Ученые уговорили стволовые клетки вырастить первые трехмерные мини-легкие.
Предыдущие исследования были сосредоточены на получении легочной ткани из систем плоских клеток или выращивании клеток на каркасе, сделанном из пожертвованных органов.
В исследовании, опубликованном в онлайн-журнале eLife, группа из нескольких учреждений определила систему для создания самоорганизующихся органоидов легких человека, трехмерных структур, которые имитируют структуру и сложность легких человека.
"Эти мини-легкие могут имитировать реакцию реальных тканей и станут хорошей моделью для изучения того, как органы формируются, изменяются с заболеванием и как они могут реагировать на новые лекарства," говорит старший автор исследования Джейсон Р. Спенс, доктор философии.D., доцент кафедры внутренней медицины и клеточной биологии и биологии развития Медицинской школы Мичиганского университета.
Ученым удалось вырастить структуры, напоминающие как большие дыхательные пути, известные как бронхи, так и небольшие легочные мешочки, называемые альвеолами.
Поскольку мини-структуры легких были разработаны в чашке, в них отсутствуют некоторые компоненты легкого человека, включая кровеносные сосуды, которые являются критическим компонентом газообмена во время дыхания.
Тем не менее, органоиды могут служить инструментом открытия для исследователей, поскольку они превращают фундаментальные научные идеи в клинические инновации. Практическое решение заключается в использовании трехмерных структур в качестве следующего шага или дополнения к исследованиям на животных.
Поведение клеток традиционно изучается в лаборатории в двухмерных ситуациях, когда клетки выращивают тонкими слоями на чашках для культивирования клеток. Но большинство клеток в организме существуют в трехмерной среде как часть сложных тканей и органов.
Исследователи пытались воссоздать эту среду в лаборатории, успешно генерируя органоиды, которые служат моделями желудка, мозга, печени и кишечника человека.
По словам Спенса, преимущество выращивания трехмерных структур легочной ткани в том, что их организация больше похожа на человеческое легкое.
Как сделать человеческое легкое в блюде
Чтобы сделать эти органоиды легких, исследователи из лаборатории Спенса UM и коллеги из Калифорнийского университета в Сан-Франциско; Медицинский центр детской больницы Цинциннати; Детская больница Сиэтла и Вашингтонский университет в Сиэтле манипулировали несколькими сигнальными путями, которые контролируют формирование органов.
Во-первых, стволовые клетки – главные клетки организма – были проинструктированы сформировать тип ткани, называемой энтодермой, которая обнаруживается у ранних эмбрионов и дает начало легким, печени и нескольким другим внутренним органам.
Ученые активировали два важных пути развития, которые, как известно, заставляют энтодерму образовывать трехмерную ткань. За счет одновременного подавления двух других ключевых путей развития энтодерма превратилась в ткань, напоминающую раннее легкое, обнаруженное у эмбрионов.
В лаборатории эта ранняя легочная ткань спонтанно образовывала трехмерные сферические структуры по мере развития. Следующей задачей было заставить эти структуры расширяться и развиваться в легочную ткань. Для этого ученые подвергли клетки воздействию дополнительных белков, которые участвуют в развитии легких.
Полученные органоиды легких выжили в лаборатории более 100 дней.
"Мы ожидали образования различных типов клеток, но их организация в структуры, напоминающие дыхательные пути человека, была очень захватывающим результатом," говорит ведущий автор исследования Бриана Дай, аспирантка факультета клеточной биологии и биологии развития Университета штата Мэриленд.