10 удивительных вещей, выращенных в лаборатории
Нет никаких сомнений в том, что наука совершила множество невероятных прорывов за последние 100 лет. Особенно это справедливо для медицины и биоинженерии. От спасительных вакцин до революционных хирургических операций, наука здорово повышает качество нашей жизни. Чтобы придумывать новые решения вековым проблемам, прогрессу нужны ученые. За каждым медицинским открытием стоит лаборатория, полная удивительных идей. Иногда эти эксперименты поднимают этические вопросы. Но чаще лишь приводят к интересным решениям назойливых проблем.
Какое решение может быть изощреннее, чем выращивание чего-либо в лаборатории с нуля? Перед вами список из десяти невероятных выращенных в лаборатории штук, собранный Listverse. Такого вы еще не видели!
Свиные кости
В 2016 году ученые США успешно имплантировали созданные в лаборатории кости четырнадцати взрослым мини-свиньям Юкатана. Ни одна из свиней не отторгла новые органы после хирургии. Совсем напротив. Кровеносные сосуды выращенных в лаборатории костей незаметно интегрировались в уже существующую систему циркуляции свиней.
Как это вообще стало возможным?
Сперва ученые просканировали челюстные кости свиней и составили карты их структур. Затем создали подходящие клеточные леса из коровьих костей. В эти структуры ввели стволовые клетки свиней и заполнили богатым питательными веществами раствором. Результатом стала полностью функциональная живая кость.
Крысиная конечность
Ученые из Массачусетского госпиталя попали на первые полосы газет, когда в 2015 году вырастили целую переднюю лапу крысы в лаборатории. Это был первый успешный проект такого рода в мире.
Руководил процессом доктор Гарольд Отт, также возглавлявший Лабораторию инженерии и регенерации органов Отта. Всего через 16 дней их эксперимент привел к созданию мышечной ткани. Вот как они это сделали.
Доктор Отт и его команда взяли живую крысиную конечность и удалили все ее клетки. Этот процесс называется децеллюляризация. Как только живые клетки были убраны, ученые остались один на один с белковой рамой для конечности.
Затем они заполнили эту структуру живыми клетками, которые сформировали мышечную ткань и кровеносные клетки всего за несколько недель. Чтобы проверить функциональность выращенной в лаборатории конечности, группа применяла слабый электрический ток к мышечной ткани.
Результат? Мышцы в конечности сокращались точно так же, как если бы были нормальными, выращенными в органах.
Гамбургеры
Первый выращенный в лаборатории бургер под кодовым названием «шмясо» (schmeat) появился в Лондоне в 2013 году. Он был создан в Нидерландах доктором Марком Постом, профессором сосудистой физиологи. Его целью было воспроизвести мясо, которое «не вызывает страданий животных и не наносит вреда окружающей среде», в отличие от традиционных источников мяса. На проект ушло 5 лет и 325 000 долларов.
Именно после успеха Поста начался ажиотаж на тему создания лабораторного мяса. Memphis Mear, стартап из Сан-Франциско, создал лабораторные митболы в 2016 году. Также вырастил куриные палочки – первые в мире.
Тем не менее вряд ли выращенное в лаборатории мясо будет доступно для широкой общественности до 2021 года.
Человеко-свиной эмбрион
Группа ученых из Испании и Ла-Хойи, Калифорния, в Институте Солка успешно вырастила человеческие клетки в эмбрионе свиньи. Цель исследования состояла в том, чтобы в конечном итоге выращивать целые человеческие органы, которые будут использоваться для трансплантации, внутри других животных. Ученые из Солка уже вырастили несколько органов крысы внутри эмбрионов мыши. Но с последним исследованием были подняты неизбежные этические вопросы.
В 2015 году США прекратили финансирование исследования межвидовых химер за деньги налогоплательщиков. В генетике химера – это естественное явление, когда один организм имеет два или больше различных наборов ДНК.
Но межвидовая химера содержит ДНК двух или более видов. Это вызывает обеспокоенность по поводу того, будут ли свиньи или другие животные, имплантированные клетками человека, развивать функции человеческого мозга.
Хуан Карлос Изписуа Бельмонте и его команда заявили, что нацелены «проверить возможность фокусировки на клетках человека при создании определенных тканей, избегая при этом любого вклада в мозг, сперму или яйцеклетку».
Мышиная сперма
В 2016 году ученые из Института зоологии Академии наук Китая создали жизнеспособную мышиную сперму из стволовых клеток. Для этого они извлекли стволовые клетки из мышей и ввели их в тестикулярные клетки новорожденных мышей.
Ци Чжоу и Сяо-Ян Чжао, проводившие эксперимент, также подвергли стволовые клетки нескольким химическим веществам, участвующим в развитии сперматозоидов. Среди них были тестостерон, гормон, вызывающий рост фолликул, и вызывающий рост гормон из гипофиза.
Через две недели ученые получили полностью функциональные клетки спермы. Они имплантировали эту сперму в живую яйцеклетку и передали зиготы самкам мышей. В ходе эксперимента было рождено девять мышей, из них некоторые продолжили собственное потомство. Хотя этот процесс осеменения не был таким эффективным, как искусственное осеменение с использованием натуральной спермы (3% успеха против 9%), это исследование дает большую надежду на будущее лечение бесплодия.
