Это тот уровень прогресса в науке о органоидах, которого достигли исследователи из Cincinnati Children’s с результатами, опубликованными сегодня в журнале Nature. Вместо того, чтобы выращивать мини-органы человека независимо в отдельных лабораторных чашках, команде под руководством доктора Таканори Такебе удалось вырастить связанный набор из трех органов: печени, поджелудочной железы и желчных протоков.
Органоиды, выращенные из стволовых клеток, представляют собой крошечные трехмерные образования ткани человека, которые фактически выполняют функции нескольких типов клеток, обнаруженных в полноразмерных органах. Эксперты по органоидам в Cincinnati Children’s уже вырастили кишечник с ворсинками, поглощающими питательные вещества, органоидами желудка, которые вырабатывают пищеварительные кислоты, и многим другим.
Сами по себе органоиды человека уже представляют собой сложный инструмент для исследований.
Но этот прогресс позволяет ученым изучать, как ткани человека работают согласованно. Этот важный шаг вперед может привести к снижению потребности в исследованиях лекарств на животных, резко ускорить развитие концепции точной медицины и когда-нибудь привести к выращиванию трансплантируемых тканей в лабораториях.
«Связь – самая важная часть этого», – говорит Такебе. «Что мы сделали, так это разработали метод производства тканей на стадии доорганизации, чтобы они могли развиваться естественным путем.
Мы максимально увеличиваем нашу способность делать несколько органов так же, как и тело."
Пятилетний квест достигает ключевой цели
Такебе, 32 года, начал работать в Cincinnati Children’s в 2016 году и одновременно работает в Токийском медицинском и стоматологическом университете (TMDU) в Японии.
Он окончил медицинский институт в 2011 году и планирует стать хирургом по пересадке печени. Но когда Такебе узнал о зияющем разрыве между спросом и предложением донорских органов, он переключил внимание на поставку органов.
В предыдущем исследовании Такебе продемонстрировал метод производства больших запасов печеночных «почек», формы органоида печени на ранней стадии. Он также вырастил органоиды печени, которые отражают болезненные состояния, включая стеатогепатит, опасную форму рубцевания и воспаления печени, которая возникает у некоторых людей с ожирением.
Его работа на сегодняшний день была отмечена Императорским принцем Японии, который в 2018 году вручил Такебе награду Японского общества содействия науке. Журнал Discover также назвал органоидную работу Такебе как Нет. 5 место в списке 100 лучших научных достижений 2013 года.
Но Такебе говорит, что этот проект – его самая значительная работа.
"Мы отметили этот момент в дифференциации органов некоторое время назад. Но потребовалось пять лет, чтобы настроить систему культуры, чтобы такое развитие произошло », – говорит Такебе.
Как три протооргана растут согласованно
Самыми сложными частями процесса были самые ранние этапы. Такебе много часов работал с коллегами из Cincinnati Children’s, в том числе с первым автором Хироюки Койке, доктором философии, ныне работающим в Медицинской школе Ниппон в Японии, чтобы усовершенствовать этот процесс. Они начали с клеток кожи человека, превратив их обратно в примитивные стволовые клетки, а затем направляя и подталкивая эти стволовые клетки, чтобы сформировать два очень ранних «сфероида» клеток, условно называемых передней и средней кишкой.
Эти комки клеток образуются на очень ранней стадии 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 пищеварительным трактом.
Выращивание этих сфероидов в лаборатории было сложным процессом, который требовал использования правильных ингредиентов в нужное время. Как только они стали достаточно зрелыми – шаг по времени, который требовал много работы, чтобы определить, – наступала более легкая часть.
Команда просто поместила сфероиды рядом друг с другом в специальную лабораторную посуду.
Клетки суспендировали в геле, который обычно используется для поддержки роста органоидов, затем помещали поверх тонкой мембраны, которая покрывала тщательно перемешанную партию питательной среды.
