Моделирование человеческого глаза в чашке Петри
Несмотря на малый размер, глаз — один из самых сложных органов человека, и его изучение в лаборатории было затруднено. Исследователи из Университета Осаки разработали новый метод моделирования развития и заболеваний глаза с использованием индуцированных плюрипотентных стволовых клеток человека (hiPSCs). В исследовании, опубликованном в Journal of Biological Chemistry, они показали, как отслеживание экспрессии ключевого белка PITX2 в развивающихся hiPSCs позволяет выделить группу клеток, играющих важную роль в развитии, биологии и патологиях глаза.
С момента своего открытия более десяти лет назад hiPSCs используются для воспроизведения биологии и болезней человека в лаборатории без привлечения животных. Их удобство использования дополняется возможностью легкого генетического редактирования для изучения функций белков. Хотя с помощью hiPSCs уже созданы модели многих органов, из-за сложной и гетерогенной природы глаза его воссоздание с помощью этих клеток было более трудной задачей.
«В отличие от других органов, глаз сложнее воссоздать в лаборатории из-за присутствия в нём гетерогенных клеток», — говорит ведущий автор исследования Рюхей Хаяши. — «Цель нашей работы — разработать новую клеточную модель глаза человека на основе hiPSCs, которая поможет лучше понять, как развиваются эти разные типы клеток, формируя глаз».
Для этого учёные создали репортёрную клеточную линию, модифицировав hiPSCs с помощью технологии редактирования генома так, чтобы клетки экспрессировали флуоресцентный белок eGFP при экспрессии белка PITX2. PITX2 — это транскрипционный фактор, играющий ключевую роль в эмбриональном развитии нескольких органов, включая глаза. В глазу PITX2 специфически экспрессируется в периокулярной мезенхиме (POM) — группе клеток, дающих начало роговице, а также мышечным клеткам и соединительной ткани внутри глаза. Таким образом, с помощью генетически модифицированных клеток исследователи смогли флуоресцентно маркировать клетки POM.
«Мы хотели узнать, способна ли наша новая клеточная модель воссоздать элементы нормального развития глаза, и выделили клетки POM для характеристики», — говорит первый автор работы Тору Окубо.
Исследователи сначала показали, что модифицированные hiPSCs сохранили плюрипотентность после редактирования генома. Затем они индуцировали развитие клеток POM из hiPSCs и показали, что те формируют так называемые самоформирующиеся эктодермальные автономные мультизоны (SEAM) — двумерные ткани из разных клеток глаза, образующиеся при нормальном развитии (впервые описаны группой Хаяши в 2016 г.). Ранее не было методов для выделения клеток POM, но новая линия генетически отредактированных iPSCs позволила команде селективно изолировать клетки POM из SEAM. Выделив флуоресцирующие клетки POM из нефлуоресцирующих, исследователи показали, что клетки POM сохраняют известные молекулярные маркеры при дальнейшем культивировании, что подтвердило воссоздание развития глаза с помощью их репортёрной линии hiPSCs.
«Это поразительные результаты, демонстрирующие, как человеческие стволовые клетки можно использовать для изучения процессов развития и болезней», — говорит Хаяши. — «Наша модель может предложить новые возможности для понимания того, как происходят различные аспекты развития глаза».