Культура органов — это выращивание целых органов или частей органов in vitro . [1] Это развитие методов исследования культуры тканей , поскольку использование самого органа in vitro позволяет более точно моделировать функции органа в различных состояниях и условиях. [2]
Ключевой целью культивирования органов является сохранение архитектуры ткани и направление ее к нормальному развитию. В этой технике важно, чтобы ткань никогда не была нарушена или повреждена. Поэтому она требует осторожного обращения. Среды, используемые для выращивания культуры органов, как правило, те же, что и для культивирования тканей. Методы культивирования органов можно разделить на (i) те, которые используют твердую среду, и (ii) те, которые используют жидкую среду.
Технология культивирования органов способствовала прогрессу в области эмбриологии , [3] воспалительных заболеваний , рака и исследований биологии стволовых клеток . [2]
В апреле 2006 года ученые сообщили об успешном испытании семи мочевых пузырей, выращенных in vitro и переданных людям. [4] [5] Мочевой пузырь был выращен Энтони Аталой из Института регенеративной медицины Уэйк Форест в Уинстон-Сейлеме, Северная Каролина. Челюстная кость была выращена в Колумбийском университете, легкое было выращено в Йельском университете. Бьющееся сердце крысы было выращено Дорис Тейлор в Университете Миннесоты. Искусственная почка была выращена Х. Дэвидом Хьюмсом в Университете Мичигана. [6]
Шелк, вырезанный из коконов шелкопряда, успешно использовался в качестве каркаса для роста при производстве сердечной ткани. Сердечная ткань не восстанавливается при повреждении, поэтому создание замещающих заплат представляет большой интерес. В эксперименте использовались клетки сердца крысы и производилась функциональная сердечная ткань. Для дальнейшего тестирования применения на людях в качестве лечения необходимо найти способ преобразования человеческих стволовых клеток в сердечную ткань. [7]
В 2015 году Харальд Отт смог вырастить переднюю конечность крысы. [8] Сейчас он работает в лаборатории Отта, которая занимается созданием биоискусственных сердец, легких, трахей и почек. [9]
В 2016 году был проведен еще один тест, в котором человеческие клетки использовались для сборки сложно структурированных сердец. В конечном итоге сердца оказались незрелыми, но доказали, что мы еще на один шаг приблизились к созданию сердца из стволовых клеток. [10] [11]
В январе 2017 года ученым из Института биологических исследований Солка удалось создать эмбрион свиньи, у которого была вырезана часть ДНК, критически важная для роста органов. Затем они ввели человеческие стволовые клетки внутрь эмбриона свиньи, чтобы человеческая ДНК заполнила пробелы. [12] [13]
Эмбриональная органная культура является более простой альтернативой обычной органной культуре, полученной от взрослых животных. Ниже приведены четыре метода, используемые для эмбриональной органной культуры.
Ниже приведены общие этапы культивирования органов на плазменных сгустках.
В настоящее время эта техника модифицирована, и используется плот из линзовой бумаги или вискозной сетки, на которую помещается ткань. Затем можно легко перенести ткань с помощью плота. Избыток жидкости удаляется, а сетка с тканью снова помещается на свежий пул среды.
Среды, затвердевшие с агаром , также используются для культивирования органов, и эти среды состоят из 7 частей 1% агара в BSS, 3 частей экстракта куриного эмбриона и 3 частей лошадиной сыворотки. Определенные среды с сывороткой или без нее также используются с агаром. Среда с агаром обеспечивает механическую поддержку для культивирования органов. Она не разжижается. Эмбриональные органы обычно хорошо растут на агаре, но культура взрослых органов не выживет на этой среде.
Культивирование взрослых органов или частей взрослых животных более затруднено из-за их большей потребности в кислороде . Различные взрослые органы (например, печень ) культивировались с использованием специальных сред с использованием специального оборудования (культуральная камера Тауэлла II). Поскольку сыворотка оказалась токсичной, использовались среды без сыворотки, а специальное оборудование позволяло использовать 95% кислорода.
При этом подходе эксплантат помещается на плот из линзовой бумаги или ацетата вискозы, который плавает на сыворотке в часовом стекле. Плоты из ацетата вискозы плавают на сыворотке, обрабатывая их 4 угла силиконом.
Аналогично, плавучесть линзовой бумаги улучшается при обработке ее силиконом. На каждом плоту обычно размещают 4 или более эксплантатов.
В сочетании методов плота и сгустка экспланты сначала помещаются на подходящий плот, который затем удерживается на плазменном сгустке. Эта модификация упрощает смену среды и предотвращает погружение эксплантов в разжиженную плазму.
Первоначально разработанный Троуэллом в 1954 году, метод сетки предполагает использование кусков подходящей проволочной сетки размером 25 мм x 25 мм или перфорированного листа нержавеющей стали, края которых загнуты так, чтобы образовать 4 ножки высотой около 4 мм.
Скелетные ткани обычно размещаются непосредственно на сетке, а более мягкие ткани, такие как железы или кожа, сначала размещаются на плотах, которые затем удерживаются на сетках.
Сами сетки помещаются в культуральную камеру, заполненную жидкой средой до сетки; камера снабжается смесью O 2 и CO 2 для удовлетворения высоких потребностей в O 2 органов взрослых млекопитающих. Модификация оригинального метода сеток широко используется для изучения роста и дифференциации взрослых и эмбриональных тканей.
Культивированные органы могут быть альтернативой органам от других (живых или умерших) людей. Это полезно, поскольку доступность трансплантируемых органов (полученных от других людей) снижается в развитых странах. Еще одним преимуществом является то, что культивированные органы, созданные с использованием собственных стволовых клеток пациента, позволяют проводить трансплантацию органов, когда пациенту больше не требуются иммунодепрессанты . [14]