РЕГЕНЕРАЦИЯ ТКАНЕЙ. ЧАСТЬ 2. ОРГАНОИДЫ СЕРДЦА

На тему регенерации тканей я уже делал пост некоторое время назад. Поэтому настоящий пост есть как-бы продолжение предыдущего. Суть регенерации в том, чтобы восстановить утраченные функции органа или ткани (в состав любого органа входят разные ткани, разные по происхождению и выполняемым функциям). Функции органа могут быть утрачены в результате унаследованной (если кому-либо "посчастливилось" заполучить мутировавшую копию гена от родителей) или приобретенной болезни, например, вирусного, бактериального или метаболического происхожденияя. Например, из того, что сейчас на слуху, коронавирусная инфекция в значительном проценте случаев ведет к поражению множественных органов и систем, особенно у возрастных пациентов и у тех, кто уже имел заболевание до инфекции. Регенерация тканей или органов может в идеале полностью вернуть органу здоровые функции, даже вплоть до полной замены органа.

В журнале Nature Biotechnology была только что опубликована статья, в которой авторы впервые получили из стволовых клеток органоиды сердца, которые по своей биологии сходны с сердцем эмбриона и есть также особенности, сближающие их с верхним отделом пищевой трубки, т.е. эмбрионального кишечника. Здесь необходиио короткое отступление. Органоиды - это скопление живых клеток, нечто, что можно вырастить в искусственных условиях вне организма, и это нечто имеет ряд характерных особенностей нормального органа, в частности, типы клеток в составе органоида и их очень примерное взаиморасположение, с очень большим приближением, напоминающее пространственное расположение клеток в нормальном органе. В идеале, мы, конечно, хотели бы вырастить в культуре полнофукциональный орган, а не органоид, но пока, к сожалению, на начало 21 века это технически невозможно. Однако, органоиды, как рабочая модель органа, имеют немало важных и полезных характеристик.

ОРГАНОИДЫ. Органоиды были получены для целого ряда тканей, но органоиды сердца до сих пор эффективно получать не удавалось, в том числе и вследствие крайне низкой способности мышечных клеток сердца к клеточному делению. Поэтому одной из более ранних успешных попыток можно назвать реконструкцию взрослых тканей сердца с использованием клеток, которые выращивали и подвергали предварительному созреванию в отдельной изолированной системе до такой реконструкции. Еще в одной работе авторы сумели получить то, что они назвали "микрокамерами сердца", т.е. образования, похожие на изолированные островки. Эти островки состояли из кардиомиоцитов (мышечных клеток сердца) в центре, формируя "тело" островка, тогда как на периферии были клетки соединительной ткани, так называемые фибробласты (соединительная ткань - это тип вспомогательной ткани в любом органе; выполняет опорную и защитную функции. Примеры соединительных тканей: костная, хрящевая, жировая ткань, кровь).

КАК В НОРМЕ ФОРМИРУЕТСЯ СЕРДЦЕ? В эмбриональном развитии сердце формируется раньше других органов. Самый первый зачаток сердца появляется из среднего зародышевого листка, мезодермы на самых ранних стадиях эмбрионального развития (зародышевые листки - это определенные скопления клеток в виде слоев, которые появляются у эмбриона. Из этих зародышевых листков далее развиваются все органы). Этот зачаток сердца растет и развивается в тесном взаимодействии с зачатком эмбрионального кишечника, который регулирует развитие сердца на этой ранней стадии через посылание специальных белковых сигналов. Незрелые сердечные клетки сливаются вместе, образуя сердечную трубку, после чего трубка изгибается и анатомически образует петли. Из этих петель затем формируются зачатки будущих камер сердца, предсердий и желудочков. В сердце есть 3 главных отдела (соответственно, 3 типа ткани) - эндокард (внутренняя выстилка камер сердца, которая находится в контакте с кровью), миокард (собственно мышечная, сокращающаяся часть сердца) и перикард (внешний слой, покрывающий миокард снаружи). Эндокард и миокард появляются уже в составе сердечной трубки (см. выше).

СТВОЛОВЫЕ КЛЕТКИ. Все органы и ткани в составе нашего тела, включая сердце, появляются из стволовых клеток, которые доминируют на самых ранних стадиях эмбрионального развития, начиная с оплодотворенной яйцеклетки (зиготы). И вот после начального дробления зиготы образуется морула (шарообразное скопление ранних эмбриональных клеток). Любая клетка в моруле является стволовой, т.е. они не различаются между собой и любая из них может дать начало любому органу. В ходе эмбрионального развития, с образованием бластулы и гаструлы стволовой потенциал клеток в среднем необратимо снижается, в то время как нарастает число клеток с признаками той или иной ткани или органа. Если сердце полностью формируется к моменту рождения за 9 месяцев у человека или 3 недели у мышей, то возникает вопрос, насколько осуществимо воспроизвести нормальный процесс органогенеза в искусственных условиях, вне организма, т.е. "в пробирке", если в качестве исходного материала взять эмбриональные стволовые клетки? Можно ли поместить стволовые клетки (не только эмбриональные, но даже, например, искусственные, так называемые iPSC) в такие контролируемые условия, что по завершении мы бы получили полнофункциональный орган? Как было отмечено выше, полностью такой процесс пока невозможен, но можно вырастить "как-бы орган", т.е. органоид, в той или иной степени приближающийся к своему природному образцу.

