Тонкая кишка, как и большинство других тканей организма, имеет небольшой запас незрелых взрослых стволовых клеток, которые могут дифференцироваться в более зрелые специализированные типы клеток. До сих пор не существовало хорошего способа вырастить большое количество этих стволовых клеток, потому что они остаются незрелыми только при контакте с типом поддерживающих клеток, называемых клетками Панета.
В новом исследовании, появившемся в декабре. 1 онлайн-издание Nature Methods, исследователи нашли способ заменить клетки Панета двумя небольшими молекулами, которые поддерживают стволовые клетки и способствуют их пролиферации. Стволовые клетки, выращенные в лабораторной посуде, содержащей эти молекулы, могут оставаться незрелыми бесконечно; добавляя другие молекулы, в том числе ингибиторы и активаторы, исследователи могут контролировать, какими типами клеток они в конечном итоге становятся.
"Это открывает двери для самых разных вещей, начиная от разработки нового кишечника для пациентов с кишечными заболеваниями и заканчивая проверкой лекарств на безопасность и эффективность. Это действительно впервые, — говорит Роберт Лангер, Дэвид Х. Профессор института Коха, член Института интегративных исследований рака Массачусетского технологического института при Массачусетском технологическом институте и один из старших авторов статьи.
Джеффри Карп, доцент медицины Гарвардской медицинской школы и больницы Бригама и женщин, также является старшим автором статьи. Ведущий автор статьи — Сяолей Инь, постдок Института Коха и больницы Бригама и женщин.
Из одной клетки многие
Внутренний слой кишечника выполняет несколько важных функций.
Некоторые клетки специализируются на поглощении питательных веществ из переваренной пищи, в то время как другие образуют барьер, который выделяет слизь и предотвращает проникновение вирусов и бактерий в клетки. Третьи предупреждают иммунную систему, когда присутствует чужеродный патоген.
Этот слой, известный как кишечный эпителий, покрыт множеством небольших углублений, известных как крипты. Внизу каждой крипты находится небольшой пул эпителиальных стволовых клеток, которые постоянно пополняют специализированные клетки кишечного эпителия, которые живут всего около пяти дней.
Эти стволовые клетки могут стать эпителиальными клетками кишечника любого типа, но не обладают плюрипотентностью эмбриональных стволовых клеток, которые могут стать клетками любого типа в организме.
Если бы ученые смогли получить большие количества кишечных эпителиальных стволовых клеток, их можно было бы использовать для лечения желудочно-кишечных расстройств, повреждающих эпителиальный слой. Недавние исследования на животных показали, что кишечные стволовые клетки, доставленные в кишечник, могут прикрепляться к язвам и способствовать регенерации здоровых тканей, предлагая новый потенциальный способ лечения язвенного колита.
По словам исследователей, использование этих стволовых клеток для производства больших популяций специализированных клеток также будет полезно для разработки и тестирования лекарств.
Имея большое количество бокаловидных клеток, которые помогают контролировать иммунный ответ на белки, содержащиеся в пище, ученые могут изучать пищевую аллергию; с энтероэндокринными клетками, которые выделяют гормоны голода, они могут протестировать новые методы лечения ожирения.
«Если бы у нас были способы выполнять высокопроизводительный скрининг большого количества этих очень специфических типов клеток, мы могли бы потенциально идентифицировать новые цели и разрабатывать совершенно новые лекарства для лечения различных заболеваний, от воспалительных заболеваний кишечника до диабета», — говорит Карп.
Контроль судьбы клетки
В 2007 году Ханс Клеверс, профессор Института Хубрехта в Нидерландах, идентифицировал маркер эпителиальных стволовых клеток кишечника — белок под названием Lgr5.
Клеверс, автор новой статьи Nature Methods, также идентифицировал факторы роста, которые позволяют этим стволовым клеткам воспроизводиться в небольших количествах в лабораторной посуде и спонтанно дифференцироваться в зрелые клетки, образуя небольшие структуры, называемые органоидами, которые имитируют естественную архитектуру слизистая оболочка кишечника.
В новом исследовании ученые хотели выяснить, как сохранить пролиферацию стволовых клеток, но не дать им дифференцироваться, создав почти чистую популяцию стволовых клеток.
Это было сложно сделать, потому что стволовые клетки начинают дифференцироваться, как только теряют контакт с клеткой Панета.
Клетки Панета контролируют два сигнальных пути, известные как Notch и Wnt, которые координируют пролиферацию клеток, особенно во время эмбрионального развития. Исследователи идентифицировали две небольшие молекулы, вальпроевую кислоту и CHIR-99021, которые работают вместе, чтобы стимулировать пролиферацию стволовых клеток и предотвращать их дифференцировку в зрелые клетки.
Когда исследователи вырастили кишечные стволовые клетки мыши в чашке, содержащей эти две маленькие молекулы, они получили большие кластеры, состоящие на 70-90 процентов из стволовых клеток.
Когда исследователи получили почти чистые популяции стволовых клеток, они показали, что могут заставить их развиваться в определенные типы кишечных клеток, добавляя другие факторы, влияющие на пути Wnt и Notch. «Мы использовали различные комбинации ингибиторов и активаторов, чтобы заставить стволовые клетки дифференцироваться в определенные популяции зрелых клеток», — говорит Инь.
Исследователи обнаружили, что этот подход также работает в клетках желудка и толстой кишки мышей. Они также показали, что небольшие молекулы улучшают пролиферацию стволовых клеток кишечника человека.
В настоящее время они работают над созданием тканей кишечника для трансплантации пациентам и разрабатывают новые способы быстрого тестирования воздействия лекарств на клетки кишечника.
Еще одно возможное применение этих клеток — изучение биологии, которая лежит в основе особой способности стволовых клеток к самообновлению и превращению в другие типы клеток, — говорит Рамеш Шивдасани, доцент медицины Гарвардской медицинской школы и Института рака Дана-Фарбер.
«Мы многого не знаем о стволовых клетках», — говорит Шивдасани, не входивший в исследовательскую группу. "Без доступа к большому количеству этих клеток очень сложно проводить какие-либо эксперименты. Это открывает дверь к систематическому, точному и надежному способу исследования биологии стволовых клеток кишечника."