Выращивание поджелудочной железы из стволовых клеток
Понравилось?
Поделитесь с друзьями!
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.
Читайте нас в Дзене
Добавьте ленту «INFOX.ru» в свою личную и
получайте актуальные новости ежедневно
Подписаться
Источник
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.
Источник
В центре – обычная крыса, слева – крыса, которая во время эмбрионального развития получила порцию мышиных стволовых клеток, справа – мышь, которая «предоставила» свои клетки для инъекции крысиному эмбриону. (Фото Tomoyuki Yamaguchi / University of Tokyo.)
Специалисты из Японии, представляющие Токийский университет, вырастили из стволовых клеток мыши здоровую поджелудочную железу в теле крысы. Как сообщается, это первый успешный эксперимент, в ходе которого полноценный орган удалось вырастить в организме представителя другого биологического вида.
Как сообщают исследователи, после пересадки в тело мыши поджелудочная железа полностью функционировала. Более того, это позволило улучшить состояние грызуна, страдавшего диабетом — уровень глюкозы в его крови после пересадки стал регулироваться более эффективно. В перспективе учёные рассчитывают схожим образом вырастить органы обезьяны в теле свиньи.
Недавно сообщалось, что в Японии из эмбриональных стволовых клеток был создан полностью функционирующий кишечник длиной около сантиметра. А до этого специалисты из России разработали технологию выращивания сетчатки глаза из перепрограммированных клеток — клеток кожи, сначала превращённых в стволовые, а уже затем — в необходимые.
В середине прошлого года группа учёных, представляющих Калифорнийский университет, заявила о планах вырастить поджелудочную железу человека в организме свиньи. По словам специалистов, в случае, если эксперимент пройдёт успешно, орган будет полностью пригоден для пересадки человека. Такие эксперименты официально разрешено проводить в США, а с начала 2016 года — и в Великобритании. Хотя подобная практика может оказаться способом решить проблему нехватки донорских органов, некоторые общественные деятели относятся к ней крайне настороженно. По их мнению, технология, которую уже прозвали frankenscience (от Frankenstein – Франкенштейн и science – наука) опасна и аморальна. Впрочем, многие сходятся во мнении, что пока в качестве выращиваемого в чужом теле органа не выступает мозг человека, эксперименты такого рода всё же можно считать приемлемыми с этической точки зрения.
26.01.2017 Источник: mk.ru
Колыбель для поджелудочной железы
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.
Островок Лангерганса – скопление инсулинпроизводящих клеток в тканях поджелудочной железы.
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 (см. пресс-релиз Rat-grown mouse pancreases help reverse diabetes in mice). 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.
Рисунок из статьи в Nature
В статье в Nature (Yamaguchi et al., Interspecies organogenesis generates autologous functional islets) говорится, что после 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 иммуносупрессоры, чтобы иммунитет, который неизбежно должен был отреагировать на «чужаков», не вышел из-под контроля. Однако потом иммуносупрессоры 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.
27.01.2017 Источник: nkj.ru
Источник
Польские учёные напечатали первую в мире бионическую поджелудочную железу с сосудами
Ариэль Файнерман, Хабр, по материала Science in Poland: Polish researchers printed the world`s first bionic pancreas with vessels
Клетки выращенной железы
Первая в мире бионическая поджелудочная железа с кровеносными сосудами была напечатана польскими учёными из Foundation for Research and Science Development, уникальную работу возглавил доктор Михал Вшола. В апреле учёные планируют имплантировать лепестки и островки поджелудочной железы мышам, чтобы проверить их функцию в живом организме. Опыты на свиньях запланированы на октябрь 2019 года. «Никто раньше не выращивал паренхимный орган с полной васкуляризацией», – сказал хирург трансплантолог доктор Михал Вшола. Ранее он разработал новый метод малоинвазивного лечения осложнённого диабета с использованием эндоскопической трансплантации панкреатических островков под слизистую желудка. Его новый проект – бионическая поджелудочная железа – в будущем также сможет лечить диабет.¶
Напечатанная поджелудочная железа состоит исключительно из панкреатических островков; у неё отсутствует экзокринная функция. Исследователи полагают, что она сможет восстановить выработку инсулина в организме больного диабетом. В настоящее время это возможно лишь путём введения гормона с помощью дозатора инсулина или помпы.