ОРГАНОИДЫ СЕРДЦА ИЗ ЭМБРИОНАЛЬНЫХ СТВОЛОВЫХ КЛЕТОК. Общая схема метода, в принципе известна и использована для получения органоидов из разных органов. Авторы только что опубликованной работы посадили эмбриональные стволовые клетки в жидкую среду в микроемкость с закругленным дном на несколько дней. Эти условия побуждают клетки сталкиваться и связываться вместе, в небольшие клеточные агрегаты из нескольких тысяч клеток. Затем эти агрегаты перенесли в полужидкую среду, напоминающую желе. Это, в принципе и есть желе, так как в обоих случаях, и в кулинарии когда делают клубничное желе и в молекулярной биологии для поддержания стволовых клеток, основу этих полужидких сред составляет коллаген (желатин - одна из форм коллагена), а коллаген -это длинные и весьма запутанные молекулы так называемого внеклеточного матрикса, т.е. той упругой полужидкой среды, в которую погружены большинство клеток нашего тела. И вот эти агрегаты стволовых клеток в полужидкой среде для последующего развития в сторону клеток сердца (основных три типа, как упоминалось выше, эндокард, миокард, перикард) требуют предоставления некоторых биохимических сигналов, которые в норме обеспечиваются, в частности, клетками эмбрионального кишечника. То есть, если грубо, верхний отдел эмбрионального кишечника способствует формированию эмбрионального сердца, которое, в свою очередь, помогает развиваться эмбриональному кишечнику. Такие сигналы можно предоставить искусственно, обойдя таким образом необходимость присутствия эмбрионального кишечника в этой системе. Это, например, химические соединения, которые подавляют или активируют так называемый WNT путь. А WNT путь - это одна из сотен внутриклеточных систем для регулирования работы генов, т.е. систем, позволяющих включить или выключить нужный ген или группу генов в ответ на внешний стимул. Система генетической регуляции, связанная с WNT - одна из наиболее фундаментальных, работает как в эмбрионах, так и во взрослом организме, и также ответственна за запуск некоторых видов рака, в особенности тонкого и толстого кишечника.

И вот, если добавлять или убирать вещества, стимулирующие или подавляющие WNT по довольно сложной схеме, то из тех агрегатов стволовых клеток, погруженных в коллагеновый матрикс (желе) за 14 дней получаются органоиды, формирующие сердце (ОФС). Органоиды ОФС состояли из слоя миокарда, покрытого внешним слоем. Внутреннее ядро органоида ОФС состояло из третьего типа клеток. Анализ показал, что около 6% клеток в слое миокарда были представлены клетками предсердий сердца (это верхние камеры), тогда как более 75% клеток в этом слое были клетками желудочков сердца (нижних камер, которые проталкивают кровь по сосудам тела или в легкие). Примерно на 7-10 день культивирования органоидов ОФС в коллагеновом деле клетки органоида начинали сокращаться, что является нормальной функцией мышечных клеток сердца, кардиомиоцитов.

Сердце в норме пронизано сетью кровеносных коронарных сосудов, которые доставляют кислород и питательные вещества сердечной мышце и забирают СО2 и токсичные продукты обмена. Также и в органоидах сердца, сформированных на коллагеновом желе, обнаруживались типичные структуры и фенотип кровеносных сосудов (капиллярная сеть), максимальное число которых обнаруживалось во внутреннем ядре органоида.

Внутренние камеры сердца взрослых животных и человека покрывает эндокард, близкий родственник эндотелиальных клеток, которые составляют внутреннюю поверхность кровеносных и лимфатических сосудов. И вот клетки, по своим свойствам близкие клеткам эндокарда, обнаруживались в составе органоида, причем на слое миокарда, т.е. примерно то, что можно видеть в строении сердца каждого из нас или братьев наших меньших.

Здесь я представил короткие выписки (с комментариями) из статьи, ссылка на которую чуть ниже. Еще в этой статье есть много данных (которые я здесь не рассматриваю) касательно тонкой молекулярной характеристики всех клеток, выросших в составе органоида, в сравнении с нормальными взрослым и эмбриональным сердцем, и некоторые другие интересные результаты. Суммируя все это, можно видеть серьезный прогресс в сторону получения органоидов со структурой, приближающейся к структуре нормальных органов.

Источник: www.nature.com

Комментарии: