Костный мозг в нашем теле ежедневно производит миллиарды клеток, даже не задумываясь об этом. Костный мозг — это мощная и бесшумная «фабрика крови» нашего организма, которая усердно работает в фоновом режиме, пока сердце качает кровь, а мозг управляет. Губчатый костный мозг привлекает внимание при диагностике рака крови или когда эта важная система перестаёт работать должным образом.
Понимание того, как костный мозг производит кровь и как этот процесс может нарушиться, имеет решающее значение для борьбы с раком крови и другими заболеваниями. Однако большинство исследований костного мозга основаны на моделях нечеловеческих животных и клеточных культурах в лаборатории.
Чтобы восполнить этот пробел, группа биомедицинских исследователей создала первую реалистичную модель костного мозга, полностью изготовленную из человеческих клеток. Новая модель на основе человеческих клеток подробно описана в исследовании, опубликованном сегодня в журнале Cell Stem Cell. Она может привести к более персонализированным методам лечения, улучшению терапии рака и сокращению испытаний на животных.
Что такое костный мозг?
Костный мозг — это мягкая и жирная ткань, напоминающая желе, которая заполняет полости внутри костей. Он содержит клетки, которые производят эритроциты, лейкоциты и тромбоциты, создавая миллиарды новых клеток крови каждый день.
Стволовые клетки образуют красный костный мозг, который создаёт новые клетки крови и тромбоциты, в то время как жёлтый костный мозг в основном состоит из жира и стволовых клеток, которые создают кости и хрящи.
Пересадки костного мозга, при которых в организм вводятся здоровые кроветворные стволовые клетки для замены костного мозга, который не производит достаточно здоровых клеток крови, являются распространённым методом лечения заболеваний костного мозга. Лейкемия — очень распространённый рак крови и костного мозга — напрямую поражает костный мозг. Она возникает из-за мутации клеток в костном мозге, при этом мутировавшие клетки размножаются бесконтрольно и снижают производство здоровых клеток.
Согласно Детскому исследовательскому госпиталю Святого Иуды, в Соединённых Штатах ежегодно диагностируется от 3500 до 4000 новых случаев лейкемии.
Некоторые другие заболевания крови, которые часто связаны с аномально функционирующим костным мозгом, включают:
* множественную миелому (организм производит раковые плазматические клетки в костном мозге);
* апластическую анемию (костный мозг не производит достаточное количество клеток крови).
Создание модели костного мозга
Важно отметить, что костный мозг неоднороден. Он состоит из нескольких специализированных микросред, называемых нишами. Одна из них, эндостеальная ниша, важна для кроветворения и связана с устойчивостью рака крови к лечению.
Расположенная у поверхности кости, эндостеальная ниша состоит из кровеносных сосудов, клеток кости, нервов и иммунных клеток. Ранее созданные модели костного мозга не включали все эти сложные клеточные компоненты, а новая модель — включает.
Чтобы создать эту новую сложную ткань, команда использовала искусственную костную структуру, изготовленную из гидроксиапатита — природного компонента костей и зубов, который делает их твёрдыми. Затем они использовали человеческие клетки, перепрограммированные в важную группу клеток, называемых плюрипотентными стволовыми клетками. Эти стволовые клетки могут быть использованы для создания любых клеток или тканей организма и различных специализированных типов клеток в зависимости от сигналов, которые они получают в окружающей среде.
Далее стволовые клетки поместили в искусственную костную структуру. Чтобы лучше имитировать то, что происходит в организме человека, команда направила клетки на производство разнообразных типов клеток, которые производятся в реальном костном мозге.
Они обнаружили, что эта трёхмерная модель очень похожа на важнейшую эндостеальную нишу человека. Имея диаметр восемь миллиметров (менее половины дюйма) и толщину четыре миллиметра, она также больше, чем предыдущие системы, использовавшиеся для изучения костного мозга. Модель также может помочь исследователям поддерживать формирование крови человека в лаборатории в течение нескольких недель.
«Мы многое узнали о том, как работает костный мозг, благодаря исследованиям на мышах, — сказал доктор Иван Мартин, соавтор исследования и биомедицинский инженер из Базельского университета в Швейцарии. — Однако наша модель приближает нас к биологии человеческого организма. Она может служить дополнением ко многим экспериментам на животных при изучении кроветворения как в здоровых, так и в болезненных состояниях».
Шаг к персонализированной медицине
В будущем эта созданная в лаборатории система может быть использована для разработки новых лекарств и методов лечения заболеваний крови.
«Однако для этой конкретной цели размер нашей модели костного мозга может быть слишком большим, — добавил соавтор исследования доктор Андрес Гарсия Гарсия. — Чтобы протестировать несколько соединений и доз одновременно, модель должна быть немного меньше».
Её также можно использовать для разработки более персонализированных методов лечения рака крови, используя модель костного мозга пациента, созданную из его собственных клеток.