Кровяные стволовые клетки
Две разных команды ученых разработали новаторский подход к созданию кровяных стволовых клеток. Одна группа была из Бостонского детского госпиталя под руководством Джорджа Дейли. Они начали с клеток кожи человека и «перепрограммировали» их, чтобы те стали индуцированными плюрипотентными стволовыми клетками. ИПС-клетка – это созданная искусственно универсальная стволовая клетка.
Затем команда Дейли ввела в ИПС-клетки факторы транскрипции, которые представляют собой гены, предназначенные для управления другими генами. После этого модифицированные ИПС-клетки были имплантированы мышам для дальнейшего развития. (Если вы помните, это сделало тех мышей межвидовыми химерами).
Через 12 недель эти ученые создали всего лишь прекурсор стволовых клеток крови. Но второй команде удалось зайти дальше.
В Медицинском колледже Вайля Корнелла Шахин Рафий и его команда пропустили создание ИПС. Вместо этого они взяли клетки из кровеносных сосудов у взрослых мышей и ввели им четыре фактора транскрипции. Затем они переместили клетки в чашки Петри, оборудованные для воссоздания среды кровеносного сосуда человека.
Эти клетки трансформировались в стволовые клетки крови. Стволовые клетки из этого эксперимента были настолько мощными, что полностью излечили группу мышей, страдающих от низкого количества клеток крови из-за лучевой терапии.
Яблочные уши
В 2016 году канадский биофизик Эндрю Пеллинг и его команда из Университета Оттавы успешно вырастили ткани человека, используя яблоки. При помощи метода децеллюляризации они удалили существующие в яблоке клетки и остались с клеточными «лесами». Впрочем, именно эта целлюлоза наделяет яблоки их сочным хрустом.
Пеллинг и его команда вырезали кусочек яблока в форме уха и ввели в него клетки человека. Клетки заполнили структуру и создали ушную раковину (внешнюю часть уха).
Зачем был нужен этот эксперимент? Чтобы создать более дешевые имплантаты. По словам Пеллинга, с его лабораторным материалом также меньше возни, чем с обычными биологическими материалами, которые часто берут у животных или мертвых тел. Его метод также не ограничивается яблоками. Он пытается воспроизвести свои творения на лепестках цветов и других овощах.
Пенис кролика
В 2008 году доктор Энтони Атала из Института восстановительной медицины Уэйк-Форест заставил спариваться группу кроликов. Но это была не обычная группа кроликов. У всех самцов были выращенные в лаборатории пенисы. Эту идею Атала вынашивал и разрабатывал с 1992 года.
Из всех 12 созданных в лаборатории пенисов, все позволили кроликам спариваться. Восемь кроликов успешно эякулировали, а четверо – заимели потомство.
К 2014 году Атала и его команда создали шесть человеческих пенисов с надеждой получить одобрение FDA на пересадку людям. Ученые подвергли выращенные в лаборатории органы тщательным испытаниям, используя машину, растягивающую и сжимающую их, чтобы убедиться, что те выдержат повседневную нагрузку.
Группа ученых также настроила машины, чтобы те перекачивали жидкость по органам и приводили к эрекции. По состоянию на 2017 год пересадка этих органов людям пока не получила одобрения, но все еще впереди.
Влагалища
Доктор Энтони Атала и его команда также выращивали человеческие влагалища в своей лаборатории. Эти органы затем имплантировали четырем подросткам в Мексике, которые в результате редкого отклонения были рождены без них.
Чтобы создать эти органы, команда Аталы взяла небольшой образец кожи у каждой девочки. Затем они создали биоразлагаемые леса и внедрили в них клетки, выращенные на основе образцов тканей.
Первая из этих операций была проведена в 2005 году. Последующие наблюдения за женщинами не выявили долгосрочных осложнений, вызванных операцией. Все четыре женщины сообщили о нормальном сексуальном функционировании. Однако только две женщины имеют матки. Неясно, смогут ли остальные две вынести детей.
Мозговые шарики
Серджиу Паска из Стэнфордского университета выращивал мини-мозг в течение двух лет. Ученые называют его церебральным органоидом. Будучи всего 4 миллиметра в диаметре, этот небольшой комок ткани человеческого мозга был выращен в лаборатории из стволовых клеток. Взяв нужные гормоны, ученые смогли заставить ткань вырасти в структуру, которая практически полностью имитирует части мозга.
И знаете, каким было самое большое различие между обычной частью и ее миниатюрной версией?
Выращенные в лаборатории мозги не имели кровеносных сосудов или белых кровяных клеток и не следовали типичным этапам неврологического развития. Вместо того они переставали созревать в эквиваленте первого триместра человеческого развития.
В мозге есть не-нейронные клетки, называемые астроцитами, которые достигают полной зрелости в лабораторных органоидах. Астроциты являются вспомогательными клетками, которые создают и уменьшают связи между нейронами по мере необходимости. Они также создают связи с кровеносными сосудами, ведущими в мозг и из него, и играют важную роль в восприятии травм.