Крошечные искусственные органы могут раскрыть тайну менструацииКрошечные искусственные органы могут раскрыть тайну менструации
Исследователи используют органоиды для раскрытия одного из самых загадочных и чудесных процессов человеческого организма.
В центре лабораторной чашки находилась едва заметная белая пленка, которую можно было увидеть только при соответствующем освещении. Айсе Нихан Килинч, биолог-репродуктолог, подставила чашку под микроскоп и на подключенном экране появилось изображение. Когда она сфокусировала микроскоп, на пленке стали видны скопления каплевидных сфер с полупрозрачной внутренней поверхностью и тонкими черными границами, каждая из которых была размером всего с несколько песчинок. "Они растут", - сказала Килинч, заметив, что их пухлые формы являются многообещающим признаком. "Это хорошие органоиды".
Килинч, работающая в Массачусетском технологическом институте, входит в небольшую группу ученых, использующих новые структуры, похожие на миниатюрные органы, для исследования малоизученной и часто проблематичной части физиологии человека - менструации. Обильные, порой изнурительные менструации в тот или иной момент жизни настигают по меньшей мере третью часть менструирующих женщин, заставляя некоторых из них ежегодно пропускать несколько недель работы или учебы и ставя под угрозу их профессиональное положение. Анемия угрожает примерно двум третям женщин, страдающих обильными менструациями. А когда менструальная кровь течет по фаллопиевым трубам и попадает в полость тела, то, как полагают, иногда образуются болезненные образования, характерные для эндометриоза, для борьбы с которым может потребоваться множество операций.
Никто до конца не знает, как и почему человеческий организм исполняет этот ежемесячный танец рождения, созревания и гибели клеток. Многие женщины отчаянно нуждаются в лечении, чтобы сделать менструацию более управляемой, но ученым трудно разрабатывать препараты, не понимая, как на самом деле происходит менструация.
Такое понимание может появиться благодаря эндометриальным органоидам, созданным из кусочков эндометрия. Для создания эндометриальных органоидов ученые берут клетки у добровольцев и позволяют им самоорганизоваться в лабораторной культуре, где они превращаются в миниатюрные копии тканей, из которых они были получены. Эти исследования еще находятся на начальной стадии. Но органоиды уже позволили понять, как клетки эндометрия взаимодействуют и координируют свои действия и почему у одних женщин менструация проходит обыденно, а у других - с осложнениями. Некоторые исследователи надеются, что эти первые результаты означают наступление новой эры. "Я думаю, что это изменит наше представление о репродуктивном здоровье, - считает Хуан Гнекко, инженер-репродуктолог из Университета Тафтса.
Необычная проблема
В мире животных менструации встречаются редко. Человеческий организм проходит через менструальный цикл, чтобы подготовить матку к приему зародыша, независимо от того, появится он или нет. У большинства животных, напротив, подготовка матки происходит только после того, как плод уже появился. Этот цикл представляет собой постоянный процесс повреждения и восстановления. Процесс начинается, когда уровень прогестерона резко падает, что свидетельствует о том, что в этом месяце в матке не будет расти ребенок. Снижение уровня прогестерона вызывает реакцию, аналогичную той, которая возникает в организме при борьбе с инфекцией. Воспаление повреждает эндометрий. В течение следующих пяти или около того дней поврежденная ткань отслаивается и выводится из организма.
Как только начинается кровотечение, эндометрий начинает заживать. Примерно за 10 дней толщина этой ткани увеличивается в четыре раза. Ни одна другая человеческая ткань не растет так интенсивно и быстро - "даже агрессивные раковые клетки", - говорит Ян Бросенс, акушер-гинеколог из Университета Уорика (Великобритания). По мере заживления ткани - редкий пример восстановления без рубцов - она становится средой, способной защитить эмбрион, который является чужеродным образованием в организме, от иммунной системы, обученной отторгать чужаков.
В результате десятилетий исследований ученые набросали приблизительный план этого процесса, но многие детали остаются непроясненными. Неизвестно, как именно эндометрий может так интенсивно восстанавливаться. Остается открытым вопрос о том, почему у одних женщин менструации протекают гораздо тяжелее, чем у других. А вопрос о том, почему у человека менструация происходит именно так, а не путем реабсорбции неиспользованной ткани эндометрия, как у многих других млекопитающих, вызывает жаркие споры среди биологов.
