Ученые выращивают в лабораторных условиях миниатюрные органы, чтобы понять, как новый коронавирус поражает человеческий организм. Исследования этих органоидов показывают, что вирус проникает в самые разные органы, в том числе, в легкие, печень, почки и кишечник. Исследователи также проводят эксперименты с различными препаратами в этих мини-тканях в попытке понять, можно ли такими лекарствами лечить людей.
Изучая госпитализированных пациентов и результаты вскрытия, врачи поняли, что SARS-CoV-2 может оказывать разрушительное воздействие на органы человека. Но пока непонятно, вызваны ли эти поражения непосредственно коронавирусом, или вторичными осложнениями из-за инфекции. Исследуя органоиды, многочисленные коллективы пытаются выяснить, как и где в организме перемещается вирус, какие клетки он заражает, и какой ущерб наносит.
«Польза изучения органоидов в том, что они напоминают истинную морфологию тканей», — говорит клеточный биолог Томас Эфферт (Thomas Efferth) из Университета Иоганна Гутенберга, что в немецком Майнце.
Обычно вирусологи исследуют вирусы, используя клеточные линии или культивированные в лабораторных условиях клетки животных. Но так невозможно качественно смоделировать инфекцию SARS-CoV-2, потому что эти клетки не имитируют происходящее в организме.
Органоиды лучше показывают то, что SARS-CoV-2 делает с человеческой тканью, говорит специалист в области биологии стволовых клеток Нурия Монсеррат (Núria Montserrat), работающая в испанской Барселоне в Каталонском институте биоинженерии. Можно выращивать самые разные типы клеток, создавая форму оригинального органа в считанные недели, отмечает она. Кроме того, это обходится дешевле, чем при использовании животных, и при этом не возникает проблем этического характера.
Однако исследования SARS-CoV-2 на органоидах имеют свои недостатки, так как в этом случае невозможно учесть взаимодействие между органами. Это значит, что результаты надо проверять на животных и в ходе клинических исследований, говорит вирусолог Барт Хаагманс (Bart Haagmans), работающий в медицинском центре Университета имени Эразма Роттердамского.
Одна из ключевых задач исследований на органоидах состоит в выяснении того, что вирус SARS-CoV-2 делает с клетками в дыхательной системе, начиная с верхних дыхательных путей и заканчивая легкими.
Специалист в области биологии стволовых клеток из Киотского университета Кадзуо Такаяма (Kazuo Takayama) со своими коллегами создал бронхиальные органоиды четырех типов, взяв замороженные клетки наружной оболочки бронхов эпителия. Когда ученые заразили органоиды SARS-CoV-2, им удалось выяснить, что вирус поражает главным образом стволовые клетки, воспроизводящие клетки нижнего слоя эпителия, однако с трудом проникает в защитные секреторные клетки. Ученые разместили материалы своей работы на сайте bioRxiv, и теперь планируют найти ответ на вопрос о том, может ли вирус распространяться из клеток нижнего слоя эпителия на другие клетки.
Однако Чэнь, также разместившая свои результаты на bioRxiv, говорит, что пока непонятно, почему клетки легких у человека умирают. Может, это результат воздействия вируса, может, это саморазрушение, а может, их убивают иммуноциты. «Мы знаем, что клетки погибают, но не знаем как», — говорит она. Ее подход к созданию органоидов отличается от метода Такаямы. Вместо того, чтобы создавать их из взрослых клеток, Чэнь использовала плюрипотентные стволовые клетки, из которых в организме могут создаваться клетки любого типа. Выращенные таким способом органоиды могут включать больше типов клеток, но конечная ткань менее зрелая и не является взрослой тканью, говорит Чэнь, которая в настоящее время выращивает органоиды легких на иммуноцитах.
Из легких SARS-CoV-2 может проникать в другие органы. Однако ученые не были уверены в том, как именно перемещается вирус, пока Монсеррат с коллегами не опубликовали 4 мая результаты своего исследования. В ходе экспериментов с органоидами, также выращенными из плюрипотентных стволовых клеток, они выяснили, что SARS-CoV-2 может заражать эндотелий (слой клеток, выстилающих внутреннюю поверхность сосудов), благодаря чему вирусные частицы попадают в кровь и разносятся по всему организму. Эта гипотеза подтверждается результатами вскрытия умерших от COVID-19 и изучения поврежденных кровеносных сосудов, говорит инженер-генетик Джозеф Пеннингер (Josef Penninger), работающий в канадском Ванкувере в Университете Британской Колумбии и ставший ведущим соавтором этого исследования.
Исследования на органоидах указывают на то, что попав в кровь, вирус может напрямую инфицировать несколько органов, в том числе, почки. Хотя вирус инфицировал органоиды почек, и некоторые клетки погибли, ученые точно не знают, является ли это прямой причиной нарушений почечной функции, отмеченных у некоторых пациентов.
В ходе другого исследования на органоидах печени удалось выяснить, что вирус способен заражать и убивать клетки холангиоциты, способствующие секреции желчи. Многие ученые считали, что повреждения печени, отмеченные у заболевших COVID-19, вызваны чрезмерным иммунным ответом или побочными эффектами от лекарств, говорит клеточный биолог Бин Чжао (Bing Zhao), работающий в Шанхае в Фуданьском университете. В своем исследовании, результаты которого опубликованы в журнале «Протеин и клетка», он делает вывод о том, что вирус может непосредственно атаковать ткани печени, и это вызывает ее поражение.
Вирус может также воспроизводиться в клетках энтероцитах, составляющих эпителий тонкого и толстого кишечника, о чем свидетельствуют данные исследования на органоидах кишечника, опубликованные в журнале «Наука».
Эти исследования весьма познавательны, однако использование органоидов для изучения взаимодействия вируса-хозяина пока находится в зачаточном состоянии, говорит Хаагманс, вырастивший органоиды кишечника. «Пока рано говорить о том, насколько они актуальны», — отмечает ученый. Нужны более сложные системы органоидов, чтобы лучше понять, как вирус взаимодействует с иммунной системой, вызывая поражение организма.
«Сейчас у нас уже появилась довольно твердая уверенность в том, что вызывающий COVID-19 вирус может заражать ткани вне легких и существенно усугублять болезнь», — говорит Пеннингер. Однако более серьезные исходы заболевания, связанные с поражением почек и сердца, наверняка вызваны сочетанием вирусной инфекции и чрезмерного иммунного ответа, объясняет он.
Ученые также хотят понять, можно ли использовать органоиды для моделирования воздействия лекарств на организм человека. Они надеются, что органоиды можно будет применять для проверки возможных препаратов от COVID-19. Кое-где уже в спешном порядке проводятся клинические испытания без масштабных проверок на клетках и животных.
«Из-за фактора времени многие клинические испытания готовились на базе имеющихся знаний о других коронавирусах, а проводили их без тщательной оценки на моделях, — говорит Чэнь. — В итоге многие из них потерпели неудачу».
Чэнь проверила примерно 1 200 препаратов, утвержденных Управлением по санитарному надзору за пищевыми продуктами и медикаментами для лечения других заболеваний, и выяснила, что противораковое лекарство иматиниб подавляет вирус SARS-CoV-2 в органоидах легких. После этого началось несколько клинических испытаний этого препарата на людях в качестве лечения от COVID-19.
Другие коллективы исследователей также испытывают существующие лекарства от коронавируса на органоидах, добиваясь определенного успеха. «Мы только в конце процесса узнаем, какова прогнозная ценность этих систем для проверок эффективности препаратов, — говорит Хаагманс. — Это долгий процесс».