Простое начало. Как четыре закона физики формируют живой мир

Партасарати Рагувир

Неестественность двумерных клеточных формирований стала очевидной больше века назад, и почти с тех же пор ее пытались преодолеть. Упомянутый в прошлой главе Росс Гаррисон в 1906 году сообщил, что вырастил нервные волокна в свернувшейся капле лимфы, поместив в нее фрагмент ткани лягушачьего эмбриона. В последующие десятилетия ряд исследовательских групп показал, что эмбрионы разных биологических видов можно разделять на клетки, которые, получив свободу в трех измерениях, способны собираться в агрегаты, воспроизводящие некоторые черты нормального зародыша⁷.

Со временем ученые поняли, что для функционирования клеток критически важна белково-углеводная сетчатая структура за их пределами – внеклеточный матрикс: он не только служит каркасом для органов

и тканей, но и поставляет механические и химические сигналы, управляющие экспрессией генов и даже клеточными судьбами. В 1980-х, например, группа Мины Бисселл из Национальной лаборатории им. Лоуренса в Беркли (Калифорния) вырастила ткани молочной железы, способные выделять молоко под контролем соответствующего матрикса, наглядно этим показав, что полученные кластеры клеток не только выглядели, но и работали как положено. С помощью растущего арсенала методов трехмерного культивирования ученые затем начали выращивать и другие ткани, включая опухолевые. Эта отрасль получила сильный импульс к развитию в XXI веке, когда наши представления об основополагающих механизмах онтогенеза дополнились представлением об идеальных «семенах» для выращивания тканей – стволовых клетках.

Комбинируя техники манипуляций со стволовыми клетками и методы трехмерного культивирования, мы получаем поразительное разнообразие работоспособных самоорганизующихся клеточных ансамблей практически любого типа, по замыслу приближающихся к тем самым «органам в чане». Такие ансамбли называют органоидами вне зависимости от того, происходят они от стволовой клетки или нет⁸. Клетки, которые отшелушиваются со стенки вашего кишечника, заменяются потомками стволовых клеток, залегающих на дне миллиардов эпителиальных углублений, или крипт. В 2009 году группа Ханса Клеверса из нидерландского Утрехта показала, что единственная стволовая клетка кишечника, должным образом выращенная в трехмерном матриксе, может породить целое клеточное сообщество в форме неровного шара с четко определяемым внутренним пространством, ограниченным теми же типами клеточных поверхностей, что и реальный просвет кишки⁹; на дне маленьких кармашков оболочки находились стволовые клетки (на рисунке они темные).

Иными словами, стволовая клетка кишечника создает органоид, похожий по форме и поведению на реальный орган достаточно, чтобы использовать его, например, в испытаниях препаратов для лечения болезней кишечника.

Что касается глаз, Ёсики Сасаи и его коллеги из японского Института физико-химических исследований (RIKEN) вырастили из стволовых клеток, превращающихся в клетки сетчатки, органоиды в форме почти полусферического впячивания, характерного для зарождающегося глазного бокала (задней части глаза)¹⁰.

За несколько лет до этого, в 2008 году, та же группа показала, что из стволовых клеток мыши можно вырастить клубки взаимосвязанных нейронов, напоминающие по структуре область коры мышиного мозга¹¹. В 2013 году венская лаборатория Юргена Кноблиха, входящая в состав Австрийской академии наук, вырастила «церебральные органоиды», воссоздающие несколько слоев головного мозга с функциональными нейронами и областями, которые напоминали зарождающиеся структуры вроде префронтальной коры, гиппокампа и других¹². Хоть этим органоидам и было далеко до рабочего мозга, им сразу же нашлось применение. Команда Кноблиха пыталась выяснить природу микроцефалии – расстройства развития, приводящего к формированию слишком маленького мозга, – и в качестве основы для органоида использовала стволовые клетки человека с этим диагнозом. По сравнению с аналогами, выращенными из клеток здоровых людей, в этих органоидах один тип стволовых клеток претерпевал меньше делений, что выливалось в общий дефицит клеток. Хотя возможность обретения церебральными органоидами чувств или сознания весьма призрачна, ученые и философы уже прощупывают этическую компоненту таких исследований, включая критерии оценки и трактовки способностей нейронных ассоциаций¹³.

