В лаборатории выращен человеческий пищевод

29 сентября 2018



Ученые, работающие над биоинженерным созданием органов желудочно-кишечной системы человека, сообщили об успешном использовании плюрипотентных стволовых клеток для выращивания человеческих органоидов пищевода. Впервые ученые смогли полностью вырастить человеческую пищеводную ткань из плюрипотентных стволовых клеток, которые могут образовывать любой тип ткани в организме.

На данном конфокальном микроскопическом изображении показан двухмесячный человеческий органоид, созданный учеными из плюрипотентных стволовых клеток. Размер объекта 700 микрометров (0,027 дюйма), органоид окрашивается, чтобы визуализировать ключевые структурные белки, выраженные в зрелом пищеводе, такие как инволюкрин (зеленый цвет) и корнулин (синий). Исследователи в журнале Cell Stem Cell сообщают о том, что создание органоидов продвинет исследование расстройств пищевода, персонализированное медицинское обслуживание и развитие регенеративной тканевой терапии для людей.

Опубликованное в журнале «Cell Stem Cell» исследование является последним достижением команды ученых из Детского клинического центра стволовых клеток и органоидов в Цинциннати CuSTOM (the Cincinnati Children’s Center for Stem Cell and Organoid Medicine). Центр занимается разработкой новых способов изучения врожденных дефектов и болезней, которые влияют на жизни миллионов людей с желудочно-кишечными расстройствами, такими как гастроэзофагеальная рефлюксная болезнь, рак и т. д. Работа, согласно прогнозам, приведет к новым персонализированным диагностическим методам. Кроме того, ученые центра сфокусировали свое внимание на разработке регенеративных тканевых терапевтических методик для лечения заболеваний ЖКТ, в том числе, для полного излечивания от них.

Согласно опубликованным исследованиям, ученым впервые удалось полностью вырастить человеческую пищеводную ткань из плюрипотентных стволовых клеток, которые, по мнению авторов, могут образовывать любой тип ткани в организме. Педиатры из Цинциннати и соавторы исследования из других отраслей науки уже использовали плюропотентные клетки для биоинженерного создания кишечника, желудка, толстой кишки и печени человека. «Патология пищевода и трахеи достаточно распространенные состояния у людей, что делает органоидные модели человеческого пищевода потенциально очень полезными», — сказал Джим Уэллс, доктор философии, главный научный сотрудник CuSTOM и ведущий автор исследования. «Органоиды могут стать не только новой моделью для исследования врожденных дефектов, таких, например, как атрезия пищевода, но и смогут использоваться для изучения редких заболеваний: эозинофильного эзофагита и метаплазии Барретта, возможно также, что методика поможет в биоинженерии, для создания генетически подобранных тканей пищевода, индивидуально для каждого пациента». Исследование потребовало сотрудничества ученых из нескольких отделений: биологии развития, онкологии, аллергии и иммунологии и эндокринологии как Детского клинического центра стволовых клеток и органоидов в Цинциннати CuSTOM, так и Института Гладстона (Gladstone Institutes) в Сан-Франциско. Включая первого автора работы Стивена Трисно, аспиранта лаборатории Wells.

Пищевод представляет собой мышечную трубку, которая активно сокращаясь, передвигает пищу из ротовой полости в желудок. Данный орган может быть поврежден в результате врожденных заболеваний, например, достаточно часто наблюдается атрезия пищевода — сужение или отсутствие пищевода, вызванная генетическими мутациями. Кроме того, существует несколько заболеваний, которые могут повредить пищевод в более позднем возрасте: рак пищевода, гастроэзофагеальная рефлюксная болезнь (ГЭРБ) и достаточно редкая болезнь, называемая ахалазией, — болезнь поражает мышцы нижнего отдела пищевода, что нарушает сокращение органа, и, как следствие, прохождение по нему пищи. Исследователи отмечают, что все эти состояния требуют совершенствования методов лечения. А для этого требуется более точное понимание генетических и биохимических механизмов, лежащих в их основе, и данная потребность может быть удовлетворена возможностью создавать и изучать надежные, функциональные, генетически согласованные модели человеческой пищеводной ткани, которые можно выращивать из собственных клеток человека.

Новый метод базируется на использовании человеческих полипотентных клеток для создания органоидов пищевода с помощью точно рассчитанных поэтапных манипуляций с генетическими и биохимическими сигналами, которые моделируют и формируют эмбриональную энтодерму и ткани головной кишки эмбриона. Они сосредоточились на гене Sox2 и связанном с ним белке, нарушение функции которого, как известно, вызывает заболевания пищевода. Ученые использовали культуры тканей мышей, лягушек и человека для идентификации других генов и молекулярных путей, регулируемых Sox2 в процессе образования пищевода. Ученые сообщают, что на критических этапах развития эмбрионов ген Sox2 блокирует программирование и действие генетических путей, которые профилируют клетки в респираторные, а не в пищеводные. В частности, белок Sox2 ингибирует сигнализацию молекулы, называемой Wnt, и способствует образованию и выживанию тканей пищевода. В другом тесте, проведенном для того, чтобы подтвердить важность экспрессии Sox2 при образовании пищевода, исследователи изучили последствия полного отсутствия Sox2 во время процесса развития у мышей. Удаление Sox2 приводило к агенезу пищевода — состоянию, при котором пищевод остается слепым отростком, мешочком, который не соединяется с желудком. После успешного создания полностью сформированных человеческих органоидов пищевода, которые выросли до длины около 300-800 микрометров примерно за два месяца, искусственно сформированные ткани сравнивались с тканями пищевода, полученными при биопсии пациентов (проводилась хроматография с тщательным соотнесением биохимических показателей в образцах). По мнению авторов, проведенные тесты показали, что биоинженерные и биопсийные ткани были поразительно идентичны по своему составу.

Исследовательская группа продолжает изыскания в области биоинженерных процессов для создания органоидов пищевода. Ученые уже наметили новые проекты для изучения возможного терапевтического потенциала технологии, согласно данным лаборатории Wells. Перечень этих проектов включает в себя использование органоидов для изучения прогрессирования конкретных заболеваний и врожденных дефектов, влияющих на здоровье пищевода.