Международная группа исследователей, занимающихся биоинженерией тканей печени человека, обнаружила ранее неизвестные сети генетико-молекулярных перекрестных помех, которые контролируют процессы развития органов, что значительно продвинуло усилия по созданию здоровой и пригодной для использования ткани печени человека из плюрипотентных стволовых клеток человека.
Ученые сообщают онлайн в Nature 14 июня, что их биоинженерные ткани печени человека все еще нуждаются в дополнительных раундах молекулярной тонкой настройки, прежде чем они могут быть протестированы в клинических испытаниях.
Исследование проводилось под руководством Таканори Такебе, доктора медицины, врача / исследователя в Медицинском центре детской больницы Цинциннати (Отделение гастроэнтерологии и гепатологии) & Nutrition) в США, и Барбара Трейтлейн, доктор философии, Институт эволюционной антропологии Макса Планка в Лейпциге, Германия.
Единственное текущее лечение терминальной стадии заболевания печени – это трансплантация печени, а количество печени, доступное от умерших доноров, ограничено. Из-за этого основной целью регенеративной медицины является достижение самоорганизующихся тканей человека, в которых клетки переживают серию скоординированных молекулярных событий, точно рассчитанных по времени и разнесенных, чтобы сформировать функционирующие трехмерные зачатки печени, пишут авторы.
Определение точных деталей и контекста межмолекулярно-клеточного взаимодействия в энтодерме эмбриона, где формируется печень, имеет решающее значение для терапевтического потенциала этой технологии.
"Возможность биоинженерии для трансплантации печени и тканей печени будет большим преимуществом для людей, страдающих заболеваниями печени, которым нужны инновационные методы лечения, чтобы спасти свою жизнь," сказал Takebe в Cincinnati Children’s. "Наши данные дают нам новое, подробное представление о межклеточной коммуникации между развивающимися клетками печени и показывают, что мы можем производить зачатки печени человека, которые очень близки к повторению эмбриональных клеток естественного развития человека."
Генетический план
В текущем исследовании авторы использовали секвенирование одноклеточной РНК (RNA-Seq), чтобы отслеживать, как отдельные клетки изменяются, когда они объединяются в трехмерном (3D) микроокружении. Здесь сосудистые клетки, клетки соединительной ткани и клетки печени участвуют в сложной коммуникации.
Основное преимущество использования одноклеточной технологии RNA-Seq заключается в том, что она обеспечивает схему активности генов в каждом типе клеток. Исследователи сосредоточились на разработке полного плана активных факторов транскрипции (генов, которые говорят другим генам, что делать), а также сигнальных молекул и рецепторов в каждой из различных клеток до и после того, как они объединятся, чтобы сформировать ткань печени.
Авторы сообщают, что они наблюдали резкие изменения в генетико-молекулярных процессах и в поведении клеток, когда все они развиваются вместе в трехмерной микросреде.
Одноклеточный анализ РНК-Seq также помог исследователям сравнить сконструированные трехмерные ткани печени, полученные из стволовых клеток, с естественными клетками печени плода и взрослого человека. Исследователи заметили, что выращенные в лаборатории зачатки печени имеют молекулярные и генетические профили сигнатур, которые очень похожи на профили, обнаруженные в естественно развивающихся клетках печени человека.
В частности, они подчеркивают молекулярные перекрестные помехи между сигнальным белком, который клетки продуцируют для стимуляции образования кровеносных сосудов (VEGF), и белком и рецептором, которые связываются с VEGF, чтобы способствовать формированию кровоснабжения развивающейся печени (KDR). Текущее исследование показывает, что связь между VEGF и KDR имеет решающее значение для инструктирования развития и созревания тканей печени.
Исследователи указывают, что они наблюдали эту перекрестную помеху во время развития клеток печени мыши, естественных клеток печени человека и в их биоинженерной печени.
"Наши данные показывают с исключительной точностью, что диалог между клетками разных типов изменяет клетки таким образом, который, вероятно, имитирует то, что происходит во время развития человека," сказал Трейтлейн в Max Planck. "Еще многое предстоит узнать о том, как лучше всего создать функционирующую ткань печени человека в блюде, тем не менее, это большой шаг в этом направлении."
Натуральный vs. Биоинженерия
Авторы заметили, что ландшафт экспрессии генов в сгенерированных зачатках печени – например, где именно и когда гены экспрессируются – не полностью соответствует естественным клеткам печени человека. Оставшиеся промежутки между естественными и биоинженерными тканями могут возникать из-за различных факторов развития, вызванных уникальным микроокружением клеток, развивающихся в чашке Петри, по сравнению с микроокружением клеток, развивающихся в человеке или животном.
Новые клеточные и молекулярные данные, обнаруженные в текущем исследовании, будут "используется в будущем для дальнейшего улучшения органоидов почек печени" а также "точно воспроизвести дифференцировку всех типов клеток" в развитии человека плода, пишут авторы.