Скрытая в наших костях мягкая ткань medulla ossium, более известная как костный мозг, поддерживает жизнь, ежедневно производя миллиарды клеток крови — от красных кровяных телец эритроцитов, переносящих кислород, до белых кровяных телец лейкоцитов, обеспечивающих иммунитет. Эта жизненно важная функция часто нарушается у онкологических больных, проходящих курсы химиотерапии или облучения. Процедуры могут повредить костный мозг и привести к опасно низкому количеству лейкоцитов, делая пациентов уязвимыми для инфекции.
Исследователи из Школы инженерии и прикладных наук Пенсильванского университета, медицинской школы Перельмана и Детской больницы Филадельфии разработали имитацию естественной среды обитания человеческого костного мозга. Этот прорыв отвечает важнейшей потребности медицинской науки, поскольку исследования на животных часто не позволяют полностью воспроизвести особенности человеческого костного мозга.
Новое устройство представляет собой небольшой пластиковый чип, специально разработанные камеры которого заполнены стволовыми клетками крови человека и окружающими их вспомогательными клетками. Клетки взаимодействуют между собой в гидрогеле, имитируя сложный процесс развития костного мозга у человеческого эмбриона. Эта биологически вдохновленная платформа позволяет создавать живую костномозговую ткань человека, которая может генерировать функциональные клетки крови и высвобождать их в питательные среды, циркулирующие по искусственным капиллярным кровеносным сосудам.
Созданный in vitro функциональный костный мозг позволяет исследователям моделировать и изучать распространенные побочные эффекты медицинских процедур, таких как лучевая терапия и химиотерапия для онкологических больных. При подключении к другому устройству он может даже моделировать, как костный мозг взаимодействует с другими органами, такими как легкие, чтобы защитить их от инфекций и других потенциально опасных для жизни состояний.
Описанная в новой статье, опубликованной в журнале Cell Stem Cell, модель костного мозга и демонстрация возможности ее серийного производства и автоматизации могут способствовать развитию таких передовых направлений, как разработка лекарственных препаратов и космонавтика. В первом случае можно обеспечить автоматизированный высокопроизводительный доклинический скрининг токсичности противоопухолевых препаратов для костного мозга. Во втором — изучать неизбежное во время длительных полетов воздействие длительного радиационного облучения и микрогравитации на иммунную систему космонавтов.
«Мы прошли долгий путь с точки зрения нашей способности регенерировать ткани человека in vitro и имитировать их сложные функции, но я уверен, что эта система является одной из самых сложных биоинженерных моделей тканей, разработанных на сегодняшний день», — говорит Дэн Ха, профессор биоинженерии и старший автор статьи.
«В этой статье мы впервые показываем возможность создания взаимосвязанных моделей органов на чипе костного мозга человека и инфицированных бактериями легких для имитации перекрестных биохимических взаимодействий между двумя органами и всего процесса врожденного иммунного ответа на инфекцию, начиная с быстрого высвобождения большого количества белых кровяных телец. Они интенсивно выделяются из костного мозга в кровоток, откуда попадают в инфицированные дыхательные пути, где борются с инфекцией, поглощая бактериальные клетки».
Изначально проект начинался с цели изучения иммунной системы в космосе. Почти десять лет назад авторы статьи предложили разработать модель человеческого костного мозга и отправить ее на Международную космическую станцию (МКС).
Профессор Хью Ортен из школы перельмана, соавтор исследования: «Основываясь на накопленных данных, свидетельствующих о повышенном риске заражения у астронавтов во время длительных полетов, мы хотели изучить, как невесомость влияет на нашу иммунную систему. «Наша гипотеза заключалась в том, что микрогравитация может оказывать неблагоприятное воздействие на иммунную систему».
К сожалению, у исследователей так и не появилась возможность провести парные эксперименты на Земле и на МКС, результаты которых они могли бы сравнить. Во время подъема на орбиту произошло короткое замыкание в контроллере, который должен был поддерживать работу наших моделей из искусственной ткани», — вспоминает Дэн Ха. «Второй запуск был отменен из-за пандемии».
Тем не менее, оказалось, что у нового чипа множество применений и на Земле. «Несмотря на неудачу наших предполагаемых космических экспериментов, работа над проектом стала одним из самых полезных событий в моей исследовательской карьере. Я нахожу поистине захватывающим тот факт, что, используя этот чип, мы теперь можем имитировать некоторые из наиболее важных особенностей человеческого костного мозга и нашей иммунной системы».
Искусственный костный мозг состоит из нескольких основных ингредиентов. К ним относятся так называемые гемопоэтические (буквально «кроветворящие») стволовые клетки (ГСК или гемоцитобласты), которые дифференцируются во многие типы клеток крови человека; эндотелиальные клетки, из которых состоят стенки кровеносных сосудов, и мезенхимальные клетки, которые строят и поддерживают соединительную ткань костного мозга.
В прошлом исследователи пробовали комбинировать эти ингредиенты, но безуспешно пытались воспроизвести структуру и поведение настоящего человеческого костного мозга. «Все органы человеческого тела сложны, но анатомическая недоступность и уникальные биологические особенности человеческого костного мозга сделали моделирование и изучение его физиологии in vitro очень сложной задачей», — признает Дэн Ха.
«Мы сосредоточились на воспроизведении того, как развивается костный мозг у человеческих эмбрионов. Внутриутробный рост включает в себя множество перекрывающихся процессов, управляемых несколькими ключевыми типами клеток, которые самоорганизуются в ответ на сигналы окружающей среды, в конечном итоге образуя колонии стволовых клеток в густой сети кровеносных сосудов, которые разносят новые клетки по всему организму».
Выяснение того, как именно культивировать необходимые типы клеток, выпало на долю 21-летнего Андрея Георгеску, бывшего аспиранта лаборатории Хью, который сейчас является директором компании Vivodyne, стартапа, который он и Хью основали совместно для коммерциализации технологии «Органы на чипе».
«Принцип проектирования, который мы демонстрируем в нашей статье, уникален и отличается от традиционных подходов тем, что основан на способности стволовых клеток к самоорганизации и самосборке в сложные ткани», — говорит Георгеску. «Другими словами, при выращивании в «правильной» среде эти клетки могут превратиться в заданный тип ткани с оптимальными физиологическими свойствами».
Одним из ключевых выводов этой работы стало то, что костномозговой чип не только способен продуцировать клетки крови, но и обеспечивает среду, благоприятную для поддержания гемопоэтических стволовых клеток в течение длительного времени. Это означает, что чип потенциально может помочь исследователям понять биологические сигналы и условия, необходимые для поддержания или даже увеличения количества ГСК, получаемых от доноров в ходе весьма недешевых медицинских процедур. Говоря простыми словами, он кратно снизит затраты на трансплантацию костного мозга.
«Учитывая клиническую значимость трансплантации ГСК для лечения различных заболеваний, изучение практической применимости нашей технологии для клеточной терапии станет основной целью нашей дальнейшей работы», — подвел итог Дэн Ха.
