Созданное природой: площадь поверхности одного легкого у взрослого человека составляет около 70 квадратных метров, "упакованных" так, чтобы обеспечивать эффективный перенос кислорода и углекислого газа между кровью и воздухом. Однако ткань легкого трудно восстанавливать, и сейчас единственный способ заменить поврежденные участки органа - пересадка. Она сопряжена с высокими рисками отторжения органа и инфекции, поэтому через 10 лет после операции остаются в живых лишь 10-20% пациентов.
Группа ученых Йельского университета под руководством Лауры Никласон (Laura Niklason) вырастила в лаборатории клетки легкого и пересадила на "каркас" органа у взрослых крыс, где клетки действовали подобно настоящим. "Нам удалось разработать и изготовить пригодное для пересадки крысам легкое, эффективно переносящее кислород и углекислый газ и оксигенирующее гемоглобин в крови. Это один из первых шагов на пути к воссозданию целого легкого у более крупных животных и в конечном итоге у человека", - сказала Никласон, чьи слова приводит пресс-служба университета.
Группа Никласон удалила из легких взрослой крысы клеточные компоненты, оставив ветвистые структуры легочных путей и кровеносные сосуды, которые послужили "каркасом" для новых легких. Ученые в лабораторных условиях вырастили клетки легкого, используя новый биореактор, имитирующий процесс развития легких у эмбриона, и высадили на подготовленный "каркас".
Высаженные клетки заполнили внеклеточный матрикс - структуру ткани, обеспечивающую механическую поддержку и перенос веществ. Пересаженные крысам на 45-120 минут, эти искусственные легкие поглощали кислород и выводили углекислый газ подобно настоящим.
"Хотя это лишь первый шаг к конечной цели - созданию полностью функциональных легких в лабораторных условиях, наши результаты предполагают, что заполнение клетками легочной матрицы - технически осуществимая стратегия восстановления легкого", - пишут ученые в статье.
Сымитировать действие легкого, но уже в миниатюрном устройстве на основе микрочипа, также удалось Дональду Ингберу (Donald Ingber) из Гарвардского университета и его коллегам: устройство размером со стирательную резинку, по их мнению, может стать полезным инструментом для тестирования новых лекарств и решения других задач.
"Способность "легкого на чипе" поглощать наночастицы в воздухе и имитировать воспалительную реакцию на патогенных микробов представляет собой принципиальное доказательство того, что органы на микрочипах могут в будущем заменить лабораторных животных", - сказал Ингбер, которого цитирует пресс-служба Гарвардского университета.
Ученые смоделировали устройство стенки альвеолы, легочного пузырька, через который осуществляется газообмен с капиллярами. Для этого они высадили на синтетическую мембрану с одной стороны клетки эпителия из альвеол человеческого легкого, а с другой - клетки легочных сосудов. К клеткам легкого в устройстве подается воздух, к "сосудам" - жидкость, имитирующая кровь, а периодическое растяжение и сжатие передает процесс дыхания. Чтобы проверить, насколько хорошо устройство имитирует реакцию легких на различные воздействия, ученые заставили его "вдохнуть" бактерии группы кишечных палочек (Escherichia coli). Бактерии попали на "легочную" сторону с воздухом, и в то же время со стороны "сосудов" исследователи пустили в поток жидкости белые кровяные клетки. Клетки легкого обнаружили присутствие бактерии и запустили иммунный ответ: лейкоциты перешли через мембрану на другую сторону и уничтожили чужеродные организмы.
Ученые также добавили в воздух, "вдыхаемый" аппаратом, различные наночастицы, в том числе типичные загрязнители воздуха. Некоторые виды этих частиц попали в легочные клетки и вызвали воспаление, а многие свободно прошли в "кровоток". При этом ученые обнаружили, что механическое давление при дыхании существенно усиливает поглощение наночастиц, что их коллеге, Бенджамину Мэтьюсу (Benjamin Matthews), впоследствии удалось подтвердить в эксперименте на мышах.
"Возможность реалистично воссоздать как механическую, так и биологическую стороны процесса в живом организме - захватывающая инновация", - сказал коллега авторов исследования Рустем Исмагилов (Rustem Ismagilov) из университета Чикаго, которого цитирует пресс-служба.