Биоинженеры научились у природы выращивать искусственную почку с нуля

Соленая еда, алкоголь, малоподвижный образ жизни и прочие факторы сделали свое черное дело — каждый десятый житель современного мира страдает хроническим заболеванием почек. Этот важнейший орган, сыгравший, как полагают, не последнюю роль в выходе наших далеких предков на сушу, не способен к регенерации. И потому у многих больных есть только два выхода: регулярный диализ или трансплантация, которой можно ждать годами.

Ученые всего мира бьются над выращиванием искусственной почки из стволовых клеток. Но у нее такое сложное устройство, что до сих пор эта амбициозная задача оставалась нерешаемой.

В значительной мере в этом направлении продвинулась лаборатория Алекса Хьюза при факультете инженерии и прикладных наук Пенсильванского университета. Исследование на эту тему вышло на страницах Nature Materials.

Чтобы вырастить искусственную почку, сначала нужно понять, как ее строит природа. Это сложнее, чем кажется. Сердце и кровеносная система каждого человека выглядят более или менее схожими, но нет двух пар почек, которые были бы абсолютно одинаковыми.

Достаточно сказать, что количество нефронов — структурно-функциональных единиц почки — у разных людей может отличаться в девять раз. И чем их меньше — тем выше риск развития заболевания выделительной системы.

Долгое время механизмы, управляющие этим процессом ветвления канальцев и образованием нефронов, были недостаточно изучены.

«Это похоже на городскую сеть водоснабжения. Но она строится этими клетками, которые каким-то образом коллективно знают, что строить, где находятся их соседи и какие соединения делать — и все это без какого-либо плана», — объяснил Хьюз.

В экспериментах на мышах он и его коллеги обнаружили потенциальный регулятор роста почек — это слабые механические волны напряжения, которые возникают, когда плотно упакованные почечные канальцы сталкиваются друг с другом.

«Представьте, что вы находитесь в лифте, который уже забит людьми. Если туда продолжат входить, это создаст механическое напряжение — люди буквально будут толкаться локтями», — сравнил ученый.

Другими словами, у почки нет генерального плана развития. Ее канальцы растут и разветвляются, сталкиваясь друг с другом, и в каждом случае их пространственная организация — это импровизация.

Между тем она имеет критическое значение для правильной работы органа. Именно поэтому до сих пор органоиды почечной ткани не имеют никакого практического значения — из-за неправильного ветвления канальцев они не способны к фильтрации.

Усложняет ситуацию необходимость по меньшей мере трех различных типов стволовых клеток для почек: один для канальцев, один для нефронов и один для поддерживающих структур, таких как кровеносные сосуды (для выращивания кишки, к примеру, достаточно одного вида).

Биоинженеры во главе с Хьюзом придумали раскладывать крошечные сообщества различных типов клеток в микролунки наподобие мозаики. Получившийся результат исследователи называют «дизайнерскими органоидами».

В конечном итоге они намерены совместить обе свои идеи и научиться выращивать пригодные к трансплантации почки, чтобы раз и навсегда решить проблему нехватки донорских органов.