Человеческий желудок вырастили в пробирке
«Минижелудок», развившийся из стволовых клеток человека, сумел свернуться в трёхмерную структуру, подобную нормальному, естественному органу.
Исследователи из Медицинского центра при детской больнице Цинциннати (США) сумели вырастить в пробирке человеческий желудок. Правда, по размерам он не превышает 3 мм в диаметре, однако, несмотря на свою миниатюрность, он во многом повторяет структуру «натурального» органа.
Джеймс Уэллс (James M Wells) вместе с коллегами воспользовались плюрипотентными стволовыми клетками человека, из которых можно получить любую разновидность клеток организма. Сами стволовые клетки были двух видов: натуральные, полученные ещё 15 лет назад из человеческого эмбриона, и искусственные, или индуцированные, полученные в результате молекулярного перепрограммирования специализированных клеток кожи. В настоящее время использование стволовых клеток из эмбриона сопряжено со многими юридическими проблемами, поэтому в таких исследованиях чаще используют индуцированные плюрипотентные стволовые клетки. Однако клетки, взятые у эмбриона много лет назад, благодаря специальным методам хранения и благодаря их собственному бессмертию (потенциально они могут жить и размножаться бесконечно долго), тоже могут быть использованы в подобного рода экспериментах.
Суть задачи состояла в том, чтобы провести стволовые клетки через несколько последовательных стадий развития желудка. Сначала был сформирован так называемый внутренний зародышевый листок, или энтодерма, образующийся на самых ранних этапах развития эмбриона. Клетки энтодермы, хотя и несколько теряют во «всемогуществе», ещё могут дать начало самым разным органам, не только желудку, но и лёгким, печени, поджелудочной железе.
На следующем шаге специализации такая искусственная энтодерма получала сигнал превратиться в трубку – прототип желудочного мешка. (Под сигналом надо понимать очередную порцию особых белков, связывающихся с клеточными рецепторами и меняющими активность генов.) Собственно, это и стало главным результатом эксперимента: плоскую клеточную структуру удалось превратить в трёхмерную. Такое превращение происходит и с обычным зародышем, но в лабораторных условиях воспроизвести стадию перехода от 2D в 3D невероятно сложно. Не будет преувеличением сказать, что такой переход стал одной из главных задач в современной биологии развития, решать которую пытались самыми разными способами. Особенно это касается сложных органов, со сложной внутренней структурой, состоящей из нескольких типов клеток и пронизанных кровеносными сосудами. Например, недавно исследователи из Массачусетской больницы в Бостоне (США) использовали для получения трёхмерной почки соединительнотканный каркас, который обрастал нужными клетками, а их коллеги из Института Солка (США) с той же целью добавляли к растущему органу специализированные клетки из зрелой почки (обе работы с 3D-почкой вышли в прошлом году). Были также попытки собирать трёхмерные образцы живой ткани с помощью 3D-принтера. Интерес к этой проблеме вполне понятен – все наши клетки функционируют в трёхмерном окружении соседей, в объёмных органах, мы же изучаем их в плоских клеточных культурах, и потому многие особенности взаимодействия клеток между собой остаются от нас скрытыми.
Авторы работы предпочитают называть то, что у них вышло, не желудком, но желудочным органоидом. Хотя внутри у него есть характерные складки, некоторые важные признаки настоящего желудка у него отсутствуют. Например, в нём есть участок, контролирующий работу кислотного отдела и пищеварительных ферментов, но нет собственно кислотного участка. Однако даже в таком виде «минижелудок» может быть прекрасным объектом как для изучения нормального эмбрионального развития желудка (где до сих пор есть много белых пятен), так и для исследования болезней. Так, в своей статье в Nature авторы описывают реакцию желудочного органоида на известную бактерию Helicobacter pylori, которая часто служит причиной развития гастритов, язв и даже рака. Бактерии хватило суток, чтобы спровоцировать ранние этапы гастрита и активировать один из онкогенов, причём распространение инфекции и реакция органоида на неё оказалась почти такой же, как у обычного желудка.
Буквально пару недель назад та же команда из Медицинского центра при детской больнице Цинциннати выпустила в Nature Medicine другую статью, в которой описывала кишечный человеческий органоид, также полученный из стволовых клеток человека, но пересаженный потом в мышь. Причём не в кишечник мыши, а в почку, где человеческий органоид мог получить с кровью достаточно питательных веществ для дальнейшего развития. Сама мышь была соответствующим образом промодифицирована, чтобы её иммунитет не атаковал чужеродную ткань. Разумеется, в перспективе такие методы могут позволить нам выращивать самые разные органы для пересадки, не боясь отторжения (ведь выращивать их будут из собственных клеток пациента, переведённых в стволовое состояние), но произойдёт это, по-видимому, ещё не скоро.