Такое непонимание мешает ученым, которые хотели бы найти способы решения проблемы менструаций, которые слишком болезненны, чтобы их можно было купировать безрецептурными болеутоляющими средствами, или слишком обильны, чтобы их можно было впитать в прокладки и тампоны. В результате многие женщины страдают. Исследование, проведенное в Нидерландах, показало, что в среднем женщины теряют около недели производительности в год из-за болей в животе и других симптомов, связанных с менструацией. "Нередко пациентки приходят ко мне в клинику и говорят, что каждый месяц им приходится отрываться от работы на два-три дня, - рассказывает Хилари Критчли, гинеколог и репродуктивный биолог из Эдинбургского университета.
Обильные месячные могут затруднять выполнение даже повседневных задач. Например, вставание со стула может стать тяжелым испытанием для женщины, беспокоящейся о том, что она может испачкать сиденье. У матерей с низким уровнем железа, как правило, рождаются дети с низкой массой тела и другими проблемами со здоровьем, поэтому последствия обильных менструаций передаются из поколения в поколение. И все же матка часто остается без внимания даже тех исследователей, которые изучают такие темы, как регенерация тканей, к которой этот орган имеет несомненное отношение, говорит Бросенс. "С моей точки зрения, это почти непростительно", - добавляет он.
Спросите исследователей, почему менструация остается такой загадкой, и вы получите самые разные ответы. Большинство согласны с тем, что не хватает финансирования для привлечения того количества исследователей, которого заслуживает данная область, как это часто бывает в случае с проблемами здоровья, затрагивающими в первую очередь женщин. Не способствует этому и тот факт, что менструация окутана табу. Но некоторые исследователи говорят, что для изучения этого явления трудно найти необходимые методики.
Ученые обычно начинают изучение человеческого организма на других организмах, таких как мыши, плодовые мушки и дрожжи, а затем переносят полученные знания на человека. Эти так называемые "модельные системы" быстро размножаются, их можно генетически изменять, и ученые могут работать с ними, не сталкиваясь с такими этическими и логистическими проблемами, как в случае экспериментов на людях. Но поскольку в животном мире менструация встречается так редко, было трудно найти способы изучения этого процесса вне человеческого тела. "Я думаю, что основное ограничение - это модельные системы", - считает Джули Ким, биолог-репродуктолог из Северо-Западного университета США.
Первые исследования
В 1940-х годах голландский зоолог Корнелиус Ян ван дер Хорст был одним из первых ученых, работавших над созданием животной модели для изучения менструации. Ван дер Хорст был очарован необычными, малоизученными животными, и это увлечение привело его в Южную Африку, где он отловил и изучил слоновую землеройку. С длинной мордой, напоминающей хобот слона, и телом, похожим на тело опоссума, слоновая землеройка уже была диковинкой, когда Ван дер Хорст узнал, что это одно из немногих животных, у которых бывают месячные, - факт, который он, вероятно, обнаружил "более или менее случайно", - рассказывает Энтони Картер, биолог развития из Университета Южной Дании, написавший рецензию на работу Ван дер Хорста.
Однако слоновые землеройки - не слишком сговорчивые объекты для исследований. Менструация у них происходит только в определенное время года, и они плохо приживаются в неволе. Кроме того, их трудно поймать, что ван дер Хорст и его коллеги и попытались сделать с помощью ручных сачков. Землеройки были проворны, поэтому "иногда это был увлекательный, но в основном разочаровывающий вид спорта", - писал он.
Примерно в то же время Джордж У.Д. Хэмлетт, биолог из Гарварда, обнаружил альтернативу. Гамлетт изучал сохранившиеся образцы нектаролюбивой летучей мыши Glossophaga soricina, когда заметил признаки менструации. Эти летучие мыши, обитающие преимущественно в Центральной и Южной Америке, были труднодоступны, поэтому в течение нескольких десятилетий его открытие оставалось лишь заметкой в научной литературе.
Затем, в 1960-х годах, в Корнельский университет поступил нетерпеливый аспирант Джон Расвейлер. Расвейлер хотел изучать тип размножения животных, зеркально отражающий то, что происходит у человека, и его наставник обратил внимание на открытие Гамлетта. Расвейлер хотел найти несколько летучих мышей и посмотреть, что он сможет с ними сделать.
