Гистологическое строение выращенного на синтетическом гидрогеле кишечного органоида
Ricardo Cruz-Acuna et al. / Nature Cell Biology, 2017
Американские ученые разработали метод создания искусственного человеческого кишечника с помощью синтетического гидрогеля. Полученный органоид успешно применили для восстановления кишечных дефектов у мышей. Результаты работы опубликованы в журнале Nature Cell Biology.
Органоиды (искусственные органы «из пробирки») служат ценным инструментом как для физиологических исследований (например, для испытаний лекарств), так и в качестве перспективных средств восстановления поврежденных органов. Кишечник, несмотря на кажущуюся простоту, — сложный орган, выполняющий множество функций: продвижение содержимого (перистальтику), его переваривание, защиту от пищеварительных ферментов и желчи, поддержание среды для микробиоты и другие. При этом ткани этого органа совершенно не приспособлены к даже кратковременному изолированному существованию, из-за чего их трансплантация фактически невозможна, а потребность в ней крайне велика: удаление фрагмента кишки при гастроэнтерологических или онкологических заболеваниях может привести не только к радикальному снижению качества жизни, но и к смерти.
Имеющиеся технологии создания кишечных органоидов подразумевают использование плюрипотентных стволовых клеток и матригеля — сложной смеси белков, протеогликанов и факторов роста межклеточного матрикса, производимого мышиными опухолевыми клетками. Эта смесь служит каркасом, обеспечивающим трехмерный рост органоида, однако ее биологическое происхождение не позволяет рассматривать потенциальное клиническое применение.
Сотрудники Технологического института Джорджии и Мичиганского университета использовали для создания кишечных органоидов синтетическую гидрогелевую платформу на основе четырехплечевого полиэтиленгликоля с малеимидными группами на концах каждого полимерного плеча (PEG-4MAL). Этот гидрогель обработали адгезивным пептидом RGD (обеспечивает прикрепление клеток к гелевому матриксу) и сшивающим пептидом GPQ-W (скрепляет полимерные молекулы между собой), после чего заселили человеческими плюрипотентными стволовыми клетками (эмбриональными или индуцированными).
Выяснилось, что синтетический гидрогель не хуже матригеля поддерживает клетки в жизнеспособном состоянии и обеспечивает рост оформленных органоидов с выстланным кишечным эпителием просветом.
На следующем этапе экспериментов органоиды, созданные на основе PEG-4MAL и матригеля, пересадили под почечную капсулу генномодифицированных мышей, иммунитет которых не отторгает человеческие клетки. Спустя 12 недель органоиды увеличились в размерах в 10–40 раз, и по гистологическому строению соответствовали кишечнику человека со слизистой, подслизистой и мышечной оболочками и правильно структурированными коллагеновыми волокнами. Существенных различий в росте и дифференцировке орагноидов на основе PEG-4MAL и матригеля не наблюдалось.
После этого ученые причинили механические повреждения слизистой оболочке толстой кишки мышей и ввели в них выращенные органоиды в гидрогелевом растворе PEG-4MAL. Рост новой ткани наблюдался уже через пять дней после инъекции, спустя четыре недели произошло полное приживление трансплантата с пролиферацией человеческого эпителия на поврежденных участках кишки. Отсутствие лечения, введение только гидрогеля или инъекции органоидов в изотоническом солевом растворе подобного эффекта не производили.
Как пишут исследователи, их работа стала концептуальным подтверждением пригодности синтетического гидрогеля на основе PEG-4MAL для перспективного использования в регенеративной медицине.