Михал Вшола, хирург, эксперт в трансплантации:
«Человеческая поджелудочная железа вырабатывает панкреатический сок, который помогает нам переваривать пищу. Ещё она несёт примерно миллион панкреатических островков, маленьких выступов, состоящих из альфа- и бета-клеток, которые вырабатывают инсулин и глюкагон. У людей с диабетом повреждены панкреатические островки, у них нет клеток, вырабатывающих инсулин и глюкагон. Вырабатывается лишь панкреатический сок. Поэтому они используют инъекции инсулина. Мы решили вырастить орган, который будет вырабатывать инсулин и глюкагон, используя альфа- и бета-клетки», – рассказал доктор Вшола в интервью PAP. Польские учёные взяли островковые клетки у животных и смешали их с биочернилами – веществом, позволяющим клеткам выживать. Биопринтер начал размещать их в биореакторе в соответствии с разработанной ранее трёхмерной схемой. В то же время, используя второй шприц, исследователи напечатали кровеносные сосуды, по которым кровь будет течь в органе.
«После печати нашей поджелудочной железы мы не смотрели, как естественно она выглядит, нас это совсем не интересовало. Мы подтвердили, что нам удалось напечатать орган толщиной 1-1,5 см, и что этот орган имеет плотную сосудистую сеть, чтобы все островковые клетки поджелудочной железы были хорошо обеспечены глюкозой и кислородом», – говорит доктор Вшола.
Польским инженерам нужно было создать правильные биочернила, потому что ни одни из существующих чернил не подходили этому эксперименту. Иная сложность заключалась в том, чтобы гарантировать, что жидкость в шприце, в картридже – после печати и воздействия физических и химических факторов – станет плотной и образует слои, а также сохранит структуру.
«Математическое исследование позволило нам оценить, насколько функциональным будет этот орган после активации кровотока. Как будет вести себя кровь в этом органе в зависимости от различных значений её давления и гематокрита – числа эритроцитов в крови». Некоторые сосуды нужно было удлинить, иные укоротить», — говорит доктор Вшола.
Учёные за работой
В апреле лепестки поджелудочной железы с островками будут испытаны на мышах. Эти тесты закончатся в июне. В октябре 2019 на свиньях будет испытан большой фрагмент поджелудочной железы размером в несколько сантиметров с сосудами. «Нам нужно проверить, как орган будет функционировать в живом организме, как в нем будет формироваться микроциркуляция и как изменится его структура», – говорит доктор Вшола. По словам врача, раньше никто этого не делал. «В иных экспериментах биоразлагаемые каркасы заселяются клетками, а затем имплантируются человеку. Это можно использовать лишь для некоторых типов тканей, таких как хрящи, кости, трахея или мочевой пузырь, но не для печени, поджелудочной железы, почек или лёгких, потому что это паренхимные органы, которым нужна сосудистая сеть. Васкуляризация была большой проблемой», – говорит он.
«14 марта во время благотворительного аукциона научных работ мы представим результаты нашей работы по бионической поджелудочной железе и надеемся наладить контакты с бизнесом с целью дальнейшей разработки», – говорит доктор Вшола. Он объясняет, что именно эта бионическая поджелудочная железа была напечатана из клеток свиней: «Но это не важно, ибо мы рассматриваем её как как пример».
Проект трёхмерной печати бионической поджелудочной железы, реализуемый Foundation for Research and Science Development, совместно финансируется National Centre for Research and Development в рамках программы STRATEGMED III. Членами консорциума являются Nencki Institute, Warsaw University of Technology, Medical University of Warsaw, Infant Jesus Hospital и MediSpace. Цель проекта в выращивании на заказ поджелудочной железы из стволовых клеток пациента, что позволило бы устранить иммунную реакцию.
Инициаторы и основатели компании Cellink, пионера трёхмерной биопечати, заинтересованы в исследованиях польского консорциума. Эрик Гатенхольм и Гектор Мартинес посетят лабораторию Фонда и примут участие в благотворительном аукционе, целью которого является сбор средств на исследования.
Портал «Вечная молодость» https://vechnayamolodost.ru
Источник