"Это была очень сложная задача", - делится он. "По сути, мне пришлось придумывать все от начала до конца". Сначала были поездки в Тринидад и Колумбию для сбора летучих мышей. Затем встал вопрос о том, как перевезти их обратно в США, чтобы они не пострадали от раздавливания или перегрева. (Оказалось, что транспортировка летучих мышей в контейнерах для еды, упакованных в большую упаковку, дает хорошие результаты). После того как летучие мыши оказались в лаборатории, необходимо было придумать, как работать с ними, не позволяя им сбежать. В итоге он сконструировал клетку на колесах, которую можно было подкатывать к вольерам летучих мышей. "Мне нравилось работать с ними - восхитительные животные", - вспоминает Расвейлер. Но других исследователей отталкивала идея работы с летающим животным.
В 2016 году колючая мышь - грызун, обитающий в засушливых условиях Ближнего Востока, Южной Азии и некоторых районов Африки, - присоединилась к эксклюзивному клубу животных, у которых есть менструация. Колючих мышей можно разводить в лабораторных условиях, поэтому они могут стать ценными объектами для изучения менструаций. Однако между людьми и мышами лежат миллионы лет эволюции, что заставило Бросенса предположить, что генетика, лежащая в основе их матки, скорее всего, будет существенно отличаться.
Большая часть фундаментальных работ по изучению менструации была проведена на макаках. Однако уход за приматами требует больших затрат, а законодательство накладывает на исследования приматов ограничения, которые не распространяются на других обычных лабораторных животных. С помощью ряда манипуляций ученые также обнаружили, что можно заставить обычную лабораторную мышь иметь нечто похожее на месячные. Эта модель оказалась полезной, но все же она лишь искусственно воспроизводит настоящую человеческую менструацию.
Что действительно необходимо исследователям, так это возможность использовать людей в качестве подопытных для изучения менструации. Но даже если отбросить очевидные этические соображения, это было бы очень сложно с точки зрения логистики. Эндометрий развивается очень быстро - "ежечасно мы видим различные реакции клеток, различные функции", - поясняет Александра Цолова, клеточный биолог из Университета Калгари. "Это очень динамичная ткань". Чтобы изучить ее внутри человеческого тела, исследователям пришлось бы почти постоянно проводить инвазивные биопсии, и даже в этом случае изменить ее генетически или с помощью химических препаратов было бы практически невозможно.
Но уже к началу 1900-х годов решение этой проблемы было найдено. И путь к нему проложило не существо из джунглей или африканских лугов, а организм со дна моря.
Органоиды выходят на сцену
Основа для создания современных органоидов была заложена в 1910 г., когда зоолог Генри Ван Питерс Уилсон понял, что клетки морских губок обладают своеобразной "памятью" о том, как они устроены в животном, даже после их разделения. Когда он разделил губку, пропустив ее через сетку, а затем снова смешал клетки вместе, исходная губка вновь сформировалась. Позже было показано, что подобной способностью обладают некоторые клетки из эмбрионов цыплят.
В 2009 г. в журнале Nature было опубликовано исследование, в котором описывался возможный способ распространения этих наблюдений на человеческие органы. Исследователи взяли одну взрослую стволовую клетку из кишечника мыши, которая обладала способностью превращаться в любой тип клеток кишечника, и поместили ее в желатин. Клетка делилась и вместе со своими потомками формировала миниатюрную, упрощенную версию кишечной выстилки. Впервые ученые описали метод создания органоида из тканей человека, который был доступен для многих лабораторий и легко адаптировался к другим органам. С тех пор ученые расширили этот общий подход для имитации около десятка типов человеческих тканей, включая ткани кишечника, почек, мозга, а к концу 2010-х годов - и матки.
