Вы когда-нибудь задумывались, откуда возникает это внезапное чувство голода, когда у вас урчит пустой желудок?? Тысячи клеток, продуцирующих гормоны, или энтероэндокринных клеток, разбросанных по вашему желудку и кишечнику, выпустили миллионы крошечных пузырьков, наполненных гормоном голода грелином, в ваш кровоток.
Исследователи из Института Хубрехта и Утрехтского университета создали подробное описание клеток кишечника, продуцирующих гормоны человека, в большом сотрудничестве с другими исследовательскими группами. Результаты представлены в научном журнале Cell 13 мая. Эти клетки сложно изучать, поскольку они очень редки и уникальны для разных видов животных. Исследователи разработали обширный набор инструментов для изучения клеток, продуцирующих гормоны человека, в крошечных версиях кишечника, выращенных в лаборатории, которые называются органоидами. Эти инструменты позволили им раскрыть секреты кишечника человека – например, какие потенциальные гормоны могут вырабатываться в кишечнике и как запускается секреция этих гормонов. Эти результаты открывают новые возможности для лечения таких заболеваний, как диабет 2 типа и ожирение.
Кишечные гормоны
Гормоны, такие как грелин, выступают в качестве основного метода коммуникации и координации кишечника с другими органами, такими как поджелудочная железа и мозг. В ответ на пищевые компоненты и бактерии в кишечнике разные типы энтероэндокринных клеток производят разные гормоны. Эти гормоны могут вызывать чувство голода или насыщения, координировать движение мышц кишечника и стимулировать восстановление защитного слоя клеток кишечника.
Еще один эффект этих гормонов – увеличение выброса инсулина из поджелудочной железы, что особенно интересно у пациентов с сахарным диабетом 2 типа. Эти пациенты не могут самостоятельно вырабатывать инсулин, достаточный для стабилизации уровня глюкозы. Одно из самых успешных методов лечения диабета 2 типа на самом деле основано на гормоне кишечника под названием GLP1. Благодаря этому лечению некоторые пациенты могут контролировать уровень глюкозы в крови без инъекций инсулина.
Проблема гормонов кишечника
Энтероэндокринные клетки составляют только около 1% слизистой оболочки кишечника. Еще больше усложняет ситуацию то, что по крайней мере пять подтипов этих энтероэндокринных клеток вырабатывают более 20 гормонов, некоторые из которых встречаются еще реже. Это означает, что вам нужно будет изучить более 1000 клеток, чтобы найти энтероэндокринную клетку, которая вырабатывает определенный гормон. Это очень затрудняет изучение того, как эти клетки точно реагируют на пищу в кишечнике.
Большая часть наших знаний о энтероэндокринных клетках получена в результате исследований на мышах. Однако у мышей другая диета и, следовательно, они могут ощущать другие сигналы от своей пищи. Различия настолько разительны, что аналоги некоторых гормонов кишечника человека даже не существуют у мышей.
Набор инструментов для гормонов кишечника
Команда исследовательской группы Ханса Клеверса из Института Хубрехта творчески преодолела эти проблемы, редкость энтероэндокринных клеток и различия между мышами и людьми. Они использовали органоиды кишечника, крошечный кишечник, который можно выращивать в лаборатории из стволовых клеток человека, и увеличили активность гена нейрогенина-3. Это резко увеличило количество энтероэндокринных клеток в этом мини-кишечнике, в то же время генерируя все различные подтипы этих клеток.
Чтобы изучить все специфические типы энтероэндокринных клеток, исследователи использовали еще один прием, который недавно был разработан группой Ханса Клеверса. Умные говорит, "В нашей лаборатории мы оптимизировали генную инженерию органоидов. Таким образом, мы смогли пометить гормоны, которые вырабатываются энтероэндокринными клетками, разными цветами и создать биобанк мини-кишечника, названный биобанком EEC-Tag, в котором разные гормоны помечены разными цветами." Когда энтероэндокринная клетка начинает вырабатывать меченый гормон, эта клетка будет иметь соответствующий цвет. Исследователи могут использовать биобанк EEC-Tag для изучения десяти основных гормонов и различных комбинаций этих гормонов в одном органоиде.
Йоп Боймер (Институт Хубрехта): "Маркировка всех основных гормонов кишечника цветом позволяет нам выборочно собирать любую подгруппу энтероэндокринных клеток и изучать даже самые редкие типы энтероэндокринных клеток. Сочетание биобанка EEC-Tag с другими передовыми технологиями позволило нам глубже понять биологию производства гормонов в кишечнике человека."
Новые молекулы
Впервые исследователи описали все гены, которые активны в различных типах энтероэндокринных клеток человека, используя метод, называемый одноклеточным секвенированием. На основе этих данных они создали атлас с самыми глубокими на сегодняшний день сведениями о различных подтипах энтероэндокринных клеток человека. Атлас выявил активность генов, определяющих функцию энтероэндокринных клеток, которая ранее не описывалась. Например, были выявлены новые рецепторы, которые эти клетки могут использовать для восприятия пищи и высвобождения своих гормонов. Другие открытия включают потенциальные гормоны, которые никогда раньше не обнаруживались в кишечнике.
"С помощью биобанка EEC-Tag мы можем измерять сотни клеток для каждого подтипа энтероэндокринных клеток. Полученный атлас представляет собой золотую жилу, полную увлекательных взаимосвязей между гормонами, рецепторами и другими генами, используемыми четко определенными подмножествами энтероэндокринных клеток, что открывает множество новых направлений для будущих исследований," говорит Йенс Пушхоф (Hubrecht Institute).
Ключевой характеристикой энтероэндокринных клеток являются активные гормоны, которые они выделяют. Чтобы напрямую измерить эти гормоны, исследователи сотрудничали с группой Вэй Ву из Утрехтского университета. Исследователи в этой группе являются специалистами в области масс-спектрометрии, очень чувствительного метода идентификации различных молекул. В коллекции молекул, продуцируемых мини-кишечником, они обнаружили много новых молекул, секретирование которых в кишечнике было неизвестно. Эти новые молекулы могут иметь функции в реакции нашего организма на пищу, которые до сих пор неизвестны. Это открытие подчеркивает наши ограниченные знания о гормонах, вырабатываемых в кишечнике, и вдохновляет на более подробные исследования функций этих молекул.
Вэй Ву (Утрехтский университет): "Секреции кишечника содержат смесь гормонов, которые могут быть активными или неактивными. Мы впервые охарактеризовали это разнообразие в человеческом мини-кишечнике, чтобы выявить также, перерабатываются ли эти гормоны в активные функциональные части. Активация гормонов определяется не генами, а, скорее, переработкой гормонов впоследствии. Следовательно, это также может указывать на захватывающий путь вмешательства для широкого спектра применений, таких как контроль голода или лечение диабета."
Широкомасштабные экраны
Имея под рукой все эти данные и инструменты, исследователи теперь могут проводить крупномасштабные исследования, чтобы изучить, какие молекулы в нашей пище воспринимаются какими типами энтероэндокринных клеток, как энтероэндокринные клетки на самом деле воспринимают эти молекулы и какие гормоны вырабатываются в ответ. Умники: "Комбинированная способность производить большое количество всех энтероэндокринных клеток человека и отслеживать подтипы с использованием флуоресцентных цветов в органоидах позволяет проводить скрининг лекарственных препаратов, которые могут использовать терапевтический потенциал энтероэндокринных клеток." Эта работа открывает путь к дальнейшим исследованиям крупнейшего в нашем организме органа, вырабатывающего гормоны, и может в конечном итоге привести к лечению людей, страдающих ожирением и диабетом.