Хотите заглянуть внутрь себя? С прозрачными органами, вы сможете

Исследователи сделали человеческие органы прозрачными. Ослепительные трехмерные карты могут однажды привести к органам, сделанным в лаборатории.

На изображении выше прозрачная человеческая почка, окрашенная, чтобы были видны сосуды. Новая технология создает невероятно подробные 3D карты органов. 

В статье, опубликованной недавно в журнале Cell , Али Эртюрк, директор Мюнхенского института тканевой инженерии и регенеративной медицины им. Гельмгольца и его коллеги подробно рассказывают, как они обращались с человеческими органами, чтобы сделать их прозрачными. Затем, добавляя специальные красители к прозрачным органам, они могут наносить на карту почки, глаза и мозг на клеточном уровне, что может однажды помочь ученым в 3D-печати этих органов.

ВИДЕО: HELMHOLTZ ZENTRUM MÜNCHEN / ERTÜRK LAB

Конечно, вам не нужно делать мозг прозрачным, чтобы видеть его внутри. МРТ может детально изобразить внутреннюю часть мозга, а функциональная МРТ измеряет активность мозга, наблюдая за кровотоком. Но чтобы понять, что происходит на клеточном уровне, обычно вам придется разрезать мозг, повреждая его. Прелесть этой новой техники заключается в том, что исследователи могут сохранить прозрачный орган полностью неповрежденным, в то же время всматриваясь в него глубоко, глядя прямо на клеточный уровень. Они могут изобразить сети крошечных кровеносных сосудов, не нарушенных в их естественном расположении. Например, в почках они могут видеть пучки мелких капилляров, известных как структуры клубочков, которые помогают фильтровать мочу.

Возможно, вы уже видели предыдущую работу Эртюрка, делающую мышей прозрачными для изучения того, как они реагируют на травмы. (Мертвые мыши, чтобы было ясно). Работая с человеческими органами, команда столкнулась с проблемой: скованность. Мышам, которых они использовали в предыдущем эксперименте, было всего несколько месяцев, поэтому их ткани были мягкими, что позволяло химикатам проникать в них. Человеческие органы, с которыми им приходилось работать, были от гораздо более старых людей, и они накопили скопления жестких молекул, таких как коллаген, за долгие годы.

«Мы должны были как-то найти способ ослабить эту жесткость», – говорит Эртюрк. «Цвиттер-ионное моющее средство под названием CHAPS, могло проникать через эти жесткие молекулы и образовывать небольшие каналы».

Затем команда могла обезвоживать орган спиртом и удалять липиды или жиры, используя растворитель дихлорметан (который также используется для удаления кофеина из кофе). Поскольку этот процесс влечет за собой удаление такого большого количества материала, каждый орган также предварительно обрабатывали параформальдегидом, чтобы он не разлагался и не разрушался во время процесса. «Так что все зафиксировано во времени и пространстве», – говорит Эртюрк.

Когда его жир и вода исчезла, орган становился прозрачным. Что круто, но не особо полезно само по себе. Чтобы по-настоящему наметить структуру органа, команде пришлось добавить красители для освещения таких структур, как капилляры в 3D. Красители могут проникать глубоко в орган, потому что моющее средство CHAPS уже выкопало эти маленькие каналы повсюду. Они использовали специальный флуоресцентный краситель, который, основываясь на его химии, притягивался к определенной части органа, скажем, к стенкам сосудов, и прилипал к ним. Затем, сканируя орган с помощью лазерного микроскопа, исследователи могли детально осветить сложные структуры органа.

Получающиеся в результате сотовые 3D-карты необычайно красивы, но потенциально также полезны для однодневной 3D-печати органов. «Итак, мы знаем математически, что значит стать почкой?» говорит Эртюрк. «У нас есть формула, которую мы могли бы использовать для восстановления всей почки. Так что это главная мечта, к которой мы стремимся».

Это было бы мечтой для многих, многих людей во всем мире: в одних только США более 100 000 человек в любой момент времени ожидают донора органов, и 20 человек умирают каждый день, потому что орган не поступил. В будущем можно будет сделать органы более доступными и избежать осложнений при пересадке от человека к человеку, например, когда тело получателя отвергает трансплантированный орган.

Однако основной проблемой выращивания органов в лаборатории является васкуляризация или обеспечение всех частей органа кровью, необходимой для выживания. Эта новая техника для прозрачных органов как раз и отображает каждую частичку почки, показывая, как этот орган васкуляризируется, как это было бы в человеческом теле. И это может помочь создать 3D-печатные органы, которые будут иметь сосудистую сеть и кровоснабжение, необходимые для выживания в реальном человеческом теле.

До этого момента визуализация органа была кропотливым и довольно разрушительным процессом. Один из методов – нарезать сверхтонкие кусочки органа, взять изображение каждого среза и сложить эти изображения, чтобы восстановить структуру. «Но вы можете себе представить, что когда вы режете, вы на самом деле разрушаете структуру», – говорит биоинженер Университета Райса Джордан Миллер, который не участвовал в этой новой работе. 

Миллер и другие работают над тем, чтобы лучше понять чрезвычайно сложную структуру органов, чтобы воспроизвести эту сложность в искусственных органах. В конце концов, если вы скопируете структуру, вы можете получить ту же функцию. «В известной вселенной нет таких сложных структур, как те, которые есть у нас внутри тела», – говорит Миллер. «Так что это просто невероятный вызов. И нам действительно нужны такие технологии, которые позволят нам получить больше информации о том, как устроены наши тела».

Вас также может заинтересовать:

3D-печать тканеподобных сосудистых структур

10 технологий, которые формируют медицину будущего