В пробирке выращен фрагмент кишечника

«Разработанный нами метод можно использовать для изучения молекулярных механизмов развития кишечника и возникновения его заболеваний, создания лекарственных препаратов с улучшенными абсорбционными свойствами, а также для получения тканей кишечника с целью их трансплантации больным», - рассказывает руководитель исследования, специалист в области биологии развития Джеймс Уэллс (James Wells).


Стволовые клетки давали начало структурам, напоминающим железы слизистой оболочки кишечника (фото: Jason Spence).

Группа ученых под руководством Уэллса использовала в своей работе эмбриональные стволовые клетки человека, а также индуцированные плюрипотентные стволовые клетки (induced pluripotent stem cells или iPS). Индуцированные плюрипотентные стволовые клетки – это клетки, полученные из клеток взрослого организма путем генетической модификации и имеющие свойства, аналогичные свойствам эмбриональных стволовых клеток. С помощью различных факторов роста ученые вызвали дифференцировку эмбриональных и индуцированных плюрипотентных стволовых клеток в клетки слизистой оболочки кишечника и затем поместили их в трехмерный матрикс, также содержащий специальные факторы роста. В результате была получена ткань с трехмерной структурой, напоминающая ткань кишечника [2].

Основной задачей Уэллса и его коллег было получить эндодерму, представляющую собой слой клеток, которые в ходе эмбрионального развития дифференцируются в клетки желудочно-кишечного тракта и некоторых других органов. С целью получения клеток эндодермы в культуру эмбриональных стволовых клеток и в культуру индуцированных плюрипотентных стволовых клеток человека был добавлен белок активин А. Ученые обнаружили, что для дальнейшего образования клеток нижней части желудочно-кишечного тракта, которая называется задней кишкой, в питательную среду необходимо добавить определенные факторы роста: белок WNT3A и фактор роста фибробластов 4 ( fibroblast growth factor 4 или FGF4). Через несколько дней после внесения факторов роста слой клеток «свернулся», образовав трубку, а некоторые клетки мигрировали в ее просвет и сформировали там подвижные клеточные сферические кластеры, которые напоминали аналогичные незакрепленные клеточные сферы в просвете кишки развивающегося эмбриона мыши.

Затем ученые перенесли полученные сферы из обычной чашки Петри, где клетки культивируются на плоскости, в трехмерный матрикс [2]. В процессе, похожем на процесс формирования первичной пищевой трубки у эмбриона мыши, из размножающихся клеток сфер образовывались эпителиальные клетки выстилки кишечника с характерными микроворсинками, необходимыми для увеличения всасывающей площади клеток. В образующемся эпителии также формировались области размножения стволовых клеток кишечника. В течение месяца в трехмерной культуре ткани кишечника образовались все основные типы клеток, которые имеются в тканях пищеварительного тракта, включая гладкомышечные клетки и клетки, абсорбирующие питательные вещества и секретирующие слизь, гормоны и ферменты. Специализированные типы клеток продолжали созревать в течение последующих месяцев культивирования.

Практическое применение нового метода

«Результаты этого исследования - настоящий прорыв в области гастроэнтерологии, потому что была создана модель, на которой можно детально исследовать развитие желудочно-кишечного тракта млекопитающих и получить совершенно новые данные. Впервые, насколько мне известно, ученым удалось воспроизвести большую часть процесса развития органа в пробирке с помощью плюрипотентных стволовых клеток человека. Человеческие индуцированные плюрипотентные стволовые клетки проявили себя как надежный и непрерывно действующий источник клеток, позволяющий полностью воссоздать ткани органа», - говорит гастроэнтеролог из Медицинской Школы при Университете Вирджинии (University of Virginia School of Medicine) Стивен Коэн (Steven Cohn).

«Разработанный метод можно использовать при изучении развития кишечника человека и раскрытии механизмов возникновения его заболеваний, сопровождающихся воспалением и/или нарушением всасывания питательных веществ. К таким заболеваниям относятся, например, воспалительные заболевания кишечника или синдром укороченной тонкой кишки. Кроме того, методику можно использовать при тестировании лекарственных препаратов, препятствующих всасыванию холестерина», - рассказывает специалист в области биологии стволовых клеток из Медицинского Колледжа Висконсина (Medical College of Wisconsin) Стефан Дункан (Stephen Duncan).

Сейчас Уэллс и его коллеги разрабатывают метод получения нервных клеток пищеварительного тракта в культуре и трансплантируют полученные ткани мышам, у которых предварительно было экспериментально вызвано заболевание желудочно-кишечного тракта.

Ученые также планируют получить человеческие индуцированные плюрипотентные стволовые клетки от пациентов с врожденными аномалиями пищеварительного тракта и, используя методы культивирования, определить, какие этапы развития кишечника нарушаются при развитии этих аномалий. В результате можно будет скорректировать дефекты желудочно-кишечного тракта и восстановить отсутствующие у больных ткани.

«Мы совершили важный шаг в области создания замещающих тканей для трансплантации пациентам с дегенеративными заболеваниями кишечника», – говорит Уэллс.

Литература:
1. Spence, J. R. et al. Nature advance online publication doi:10.1038/nature09691 (12 December 2010).
2. Sato, T. et al. Nature 459, 262-265 (2009).

По материалам:
NatureNews