Джин Стоун - В мире с животными. Новое понимание животных: как мы можем изменить нашу повседневную жизнь, чтобы помочь им

Ни одно живое существо не должно подвергаться жестоким испытаниям — возможно, это самый важный урок, который мы извлекли из тысячелетних опытов на животных. Именно поэтому ученые разработали новые технологии, чтобы точно и безопасно для любого организма тестировать химические вещества и лекарственные препараты, не подвергая риску человеческую жизнь. Остановимся ниже лишь на некоторых.

Когда мы слышим термин in vitro {29} , нам почему-то сразу представляется клиника репродукции и супружеская пара, желающая зачать ребенка в пробирке. Подобно тому как ученые могут выращивать эмбрион вне материнского лона, оплодотворяя яйцеклетку спермой в чашке Петри, таким же образом они культивируют человеческие клетки в контролируемых лабораторных условиях. (Культивирование — обеспечение клетки питательной средой и другими условиями, которые подталкивают ее к делению и воспроизведению идентичных копий самой себя.) Затем культивированные человеческие клетки можно исследовать и применять в научных целях. В лабораториях используют существующие линии клеток с одним и тем же генетическим материалом; новые клетки, изъятые из стерилизованных тканей, полученных от волонтеров; клетки, оставшиеся от хирургических манипуляций и биопсий.

Помимо изъятых из определенных органов или тканей клеток исследователи используют стволовые клетки, которые способны делиться и развиваться в различные типы клеток тела. Индуцированные плюрипотентные стволовые клетки — сверхмощные взрослые стволовые клетки, которые могут «перепрограммироваться», возвращаясь к эмбриональному состоянию, а затем превращаться в нужный тип клеток. Ученые научились выращивать клеточные образцы из человеческой кожи, сердца, легких, желудка и других органов. Это позволяет им изучать картину болезни и воздействие лекарственных препаратов, не причиняя боли животным и не подвергая их жизни риску. Лабораторные исследования in vitro уже привели к серьезным достижениям в понимании и лечении злокачественных опухолей.

Другой передовой метод in vitro использует кластеры запрограммированных стволовых клеток для выращивания «зачатков» искусственных органов — органоидов. Они представляют собой жизнеспособные полноценные миниатюрные внутренние органы человека: печень, сердце, легкие, мочевой пузырь, почки и другие — все они получены из клеток, содержащихся в особом геле, в условиях, аналогичных тем, при которых органы развиваются внутри человеческого организма. Их даже можно распечатывать на 3D-принтере. В Институте регенеративной медицины Уэйк-Форест в 2015 году ученые распечатали бьющееся сердце {30} . Органоиды структурированы и функционируют как настоящие органы, только на значительно более упрощенном уровне, и способны работать месяцами. Их можно использовать для изучения болезней и тестирования лекарственных препаратов. Ученые возлагают большие надежды на применение органоидов в фундаментальных исследованиях — например, миниатюрную почку, выращенную из клеток почки больного, можно сравнивать с миниатюрной почкой, выращенной из здоровых клеток. В скором времени органоиды будут использовать в персонализированной медицине, чтобы проверить, как человек будет реагировать на определенное лечение.

Трехмерные ткани могут быть выращены из человеческих клеток, изъятых во время операции или даже взятых из трупа. Появились компании, поставляющие на медицинский рынок кожные, глазные, дыхательные, кишечные, ротовые, вагинальные ткани здоровых и умерших доноров. Это, например, компания Epithelix Sàrl или корпорация MatTek, которая финансируется Международным научным консорциумом PETA (People for the Ethical Treatment of Animals — «Люди за этичное обращение с животными»). Трехмерные ткани можно использовать для научных исследований, разработки препаратов или тестирования продуктов по требованию государственных учреждений. Например, такие кожные и глазные образцы соответствуют международным нормам тестирования, которое ранее проводилось на кроликах. Эти ткани также применимы для исследования реакций на препараты, изучения метаболизма, процессов воспаления и фиброза.

Ученые создали модели органов на чипе, которые точнее имитируют внутренние органы человека и позволяют изучать вероятные реакции в естественной среде. Эти гибкие пластиковые устройства размером со спичечный коробок содержат микроканалы, заполненные циркулирующей жидкостью, похожей на кровь, и выложены живыми клетками, которые имитируют поведение настоящих тканей и работу органов. Таким образом, орган на чипе может имитировать химические и физиологические реакции, которые ученые наблюдают у человеческого организма в ответ на возбудитель инфекции или ген, на пищу или лекарства. Органы на чипе позволяют ученым воссоздавать ситуацию болезни. Уже созданы органы на чипе для почек, костей, глаз, мозга и многих других внутренних органов.

Этот очень смелый проект сейчас находится на стадии разработки. Управление по контролю качества пищевых продуктов и лекарственных средств, Национальные институты здравоохранения и Управление перспективных исследовательских проектов Министерства обороны США совместно работают над созданием искусственного человека на чипе. Это уже не киборг, а скорее «живой» аппарат. Идея состоит в том, чтобы интегрировать десять различных трехмерных органоидов, напечатанных на 3D-принтере, с цифровым оборудованием для создания замкнутой системы, которая будет функционировать как человеческое тело, имитируя кровообращение, дыхание, пищеварение и так далее. (На сегодня ученые смогли связать для одновременного функционирования лишь несколько миниатюрных органов.) Человек на чипе сможет стать революционным прорывом в изучении болезней, тестировании токсичности и других медицинских исследованиях.

Компьютерное моделирование. Современные многопользовательские видеоигры могут воссоздавать онлайн-миры. Так и компьютерное моделирование позволяет ученым экспериментировать с цифровыми визуализациями и другими образными представлениями биологии человека. Исследователи смогут задаваться вопросом «что, если» и испытывать все варианты в самых разных условиях, даже не выходя из своих кабинетов. С помощью компьютерных симуляций можно моделировать воздействие лекарств на раковые клетки, изучать работу сердца и анализировать воздействие на тело человека таких заболеваний, как гепатит С.

Биоинформатика. Эта область науки интегрирует достижения математики, компьютерной и технической наук для сбора и изучения биологических данных. Из огромного количества записей о химических соединениях, лекарственных препаратах и пациентах ученые могут создавать большие базы данных или использовать уже существующие, а затем сохранять эти данные в централизованных компьютерах. С помощью мощных программ они могут извлекать и обрабатывать информацию, которая помогает им выявлять закономерности, связанные с лекарственным риском, побочными эффектами и откликом на лечение.