Поджелудочная железа из стволовых клеток

Биоинженерам из Питтсбурского университета (США) впервые удалось вырастить в лаборатории из человеческих плюрипотентных стволовых клеток кусочек поджелудочной железы с сетью кровеносных сосудов.

По словам авторов, в будущем такие конструкции можно будет пересаживать больным сахарным диабетом 1 типа, чтобы избавить их от постоянных инъекций инсулина и контроля уровня сахара в крови.

Самым основным достижением своей работы авторы считают создание сети кровеносных сосудов, оплетающих клетки поджелудочной железы. Но и выращивание самих клеток поджелудочной железы — так называемых бета-клеток островков Лангерганса – само по себе интересно и заслуживает внимания.

Поджелудочная железа человека состоит из крошечных скоплений бета-клеток – они образуют островки Лангерганса. Они были обнаружены еще в 1869 ученым Паулом Лангергансом, в честь которого и были названы. Клетки островков составляют примерно 2% от массы органа. Всего в паренхиме насчитываются сотни тысяч островков, каждый из которых содержит примерно 200 бета-клеток. Основная функция бета-клеток – производство инсулина — гормона, который контролирует уровень сахара в крови. Одна бета-клетка здорового человека работает с невероятной скоростью и производит примерно миллион молекул инсулина в минуту.

При сахарном диабете 1 типа иммунная система по ошибке начинает атаковать и уничтожать свои собственные клетки – мишенью оказываются как раз бета-клетки поджелудочной железы. В результате они перестают производить инсулин. Поэтому больные должны ежедневно принимать этот гормон, чтобы поддерживать уровень сахара в крови. Слишком высокий уровень сахара также очень опасен — это может приводить к гипергликемии, диабетическому кетоацидозу. Поэтому пациенты вынуждены самостоятельно контролировать и регулировать уровень сахара в крови на протяжении всей своей жизни.

Но поиски методов лечения сахарного диабета продолжаются. Одно из направлений здесь – выращивание из стволовых клеток самого пациента бета-клеток островков Лангеранса, а затем их имплантация в организм.

Такие эксперименты проводятся. Но сложность заключается в том, что бета-клетки плохо приживаются при трансплантации. Все дело в том, что для своей жизни им необходимо большое количество кислорода. Поэтому при пересадке их нужно как можно скорее «подключить» к сосудам организма-реципиента, иначе они просто погибают.

Единственный способ решить проблему, как говорят авторы, это вырастить клетки, уже оплетенные сосудами, до трансплантации. И пересадить в организм уже такой готовый конструкт.

Решить эту задачу авторам нынешнего исследования удалось.

Для этого они использовали особенный гидрогель, в который помещали стволовые клетки, из которых в пространстве 3Д уже и выращивали бета-клетки островков Лангерганса, оплетенные сосудами.

«В своем исследовании мы использовали особый гидрогель – это новая разработка. В него мы помещали плюрипотентные клетки. И их превращали уже во взрослые зрелые специализированные клетки. Все это происходило не в двухмерном пространстве, как это обычно делают в экспериментах в чашках Петри, а в трехмерном – точно так же, как этот процесс идет в организме, когда формируется поджелудочная железа», — говорит ведущий автор исследования Ипсита Банерджи (Ipsita Banerjee).

Причем, добавляет она, такой способ выращивания кровеносных сосудов (или васкуляризация) до имплантации может применяться не только для поджелудочной железы. Но и для любых других органоидов, которые экспериментально выращиваются в лаборатории. Это очень важно, ведь проблема васкуляризации одна из самых сложных в регенеративной медицине.

Ученые из Исследовательского института диабета при Школе медицины им. Миллера университета Майами (Diabetes Research Institute (DRI) at the University of Miami Miller School of Medicine), США, подтвердили существование стволовых клеток в поджелудочной железе человека, которые можно активировать для продуцирования бета-клеток, чувствительных к глюкозе. Результаты, опубликованные 27 февраля 2018 года в Cell Reports, имеют огромное значение для развития регенеративной клеточной терапии для лечения диабетиков.

