Плюрипотентность — уникальное свойство эмбриональных стволовых клеток, которые могут превратиться в любые из 200 известных видов соматических клеток, в соответствии с заданной программой развития эмбриона и другими условиями. Учёные научились забирать эти клетки у человеческих эмбрионов и культивировать их в лаборатории. Многочисленные опыты показали, что при этом плюрипотентные клетки сохраняют способность дифференцироваться в любые клеточные типы, включая спермии и яйцеклетки.

Но в лабораторных условиях очень трудно вырастить полноценный орган из стволовых клеток, поскольку физиологию человека практически невозможно воссоздать с нуля. Учёные ещё не умеют программировать клетки с такой точностью. Нужна естественная среда, где программа развития клеток в нужный орган активируется сама. Идеальной средой был бы эмбрион человека или примата, но такие испытания запрещены законом. Поэтому учёные нашли выход в использовании эмбрионов физиологически близких к человеку животных — свиньи и крупного рогатого скота. В развитых странах эксперименты над этими эмбрионами пока разрешены.

Химера крысы и мыши показывает нормальное развитие эмбриона (B) и внутренних органов: почек, сердца, печени, лёгких, поджелудочной железы и мозга внутри организма-хоста (С)

Для решения этой задачи великолепно подходят химеры — организмы, состоящие из генетически разнородных клеток. Внутри химер можно выращивать органы другого организма. Ряд таких экспериментов провела группа учёных из Института биологических исследований Солка (Калифорния). В том числе им удалось впервые создать химеру эмбриона свиньи с зачатками человеческих органов.

Химеры — очень интересные организмы с научной точки зрения. Они могут стать ценным инструментом для научных исследований с возможностью использовать их в клинических испытаниях и для трансплантации органов.

Сейчас ситуация с донорскими органами очень напряжённая. Например, среднее время ожидания почки — около 10 лет. Средний срок жизни на диализе — 5 лет. Если технику выращивания химер доведут до ума, то подходящую почку можно вырастить гораздо быстрее, пока человек ещё жив.

Используя технику генетического редактирования CRISPR-Cas9 и новейшие технологии обработки стволовых клеток, учёные успешно имплантировали стволовые клетки в эмбрион и вырастили различные крысиные органы — поджелудочную железу, сердце и глаза — в организме мыши. Этот эксперимент подтвердил концептуальную возможность такого метода получения донорских органов.

Затем исследователи имплантировали плюрипотентные человеческие клетки в эмбрионы свиньи, изучив развитие человеческих тканей и органов. Это первый шаг к более подробным исследованиям по выращиванию человеческих органов в других организмах, подходящих по размеру, физиологии и анатомии.

Клетки, извлечённые их плюропотентных стволовых клеток крысы, развиваются в сердце внутри генетически модифицированного эмбриона мыши

В 2015 году группа учёных под руководством Исписуа Бельмонте (Izpisua Belmonte) создала первую химеру, проследив за развитием человеческих клеток в нежизнеспособном эмбрионе мыши. Сейчас они пошли дальше, применив технику генетического редактирования CRISPR-Cas9 для того, чтобы задавать развитие плюропотентных клеток в конкретные органы.

С помощью генетического редактирования CRISPR-Cas9 учёные изменили эмбрион хоста, отключив гены, которые отвечают за развитие конкретного органа — например, поджелудочной железы. Затем в эмбрион помещают стволовые клетки другого животного (крысы) с активным геном поджелудочной железы. Сам эмбрион абсолютно нормально развивается в организме суррогатной матери, за исключением того факта, что у него чужая поджелудочная железа.

Точно такие же опыты были проведены с другими органами в химере крысы и мыши — глаз и сердца. Учёные обнаружили также, что плюропотентные клетки крысы неожиданно образовали в эмбрионе мыши желчный пузырь — орган, который отсутствует у крыс. Это указывает на то, что плюропотентные клетки донора испытывают сильное влияние организма хоста и перенимают его программы развития.

Впрочем, выращивание человеческих органов у свиньи будет непростым. Учёные обращают внимание на ряд сложностей, которые возникают при скрещивании сильно отличающихся живых организмов, таких как человек и свинья. Такие трудности отсутствуют при выращивании органов в близких генетически организмах. Например, у человека и свиньи сильно различаются сроки вынашивания плода (у свиньи 112 дней).

Тем не менее, эксперимент с человеческими органами в свиных эмбрионах был проведён. Прекурсоры человеческих тканей начали создаваться и развивались до четырёхнедельного возраста эмбриона, хотя и не с такими показателями успешности, как у химеры крысы и мыши. Выжили лишь небольшое количество клеток — и они явно не развивались в нечто жизнеспособное. Эксперимент прекратили для оценки безопасности и эффективности технологии.

При выращивании химер в промышленном масштабе люди могут во многом решить проблему нехватки органов для трансплантации. Можно выращивать миллионы свиней с человеческими печенью, поджелудочной железой и почками.

Учёные признают, что конечной целью исследований с химерами может быть выращивание человеческих органов и тканей в промышленных масштабах, но это очень отдалённая перспектива. В ближайшие годы исследования в этой области имеют теоретическое, а не практическое значение. Они дадут лучшее понимание человеческого эмбрионального развития и помогут изучить некоторые болезни, которые невозможно изучить иным способом.

Научная работа опубликована 26 января 2017 года в журнале Cell (doi: 10.1016/j.cell.2016.12.036).

В ближайшее время исследования будут продолжены, если власти не запретят их. В последнее время против таких экспериментов протестуют религиозные и общественные организации консервативного толка.