Выращивание клеток поджелудочной железы

Учёные впервые доказали на практике, что органы, выращенные в организме особей другого вида, могут не только успешно прижиться после пересадки, но и вылечить такое тяжёлое заболевание как диабет. Новое исследование, опубликованное в журнале Nature, является важной вехой на пути к медицине будущего.

Сегодня множество пациентов с самыми разными заболеваниями стоят в очереди на трансплантацию донорских органов. Дефицит вызван тем, что лишь в трёх случаях из тысячи люди умирают таким образом, что их органы могут быть использованы для пересадки. Но в обозримом будущем ситуация может в корне измениться, и любой человек сможет на заказ вырастить необходимый орган из собственных клеток.

Исследования в этой области активно ведутся в научных центрах по всему миру. Учёные давно научились выращивать полностью функционирующие органы и ткани в пробирках с использованием перепрограммированных стволовых клеток. Но, когда речь идёт о больших органах со сложной трёхмерной структурой и собственными запасами крови, получить их в лабораторных условиях невероятно сложно. И тогда в качестве живых инкубаторов используют животных.

В настоящее время большинство подобных экспериментов проводится на мышах и крысах, в телах которых уже выращивали миниатюрные копии человеческих почек, вилочковую и поджелудочную железы.

В одной из предыдущих работ биологи получали поджелудочную железу крысы в теле мыши, а затем успешно пересаживали её крысам, больным диабетом. Но в тот раз вылечить животных не получилось, потому что железы оказались меньшего размера и содержали слишком мало панкреатических островков, где производится инсулин и другие гормоны.

На этот раз команда из Стэнфордского и Токийского университетов, работающая под руководством Хиромицу Накаучи (Hiromitsu Nakauchi), решила перевернуть эксперимент с ног на голову и выращивать мышиные железы в организме крыс.

Для этого они изменили гены крыс таким образом, чтобы у их потомства не формировалась собственная поджелудочная железа. Через несколько дней после зачатия в крошечные эмбрионы крыс вводили стволовые клетки мышей. В итоге крысята ничем не отличались от своих обыкновенных сородичей за исключением того, что их поджелудочные железы по большей части состояли из мышиных клеток. Таких животных называют химерами.

Крысы взрослели, исследователи умерщвляли их и аккуратно удаляли из их тел поджелудочную железу, которую затем пересаживали мышам, страдающим от диабета. Чтобы полностью исключить влияние крысиного наследия на результаты эксперимента, учёные ограничились лишь кратким пятидневным курсом иммунодепрессантов, которые вводили животным после пересадки, чтобы предотвратить отторжение новых тканей. После того как искусственное угнетение иммунной системы прекращалось, организм мышей очень быстро очищался от клеток крыс.

В течение года после операции уровень глюкозы в крови больных мышей приходил в норму.

«Мы обнаружили, что у мышей с диабетом уровень глюкозы нормализовался после трансплантации всего лишь 100 панкреатических островков, – говорит Накаучи в пресс-релизе Стэнфорда. – Кроме того, после пересадки животные-реципиенты нуждались лишь в пятидневном лечении иммуносупрессивными препаратами, что гораздо короче, чем существующие курсы при пересадке органов».

Авторы работы также отмечают, что в ходе их экспериментов у крыс не наблюдалось никаких признаков образования опухолей или других отклонений, которые ранее становились проблемой при использовании чужеродных плюрипотентных стволовых клеток в организме животного.

Уже сейчас исследователи ведут работу и над выращиванием в организме крысы других мышиных органов – печени, почек и лёгких.

Разумеется, для реального производства почек или печени человека будут использованы не мыши – лучше всего для этой цели подходят свиньи и овцы, так как их органы по размеру сходны с человеческими. Об этой технологии и прорывах в её использовании корреспонденты «Вести.Наука» расскажут в следующем материале.

Поджелудочную железу для трансплантации можно выращивать в межвидовых химерах.

Гормон инсулин синтезируют особые клетки поджелудочной железы. Если они по какой-то причине гибнут, начинается диабет первого типа: из-за недостатка инсулина наши органы и ткани не могут правильно усваивать глюкозу, уровень сахара в крови повышается, и вслед за нарушенным обменом веществ развиваются серьёзные проблемы со здоровьем. И даже если мы устраним причину, по которой погибли инсулиновые клетки, их нужно как-то восстановить.

