Великі перспективи міні-органів

Біотехнології — одна з галузей, яку майже завжди включають до переліку найперспективніших. І Україна може наростити потенціал у цій сфері. Наприкінці вересня в інноваційному парку UNIT.City відбувся форум Single-cell RNABIO, на якому учені зі США, Німеччини, Іспанії та Австралії ділилися досвідом сучасних методів досліджень у медицині та біології.

Організували цю подію українські науковиці Ніка Гур’янова та Аліна Фролова разом із лабораторією швидкого прототипування FabLab Fabricator. Аліна працює в Інституті молекулярної біології і генетики НАН України, а Ніка якраз під час підготовки форуму перейшла з Інституту фізіології імені Олександра Богомольця до Університету штату Юта у США, де проводитиме дослідження у статусі постдока. До речі, сама Ніка зізнається, що наважитись поїхати на два роки в іншу країну було не найпростішим рішенням. Вона пояснює його так: «Разом із українськими колегами ми обговорили це і вирішили, що краще поїхати, навчитися, потім повернутися і робити правильно, а не набивати тут свої гулі».

Відкривав форум Алекс Щегловитов, учений родом з України, який понад десять років працює у США, де в його лабораторії у штаті Юта одними з перших у світі виростили органоїди кори головного мозку (інтерв’ю з Алексом незабаром читайте у «Дні»). Крім лекцій, відбувалися і практичні заняття. Наприклад, разом із винахідником з Нью-Йорка Вільямом Стефенсоном учасники події зібрали прилад, необхідний для першого етапу експерименту з секвенування генетичного матеріалу одиничних клітин. Як пояснюють організатори, ця нова технологія дозволить глибше зрозуміти будову живих організмів та органоїдів. Загалом такі технології можуть допомогти нам просунутись у розумінні і розробці лікування, скажімо, хвороби Альцгеймера чи онкозахворювань. Як відбуваються такі дослідження та як ці інновації можуть прижитися в Україні, ми розпитали Ніку ГУР’ЯНОВУ.

«НІША ДЛЯ УКРАЇНИ — АНАЛІЗ ДАНИХ ТА ЇХ ІНТЕРПРЕТАЦІЯ»

— Чому ви з Аліною вирішили, що проекти з вирощування штучних міні-органів є актуальними для України? Яке тут є поле для роботи?

— Бажання щось робити йде не від можливості щось робити, а власне від бажання. Тож на першому плані був науковий інтерес. Йдеться про справді надзвичайні методики, по суті спрямовані на розв’язання проблеми, якою «хворіють» усі біологи — гетерогенність (тобто, неоднорідність. — Авт.) клітин. Це було основною причиною, чому ми захотіли цим зайнятися.

Тема з вирощуванням штучних органоїдів класна у тому плані, що об’єднує багато аспектів з різних сфер, це біологія, медицина, розробка обладнання та аналіз даних. «Мокра» біологія, коли у спеціальному середовищі вирощують клітини й органоїди, — це дуже дорого. Ще є «суха» біологія — аналіз даних, біоінформатика тощо. Ми почали шукати підхід з боку біоінформатики. З одного боку, це наче й останній етап у загальному процесі, адже спочатку у «мокрій» лабораторії створюють зразки, отримують дані і вже потім їх аналізують. Але у випадку України є два чинники, які говорять про те, що треба починати з останнього етапу. По-перше, це стосується фінансового забезпечення. Створити лабораторію, де проводяться дослідження високої якості, — це мільйони доларів. Плюс, це треба постійно підтримувати. Усі клітини, з якими ми працюємо, теж хочуть їсти, а їхня їжа дорожча за нашу, адже все має бути дуже стандартизоване. Апаратна частина, розробка приладів — це вже реальніше в Україні, але щоб використовувати це обладнання, у нас має бути «мокра» частина.

