Экспериментальная стратегия воссоздания формирования органов в лаборатории

Исследователи RIKEN имитировали формирование органов в лаборатории, «взломав» определенные сигнальные пути, которые направляют развитие соединительных тканей в эмбрионе. Эти ткани поддерживают формирование печени, кишечника и других органов. Работа не только проливает свет на развитие органов, но и может в перспективе позволить врачам предоставлять персонализированное лечение.

Висцеральные органы в основном формируются из эмбриональных эпителиальных клеток — клеток, выстилающих поверхности тела. Однако недавние исследования показали, что этот процесс тесно связан с коммуникацией с мезенхимальными клетками, которые в конечном итоге дают начало кровеносной системе, скелету и различным соединительным тканям.

«Клетки мезенхимальной ниши поддерживают эпителиальные стволовые клетки, а структура мезенхимальной ткани влияет на судьбу эпителиальных клеток», — объясняет Мицуюру Моримото из Центра биодинамических исследований RIKEN. Это говорит о том, что мезенхимальные клетки в различных областях эмбриона предоставляют эпителиальным клеткам различные наборы инструкций, что приводит к формированию разных органов.

В 2020 году команда под руководством Аарона Зорна из Детской больницы Цинциннати провела систематический анализ экспрессии генов в развивающемся кишечнике с разрешением на уровне одной клетки. Они обнаружили специфические сигнальные пути, активные на ранних стадиях эмбрионального развития, которые, в свою очередь, дают начало мезенхимальным линиям, связанным с различными органами тела.

Теперь, используя эти знания, Моримото и Зорн разработали лабораторный протокол, который избирательно активирует эти пути для преобразования человеческих стволовых клеток в различные мезенхимальные линии. Используя этот подход, им удалось получить подтипы мезенхимы, которые способствуют формированию печени, желудочно-кишечного тракта или респираторных тканей всего за одну неделю культивирования клеток.

Кейши Кишимото, исследователь из группы Моримото, недавно присоединившийся к лаборатории Зорна, полон энтузиазма по поводу применения этого подхода в контексте регенеративной медицины. «Мы можем создавать модели врожденных заболеваний человека в лаборатории, используя этот протокол со стволовыми клетками, полученными от пациентов», — говорит он.

Детская больница Цинциннати является крупным центром исследований органоидов — трехмерных клеточных культур, которые близко отражают ключевые структурные и функциональные особенности сложных органов. Кишимоти предполагает использовать такие системы для понимания того, как различные генетические мутации нарушают процессы развития.

Для начала он и Моримото изучат трахеопищеводный свищ — редкое состояние, при котором пищевод и дыхательное горло срастаются, создавая потенциально серьезные проблемы с дыханием. «Мы создадим органоиды трахеопищеводного свища в лаборатории, создав органоид передней кишки и одновременно индуцировав трахею с одной стороны и пищевод с другой», — говорит Моримото.

Статья опубликована в журнале Nature Protocols.