Само собой напрашивается, что их можно пересадить, либо вместе с целой поджелудочной железой, либо только сами эти клетки, которые образуют в железе характерные скопления под названием островки Лангерганса. Однако, как и при всякой трансплантации, здесь неизбежно возникают две проблемы: во-первых, нужен донор, во-вторых, нужно постоянно быть готовым к отторжению пересаженной ткани. С отторжением обычно борются, подавляя активность иммунитета специальными препаратами, но тут уже надо быть готовым к тому, что «сонная» иммунная система пропустит инфекцию или рак.

Проблемы отторжения удалось бы избежать, если бы пересаживаемый орган или клетки генетически совпадали с организмом, в который их пересаживают. Откуда же взять такую «вторую копию»? Очевидно, тут нужны стволовые клетки, причём не натуральные эмбриональные, а индуцированные, которые получают искусственным образом при перепрограммировании каких-нибудь зрелых, специализированных клеток. Например, взяв у больного клетки кожи, их можно перепрограммировать в стволовые, чтобы потом из них вырастить орган или ткань на замену испорченной. Однако во многих случаях невозможно сделать то, что требуется, просто на лабораторном столе – чтобы орган или его фрагмент сформировались так, как надо, он должен развиваться в естественной среде, то есть в целом организме.

Некоторое время назад исследователи из Токийского университета вместе с коллегами из Стэнфорда сумели вырастить крысиную поджелудочную железу в организме мыши: мышиные стволовые клетки пересаживали крысам, после чего внутри у крыс вырастал орган, который по генетике был мышиным. Но как удалось избежать отторжения? Дело в том, что иммунной системе в ходе эмбрионального развития нужно время, чтобы научиться отличать «своих» от «чужих». Стволовые клетки пересаживали крысиным эмбрионам, у которых иммунитет ещё только развивался – всё, что иммунная система «видела» вокруг себя в зародыше, она считала «своими», и чужие стволовые клетки, из которых потом получалась поджелудочная, тоже становились для неё «своими».

Железа в итоге получалась крысиная во всём, кроме размера – по величине она была мышиной, и инсулиновых клеток в ней не хватало, чтобы полностью восполнить их недостачу у крысы с диабетом. Тогда исследователи поменяли животных ролями, и таким же способом вырастили в крысе поджелудочную железу мыши. Крыс модифицировали так, чтобы собственная поджелудочная у них не формировалась и не мешала той, что будет расти из мышиных стволовых клеток. В результате в крысах получали железу, которая генетически соответствовала мышам, но по размеру при этом была крысиной – то есть материала для пересадки в ней было более чем достаточно.

В статье в Nature говорится, что пересадки скоплений инсулиновых клеток (а таких скоплений пересадили более сотни) мышам с диабетом, уровень сахара в крови у них приходил в норму, и оставался в норме в течение 370 дней. Поскольку при трансплантации в организм мыши так или иначе попадали крысиные клетки, мышам пять дней после операции давали иммуносуппрессоры, чтобы иммунитет, который неизбежно должен был отреагировать на «чужаков», не вышел из-под контроля. Однако потом иммуносуппрессоры давать переставали, и никакого отторжения не случалось. Когда в конце эксперимента инсулиновые островки Лангерганса извлекали для анализа, то крысиных клеток там не было: иммунитет их выедал, и, выполнив свою задачу, успокаивался – атаковать сами инсулиновые клетки ему резонов не было, так как они генетически не отличались от самой мыши.

Обычно, когда речь идёт о манипуляциях со стволовыми клетками, то непременно упоминают про опасность рака: если такая клетка испортится, она легко может начать формировать злокачественную опухоль. Однако в данном случае никаких признаков онкологических процессов у мышей не было – вероятно, потому, что железа и инсулиновые клетки развивались в эмбрионе (пусть и крысином), то есть в более подходящей для них среде.