Органоиды эндометрия появились благодаря счастливой случайности. В течение нескольких лет, предшествовавших их созданию, ученые пытались изучать эндометрий, выращивая его клетки ровными слоями в лабораторных чашках. Стромальные клетки, обеспечивающие структурную поддержку ткани и играющие ключевую роль при беременности, оказалось легко выращивать таким образом - эти клетки выделяют вещество, которое приклеивает их друг к другу, а также обеспечивает их адгезию к чашкам Петри. А вот с эпителиальными клетками, еще одним важнейшим компонентом эндометрия, возникла проблема. В чашке они перестали реагировать на гормоны, а их форма была не похожа на ту, что наблюдается в человеческом организме.
Затем, работая со смесью человеческой плацентарной и эндометриальной тканей, пытаясь заставить плаценту формировать органоиды, репродуктивный биолог Маргарита Турко заметила нечто неожиданное. Если их не выращивать в жидкости, а суспендировать в геле и дать им правильную смесь молекул из человеческого организма, то эпителиальные клетки эндометрия собирались в крошечные трехмерные симулякры того органа, из которого они были получены. "Они росли очень, очень хорошо", - рассказывает Турко. Фактически, эндометриальные органоиды "как бы обгоняли культуры". Примерно в то же время другая группа независимо опубликовала аналогичные результаты.
Сегодня органоиды плаценты и эндометрия являются ценными инструментами в лаборатории, которой руководит Турко в Институте биомедицинских исследований в Базеле (Швейцария). В ее оригинальной публикации 2017 года содержится призыв использовать для получения органоидов эндометрия не стволовые клетки, а ткань, взятую при биопсии. В некоторых лабораториях для этого используются ткани, взятые у людей, перенесших гистерэктомию. Однако недавно лаборатория Турко показала, что кусочки эндометрия, содержащиеся в менструальной крови, также пригодны для работы, что означает возможность выращивания новых эндометриальных органоидов без проведения биопсии или хирургического вмешательства.
На основе всех этих исходных данных исследователи теперь могут создавать микрокосмы человеческой матки. Каждый органоид напоминает крошечный пузырек, подвешенный в желатиновом десерте. И каждый из них дает уникальную возможность понять процессы, которые наука долгое время игнорировала.
Лабораторные модели менструации
Органоиды эндометрия стали неотъемлемой частью работы небольшого сообщества исследователей, занимающихся изучением матки. С 2017 года многие лаборатории по-своему интерпретируют эти новые инструменты. В лаборатории Ким к эпителиальным клеткам, из которых состоят классические эндометриальные органоиды, добавлены стромальные клетки. По ее словам, она и ее коллеги смешивают эти два вида клеток и просто дают им "делать свое дело". В результате получается что-то вроде солодового шарика, внутри которого находятся стромальные клетки, а снаружи - эпителиальные.
В 2021 году Бросенс и его коллеги создали аналогичные структуры, которые они назвали "асслоидами". Вместо того чтобы смешивать два типа клеток, они создали органоид из эпителиальных клеток, а затем добавили сверху слой стромальных клеток. С помощью ассемблеров они выяснили, что разрушающиеся клетки играют ключевую роль в имплантации эмбриона в матку. Поскольку эндометрий постоянно отмирает и обновляется, ткань очень гибкая и способна изменять свою форму, объясняет Бросенс. Это помогает ткани запустить беременность: "Материнские клетки захватывают эмбрион, - объясняет он, - и буквально втягивают его в ткань".
На видеозаписи из одной из недавних публикаций Бросенса показано, как ассемблерная ткань ремоделируется вокруг пятидневного эмбриона. До того как он и его коллеги провели эту работу, общепринятое мнение гласило, что эндометрий - это пассивная ткань, в которую вторгается эмбрион, но это "совершенно неверно", - говорит он. Новое понимание того, как происходит имплантация эмбриона, может улучшить экстракорпоральное оплодотворение и помочь объяснить, почему некоторые женщины склонны к выкидышам.
В конечном итоге, надеется Килинч, ученые смогут разработать методы лечения, которые позволят женщинам самим выбирать, когда у них будут месячные - и будут ли они вообще им нужны.
Гормональные противозачаточные средства позволяют достичь этих целей, но эти препараты могут также вызывать неожиданные кровотечения, что делает регулирование менструации более сложной задачей, а некоторые женщины считают побочные эффекты лекарств непереносимыми. Чтобы создать более совершенные варианты, ученым необходимо понять, как происходит нормальная менструация. Заставить органоид менструировать в лабораторных условиях было бы огромным подспорьем для достижения этой цели, что и пытаются сделать некоторые исследователи.
