Самоорганизация сетчатки глаза из эмбриональных стволовых клеток

Хотя известно, что эмбриональные стволовые клетки (ESCs) могут развиваться во все типы взрослых клеток, процесс координации их дифференцировки при формировании сложных тканей остаётся загадкой. Например, глаз развивается из однородной эмбриональной эктодермы через стадию оптического пузырька, который впячивается, образуя двухслойный «зрительный бокал». Внутренний слой становится нейросетчаткой, а внешний — пигментным эпителием сетчатки (RPE).

Долгое время доминировала гипотеза, что впячивание сетчатки вызывается механическим давлением формирующегося хрусталика. Однако исследования Ёсики Сасаи из RIKEN Center for Developmental Biology (Кобе) предоставили убедительные доказательства альтернативной, столетней гипотезы Ханса Шпемана о спонтанной самоорганизации.

Организация in vitro

Используя адаптированную методику бессывороточного культивирования агрегатов, подобных эмбриоидным телам (SFEBq), группа Сасаи добилась дифференцировки мышиных ESCs в правильно слоистую сетчатку in vitro, без внешних физических воздействий.

Через неделю в культуре ESCs сформировали полые сферы из клеток нейроэктодермы — предшественников нервной ткани. Затем на них появились куполообразные везикулы, экспрессирующие ген Rax, специфичный для сетчатки. В последующие дни эти везикулы спонтанно впячивались, образуя структуры, почти идентичные зрительному бокалу эмбриона. Оба слоя демонстрировали характерные профили экспрессии генов, а признаки формирования хрусталика или других возможных физических триггеров отсутствовали.

Наблюдения с помощью флуоресцентной микроскопии показали, что начальные морфологические изменения везикулы вызваны тянущим усилием «моторных белков», действующих на микрофиламенты в клетках эпителия. На поздних стадиях впячивание обеспечивается силой, создаваемой расширением и активной пролиферацией клеток в развивающейся ткани сетчатки.

Внутренняя программа развития

Для изучения дальнейшей специализации клеток нейросетчатки исследователи выделили этот слой из полученных in vitro зрительных бокалов и культивировали его отдельно. За две недели ткань развилась в высокостратифицированную структуру, содержащую множество специализированных клеточных типов (фоторецепторы, биполярные, амакриновые, ганглиозные клетки), каждый из которых занимал правильное положение в слое. За исключением несколько уменьшенной популяции колбочек, эти ткани были практически неотличимы от сетчатки новорождённого мышиного детёныша.

Это означает, что клетки, суждённые стать сетчаткой, обладают скрытым внутренним порядком, позволяющим им формировать столь сложную тканевую структуру, следуя внутренней программе.

Перспективы

Требуются дальнейшие исследования, чтобы определить, обладают ли полученные из ESCs сетчатки полной функциональностью (световосприятие, передача сигнала) и могут ли они использоваться для восстановления повреждённой сетчатки в моделях на животных. В случае успеха такие ткани могут стать бесценным материалом для трансплантации при лечении глазных болезней.

Эта работа также открывает путь к изучению аналогичных «внутренних программ», лежащих в основе автономного развития стволовых клеток в другие сложные ткани, включая структуры мозга. Группа Сасаи сейчас анализирует механизм самодвижущего морфогенеза на клеточном и молекулярном уровне, с целью в будущем включить эти данные в трёхмерную компьютерную симуляцию.