Теория о том, что в поджелудочной железе могут находиться стволовые клетки (клетки-предшественники), потенциально способные восстанавливать островки Лангерганса, обсуждается десятилетиями, но до сих пор не была доказана практически. Учёные из DRI смогли определить точное анатомическое расположение данных стволовых клеток и подтвердить их пролиферативный потенциал и способность превращаться в чувствительные к глюкозе бета-клетки.

«Углубленное изучение стволовых клеток поджелудочной железы поможет нам использовать «банк» эндогенных клеток для регенерации бета-клеток и в будущем приведёт к разработке терапевтических подходов для людей, живущих с диабетом 1 типа», — говорит доктор Хуан Домингес-Бендала (Juan Dominguez-Bendala), директор DRI по созданию панкреатических стволовых клеток для трансляционных исследований и один из руководителей работы.

«Мы полагаем, что, используя результаты наших предыдущих исследований по применению BMP-7 для стимулирования роста, сможем направить развитие этих стволовых клеток в функциональные островки».

Ранее команда DRI сообщила, что что костный морфогенетический белок 7 (BMP-7), естественный фактор роста, уже одобренный Управлением по контролю за продуктами и лекарствами (FDA) для клинического применения, стимулирует клетки-предшественники в культивируемых неэндокринных панкреатических тканях человека.

В новом исследовании учёные продемонстрировали, что стволовые клетки, которые реагируют на BMP-7, расположены в протоках и железистых тканях поджелудочной железы. Кроме того, клетки характеризуются экспрессией PDX1, белка, необходимого для развития бета-клеток, и ALK3, рецептора клеточной поверхности, связанного с регенерацией некоторых типов тканей.

Используя методику молекулярного фишинга, исследователи смогли выборочно извлекать клетки, экспрессирующие PDX1 и ALK3, культивировать их в лабораторных условиях и показать, что они могут пролиферировать в присутствии BMP-7, а затем дифференцироваться в бета-клетки. Полученные результаты проведённых исследований помогут учёным приблизиться к разработке регенеративных клеточных терапий для диабета 1 типа и, потенциально, 2 типа.

При диабете 1-го типа происходит аутоиммунное поражение бета-клеток. Данный тип диабета приводит к полной пожизненной зависимости от инъекций инсулина. Пациент должен постоянно следить за уровнем глюкозы в крови и самостоятельно корректировать дозы инсулина.

При сахарном диабете 2 типа способность поджелудочной железы вырабатывать инсулин не утрачивается полностью. Однако организм становится все более устойчивым (резистентным) к инсулину. Следовательно, если организм не реагирует на нормальный уровень инсулина в крови, то поджелудочной железе приходится вырабатывать все больше и больше инсулина. Без должного лечения это приводит к истощению поджелудочной железы, дисфункции бета-клеток и абсолютной недостаточности инсулина.

Трансплантация островков Лангерганса позволяет некоторым пациентам с диабетом 1 типа жить без обязательных инъекций инсулина. Однако донорских клеток не хватает для лечения миллионов диабетиков.

До настоящего времени усилия исследователей были направлены главным образом на создание большого количества клеток поджелудочной железы для трансплантации из таких источников, как эмбриональные (чЭСК), плюрипотентные (чПСК) и взрослые стволовые клетки человека, а также, среди прочих, клеток свиней.

Наиболее эффективное и безопасное решение проблемы заключается в восстановлении собственных инсулин-продуцирующих клеток, что избавит от необходимости трансплантации донорской ткани и устранит угрозу негативной реакции со стороны иммунной системы.

«Возможность предложить стратегии регенеративной медицины для восстановления производства инсулина в собственной поджелудочной железе может однажды заменить трансплантации поджелудочной железы или инсулин-продуцирующих клеток.

При диабете 1 типа это означает необходимость подавления аутоиммунной реакции, чтобы предотвратить разрушение новых инсулин-продуцирующих клеток. По этой причине наши нынешние усилия направлены на создание иммунной толерантности, которая избавит от необходимости пожизненного приёма иммунодепрессантов», — говорит Камилло Рикорди (Camillo Ricordi), директор Института исследований диабета.