Аналіз даних та їх інтерпретація — ідеальна ніша для України зараз. По-перше, це не потребує дуже великих ресурсів. По суті, потрібні люди, їх навчання та комп’ютери. По-друге, у потенційних партнерів у Європі та Сполучених Штатах є величезна кількість лабораторій, вони отримують величезну кількість даних, і для них головний лімітуючий чинник — аналіз та інтерпретація отриманих результатів. Робота з аналізом даних потребує певних навичок і доволі тривалого часу. Тому за кордоном зазвичай зацікавлені у такій колаборації, коли вони продукують дані, і є люди, які їх аналізують.

Для України перевага ще й у тому, що у нас досі є багато людей, які добре розуміються на математиці і можуть розробляти нові та вдосконалювати наявні алгоритми аналізу даних тощо. Тож в Україні є велика перспектива для такої роботи. А починаючи з цього, можна прийти до всього іншого.

— Тобто, спочатку йдеться про роботу радше для математиків?

— Не лише. Щоб займатися аналізом даних, використовувати певні алгоритми або складати алгоритми у так звані послідовності дій, не обов’язково бути математиком, багато біологів роблять це. А от розробляють нові алгоритми зазвичай математики.

«БУЛО Б ІДЕАЛЬНО, ЯКБИ уЧЕНІ ПРИЇЗДИЛИ СЮДИ ПРАЦЮВАТИ»

— На які результати форуму ви розраховуєте?

— От чому не можна одразу почати з вирощування міні-органів? Треба мати інструменти, щоб працювати з цим далі. Це ж не просто міні-органи заради міні-органів, їх фішка у тому, що вони живі, ми можемо за ними спостерігати, робити секвенування поодиноких клітин тощо. І поки немає задачі під реалізацію цих проектів та інструментів для їх реалізації, то немає сенсу просто вирощувати міні-органи. Це як побудувати ракету, яку ти не збираєшся запускати.

Завдання цієї конференції — започаткувати створення ніші, довкола якої будуватиметься потрібна для таких технологій інфраструктура. Моя блакитна мрія — щоб в Україні з’явилось наукове місце, куди було б цікаво приїжджати людям з усього світу, які працюють у цій тематиці. Коли вчені приїздять навіть просто розповісти про щось, це вже має доволі великий вплив на інших людей. І було б ідеально, якби ці учені приїздили сюди працювати.

Аналіз даних та їх інтерпретація — ідеальна ніша для України зараз. По-перше, це не потребує дуже великих ресурсів. По суті, потрібні люди, їх навчання та комп’ютери. По-друге, в потенційних партнерів у Європі та Сполучених Штатах є величезна кількість лабораторій, вони отримують величезну кількість даних, і для них головний лімітуючий чинник  — аналіз та інтерпретація отриманих результатів. Робота з аналізом даних потребує певних навичок і доволі тривалого часу. Тому за кордоном зазвичай зацікавлені у такій колаборації, коли вони продукують дані, і є люди, які їх аналізують. Для України перевага ще й у тому, що в нас досі є багато людей, які добре розуміються на математиці і можуть розробляти нові та вдосконалювати наявні алгоритми аналізу даних тощо. Тож в Україні є велика перспектива для такої роботи. А починаючи з цього, можна прийти до всього іншого.

У будь-якому університеті світу є ротація, люди їздять з Європи до Штатів або навпаки, що надзвичайно збагачує їхні наукові ідеї та культуру роботи і співпраці. А в Україні більше поширений виїзд в одному напрямку. Хочеться, щоб був і в’їзд.

— А які дослідження з теми сьогодні проводяться в Україні?

— В Україні наразі таким не займаються. Є кілька переважно приватних лабораторій, які вирощують 3D-культури. Існує багато лабораторій, які вирощують звичайні культури клітин — це виглядає як чашка Петрі, де у середовищі ростуть одним шаром клітиночки, тобто це 2D. Зрозуміло, що наші органи переважно 3D. В Україні є певні лабораторії, які працюють у напрямку створення 3D-культур та їх досліджень, але не знаю людей, які б займалися саме органоїдами. Так само нема секвенування одиничних клітин.

