Мир не плоский: изучение клеток и тканей в трех измерениях

Клетки и ткани в нашем теле растут, развиваются и взаимодействуют в сложном трехмерном мире. Патогенные микроорганизмы, вызывающие инфекционные заболевания, также взаимодействуют с этой сложной 3-D средой. Однако традиционные методы культивирования и изучения человеческих клеток проводились в двух измерениях на плоских поверхностях. Хотя такие 2-D модели дали много важных данных о поведении клеток и механизмах инфекции, они имеют ключевые ограничения в точном воспроизведении тканевой среды in vivo (в живом организме).

В текущем выпуске журнала Nature Reviews Microbiology исследователь Шерил Никерсон и её команда из Biodesign Institute при Университете штата Аризона описывают инновационный подход для изучения клеток в 3-D. Эта работа расширяет понимание начала и прогрессирования болезней, особенно реакции клеток хозяина на патогены. Она даёт новое представление о механизмах инфекционных заболеваний и может помочь в разработке новых терапевтических средств, более точном скрининге лекарств и оценке кандидатов в вакцины.

Несмотря на прогресс, инфекционные заболевания остаются серьёзным бременем для здоровья и экономики, особенно в развивающихся странах. Они вызывают примерно 35% всех смертей в мире, ежегодно убивая около 14–17 миллионов человек. Многие из этих смертей можно было бы предотвратить с помощью разработки in vitro моделей человеческих клеток и тканей, которые лучше имитируют среду in vivo.

До появления 3-D методов клетки для исследований обычно выращивали на плоских поверхностях (часто из обработанного полистирола или стекла), что приводило к образованию 2-D монослоев. Однако изоляция клеток от их естественной 3-D архитектуры и микроокружения имеет последствия. Как объясняет Дженнифер Баррила, один из ведущих авторов обзора: «Мы знаем, что если взять биопсию ткани, гомогенизировать её, посеять на плоскую поверхность и наблюдать за ростом, она немедленно начнёт дедифференцироваться и терять многие черты и функции, характерные для организма, потому что она больше не находится в своей характерной 3-D форме».

Сейчас существует ряд методов для создания 3-D моделей культур клеток, которые лучше имитируют in vivo характеристики тканей организма. В данном обзоре основное внимание уделяется одной из таких перспективных технологий, изначально разработанной инженерами NASA для моделирования аспектов среды микрогравитации, с которой сталкиваются клетки во время космических полётов.

Эта технология, известная как биореактор с вращающейся стенкой (rotating wall vessel bioreactor, RWV), представляет собой вращающийся цилиндрический аппарат, заполненный питательной средой. Естественная седиментация клеток под действием силы тяжести уравновешивается вращением биореактора, что приводит к мягкому падению клеток внутри среды. Во время культивирования клетки прикрепляются к пористым микропереносчикам (или другому каркасу), что позволяет клеткам реагировать на химические и молекулярные градиенты в трёх измерениях, максимально приближаясь к условиям in vivo. В этих условиях клетки агрегируют, образуя 3-D тканеподобные структуры.

Среда культивирования в биореакторе RWV также предназначена для воспроизведения естественных физиологически релевантных условий низкого напряжения сдвига жидкости, встречающихся в организме. Напряжение сдвига жидкости — это механическая сила, оказываемая движением жидкостей по поверхности клеток, и было обнаружено, что она играет важную роль в дифференцировке, развитии и функции клеток. Интересно, что экспериментальные исследования, проведённые Никерсон и её командой, показали, что среда с низким напряжением сдвига жидкости регулирует инфекционный потенциал некоторых патогенов человека. В частности, условия в определённых областях желудочно-кишечного, респираторного и урогенитального трактов представляют собой среды с низким напряжением сдвига, которые могут изменить исход инфекционного процесса.

За последнее десятилетие группа Никерсон и коллеги опубликовали свои 3-D модели тонкого и толстого кишечника, лёгкого, плаценты, нервной ткани и вагинального эпителия. Такие модели дают новое представление о пролиферации, дифференцировке и иммунной функции клеток и служат платформой для понимания нормального гомеостаза тканей и перехода к болезни. Более того, эти 3-D модели также выявили новые механизмы развития заболеваний, вызываемых патогенами, и расширили спектр патогенов, которые можно изучать in vitro. Ключевым моментом является то, что 3-D модели реагируют на инфекцию способами, которые имитируют реакцию заражённого хозяина.

Эти исследования включают заражение 3-D кишечных тканей бактериальным (Salmonella typhimurium) и вирусным (норовирус) патогенами, передающимися через пищу, а также заражение 3-D лёгочных тканей бактериальным патогеном Pseudomonas aeruginosa. Никерсон подчёркивает, что 3-D моделирование тканей открыло двери для изучения множества взаимодействий «хозяин–патоген», которые ранее было трудно или невозможно исследовать обычными методами.

Никерсон также видит перспективное будущее для 3-D культур клеток в содействии трансляции фундаментальной науки в клиническую практику. Она подчёркивает, что разработка и использование серии всё более сложных 3-D модельных систем, включающих несколько типов клеток, позволит изучать широкий спектр заболеваний человека, включая инфекционные и генетические нарушения, такие как рак. Более того, использование этих моделей в качестве суррогатов человеческих тканей на ранних этапах разработки лекарств может помочь сократить количество неподходящих кандидатов, попадающих в клинические испытания, предоставляя in vitro модели, которые лучше предсказывают реакции in vivo, тем самым сокращая время и стоимость вывода терапевтического средства на рынок.