«С этого момента клетки знали, что делать», – говорит Такебе.
Команда лаборатории просто наблюдала, как клетки каждого сфероида начали трансформироваться, встречаясь друг с другом на границе между двумя сфероидами. Они преобразовали себя и друг друга в более специализированные клетки, которые можно было увидеть, меняя цвет благодаря химическим меткам, которые команда лаборатории прикрепила к клеткам.
Вскоре сливающиеся, изменяющиеся сферы разрослись в ветви, ведущие к новым группам клеток, которые принадлежали определенным органам. В течение 70 дней эти клетки продолжали размножаться в более совершенные и различные типы клеток. В конце концов, мини-органоиды начали перерабатывать желчные кислоты, как если бы они переваривали и фильтровали пищу.
"Это было совершенно неожиданно. Мы думали, что нам нужно добавить ингредиенты или другие факторы, чтобы ускорить этот процесс », – говорит Коике. "Отсутствие попыток контролировать этот биологический процесс привело нас к этому успеху."
Что означает этот аванс?
Аарон Зорн, доктор философии, директор Центра медицины стволовых клеток и органоидов (CuSTOM) в Cincinnati Children’s, говорит, что этот прогресс будет полезен во многих отношениях.
«Настоящим прорывом здесь была возможность создать интегрированную систему органов», – говорит Цорн. "С точки зрения исследования, это беспрецедентная возможность изучить нормальное человеческое развитие."
Однако Такебе и его коллеги смогли вырастить эти органоиды только до сих пор.
Такебе говорит, что для долгосрочной надежды на то, что ткани органа вырастут, достаточно большие, чтобы их можно было использовать при трансплантации человека, необходима дополнительная работа. Он и его коллеги уже начали работать над способами добавления иммунных клеток наряду с клеточными линиями, необходимыми для формирования кровеносных сосудов, соединительных тканей и т. Д.
Но для исследовательских и диагностических целей это открытие может иметь более непосредственные последствия.
В точной медицине врачи начинают использовать геномные данные и другую информацию, чтобы точно определить, какое лечение будет лучше всего работать для пациентов с серьезным заболеванием, в какой дозе и с наименьшим количеством возможных побочных эффектов.
Живая «кишка» из множества органов предоставит ученым мощный инструмент для изучения того, как именно вариации генов и другие факторы влияют на развитие органов во время беременности, а также для разработки более целенаправленных лекарств для лечения состояний после рождения детей.
Связанная система "общих" человеческих органоидов предложит гораздо больше информации, чем три органоида в отключенных тарелках.
Выращивание набора органоидов кишечника для конкретного пациента может позволить еще более точную диагностику и индивидуальное лечение.
«Современные подходы к регенеративной медицине печени страдают от отсутствия соединения желчных протоков», – говорит Такебе. «Хотя предстоит еще много работы, прежде чем мы сможем начать клинические испытания на людях, наша система трансплантации нескольких органоидов готова решить эту проблему и когда-нибудь может обеспечить пожизненное излечение для пациентов с заболеваниями печени."
Когда-нибудь может быть не так далеко
Хотя впереди еще много работы, Такебе и его коллеги уже сообщают об одном шаге к практическому применению.
Команда уже вырастила набор органоидов кишечника, в которых отсутствует ген HES1. Это один из нескольких известных генов, которые играют важную роль в запуске атрезии желчных протоков, состояния, которое разрушает систему желчных протоков, что приводит к печеночной недостаточности и смерти, если трансплантат не может быть предоставлен. Это состояние является основной причиной трансплантации печени детям.
Новое исследование демонстрирует, как органоиды кишечника страдают от недостатка HES1.
Если ученые смогут найти способ компенсировать эту генетическую изменчивость, они смогут найти лекарство или пересадку клеток, которые сохранят функцию желчевыводящих путей у новорожденных и, возможно, избавят от необходимости в труднодоступных трансплантатах печени.