Кишки,

глаза, мозги… Полный список созданных органоидов гораздо длиннее и продолжает расти. Как отмечалось, органоиды служат великолепными инструментами, позволяющими использовать совершенно новые подходы в изучении индивидуального развития, болезней и лекарств, поскольку это подобия реальных органов, не заключенные в живых телах и способные строиться из человеческих клеток. Можно даже помечтать, что технологический прогресс однажды превратит органоиды в полноценные органы, готовые к пересадке человеческим реципиентам.

Органоиды не только приносят практическую пользу, но и дают нам восхитительный биофизический урок. Мы уже не раз упоминали о самосборке – как в молекулярном масштабе, когда белки самопроизвольно укладываются в уникальные формы, так и в организменном, когда по заложенным внутри них принципам строятся целые тела. Сейчас мы видим, можно сказать, модульную самосборку в средних масштабах, возможную благодаря тому, что компоненты разных органов содержат инструкции по собственной организации. Для наглядности можно представить, что не только автомобиль формируется из маленького зачатка, но и обломок двигателя вырастает в полноценный ревущий мотор, если омывается подходящим моторным маслом и закреплен подходящими деталями, а фрагмент водительского сиденья превращается в целое кресло при заботливой поддержке – иными словами, каждый компонент целого в какой-то степени самодостаточен. Природа эксплуатирует самосборку на всех уровнях организации, ступень за ступенью.

Мы помогаем самосборке органоидов, конструируя подходящий внеклеточный матрикс, но после этого пускаем дело на самотек. А что, если бы мы принимали более деятельное и целенаправленное участие в работе самих внеклеточных механизмов? Создание малых объектов, не предназначенных для биологического применения, стало одним из величайших триумфов человеческой цивилизации за последние полвека. Так, наши заводы поразительно быстро и надежно штампуют чипы, ведущие вычисления внутри мобильного телефона, с миллиардами транзисторов, втиснутых в несколько квадратных сантиметров. Наши микропроизводственные возможности гораздо шире набора электродеталей вроде диодов и транзисторов. Применяя пластмассы и гели, например, мы можем мастерить канальцы, стыковочные узлы, клапаны и насосы субмиллиметрового масштаба – как раз то, что нужно для доставки питательных веществ и сигналов группам клеток.

Сочетая микропроизводство с культивированием клеток, мы получаем «органы на чипе», разнообразие которых, как и в случае органоидов, поразительно быстро растет. Несколько из них появились на свет в лаборатории Дональда Ингбера в Институте биологической инженерии Висса при Гарвардском университете. В частности, в 2010 году там создали «легкое на чипе»¹⁴. В этой конструкции пористая, мягкая, тончайшая силиконовая мембрана разделяет две камеры, одна из которых наполнена воздухом, а другая – водным раствором, напоминающим кровь. Как мы увидим в главе 11, легкие по своей сути – это место соприкосновения воздуха и воды, где происходит газообмен. По одну сторону мембраны ученые вырастили клетки того типа, который выстилает воздушную сторону легочного интерфейса, а по другую – клетки выстилки кровеносных сосудов. Хитрость же была в том, что торцы мембраны упирались в тонкие стенки камер, приспособленных для закачки и откачки воздуха. Под давлением воздуха стенки сжимали мембрану с наросшими на ней слоями клеток, под вакуумом – растягивали (см. рисунок).

Так получилось устройство, воссоздающее не только структуру, но и динамику легких – способное растягиваться и сжиматься, если нам хочется, в том же ритме, что и при естественном дыхании. Камеры, мембраны, клапаны – все это создано методами микропроизводства, способными покрывать чип мозаикой псевдолегких, и все можно увидеть в микроскоп. Ингбер с коллегами показал, что поглощение взвешенных в воздухе частиц через клеточную стенку – важная проблема и при загрязнении воздуха, и при доставке лекарств – усиливается периодической механической пульсацией клеточных мембран.