Ученые создали легочный каркас из кровеносных сосудов

Болезни легких являются третьей из десяти главных причин смерти во всем мире. Ученые непрерывно ведут разработки новых методов восстановления легочной ткани, а также для увеличения доступности донорских легких, но их работа осложняется чрезвычайной сложностью строения легкого. И сейчас ученые впервые смогли создать работающие легкие со здоровой сосудистой системой.

Усилия по созданию биоинженерного функционального легкого из децеллюлярного или синтетического каркаса, который не имеют функциональной сосудистой сети, до сих пор были безуспешными.

Команда ученых из Медицинского центра Колумбийского университета (Columbia University Medical Center, New York) во главе с профессорами Горданой Вуньяк-Новакович (Gordana Vunjak-Novakovic) и Валерио Доррелло (Valerio Dorrello) впервые в мире получили функциональное легкое с перфузируемой и здоровой сосудистой системой у грызунов ex vivo. Их новый подход, который позволяет удалить легочный эпителий, сохраняя жизнеспособность и функцию сосудистой сети и матрицы легких, опубликован в Science Advances.

Разрушить больные легкие, чтобы вырастить здоровые

За последние семь лет нескольким исследовательским группам удалось полностью разрушить легкие для создания каркаса биоинженерных легких с надлежащей архитектурой и жесткостью, которые могут быть повторно заселены вновь введенными клетками легочной ткани, выращенными из плюрипотентных стволовых клеток. Чтобы восстановить функциональное легкое из этого бесклеточного каркаса, исследователи должны регенерировать как эпителиальные поверхности в дыхательных путях, так и эндотелиальную оболочку сосудистой сети. Интактная сосудистая сеть, отсутствующая в этих структурах, имеет решающее значение не только для поддержания баланса газов в крови и обеспечения функциональности трансплантата, но также для поддержки клеток, введенных для регенерации легкого. Это оказалось непростой задачей.

«Мы разработали радикально новый подход к биоинженерии легких, — говорит Вуняк-Новакович, которая руководит лабораторией стволовых клеток и тканевой инженерии. «Мы полагали, что идеальный легочный каркас должен состоять из перфузирующей здоровой сосудистой системы, поэтому мы разработали метод, который сохраняет полностью функциональную васкулярную систему, в то время как дефектная эпителиальная оболочка дыхательных путей полностью удаляется, а затем заменятся введенными извне здоровыми клетками. Замена легочного эпителия бывает жизненно необходима, так как большинство заболеваний легких вызывается именно дефектами эпителиальных тканей».

Сосудистый каркас — основа для новой легочной ткани

Важность открытия американских ученых заключается в сохранении сосудистой сети, а также других поддерживающих типов клеток, таких как фибробласты, миоциты, хондроциты и перициты. Наращивание эпителиальной легочной ткани на функциональный сосудистый каркас — технически вполне выполнимая задача.

«Каждый день я вижу реанимации детей с тяжелыми заболеваниями легких, жизнь которых зависят от механической вентиляции. Подход, который мы разработали, может привести к совершенно новым методам лечения этих пациентов: мы сможем заменять поврежденный эпителий на здоровый, сохраняя в неприкосновенности сосудистый каркас легкого», — говорит профессор Доррелло, один из авторов исследования.

Этот метод открывает совершенно новые перспективы для лечения терминальных стадий легочных заболеваний, которые ранее могли быть излечены только трансплантацией донорского органа.

Проблемы трансплантации донорских легких

К сожалению, донорских легких намного меньше, чем желающих его получить, кроме того, не менее 20% донорских легких оказываются непригодными для трансплантации. Это делает безнадежными перспективы огромного количества больных легочными заболеваниями, которые умирают, так и не дождавшись донорского органа.

Эксперты считают, что методика ученых из Колумбийского университета позволит лечить и регенерировать легкие при помощи генной или клеточной терапии на ранних стадиях заболевания, тем самым замедляя его прогрессирование и в конечном итоге помогая избежать трансплантации. Кроме того, аналогичным способом можно подготовить для трансплантации и те донорские легкие, которые раньше считались непригодными для пересадки.

Разработки продолжаются

Исследование было поддержано новым семилетним грантом в размере 8,2 миллиона долларов от Национального института здоровья (National Institutes of Health), который фокусируется на моделировании, патогенезе и лечении идиопатического фиброза легких. Команда ученых уже начала применение этой модели регенерации легких для лечения легких человека ex vivo. «Это важный шаг вперед в биоинженерии легких», — говорит Вуняк-Новакович. «Создание деэпителизированных целых легких с функциональной сосудистой системой может открыть новые рубежи в биоинженерии и регенеративной медицине легких».

Ученые уже умеют выращивать легкие человека в лаборатории

Напомним, что еще в 2014 году был разработан метод терапии стволовыми клетками для преодоления отторжения при трансплантации донорского легкого. В том же году был опубликован доклад об успешном выращивании человеческого легкого в лабораторных условиях. Ученые из Техасского университета взяли как исходный материал легкие двух детей, которые умерли в результате автомобильной аварии. Эти легкие избавили от клеток методом «децеллюризации». Остался «скелет», состоящий из коллагена и эластина — основных белков соединительной ткани. Этот легочный скелет послужил каркасом (специалисты называют его скаффолдом), который засеяли стволовыми клетками. Затем орган поместили в биореактор с питательной и кислородсодержащей средой.

Через четыре недели из реактора достали полностью сформированные человеческие легкие, которые были очень похожи на настоящие, только более розовые и менее плотные. Проблемой оставалась васкуляризация органа, которая бы позволила сохранять жизнеспособность и функциональность органа вне биореактора. Выращенные легкие без сосудистой сети не могли выполнять свою функцию.

Эксперимент по выращиванию здоровой легочной ткани на сохраненной сосудистой структуре, уже прошедший испытание на крысах — принципиально новый метод, который позволяет обойти трудности васкуляризации готового легкого, выращенного в биореакторе. Испытание этого метода на человеке — следующий шаг на пути, который рано или поздно сможет привести к полной победе над ХОБЛ.