Вручную добавляя гормоны в органоиды, Гнекко и его сотрудники могут воспроизвести некоторые процессы, происходящие в эндометрии в течение месяца. По мере развития цикла клетки изменяют набор используемых ими генов, как это происходит в человеческом организме. Форма органоида также соответствует знакомой схеме. Железы - свертки клеток, из которых выделяется слизь и другие вещества, - по мере развития искусственного менструального цикла превращаются из гладких трубок в пилообразные структуры.
Когда эта система работает, следующий шаг - выяснить, что происходит, когда эндометрий дает сбой. "Именно это меня и взволновало", - признается Гнекко. В качестве первого шага он обработал органоиды интерлейкином воспаления IL-1β, который является отличительной чертой поражений, характерных для эндометриоза. IL-1β вызвал быстрый рост органоидов, но только в том случае, если стромальные клетки были смешаны с эпителиальными. Это позволяет предположить, что сигналы, поступающие от стромальных клеток, могут быть частью того, что приводит к развитию эндометриоза в болезненное состояние.
Тем временем Килинч пытается понять, почему у некоторых женщин месячные такие обильные. Ткань эндометрия, прорастающая в мышцы, выстилающие матку, по-видимому, вызывает повреждения, которые могут быть одним из источников обильных кровотечений. Чтобы понять, как могут образовываться такие повреждения, Килинч наблюдает за реакцией эндометриальных органоидов, когда они попадают в плотный гель, имитирующий текстуру мышечной ткани.
В мягком геле органоиды эндометрия сохраняют красивую круглую структуру. Но когда органоид попадает в жесткий гель, все происходит по-другому. На видеозаписи одного из последних экспериментов Килинч видно, как органоид пульсирует и дергается, почти как кастрюля с водой, которая вот-вот закипит. Наконец, группа клеток отстреливается, создавая структуру, похожую на придаток, который пробивает жесткий гель. Подобные видеоролики заставляют предположить, что контакт с мышцами может быть одним из триггеров, вызывающих повреждение эндометрия и сильное кровотечение. "Но, - добавляет Килинч, - это еще не ясно - мы продолжаем исследования".
Более быстрая наука
Современные органоиды эндометрия не могут делать все то, что могут делать животные модели. Во-первых, они еще не включают в себя ключевые компоненты менструации, такие как кровеносные сосуды и иммунные клетки. С другой стороны, они не могут показать, как удаленные части тела, например мозг, влияют на происходящее в матке. Но поскольку они получены из человеческой ткани, они тесно связаны с тем причудливым, идиосинкразическим процессом, который представляет собой человеческая менструация, а это многого стоит. "Поразительно, что мы находимся очень, очень близко к пациенту, но не работаем внутри него", - говорит Цолова. " Здесь заложен огромный потенциал".
Параллельно с работой над органоидами ученые создали "орган на чипе", имитирующий эндометрий. Крошечные трубочки, прикрепленные к плоской поверхности, доставляют жидкости к тканям эндометрия, имитируя поток крови или гормонов, поступающих из других частей тела. Идеальная модельная система могла бы сочетать клетки эндометрия в их естественном расположении, как в органоиде, и текущие жидкости, как на чипе.
Органоиды уже помогли исследователям разгадать старые загадки. Например, исследователи использовали эту технологию, чтобы выяснить, какие гены вызывают рост ресничек в некоторых клетках эндометрия, которые координированно перемещают жидкость, слизь и эмбрионы в матке. Другие ученые использовали органоиды для изучения процесса созревания клеток эндометрия в течение менструального цикла. В то же время Ким и ее коллеги использовали органоиды для изучения реакции эндометрия на аномальный уровень гормонов, который может быть одним из факторов развития рака эндометрия.
Женщины, страдающие нарушениями менструального цикла, давно ждали, когда исследователи займутся подобными вопросами. Обильные менструации часто рассматриваются как "женская проблема", с чем Цолова не согласна, поскольку не учитывается тот факт, что женщины, испытывающие трудности с менструацией, часто не могут в полной мере проявить свои способности в обществе. "Это проблема общества", - говорит она. "Она затрагивает каждого человека во всех отношениях".