Фактично, наша конференція — місточок між мрією і початком роботи.

НОВІ МОЖЛИВОСТІ ДЛЯ ДОСЛІДЖЕНЬ

— А чим ви будете займатися в Юті?

— Я працюватиму в лабораторії Алекса Щегловитова, ми будемо використовувати органоїди кори головного мозку, щоб досліджувати комбінацію таких патологій, як аутизм та епілепсія. Моїм завданням буде заінтегрувати функціональну активність клітин і регуляцію експресії генів у цих клітинах (експресія генів — процес, при якому спадкова інформація у генах використовується для синтезу функціонального продукту, білка чи РНК. — Авт.). Це так зване секвенування РНК поодиноких клітин, яке дозволяє досліджувати всі РНК з розрішенням в одну клітину. Відповідно, якщо ми знайдемо асоціацію між функцією клітини, а всі вони різні, і транскриптомом клітини, а вони теж різні та гетерогенні, то отримаємо повнішу картинку і зрозуміємо, що не так у пацієнтів з мутацією, яку ми досліджуємо.

Раніше це було неможливо, тому що отримати, грубо кажучи, шматок мозку людини для досліджень, можна було лише, коли вона померла або їй зробили операцію. При аутизмі операцій не роблять, при епілепсії — інколи, але, крім цього, наука завжди має працювати з контролем, а хто дасть для дослідів свій здоровий мозок? Тож вирощування органоїдів дозволяє досліджувати органи, які ми не могли мати раніше.

Плюс, захворювання, які ми досліджуємо, цікаві тим, що переважна більшість подій, що їх спричиняють, відбувається у період ембріонального розвитку. А органоїди по суті і проходять ці стадії, але в пробірці, — від клітин, які зовсім не мають стосунку до нейронів, і до розвитку структури, яка функціонує як кора голова мозку. Це майже ідеальна модель для таких досліджень.

ПРО ПЕРСОНІФІКОВАНУ МЕДИЦИНУ

— Як робота з такими матеріалами регулюється законом — в Україні та Америці?

— Боюсь, що в Україні це ніяк не регулюється. В Україні можна прийти в клініку, де вам спокійно вколють стовбурові клітини. Насправді таке можуть зробити у багатьох країнах, але краще це регулювати. У Сполучених Штатах все зарегульовано.

Втім, для наших дослідницьких цілей ми і так нічого не вводимо людині, лише лікарі беруть або клітини крові — по суті, це аналіз крові, або клітини шкіри, що також малотравматично. Ми беремо ці клітини, перетворюємо їх на нейрони, надалі — на органоїди, тобто 3D-структури, які нагадують головний мозок, і це дозволяє зрозуміти, що там не так, знайти мішень для потенційної терапії та протестувати її. По суті, це модель для розробки і тестування препаратів.

Наступна сходинка — персоніфікована медицина, коли ми зможемо взяти клітини конкретної людини  — мене, вас тощо — виростити  з них орган чи тканину, на якому треба протестувати чутливість до певного препарату, і зрозуміти, чи працюватиме це саме для цієї людини, перед тим, як пробувати лікування безпосередньо на ній. Особливо це актуально при пухлинних або тих самих неврологічних захворюваннях, коли пробують різні препарати. Нерідко лікарі працюють за такою схемою: спочатку спробуємо це, а якщо воно не спрацює або виникнуть побічні ефекти, то підемо далі, спробуємо це, а потім це і це. І поки людина пробує різні ліки, які не працюють, її захворювання прогресує, плюс побічні ефекти можуть погіршити її стан.

— Але ж дія ліків на біоматеріал, вирощений у лабораторії, може відрізнятися від дії власне на людину?

