Ученые выращивают в лаборатории мини-органы. С их помощью изучают, как вирус может повредить ткани легких, печени и почек, чтобы объяснить осложнения COVID-19 — The Nature

Автор:
Алла Кошляк
Редактор:
Евгений Спирин
Дата:

Каролина Ускакович / Артем Марков / «Бабель»

Ученые выращивают миниатюрные органы в лаборатории, чтобы изучить, как коронавирус может разрушать организм человека — в частности, легкие, печень, почки и кишечник. Исследователи экспериментируют с препаратами в этих мини-органах, чтобы найти действенные методы лечения. А еще — мини-органы дешевле и этичнее, чем тесты на животных. Пересказываем статью The Nature об этих опытах и их результатах.

Врачи, которые лечили больных коронавирусом, знают, что SARS-CoV-2 может разрушительно воздействовать на органы. Но пока неясно, вызван этот ущерб непосредственно вирусом или осложнениями во время инфекции. Ученые используют мини-органы, чтобы показать, как распространяется вирус внутри человека, какие клетки он заражает и какой вред наносит. Обычно для своей работы вирусологи берут клетки, выращенные в пробирке — это исследования in vitro. Но такой метод не всегда эффективен для SARS-CoV-2, потому что не позволяет имитировать, что происходит в организме. Выращенные в лаборатории мини-органы лучше демонстрируют, что вирус делает с тканями человека.

Мини-органы можно выращивать так, чтобы они включали клетки разных типов и могли принимать форму оригинального органа в течение нескольких недель. Они также дешевле, чем тесты на животных, и позволяют избежать этических проблем. Вместе с тем, в исследованиях SARS-CoV-2 на мини-органах есть ограничения, потому что они не отражают связей между органами, а это означает, что результаты все равно нужно подтверждать на животных и людях.

Для лабораторных исследований новых препаратов ученые используют крыс-альбиносов. Они хорошо изучены, их недорого содержать и у них небольшая продолжительность жизни.

Zero Creatives

Один из ключевых вопросов исследований на мини-органах: что SARS-CoV-2 делает с клетками дыхательной системы. Ученые из Японии вырастили мини-бронхи с четырьмя различными типами клеток. Заразив их коронавирусом, они обнаружили, что вирус нацелен на одни типы клеток и гораздо хуже проникает в другие. Из верхних дыхательных путей вирус может проникнуть в легкие и вызвать дыхательную недостаточность — серьезное осложнение COVID-19. Используя мини-легкие, биолог Шуйбин Чен из Нью-Йорка показала, что некоторые клетки умирают после заражения и что вирус вызывает выработку белков, которые могут вызвать массивный иммунный ответ. Многие люди с тяжелой формой COVID-19 испытывают шторм цитокинов, который может быть смертельным. Чен говорит, что ученым пока неизвестно, почему клетки легких пациентов умирают — от самого вируса или от реакции иммунитета на него.

Так выглядят легкие человека под микроскопом.

MaXPdia

Из легких SARS-CoV-2 может распространяться на другие органы, но было неясно, как именно, пока испанский биолог Нурия Монтсеррат и ее коллеги не опубликовали исследование в журнале Cell в мае. В экспериментах на мини-органах они показали, что SARS-CoV-2 может инфицировать эндотелий — клетки, выстилающие кровеносные сосуды. Это позволяет вирусным частицам проникать в кровь и циркулировать по организму. Отчеты о повреждениях кровеносных сосудов у людей с COVID-19 также подтверждают эту гипотезу, говорит Джозеф Пеннингер, генный инженер из Канады и соавтор исследования.

Исследования предполагают, что, попав в кровь, вирус может заразить сразу несколько органов, в том числе почки. Но исследователи пока не уверены, что именно это приводит к дисфункции почек у некоторых пациентов. Исследование мини-печени показало, что вирус может инфицировать и убивать клетки, которые способствуют выработке желчи — холангиоциты. Ранее считалось, что повреждение печени при COVID-19 вызвано сильным иммунным ответом или побочными эффектами лекарств, но работа биолога Бинга Чжао из Китая свидетельствует, что вирус может напрямую поражать ткани печени. Вирус может также размножаться в клетках, которые выстилают тонкую и толстую кишку. «Сейчас мы достаточно уверены, что вирус может инфицировать ткани вне легких и так влиять на развитие болезни», — говорит Пеннингер. Но более серьезные последствия, такие как поражение почек и сердца, вероятно, связаны с сочетанием вирусной инфекции и чрезмерного иммунного ответа, говорит он.

Приблизительный диаметр коронавируса: от 80 до 160 нанометров (нанометр — одна миллиардная часть метра).

BSIP / Contributor

Ученые также изучают, можно ли использовать мини-органы для моделирования реакции на лекарства. Они надеются тестировать потенциальные методы лечения COVID-19. «Многие клинические испытания были разработаны на основе знаний о других коронавирусах и начались без тщательной оценки, — говорит Чен. — В результате многие из них провалились». Чен проверила около 1 200 препаратов, одобренных Управлением по контролю за продуктами и лекарствами США, и обнаружила, что противораковое лекарственное средство иматиниб подавляет SARS-CoV-2 в мини-легких. С тех пор было начато несколько клинических испытаний этого препарата на людях с COVID-19.