Американські науковці описали технологію створення органоїдів шлунка із усіма основними типами клітин, тоді як дотепер їх вирощували лише з епітеліальних. Почергове додавання до органоїдів з ендодермальних епітеліальних клітин стовбурових клітин мезодерми та ектодерми дає змогу отримати складні органоїди шлунка із функціональною епітеліальною, м'язовою та нервовою тканиною. Наразі для цього останній етап розвитку вони мають пройти імплантованими в організм мишей, йдеться у статті журналу Cell Stem Cell.
Тришаровий органоїд шлунка на 14 тижні розвитку. Cincinnati Children's Hospital Medical Center
Навіщо потрібні органоїди шлунка і що не так з уже наявними?
Органоїди — вирощені в лабораторії спрощені мініатюризовані версії справжніх органів — дають змогу вивчати захворювання та випробовувати ліки, коли використання тваринних моделей є недоцільним або неможливим. Якщо говорити про шлунково-кишковий тракт, то використання найпоширеніших піддослідних ссавців, мишей, обмежується відмінностями на рівні анатомії (наприклад, у гризунів наявний передшлунок, якого немає в людей), а також молекулярних механізмів, які визначають реакції клітин, зокрема на різні препарати. Вчені вже вміють вирощувати складні, підхожі для різних досліджень органоїди, зокрема мозку, але з органоїдами шлунка все дещо складніше.
Під час ембріонального розвитку шлунок починає формуватися окремо із клітин трьох зародкових листків, об'єднуючись згодом у функціональну структуру. Ентодерма утворює епітеліальний шар, клітини якого виробляють соляну кислоту та ферменти; мезодерма дає початок гладким м'язам шлунка, що забезпечують його скорочення; а ектодерма формує нервову систему, яка контролює вироблення секрету та рухи м'язів. Однак наявні органоїди шлунка складаються лише із епітеліальних клітин, завдяки чому вони дуже обмежено відтворюють будову реального органа. Вчені з Медичного центру дитячої лікарні Цинциннаті припустили, що зможуть створити вдосконалений органоїд із клітин усіх трьох основних типів, якщо додадуть клітини і з двох інших зародкових листків.
Як виростити органоїд із усіма основними клітинами?
Вчені працювали із людськими плюрипотентними стовбуровими клітинами. Частину із них перетворили на ентодермальні та стали вирощувати з них звичайні органоїди шлунка. Ще одну частину клітин обробили коктейлем речовин, який спонукав їх сформувати мезодерму. Відтак внесенням відповідних речовин вчені добилися її перетворення на мезенхіму (тип пухкої, неоформленої ембріональної тканини). На шостий або дев'ятий день вирощування її додали до вже вирощених сферичних органоїдів шлунка із епітеліальних клітин у пропорції 2:1. Зрештою мезенхімні клітини, як того й очікували, утворили шар навколо епітелію шлунка.
Щоб органоїди, які мали розміри близько одного-двох міліметрів, могли надалі розвивати тканини шлунка, науковці вживили їх під фіброзну капсулу нирки мишей на 10-12 тижнів, де через кровопостачання вони могли отримувати необхідні кисень та поживні речовини. Ті з них, які не мали мезенхіми, здебільшого взагалі не вижили або мали не до кінця диференційований епітелій. Тоді як органоїди із двох типів клітин мали стовідсоткову виживаність і збільшили свої розміри до 0,5-1,5 сантиметра, у деяких випадках збільшивши об'єм у тисячу разів. Водночас мезенхіма диференціювалася лише у слабо організовану гладку мускулатуру навколо епітелію, який, утім, не був здатний секретувати шлунковий сік.
Тоді вчені припустили, що додавання до двошарових органоїдів нервових клітин допоможе їм набути схожого до органу виду. Протягом іще чотирьох тижнів органоїди, вирощені за вищеописаною технологією, вирощували спільно з ентеричними клітинами нервового гребеня, які є попередниками нейронів шлунково-кишкового тракту. А після цього ще на 10-12 тижнів їх імплантували мишам.
Схема проведення дослідів із вирощування тришарових органоїдів. Eicher et al. / Cell Stem Cell, 2021
У результаті, лише цим органоїдам, які містили клітини з усіх трьох зародкових шарів — ентодерми, мезодерми та ектодерми — вдалося сформувати функціональну залозисту структуру епітелію та кілька шарів гладких м'язів, пронизаних ентеричними нейронами. Вчені вважають, що їхня робота вказує на важливу роль клітин нервового гребеня у диференціації та розростанні мезенхіми. Органоїди за будовою нагадували справжній шлунок людини на 38 тижні внутрішньоутробного розвитку. Як показали наступні досліди з проведенням біопсії органоїдів, м'язова тканина функціональна й здатна скорочуватися під контролем нервових клітин, а епітелій може секретувати ферменти та гормони.
Ця технологія із поступовим і пошаровим додаванням клітин усіх трьох зародкових листків допоможе створювати органоїди, які краще відтворюють будову й функції справжнього органа. При цьому описаний метод може допомогти й у вирощуванні інших органоїдів, не лише шлункових.
Дізнатися більше про те, як вирощують органоїди та для чого, можна з нашого матеріалу «Мізки в чашці Петрі».