не успели отгреметь страсти по «синтетической жизни» Крейга Вентера, бактерии с полностью искусственным геномом, как ученые обнародовали следующее «очевидное-невероятное» известие – о создании искусственного легкого.

Сразу две статьи в последнем выпуске журнала Science рассказывают об успехах в создании синтетической легочной ткани.

Первая работа посвящена пересадке искусственно созданной легочной ткани, вторая – разработке микрочипа, имитирующего работу легкого.

Интерес к разработке искусственного легкого, пригодного для имплантации, не праздный: ежегодно только в США около 400 тысяч человек умирают от легочных заболеваний. Легочная ткань почти не регенерирует на микроскопическом уровне. Единственный путь к спасению – это заменить поврежденную ткань на донорскую. Эта задача не из простых: зачастую наступают отторжение ткани или заражение органа. За последние 10 лет в тех же США после таких операций выжили лишь 10–20% пациентов.

Группа ученых из Йельского университета под руководством профессора Лоры Никласон утверждает, что им удалось создать искусственную легочную ткань так, что ее пересадка взрослым крысам не сопровождалась отторжением. Созданная ткань при этом полностью выполняет основную функцию легких – газообмен.

На первом этапе создания «легкого из пробирки» ученые отобрали у подопытных крыс образцы легочной ткани. Из них были удалены все клеточные компоненты, сохранена лишь внеклеточная матрица и иерархические ветвистые структуры воздушных каналов и кровеносной системы. Эта матрица впоследствии использовалась как «строительные леса» для выращивания новых легочных клеток.

Затем in vitro с помощью специально разработанного биореактора, имитирующего эмбриональную среду, на матрице были выращены легочные клетки. В «условиях зародыша» специфические клетки успешно заселили начальную матрицу, образовав новую легочную ткань.

При пересадке крысам на 45-120 минут эта искусственная ткань успешно выполняла функции обмена кислорода и углекислого газа так, как это делают естественные легкие.

Механические характеристики искусственного легкого были аналогичны исходной ткани.

«Мы добились успеха в создании легочной ткани, пригодной для имплантации и успешно выполняющей функции дыхания в модельных организмах – крысах. При дыхании «искусственными легкими» в них успешно проходила оксигенизация гемоглобина крови. Это первый шаг на пути регенерации целого легкого более крупных животных и, возможно, людей», – отметила Никласон.

Ученые предполагают, что для создания технологии, применимой для людей, понадобятся еще годы исследований с использованием стволовых клеток – они необходимы для успешного «повторного заселения» матрицы легких и образования полностью функционирующей легочной ткани.

Вторая работа, выполненная в Гарвардском университете, посвящена созданию устройства, имитирующего живое дышащее легкое.

«Микрочип» размером с ластик полностью копирует деятельность легкого в человеческом теле и был создан на основе данных о клетках легких и кровеносных сосудов.

Ученые обещают, что их микрочип даст возможность проводить «испытания на легком» без какого-либо внедрения в живой организм. Получится проверить воздействие токсинов из окружающей среды, всасывания аэрозолей, а также безопасность и эффективность новых лекарств. Фармацевтам, для которых предварительная стадия испытаний любого вещества на живой модели стоит до $2 млн, эта новость, наверное, придется по душе.

«Способность «легкого на микрочипе» предсказывать эффект воздействия на легкие наночастиц и моделировать воспалительный процесс, вызванный бактериальными патогенами, дает надежду, что такие устройства могут заменить негуманную стадию испытаний на животных», – считает Дональд Ингбер, старший автор работы.

Исследователи смоделировали работу стенки альвеолы, легочного пузырька, через который осуществляется газообмен с капиллярами. На специально созданную синтетическую мембрану с одной стороны были помещены клетки эпителия из альвеол человеческого легкого, а с другой стороны клетки кровеносных сосудов. Эта система моделирует процесс дыхания: проводится ее периодическая деформация, к легочным клеткам подводится воздух, а к сосудистыми – модельная кровь.

Ученые проверили реакцию такого дыхательного механизма на простейших бактериях – кишечных палочках (Escherichia coli). Попадание бактерий к «легкому» вызывало «правильный» ответ со стороны лейкоцитов крови: легочная ткань обнаружила присутствие бактерий, белые кровяные клетки прошли мембрану и успешно справились с патогеном.

Кроме того, был испытан воздух, богатых типичными загрязнителями, в том числе наночастицами. Часть частиц «застряли» в легочных клетках и вызвали воспаление, другие беспрепятственно прошли в кровеносную систему. Модельная система показала, что механическое давление при «дыхании» существенно усиливает поглощение наночастиц. Этот факт удалось впоследствии независимо подтвердить в эксперименте на мышах.