Alexui Hughesui, „Penn Engineering“ bioinžinerijos ir „Penn Medicine“ ląstelių ir vystymosi biologijos profesoriaus asistentui, inkstai yra meno kūrinys. „Manau, kad inkstų vystymasis yra tikrai gražus procesas,” sako Hughesas.
Dauguma žmonių mato organą tik skerspjūvyje, vadovėliuose arba vidurinės mokyklos biologijos pamokose išpjaustydami gyvūnų inkstus: pupelės formos pjūvį su daugybe mažyčių vamzdelių. „Manau, kad tai tikrai neįvertina, kokia nuostabi yra struktūra,” sako Hughesas, kuris nurodo, kad inkstai gimdoje auga kaip vamzdžių miškai, šakojasi eksponentiškai.
Inkstų ritmas
Tankiai užpildyti kanalėliais, susitelkę į vienetus, vadinamus nefronais, inkstai valo kraują, palaiko kūno skysčių ir elektrolitų pusiausvyrą, taip pat reguliuoja kraujospūdį. Vargonai suvaidino lemiamą vaidmenį iš vandenyno kylant stuburiniams gyvūnams: kaip rašoma viename dokumente, inkstai išsaugo mūsų visų pirmapradį vandenyną.
Deja, šiuolaikiniame pasaulyje inkstai kovoja. Per daug sūrus maistas, antsvoris, nepakankamas fizinis aktyvumas, per didelis gėrimas ir rūkymas – visa tai gali padidinti kraujospūdį, o tai kenkia inkstų smulkioms kraujagyslėms, kaip ir diabetas.
Kai kuriais atvejais inkstų nefronų pažeidimą galima sulėtinti keičiant gyvenimo būdą, tačiau, skirtingai nei kepenys, kaulai ir oda, kurie gali atauginti pažeistus audinius, inkstų gebėjimas atsinaujinti yra ribotas. Šiuo metu be transplantacijos nefronai, kuriuos turime gimdami, turi išlikti visą gyvenimą.
Lėtinės inkstų ligos našta
Šiandien vienas iš 10 žmonių visame pasaulyje – iš viso daugiau nei 850 milijonų, įskaitant daugiau nei vieną iš septynių amerikiečių – serga lėtine inkstų liga arba CKD. Iš pradžių sunku nustatyti būklę.
Pasak Ligų kontrolės centrų, net 90% amerikiečių, sergančių CKD, visiškai nežino apie šią būklę. Liga taip pat progresuojanti ir nepagydoma. Manoma, kad iki 2040 m. ŠKL bus penkta pagal dažnumą pasaulyje prarastų gyvenimo metų priežastis.
Galų gale, CKD sukelia inkstų nepakankamumą, o tada yra tik du gydymo būdai: dializė, kuri kainuoja dešimtis tūkstančių dolerių per metus, dažnai sukelia skausmą ir reikalauja, kad pacientai kiekvieną savaitę valandų valandas praleistų prijungti prie aparatų, filtruojančių kraują, arba inkstų transplantacija. Naujo inksto laukiančiųjų sąrašas Jungtinėse Valstijose yra maždaug 100 000 žmonių ir trunka nuo trejų iki penkerių metų.
Net jei visi šiandien gimę žmonės laikytųsi sveikesnio gyvenimo būdo, milijonai žmonių vis tiek sirgtų šia liga. Dažniausiai pasitaikantys prenataliniai vystymosi sutrikimai yra susiję su inkstais ir šlapimo takais, kurie kasmet paveikia 2% visų gimimų arba beveik tris milijonus kūdikių. „Yra didžiulė inkstų ligos klinikinė našta,” sako Hughesas. „O inžinierių, bandančių sugalvoti naujus sprendimus, yra palyginti nedaug.”
Tuo tikslu Hughes Lab daugiausia dėmesio skiria inkstų vystymosi mechanizmams išaiškinti ir naudojant šias įžvalgas inkstų audiniams sukurti nuo nulio, o tai gali sumažinti dializės ir transplantacijos poreikį. „Manau, kad yra tiesiog didžiulė galimybė pagalvoti apie sintetinį inkstų audinių atkūrimą regeneracinei medicinai,” sako Hughesas.
