Как вырастить ухо и почему

Jun 15, 2023

Дэн получил докторскую степень по биохимии в Университете штата Нью-Йорк в Буффало и прошел постдокторантуру в Министерстве сельского хозяйства США и Университете Карнеги-Меллон. Он писатель-фрилансер, чьи работы публиковались в журналах Massive Science, The Daily Beast, VICE и GROW. Дэну больше всего интересно писать о том, как молекулы взаимодействуют, создавая явления размером с тело.

Первое, что делает большинство ученых, изучая что-то, — это смотрит на это. Хироптеролог смотрит на летучую мышь. Геолог смотрит на Землю. Но для ученого, интересующегося внутренним ухом, все становится сложнее. Трудно исследовать внутреннее ухо, прикрепленное к живому животному, которому оно необходимо для слуха и равновесия, не убивая при этом чувствительные клетки, в которых оно находится, не разрушив саму сложную структуру уха или просто не выведя всю систему из равновесия. В таких случаях проще вырастить ухо или что-то подобное в лаборатории и вместо этого изучить его.

Ученые уже много лет создают органоиды из различных тканей, таких как мозг, почки и печень (1–3). Однако для внешних тканей, таких как ухо, эта область находится в зачаточном состоянии. Но в последние годы произошла волна достижений в области молекулярной биологии потери слуха и растущая способность точно моделировать сложную архитектуру уха в лаборатории с использованием стволовых клеток.

Потеря слуха является третьей по распространенности проблемой для здоровья взрослых после болезней сердца и артрита. От него страдают примерно 1,3 миллиарда человек во всем мире, причем среди наиболее распространенных причин генетика, инфекция и шум окружающей среды (4). Потеря слуха часто является результатом повреждения волосковых клеток. Эти высокоспециализированные клетки преобразуют отклонения своих волосообразных отростков в улитке в передачу сигналов нейронам. В течение жизни человека эти клетки изнашиваются. Поскольку они не регенерируют, повреждение уха на протяжении всей жизни может быть необратимым (5).

Ученые в этой области создают новые органоидные системы уха для тестирования терапевтических средств для внутреннего уха. Из-за сложной и продуманной архитектуры уха они работают в самых сложных биологических условиях, с которыми может столкнуться человеческое тело. Со временем они поняли, что зачастую лучшая модель для изучения уха больше похожа на клубок клеток.

Когда Карл Келер поступил в аспирантуру Университета Индианы, он интересовался стволовыми клетками. «В частности, я был очарован сенсорным развитием — тем, как мы разрабатываем эти действительно сложные аппараты, которые воспринимают внешние сигналы и отправляют их в мозг», — сказал он. Ему повезло. «Так получилось, что единственной лабораторией, которая принимала новых студентов и занималась сенсорным развитием и стволовыми клетками, была лаборатория внутреннего уха».

Келер присоединился к лаборатории Эри Хашино, первопроходца в области биологии стволовых клеток. Когда прибыл Келер, ученые всего мира пытались разработать воспроизводимые методы использования плюрипотентных стволовых клеток для создания любой ткани, которую пожелает исследователь. Группа Хасино использовала стволовые клетки для создания слуховых нервных клеток, которые часто повреждаются под воздействием окружающей среды, например, от громкого шума, и не вырастают снова. Келер хотел пойти другим путем; он хотел использовать стволовые клетки для моделирования архитектуры самого внутреннего уха, чтобы помочь ученым увидеть, как заболевания уха нарушают поток информации от звука к уху и мозгу.

Мозг — большая мишень; ухо - яблочко. - Карл Келер, Гарвардская медицинская школа

«Мозг — большая мишень, ухо — мишень», — сказал Келер, ныне нейробиолог и исследователь сенсорики в Гарвардской медицинской школе. Но в отличие от дартса внутреннее ухо не плоское. Это сложная, многослойная, трехмерная структура. Недооценка размерности уха привела к многолетним неудачам исследователей стволовых клеток, пытавшихся смоделировать ухо in vitro или вырастить волосковые клетки, которые преобразуют механическую стимуляцию в нервные сигналы. «Вместо того, чтобы выращивать стволовые клетки на плоском блюде, что сильно отличается от того, как клетки обычно развиваются в эмбрионе, если вы возьмете их с чашки и разместите в трех измерениях, вы можете дать им те степени свободы, которые им необходимо самоорганизоваться», — сказал Келер.