Кишечник из пробирки

Ученым удалось вырастить из стволовых клеток полноценную человеческую ткань – кишечник. Частичная имитация развития эмбриона позволила создать трехмерную ткань кишечника, состоящую из всех необходимых типов клеток.

Ученые сделали важный шаг на пути к созданию искусственных донорских органов для трансплантации:

с помощью стволовых клеток получилось создать «в пробирке» трехмерную ткань полноценного органа.

Работу ученых под руководством Джеймса Уэллса из Детского медицинского клинического центра в Цинциннати (Огайо) публикует Nature. Кроме перспективы создания органов для трансплантации исследование открывает возможность подробного изучения того, как протекают процессы развития органов и их болезни, на молекулярном уровне и создания более эффективных лекарств, испытывая их непосредственно на нужных тканях.

Уэллс и его коллеги использовали стволовые клетки человеческих эмбрионов – тип клеток, которые способны в процессе жизни преобразовываться в любые клетки тканей организма (это свойство называется плюрипотентностью). Аналогичными качествами обладают так называемые iPS-клетки – это обычные клетки взрослого организма (например, клетки кожи), которые были «перепрограммированы» в стволовые (iPS означает индуцированную плюрипотентность). Медикам удалось направить развитие стволовых клеток так, что они сформировали трехмерные структуры человеческого кишечника с помощью специальных химических веществ – факторов роста, которые определяют развитие и специализацию тканей. По сути, это имитирует процесс специализации клеток и зарождения тканей и органов, происходящего в эмбрионе человека во время внутриутробного развития.

Рост кишечника был смоделирован и с помощью стволовых клеток эмбрионов, и с помощью iPS-клеток, чтобы проверить качество трансплантации обоих типов искусственных органов.

Факторы роста – особые белки, которые регулируют и направляют специализацию стволовых клеток в процессе развития организма. Специализация клеток эмбриона происходит постепенно и начинается с образования своеобразных зародышевых тканей, из которых затем формируются органы целых систем: нервной, пищеварительной, костной. Этим путем пошли и ученые: сначала белок активин А был добавлен к двум культурам стволовых клеток (эмбрионным и iPS), и они преобразовались в энтодерму – слой клеток, который является предшественником желудочно-кишечного тракта в эмбрионах. Затем добавление белка WNT3A фактора роста фибропластов 4 (фибропласты – основная клеточная форма соединительной ткани человека) привело к формированию задней кишки (в эмбриологии так называют заднюю часть кишечника, из которой формируется часть ЖКТ). Через несколько дней плоский «лист» из клеток свернулся в трубки, сферы и другие формы, которые наблюдались при детальном изучении развития ЖКТ у эмбрионов мышей. Затем специализация клеток продолжилась, и уже через месяц в искусственном органе появились все необходимые для существования кишечника клеточные линии, в том числе гладкая мускулатура и клетки, впитывающие питательные вещества и секреты, гормоны и ферменты.

«Взросление» клеток проходило еще несколько месяцев.

Возможности применения работы выходят за рамки выращивания органов. Создание искусственного кишечника позволит качественно по-новому моделировать механизмы желудочно-кишечных заболеваний, воспалений, нарушений всасывания питательных веществ (например, синдром короткого кишечника). Кроме того, возможен эффективный скрининг лекарств, блокирующих всасывание холестерина.

Уэллс с коллегами дорабатывают полученный искусственный орган, чтобы внедрить его в модельную линию мышей с патологиями желудочно-кишечного тракта.

Кроме того, они планируют создать iPS-клетки из тканей пациентов с врожденными аномалиями и использовать эти клеточные культуры, чтобы увидеть, как эти аномалии развиваются при росте эмбриона. Возможно, это позволит вмешиваться в развитие эмбриона человека, корректировать эти ошибки и «лечить» врожденные заболевания до появления ребенка на свет.

«Это действительно крупное достижение в области изучения стволовых клеток. Оно позволяет создавать совершенные экспериментальные системы для изучения развития кишечника человека. Медики смогут изучать развитие органов и систем «в пробирке»; еще недавно мы даже и представить себе не могли такой возможности», – прокомментировал публикацию Стивен Кон, гастроэнтеролог из Медицинской школы Университета Вирджинии.