Pastatas be projekto
Norėdami užsiauginti dirbtinius inkstus, tokie tyrinėtojai kaip Hughesas pirmiausia turi suprasti, kaip gamta kuria organą. Tai sunkiau nei skamba. Visų širdis ir kraujotakos sistema atrodo daugiau ar mažiau vienodai, tačiau nėra dviejų vienodų inkstų porų.
Inkstai formuojasi kaip jų kanalėlių šakos – kintamas procesas, dėl kurio kai kurių žmonių inkstuose yra devynis kartus daugiau nefronų nei kitų – ir galbūt daug kartų daugiau filtravimo galios ir gyvenimo trukmės.
„Turime daug nefronų,” Hughesas atkreipia dėmesį į mažytį funkcinį inkstų vienetą. „Jei turite mažiau nefronų, ar tai reiškia, kad turite didesnę lėtinės inkstų ligos tikimybę? Atrodo, kad tyrimai tai patvirtina.”
Mechanizmai, valdantys tą šakojimosi procesą ir nefrono susidarymą, jau seniai buvo menkai suprantami. „Tai tarsi miesto vandens paskirstymo tinklas,” sako Hughesas, „bet tai stato šios ląstelės, kurios kažkaip kolektyviai žino, ką statyti, kur yra jų kaimynai ir kokias sankryžas daryti, visa tai be plano.”
Įtrauktame popieriuje Gamtos medžiagosHughesas ir jo laboratorija atrado galimą inkstų augimo reguliatorių: mažytes mechaninio įtempimo bangas, atsirandančias tankiai susikaupusiems inkstų kanalėliams susitrenkus vienas į kitą.
„Įsivaizduokite, kad esate lifte, o liftas jau pilnas žmonių,” sako Hughesas. „Jei nuolat pridėsite žmonių, tai sukurs mechaninį įtampą – tiesiogine prasme atstumsite žmones alkūnėmis.”
Hughesas ir jo bendradarbiai, įskaitant pirmuosius autorius Louisą Prahlą, Hughes laboratorijos doktorantą, Jiageng Liu, bioinžinerijos doktorantą ir Johną Viola, bioinžinerijos mokslų daktarą. absolventas – kruopščiai išanalizavo mikroskopinius besivystančių gyvūnų inkstų vaizdus skirtingu metu, kad nustatytų jų geometriją, ir prispaudė prie organų nedideliais įrankiais, kad išmatuotų jų standumą.
Kuo griežčiau supakuoti kanalėliai, o tai laikui bėgant didėja, tuo audinys standesnis. Tęsiant kanalėlių išsišakojimą, jie nustatė, kad kiekviena papildoma šaka sukėlė mechaninio įtempimo impulsą, kuris, komandos nuomone, gali būti vienas iš nefrono formavimosi signalų.
Hugheso grupė padarė išvadą, kad kiekvienas kanalėlis iš esmės konkuruoja dėl vietos su savo kaimynais. Kitaip tariant, nėra jokio pagrindinio plano, kurio inkstai laikosi, ir tai padėtų paaiškinti, kodėl nefronų skaičius brandžiuose inkstuose kiekvienam žmogui skiriasi. Išvada rodo, kad inkstų vystymasis yra kažkas panašaus į improvizuotą šokį, kai kiekvienas kanalėlis reaguoja į savo kaimynų prisilietimą.
„Hughes Lab“ sukurtuose vaizdo įrašuose, skirtuose procesui vizualizuoti, vienas po kito susidaro gretimi nefronai, tarsi jie sektų ritmą. „Tai vis dar hipotezė,” priduria Hughesas, „tačiau manome, kad aplink šiuos kanalėlius esančios kamieninės ląstelės veiksmingai įsiklauso į šias mechaninio įtempimo bangas, kurios padeda priimti sprendimą, kada formuoti nefroną, o kada ne.”
Jei mokslininkai gali imituoti šį ritmą, jie galėtų vadovauti dirbtinių inkstų vystymuisi, o tai būtų didžiulis šuolis į priekį gydant CKD.