Итак, как мы видим, в принципе для выращивания органов можно использовать вообще представителей другого биологического вида. Реально ли проделать ту же процедуру с человеческими клетками и, к примеру, со свиньёй или овцой? Наверно, вполне реально: введя стволовые клетки человека в эмбрион свиньи, мы получим прекрасный материал для пересадки, которые не будет раздражать нашу иммунную систему. Однако прежде чем такой метод войдёт в медицинскую практику, здесь, кроме множества необходимых экспериментов, потребуется уладить ещё и ряд этических вопросов, которые, разумеется, у кого-нибудь неизбежно возникнут.

Нехватку инсулина при диабете могут восполнить перевоспитанные клетки, которые раньше никакого инсулина не синтезировали.

Инсулин вырабатывает поджелудочная железа, но это далеко не единственный её гормон. Эндокринные клетки поджелудочной производят ещё и глюкагон, чьё действие противоположно инсулину (глюкагон повышает уровень глюкозы в крови), и панкреатический полипептид, который регулирует пищеварение, и гормон грелин, который называют одним из «гормонов голода», и ещё некоторые другие.

(Поджелудочная также синтезирует немногие пищеварительные ферменты, которые выбрасывает в кишечник, но речь сейчас не о них.) Клетки, которые их синтезируют, называются α, β, δ, ε и PP. Они собраны в скопления – так называемые островки Лангерганса, причём в каждом островке есть клетки разных типов.

Бета-клетки, которые синтезируют инсулин, при диабете портятся и гибнут. Их пытаются восстанавливать с помощью разных биотехнологических методов, чаще всего – с помощью стволовых клеток. Однако не так давно исследователи из Женевского университета показали, что другие эндокринные клетки поджелудочной могут сами начинать синтезировать инсулин, замещая бета-клетки. Те эксперименты ставили на клетках мышей, но буквально на днях в Nature вышла новая работа, в которой говорится, что к перемене участи способны и человеческие клетки.

Исследователи взяли образцы клеток из островков Лангерганса у здоровых людей и больных диабетом; для эксперимента отобрали α-клетки, которые обычно синтезируют глюкагон, и PP-клетки, синтезирующие панкреатический полипептид. В клетки ввели краситель, который позволял следить за синтезом инсулина. Затем из этих клеток слепили искусственные островки Лангерганса, состоявшие из клеток только одного типа (α или PP).

Оказалось, что в таких островках клетки сами по себе активировали некоторые гены, необходимые для продукции инсулина. То есть клетки чувствовали, что рядом с ними не хватает инсулиновых β-клеток, и старались их нехватку восполнить. Но для того, чтобы клетки действительно начали синтезировать инсулин, нужно было их дополнительно подтолкнуть – им вводили гены, кодировавшие белки, которые были необходимы для активации одного-двух ключевых инсулиновых генов. У β-клеток эти гены-регуляторы работают и так, но с их коллегами, которые обычно заняты другими гормонами, требовалось предпринять вот такие дополнительные шаги.

И клетки действительно занялись инсулином: через неделю его синтезировали и секретировали уже 30% α-клеток. РР-клетки в этом смысле были даже более эффективны, они даже научились чувствовать глюкозу и синтезировать инсулин в ответ. Причём гормональную специализацию меняли как клетки от здоровых людей, так и от диабетиков, то есть диабет никак не влиял на потенциальную способность других клеток поджелудочной синтезировать инсулин. А когда такие клетки пересадили мышам с диабетом, то симптомы болезни у животных исчезли, уровень сахара пришёл в норму, а сами клетки продолжали работать и спустя полгода после пересадки.

Авторы работы отдельно отмечают, что клетки не перерождались в клетки другого типа, то есть альфа оставались альфами, а не бетами. Как известно, диабет первого типа возникает из-за аутоиммунной реакции на инсулиновые β-клетки. Но на α-клетки иммунитет раздражаться не должен, и если заставить их производить инсулин, то это стало бы удачным решением проблемы диабета (по меньшей мере, первого типа).

Исследователи устроили встречу таким α-клеткам с Т-лимфоцитами от больных диабетом – и лимфоциты лишь в очень слабой степени отреагировали на α-клетки. Так что такое перевоспитание клеток поджелудочной железы действительно могло бы помочь в некоторых болезнях, связанных обменом веществ; нужно лишь найти метод перевоспитания, который можно было бы ввести в повседневную клиническую практику.

По материалам MedicalXpress.