Кишечник «из пробирки»

Под словом «органоиды» обычно понимают внутриклеточные структуры – ядро, митохондрии и так далее. Недавно этот термин стали применять и в ином смысле – органоидами называют выращенные из стволовых клеток трехмерные структуры, напоминающие органы. Ученым уже удалось получить миниатюрные примитивные аналоги мозга, кишечника, печени, почки, поджелудочной железы, простаты, легкого, желудка и молочной железы. Помимо получения фундаментальных знаний в области биологии развития, конечная практическая цель подобных изысканий – научиться выращивать органы для пересадки, используя собственные клетки человека. Это могут быть так называемые «взрослые» стволовые клетки или клетки, полученные из обычных соматических клеток человека путем репрограммирования. Ученые из детского медицинского центра Джона Хопкинса (США) еще немного приблизились к этой цели, выращивая in vitro органоиды кишечника.

Чтобы вырастить орган in vitro – нужно «всего лишь» поместить стволовые клетки в условия, идентичные натуральным – как в природе, в развивающемся организме. Но в организме процессы развития находится под жестким и многоплановым контролем различных химических (сигнальные молекулы) и механических (взаимодействие клеток друг с другом, с окружающей средой) сигналов. «Программа» развития, записанная в генетическом аппарате клеток, «расшифрована», мягко говоря, не полностью, поэтому у ученых получаются не полноценные органы, а структуры, «настоящим» органам лишь в какой-то степени подобные.

Однако польза от этих работ несомненна. Не говоря о том, что попытки выращивать органоподобные структуры дают массу фундаментальных знаний о факторах, необходимых для их развития, эти подобия органов можно использовать для тестирования лекарств. Хотя для ряда ситуаций эта модель будет неподходящей – например, если нужно изучить генерализованные реакции организма, реакцию иммунной системы. Но в каких-то ситуациях органоид будет более точной моделью, чем культура клеток или животное.

«Взрослые» стволовые клетки – это недифференцированные, незрелые клетки ткани, которую они поддерживают и восстанавливают. Это гемопоэтические стволовые клетки (родоначальницы всех клеток крови), стволовые клетки кожи, скелетной мускулатуры, миокарда… В 2007 г. Х. Клеверсом из института Хубрехта (Нидерланды) были открыты «взрослые» стволовые клетки кишечника, и из них были получены органоиды кишечника, образовывающие форму шариков. Поверхность, поглощающая пищу, находилась внутри этих шариков; на ней образовывались даже выросты, похожие на кишечные ворсинки.

Используя методику Клеверса, ученые под руководством Д. Хэкама, хирурга из детского медицинского центра Джона Хопкинса (США), вырастили подобие кишечника на скаффолде. Скаффолд (от англ. scaffold – леса, подмостки) – это каркас, на котором культивируются клетки будущего органа – или органоида. Идея создания «запасных» органов путем выращивания тканей на скаффолде не нова, но выращенный в лаборатории Хэкама кишечник по форме и структуре наиболее похож на настоящий орган.

Скаффолд был изготовлен из материала, подобного хирургическому шовному материалу, и такого, которому легко можно придать желаемый размер и форму – в данном случае, это форма кишечника. На внутренней поверхности скаффолда даже были сделаны маленькие выступы, для облегчения образования ворсинок тонкой кишки. Скаффолд был покрыт веществом под названием Matrigel, которое часто используется в качестве подложки для культивирования клеток, и заселен стволовыми клетками кишечника, а также миофибробластами (клетками соединительной ткани), макрофагами и кишечными бактериями, которые должны направлять созревание и дифференцировку клеток.

После того как органоид сформировался, последовали эксперименты на лабораторных животных. В одном из экспериментов исследователи «подсадили» кишечник, выращенный из стволовых клеток мыши, в ткани, окружающие органы брюшной полости животного. Орган хорошо прижился и обзавелся своим собственным кровоснабжением – в его ткань проросли кровеносные сосуды.

В другом эксперименте исследователи удаляли участки толстого кишечника собак и заменяли его фрагментами выращенного кишечника. Собаки полностью восстановились после операции: пересаженные участки интегрировались и нормально функционировали, поглощая воду из толстой кишки. Через 8 недель скаффолд растворился и был замещен нормальной соединительной тканью

Эксперименты на животных будут продолжены – как минимум, надо убедиться, что выращенный кишечник будет полностью нормально функционировать при пересадке. Да и технология изготовления скаффолда нуждается в изменении, если думать о ее применении к лечению людей: Matrigel нельзя использовать в клинической практике, так как это – субстанция, получаемая из опухолевых клеток мыши. Если все удастся, когда-нибудь будет можно выращивать кишечник для конкретных больных, например, для младенцев с некротизирующим энтероколитом (часто бывает у недоношенных детей) или пациентов с болезнью Крона, опасным воспалительным заболеванием кишечника.

По: http://news.sciencemag.org и http://www.nature.com

Фото: Ed Uthman https://www.flickr.com

Авторские права: https://creativecommons.org

Подготовила Мария Перепечаева

: 22.10.2015