В последовательных отчетах, опубликованных в августе. 27 января 2020 года в журнале Nature Communications группа ученых из Цинциннати Детский и Япония сообщает об открытиях, которые будут иметь жизненно важное значение для новой волны развития более сложных органоидов.
Их результаты продвигают усилия по использованию стволовых клеток человека для выращивания органов из передней кишки плода, включая трахею, пищевод, желудок, печень, желчный пузырь, желчные протоки и поджелудочную железу.
"С помощью одноклеточного анализа эмбрионов мышей мы определили сложные сигнальные сети, контролирующие развитие клеток мезенхимы, которые образуют ткани гладких мышц и фибробластов, которые необходимы для функционирования органов," говорит старший автор Аарон Зорн, доктор философии.D., кто руководит разработкой органоидов в Cincinnati Children’s. "Затем мы использовали эту информацию от мыши, чтобы дифференцировать эквивалентную ткань человека в лаборатории. Это важно, потому что до сих пор во всех органоидах печени, легких, желудка и пищевода, которые мы производим, в основном отсутствуют эти типы клеток мезенхимы."
Зорн руководит Центром стволовых клеток & Органоидная медицина (CuSTOM) в Cincinnati Children’s, которая добилась революционных успехов в развитии органоидов желудка, кишечника, печени и пищевода. В 2019 году группа CuSTOM начала официальное сотрудничество с RIKEN, крупнейшим комплексным исследовательским институтом Японии, чтобы продолжить дальнейшие инновации в области органоидов.
Статьи, опубликованные в Nature Communications, представляют собой первые результаты этого сотрудничества.
Расшифровка развития передней кишки клетка за клеткой
В этом исследовании ученые сообщают об обнаружении набора сигналов в передней кишке – протооргане у очень ранних эмбрионов – которые запускают, как и когда формируются другие органы. В частности, они обнаружили, что сигналы управляются генами Wnt и SHH, которые перемещаются между клетками в слоях энтодермы и мезодермы очень ранних эмбрионов.
Чтобы определить эти сигналы, соавторы Лу Хан, Ph.D., и Кейши Кисимото, Ph.D., сотрудничал с экспертами по органоидам Джеймсом Уэллсом, Ph.D., и Таканори Такебе, доктор медицины, для разработки карты развития передней кишки у мышей с высоким разрешением. Они обнаружили неожиданное разнообразие клеток, посылающих хор основных сигналов, которые запускают формирование различных органов, ответвляющихся от передней кишки.
По словам соавторов, это исследование является первым, в котором удалось выявить динамику эмбриональной мезодермы.
Действие происходит очень рано, между 8-м днем эмбриона.5 и 9.5 у мышей, что примерно соответствует 17–23-му дню беременности у человека. В течение этого короткого периода развития группы клеток в определенных точках вдоль простой трубки передней кишки начинают превращаться в отростки органов, которые становятся трахеей, пищеводом, печенью и поджелудочной железой.
Изучая молекулярную сигнальную активность в этот период на уровне клетки за клеткой, исследователи составили дорожную карту, которая показывает, как и почему органы прорастают там, где они появляются. Затем они использовали эти сигналы для выращивания тканей из разных органов из плюрипотентных стволовых клеток человека.
В сентябре 2019 года Такебе и его коллеги сообщили о первом в мире успехе в выращивании трехорганической системы, включающей печень, поджелудочную железу и желчные протоки. На достижение этого прорыва ушло пять лет, и полученные органоиды не обладали всеми типами клеток, необходимыми для полноценного функционирования.
По словам Цорна, новая дорожная карта позволит ученым CuSTOM вырастить больше взаимосвязанных органов.
Глубокое погружение в развитие трахеи
В параллельной статье, также опубликованной в Nature Communications, команды RIKEN и CuSTOM расширили эти исследования с помощью обширных экспериментов на мышах, чтобы дополнительно определить механизмы образования трахеи.
Это исследование, проведенное экспертом по развитию легких Мицуру Моримото, Ph.D., в Японии использовали генетически модифицированных мышей, чтобы узнать, какие клеточные сигналы наиболее важны для образования трахеи. Когда эти сигналы не действуют, развивающийся эмбрион не формирует должным образом хрящевые кольца и гладкие мышечные ткани, необходимые трахее для подачи воздуха в легкие.
Компания Cincinnati Children’s, разработавшая первый органоид пищевода человека в 2018 году, работает с командой RIKEN над этим проектом в рамках сотрудничества с Консорциумом CLEAR (Исследование врожденных дефектов пищевода и дыхательных путей).
"Эта работа помогает объяснить, что происходит при возникновении врожденных дефектов, таких как атрезия пищевода, трахеопищеводный свищ и трахеомаляция," Цорн говорит. "Эта работа также открывает дверь в один день создания тканей пищевода и трахеи для замещения тканей."
Значение для тканевой инженерии
Сложность новой дорожной карты по передаче сигналов помогает объяснить, почему так много времени потребовалось для того, чтобы совершить первоначальный прорыв с тремя органоидами. Например, карта выявила пять различных популяций мезенхимальных клеток, участвующих только в формировании печени.
Теперь соавторы говорят, что новая дорожная карта ускорит процесс, может расширить типы органов, которые можно выращивать вместе, и позволит исследователям выращивать наборы органоидов, имитирующие условия, которые приводят к врожденным дефектам или повышенному риску заболеваний. включая некоторые формы рака.
"Одним из важных результатов нашего исследования было использование дорожной карты передачи сигналов для направления развития стволовых клеток в различные типы клеток органов," Такебе говорит. "Этот подход может иметь важные приложения для тканевой инженерии."
В краткосрочной перспективе такие органоидные системы можно использовать для тестирования новых лекарств с гораздо меньшей зависимостью от животных моделей или для оценки вреда, вызванного загрязнением окружающей среды, нездоровым питанием, аллергенами и т. Д. В долгосрочной перспективе, когда ожидается изучение способов выращивания органоидов до значительно больших размеров, выращенные в лаборатории ткани можно будет использовать для восстановления поврежденных органов и когда-нибудь даже для замены вышедших из строя.
В документе излагаются протоколы, которые могут использовать другие ученые для создания собственных органоидных систем. Подробные данные, собранные в ходе проекта, также можно изучить с помощью интерактивного исследования веб-сайта.cchmc.org / ZornLab-singlecell.