—  Звісно. Коли ми тестуємо препарат у пробірці, використовуємо, наприклад, органоїд, це, умовно, як взяти мозок і щось на нього накрапати. Але при цьому немає печінки, яка переробляє препарат, білків крові, які його зв’язують, нирок, які його виводять. Під час дослідів ми все уважно контролюємо, нам важливо розуміти, що ми застосували таку-то дозу і вона працює. Сказати на 100%, що якщо це спрацювало на органоїді, то спрацює і на людині, не можна. Але вірогідність, що це спрацює, набагато вища, ніж коли препарат тестують на тваринах, наприклад, на мишах чи щурах.

ВИРОСТИТИ ЧИ НАДРУКУВАТИ?

— Сам форум відбувається у лабораторії швидкого прототипування FabLab Fabricator, по суті, серед 3D-принтерів та іншого сучасного обладнання. Як сьогодні розвивається використання 3D-друку для створення штучних клітин та органоїдів?

— Купа лабораторій у світі працюють над цим, це блакитна мрія багатьох. Є певні успіхи, особливо коли це стосується друку, умовно, простих тканин, як-от хрящів, наприклад, вуха. Це класичний приклад перших успішних трансплантацій — коли надрукували хрящ і «підсадили» його людині. Але з друком складних органів ситуація відрізняється. Мозок ще ніхто не наважився друкувати, намагалися друкувати нирку, серце — багато всього. Наскільки знаю, шаленого успіху тут поки немає.

Наразі для 3D-принтингу зазвичай можна використовувати обмежену кількість субстратів. А наші клітини, тканини тощо складаються з дуже великої кількості субстратів. І набагато легше виростити органоїд, ніж його надрукувати. Коли ми вирощуємо органоїд, то даємо клітинам можливість реалізовувати їх запрограмовану роботу. Просто нам треба створити для них відповідні умови: надати поживні речовини, сигнальні молекули і умови, необхідні, щоб вони самоорганізувались і зробили нам потрібну структуру.

Думаю, для більшості, і для мене теж, природа цього процесу дуже складна. Зробити це штучно набагато складніше, наразі гадаю, неможливо.

«ЕТИЧНИХ ОБМЕЖЕНЬ НЕ БАЧУ. РАДШЕ, Є ТЕХНІЧНІ»

— Що сьогодні більше обмежує науковців: технологічна складова чи біоетика?

— Звісно, говорять про біоетику щодо органоїдів, наприклад, мозку. Раптом у них є свідомість, раптом вони щось відчувають. Я не знаю про це і саме етичних обмежень тут не бачу. Є обмеження технічні, радше, біологічні. Органоїди, які Алекс вирощує в лабораторії, виростають доволі великими як для органоїдів, 6 міліметрів. Загалом є й більші. Але подальший їх ріст зупиняється, зокрема, тому що немає судин. Також мозок людини розвивається у певних умовах, росте череп, який створює певний тиск, — є навіть суто фізичні речі, яких наразі досягти у пробірці доволі важко. Можливо, з часом це стане реальним.

— Ви згадували на початку про дороге харчування штучних клітин. А що вони «їдять»?

— Клітини, до речі, справжні, просто їх штучно перетворили на той тип клітин, який нам потрібен. Харчуються вони поживним середовищем або середовищем для культивування, по суті, воно складається з тих самих речовин, що їмо ми з вами, це амінокислоти, вуглеводи тощо. Але важливе певне співвідношення — стільки-то одних амінокислот, стільки-то інших, такий-то рівень кислотності. Це набір елементів, біоорганічних і ні, що потрібні для підтримки життєдіяльності клітин, певний набір сигнальних молекул, які у нашому випадку підштовхуватимуть клітини ставати нейронами. Все це має бути дуже стандартизовано. Якщо ви будете годувати однакові клітини по-різному, то вони і стануть різними або взагалі помруть. Одне їсти салат, інше — морозиво, все, як у людей.