Tinkami ingredientai
Šiuo metu dirbtinis inkstų audinys – ląstelių grupių, žinomų kaip organoidai, pavidalu – toli gražu nėra klinikinis naudingumas. Nors normalūs inkstai apima sutvarkytą skirtingų tipų ląstelių rinkinį, organoidai paprastai susidaro kaip chaotiška ląstelių masė netinkamose vietose. „Galite sukurti tinkamus ląstelių tipus,” sako Hughesas, „bet jų erdvinė organizacija dažniausiai yra neteisinga.”
Inkstų erdvinė struktūra yra labai svarbi – vandens filtravimo įrenginys negali veikti, jei vamzdžiai nesutampa. Deja, organoidų kanalėliai paprastai nepakankamai šakojasi ir nesugeba nutekėti į vieną išėjimo tašką. Kitaip tariant, jie negali atlikti svarbiausių inkstų funkcijų: filtruoti atliekas iš kraujo ir užtikrinti, kad atliekos pasišalintų iš organizmo.
„Reikia daug inžinerinių naujovių, kaip nukreipti šiuos audinius, kad jie būtų gyvesni,” sako Hughesas.
Dalis problemos yra ta, kad inkstų organoidams reikia mažiausiai trijų skirtingų tipų kamieninių ląstelių: vienos kanalėliams, vienos nefronams ir kitos atraminėms struktūroms, tokioms kaip kraujagyslės. Kitaip nei, tarkime, žarnyno organoidai, kurie modeliuoja žarnyno audinį ir gali būti išauginti iš vieno tipo kamieninių ląstelių, inkstų organoidai iš esmės yra sudėtingesni.
Antrame naujausiame dokumente, in Ląstelių sistemosHughes Lab pasiūlė naują sprendimą: sukurti mažas įvairių ląstelių tipų bendruomenes, išmargintas mozaika. Reguliuodami kiekvieno kamieninių ląstelių tipo santykius, mokslininkai galėjo paveikti organoido sudėtį.
Hughesas ir jo bendraautoriai – pirmoji autorė Catherine Porter ir Samuelis Grindelis, abu bioinžinerijos doktorantai, ir Grace Qian, 2023 m. bioinžinerijos absolventė ir dabartinė Kalifornijos Berklio ir Kalifornijos San Francisko universiteto doktorantė – sukūrė pritaikytus mikrošulinukus. kurioje jie augino įvairius įvairių inkstų kamieninių ląstelių derinius, beveik kaip kepėjai, bandantys skirtingus receptus.
Pasikeitus santykiams, mokslininkai pastebėjo a „viršūnė” kanalėlių formavime, o tai rodo optimalią sudėtį inkstų audiniui, kurį jie pavadino, augti „auksaplaukės” santykis. „Jei pakeisime santykį, pamatysime gana skirtingas organoido sudėtis,” sako Hughesas. „Taigi galite juos traktuoti kaip dizainerių organoidus, kurių rezultatus galite kontroliuoti.”
Nuo laboratorijos iki klinikos
Galiausiai Hughesas tikisi sujungti šias dvigubas įžvalgas – į mechaninių įtempių bangas, turinčias įtakos inkstų vystymuisi, ir santykius, kurie formuoja organoidų susidarymą – klinikiniuose pritaikymuose. „Galite įsivaizduoti, kaip šie organoidai skiriasi,” jis sako, „Galite imituoti tą ritmingą procesą ir pamatyti, ar staiga galite pradėti platesnio masto rezultatą.”
Sunku pervertinti būtinybę skubiai kurti alternatyvas transplantacijai ir dializei. Dabartiniais rodikliais transplantacijai niekada neužteks inkstų. „Manau, kad tai didelė spraga, kurią inžinieriai gali tikėtis užpildyti,” sako Hughesas.
Savo biure jis laiko savo prosenelio kišeninį laikrodį, primenantį, kaip funkcija ir forma dera koja kojon, kai reikia kurti sudėtingus mechaninius objektus. Laikrodis vis dar veikia.