Первая в мире трехорганоидная система открывает двери для медицинских исследований и диагностики.
Представьте себе попытку раскрасить лес, когда у художника есть только листья и кусочек коры, а не живое, растущее дерево в качестве модели. Видение того, как соединяются друг с другом детали, может иметь большое значение.
Это уровень прогресса в органоидной науке, которого достигли ученые благодаря результатам исследований. Вместо самостоятельного выращивания мини-органов человека в отдельных лабораторных, команда под руководством Таканори Такебе, доктора медицины, смогла вырастить связанный набор из трех органов: печени, поджелудочной железы и желчных протоков.
Органоиды, выращенные из стволовых клеток, представляют собой крошечные 3D-формации тканей человека, которые фактически выполняют функции множественных типов клеток, встречающихся в полноразмерных органах. Специалисты уже выращивают кишечник, который содержит в себе ворсинки, поглощающие питательные вещества, органоиды желудка, вырабатывающие пищеварительные кислоты, и многое другое.
Органоиды человека сами по себе уже являются сложным инструментом для исследований. Но этот прогресс позволяет ученым изучать, как ткани человека работают согласованно. Этот важный шаг вперед может привести к снижению потребности в медикаментозных исследованиях на животных, резкому ускорению концепции прецизионной медицины и когда-нибудь привести к появлению трансплантируемых тканей, выращиваемых в лабораториях.
"Подключение - это самая важная часть этого, - говорит Такебе. "Мы разработали метод производства тканей до образования органов, чтобы они могли развиваться естественным путем. Мы максимизируем нашу способность делать несколько органов такими же, как и тело".
Пятилетнее задание позволяет достичь главной цели
В предыдущих исследованиях компания Такебе продемонстрировал метод получения больших поставок органоидов печени на ранних стадиях развития. Он также вырастил органоиды печени, которые отражают состояние болезни, включая стеатогепатит, опасную форму рубцевания печени и воспаления, которое возникает у некоторых людей с ожирением.
"Мы отмечали этот момент в дифференциации органов некоторое время назад. Но потребовалось пять лет, чтобы настроить систему культуры, чтобы такое развитие событий произошло", - говорит Такебе.
Как три протооргана растут вместе.
Самые трудные этапы этого процесса были самыми ранними. Такебе много часов работал с коллегами, включая первого автора Хироюки Койке, доктора философии, чтобы довести этот процесс до совершенства. Они начали с клеток кожи человека, преобразовывая их обратно в примитивные стволовые клетки, затем направляя и подталкивая эти стволовые клетки к формированию двух очень ранних "сфероидов" клеток, слабо называемых передней и средней кишками.
Эти шарики клеток образуются очень рано в процессе эмбрионального развития. У людей они образуются в конце первого месяца беременности. У мышей они образуются всего за 8,5 дней. Со временем эти сферы сливаются и превращаются в органы, которые в конечном итоге становятся желудочно-кишечным трактом.
Выращивание этих сфероидов в лаборатории было сложным процессом, требующим использования правильных ингредиентов в нужное время. Как только они стали достаточно взрослыми - шаг по определению времени, который потребовал много работы для точного определения, - настала более легкая часть.
Команда просто поместила сфероиды рядом друг с другом в специальную лабораторную посуду. Клетки подвешивались в гель, который обычно используется для поддержки органоидного роста, а затем помещались на тонкую мембрану, покрывающую тщательно перемешанную партию растительной среды.
Лабораторная группа просто наблюдала, как клетки каждой сфероиды начали трансформироваться, встретившись друг с другом на границе между ними. Они превратили друг друга в более специализированные ячейки, которые можно было видеть меняющимися цветами благодаря химическим тегам, которые были прикреплены к ячейкам лабораторной бригадой.
Вскоре сливающиеся, меняющиеся сферы переросли в ветви, что привело к появлению новых групп клеток, принадлежащих определенным органам. В течение 70 дней эти клетки продолжали размножаться в более утонченные и четкие типы клеток. В конце концов, миниорганоиды начали перерабатывать желчные кислоты так, как будто они перевариваются и фильтруют пищу.
"Это было совершенно неожиданно. Мы думали, что нам понадобится добавить ингредиенты или другие факторы, чтобы ускорить этот процесс, - говорит Койке. "Не пытаясь контролировать этот биологический процесс, мы добились успеха."
Что означает этот прорыв?
"Настоящим прорывом здесь была возможность создать интегрированную систему органов", - Аарон Зорн, доктор философии . "С научной точки зрения это беспрецедентная возможность изучить нормальное человеческое развитие."
Однако Такебе и его коллегам пока удавалось выращивать только эти органоиды.
Такебе говорит, что для долгосрочной надежды на выращивание достаточно больших тканей органов, чтобы они могли быть полезны для трансплантации человека, необходима дальнейшая работа. Он и его коллеги уже начали работать над тем, чтобы добавлять иммунные клетки вместе с клеточными линиями, необходимыми для формирования сосудов, соединительных тканей и многого другого.
Но для исследовательских и диагностических целей это открытие может иметь более непосредственные последствия.
В прецизионной медицине врачи начинают использовать геномные данные и другую информацию, чтобы точно определить, какое лечение будет наиболее эффективным для пациентов с серьезными заболеваниями, в какой дозе и с наименьшим количеством возможных побочных эффектов.
Живая "кишка" множества органов дала бы ученым мощный инструмент для изучения того, как именно генетические изменения и другие факторы влияют на развитие органов во время беременности, и разработки более целенаправленных препаратов для лечения заболеваний после рождения ребенка.
Связанная система "родовых" человеческих органоидов дала бы гораздо больше информации, чем наличие трех органоидов в несвязанных блюдах. Выращивание набора кишечных органоидов для конкретного пациента может обеспечить еще более точную диагностику и индивидуальное лечение.
"Современные подходы к регенеративной медицине печени страдают от отсутствия связи желчных протоков, - говорит Такебе. "Хотя многое еще предстоит сделать, прежде чем мы сможем начать клинические испытания на людях, наша многоорганоидная трансплантационная система способна решить эту проблему и однажды обеспечить пациентам с заболеваниями печени лечение на всю жизнь".
Когда-нибудь, возможно, не так уж далеко.
В то время как впереди еще много работы, Такебе и его коллеги уже сообщили об одном шаге на пути к практическому применению.
Команда уже вырастила набор кишечных органоидов, которым недостает гена HES1. Это один из нескольких известных генов, которые играют важную роль в запуске билиарной атрезии, состояния, разрушающего систему желчных протоков, что приводит к отказу печени и смерти, если трансплантация не может быть проведена. Это заболевание является основной причиной трансплантации печени детям.
Новое исследование показывает, как отсутствие HES1 наносит вред кишечным органоидам. Если ученые смогут найти способ компенсировать эти генетические изменения, они смогут найти лекарство или пересадку клеток, которые бы сохранили билиарную функцию у новорожденных и, возможно, избежали необходимости в труднодоступных трансплантатах печени.