Согласно исследованию, опубликованному 22 июня в Cell Stem Cell, ученые использовали плюрипотентные стволовые клетки человека для создания в лаборатории эмбриональной толстой кишки человека, которая при трансплантации мышам функционирует так же, как естественные ткани человека.
По словам исследователей из Медицинского центра детской больницы Цинциннати, которые возглавили проект, это исследование является первым случаем, когда органоиды толстой кишки человека были успешно сконструированы таким образом.
Технология позволяет изучать заболевания толстой кишки с беспрецедентной детальностью в системе моделирования человека. По словам Джеймса Уэллса, доктора философии, старшего исследователя и директора Детского центра плюрипотентных стволовых клеток в Цинциннати, он также обладает потенциалом в один прекрасный день генерировать ткани желудочно-кишечного тракта человека для трансплантации пациентам.
"Заболевания, поражающие эту область желудочно-кишечного тракта, довольно распространены и включают такие недуги, как колит, рак толстой кишки, синдром раздраженного кишечника, болезнь Гиршпрунга и синдромы полипоза," Уэллс сказал. "Мы были ограничены в том, как мы можем изучать эти заболевания, включая тот факт, что модели на животных, такие как мыши, не могут точно воссоздать человеческие патологические процессы в желудочно-кишечном тракте. Эта система позволяет нам очень эффективно моделировать человеческие болезни и человеческое развитие."
Создание желудочно-кишечного тракта
В серии исследований, опубликованных с 2009 года, исследователи из лаборатории Уэллса использовали плюрипотентные стволовые клетки человека (hPSC) для выращивания тонкого кишечника на эмбриональной стадии с функционирующей нервной системой, а также антрального отдела и дна желудка человека.
Исследователи, в том числе Хорхе Мунера, доктор философии, первый автор и постдокторант в лаборатории Уэллса, отмечают в своей текущей статье, что толстую кишку было сложнее создать, чем другие части желудочно-кишечного тракта.
По мнению авторов, отчасти проблема определения правильного генетического и молекулярного программирования для передачи hPSCs в органоиды толстой кишки заключалась в отсутствии данных об эмбриональном развитии органа. Они решили эту проблему, проведя серию молекулярных и генетических скринингов развивающихся тканей задней кишки на животных моделях. Задняя кишка – это часть развивающейся кишки, которая дает начало всей толстой кишке, включая слепую, толстую и прямую кишку.
Они также изучили общедоступные базы данных (GNCPro, TiGER, Human Protein Atlas), чтобы идентифицировать молекулярные маркеры задней кишки в толстой кишке взрослого человека.
Лягушки и мыши на передовой
Чтобы разработать модель для генерации толстой кишки человека, ученые сначала определили SATB2 (специальный связывающий последовательность AT-богатый белок 2) в качестве окончательного молекулярного маркера задней кишки у лягушек, мышей и людей.
SATB2 – это ДНК-связывающий белок, который способствует структурной организации хромосом в ядре клеток.
Белковая последовательность SATB2 очень похожа у лягушек, мышей и людей. Это привело авторов к гипотезе о том, что молекулярные сигналы, регулирующие SATB2 у лягушек и мышей, могут быть использованы для создания органоидов толстой кишки человека, экспрессирующих этот белок.
Авторы также заметили, что передача сигналов от фактора роста BMP (костный морфогенетический белок) была высокоактивной в области, экспрессирующей SATB2, кишечной трубки. В ходе анализа кишечника лягушки, мыши и человека, полученного из стволовых клеток, исследователи узнали, что передача сигналов через BMP необходима для установления SATB2 в развивающейся задней кишке. Используя SABT2 в качестве маркера, исследователи показывают, что передача сигналов BMP необходима для развития тканей, специфичных для задней части кишечника лягушек и мышей, где развивается толстая кишка.
Когда белок BMP добавляли в течение трех дней в культуру кишечных трубок, полученных из плюрипотентных стволовых клеток человека, он индуцировал задний HOX-код. HOX включает в себя критически важный набор генов, которые помогают контролировать план развития эмбриона с головы до пят. Исследователи сообщают, что задний HOX помогает контролировать образование органоидов толстой кишки человека, экспрессирующих SATB2.
Тестирование трансляционного потенциала
Чтобы увидеть, как ткани желудочно-кишечного тракта человека работают в живом организме – и проверить их будущий терапевтический потенциал – в исследовательскую группу вошли сотрудники из отделения хирургии во главе с Майклом Хельмратом, доктором медицины, детским хирургом и директором программы хирургических исследований.
Организованные тканями органоиды толстой кишки трансплантировали в капсулы почек мышей с ослабленным иммунитетом на срок от шести до 10 недель. Во время наблюдения и анализа органоидов, теперь уже in vivo, авторы исследования искали признаки энтероэндокринных клеток задней области, которые вырабатывают гормоны, обнаруживаемые в естественно развитой толстой кишке человека.
Исследователи сообщают, что после трансплантации органоиды толстой кишки человека приняли форму, различные структуры и молекулярные и клеточные свойства толстой кишки человека.
Мунера, первый автор исследования, указал на ряд новых способов использования органоидов толстой кишки человека для изучения болезней.
"Подвергая органоиды толстой кишки человека воспалительным триггерам, теперь мы можем узнать, как клеточная оболочка толстой кишки и поддерживающие клетки под ней взаимодействуют, чтобы реагировать на воспаление," Мунера сказал. "Это может быть очень актуально для пациентов с болезнью Крона или язвенным колитом. И поскольку микробиом, организмы, которые живут в нашем кишечнике, наиболее сконцентрированы в толстой кишке, органоиды потенциально могут быть использованы для моделирования человеческого микробиома при здоровье и болезнях."
Как и другие части желудочно-кишечного тракта, выращенные исследователями, органоиды толстой кишки человека также создают потенциальную новую платформу для тестирования новых лекарств перед началом клинических испытаний. Большинство пероральных препаратов абсорбируются организмом через кишечник.