В статье, опубликованной 26 января 2017 года в журнале Cell, ученые из Института Солка сообщают о достижениях на нескольких фронтах в гонке за интеграцию стволовых клеток одного вида в раннюю стадию развития другого.Сочетая передовые технологии редактирования генов и стволовых клеток, ученые смогли вырастить крысиную поджелудочную железу, сердце и глаза у развивающейся мыши, что является доказательством того, что функциональные органы одного вида могут быть выращены у другого.
Они также смогли генерировать человеческие клетки и ткани в зародышах свиней и крупного рогатого скота на ранних стадиях, что стало первым шагом на пути к созданию трансплантируемых человеческих органов с использованием крупных животных, чьи размеры, физиология и анатомия аналогичны человеческим.Однако ученые обнаружили, что полная интеграция клеток различных видов может оказаться более сложной задачей, чем объединение клеток крыс и мышей, которые являются более близкими эволюционными родственниками.
«Наши открытия могут дать надежду на продвижение науки и медицины, поскольку они предоставят беспрецедентную возможность изучать раннее развитие эмбрионов и формирование органов, а также потенциальные новые возможности для медицинской терапии», — говорит профессор Солка Хуан Карлос Изписуа Бельмонте, старший автор исследования. бумага и ведущий специалист в этой области. «Мы показали, что точно нацеленная технология может позволить организму одного вида производить определенный орган, состоящий из клеток другого вида. Это дает нам важный инструмент для изучения эволюции видов, биологии и болезней, и может в конечном итоге привести к способность выращивать человеческие органы для трансплантации ».
Межвидовая химера — это организм, содержащий клетки разных видов. Слово «химера» первоначально описывало мифологических существ или божеств в политеистических религиях. В науке межвидовые химеры превратились в ценные инструменты фундаментальных исследований с потенциалом для будущего клинического применения. В исследовании, опубликованном в 2015 году в журнале Nature, команда Изписуа Бельмонте сообщила о первой успешной попытке полностью интегрировать плюрипотентные стволовые клетки человека в нежизнеспособные эмбрионы мыши, так что человеческие клетки начали развиваться в ткани на очень ранней стадии.
Ученые давно надеялись использовать стволовые клетки для выращивания замещающих органов для пациентов в лаборатории, но это оказалось сложной задачей из-за сложности воссоздания физиологии животного с нуля. Предыдущее исследование Солка открыло дверь к новой альтернативе: использование животного-химера-хозяина для выращивания человеческих тканей и органов.
Исследование также открыло новое окно в раннюю стадию развития человека и животных, предложив новый способ изучения сложных программ развития, которые управляют тем, как клетки формируют многие ткани и органы тела.В новом документе Cell рассказывается, как команда Изписуа Бельмонте расширила эту раннюю работу, подробно описывая различные эксперименты, которые лаборатория Бельмонте провела для развития технологии.В одном эксперименте они использовали технологию редактирования генов, известную как CRISPR-Cas9, на мышиных эмбрионах, чтобы отключить ген, образующий поджелудочную железу. Затем они вставили плюрипотентные стволовые клетки крысы, содержащие интактный ген поджелудочной железы, в каждый эмбрион мыши.
После имплантации суррогатным матерям эмбрионы развивались нормально, за исключением того факта, что у каждой мыши росла поджелудочная железа крысы. Этот успех побудил команду попытаться вырастить у мышей другие органы крысы, включая глаза и сердце.Неожиданно они также наблюдали, что плюрипотентные стволовые клетки крысы генерируют желчный пузырь у мышей, орган, которого нет у крыс. «Наши эксперименты на грызунах раскрывают глубокий секрет: развивающаяся мышь смогла разблокировать программу развития желчного пузыря в клетках крысы, которая обычно подавляется во время развития крысы», — сказал Джун Ву, научный сотрудник Солка и ведущий автор предыдущих и новых статей. . «Это подчеркивает важность среды хозяина в контроле развития органов и эволюционного видообразования».
Ву сказал, что эксперимент с мышами и крысами также показал, что выращивание человеческих органов для трансплантации животным действительно возможно. «Каждая мышь была здорова и имела нормальную продолжительность жизни, что указывало на то, что развитие шло правильно».Однако выращивать человеческие органы у мышей или крыс непрактично, потому что грызуны слишком малы и отличаются по уровню развития.
Поэтому в других экспериментах команда обратилась к свиньям, размеры органов и сроки развития которых более сопоставимы с нашими. После создания нескольких различных типов индуцированных человеком плюрипотентных стволовых клеток (iPS) ученые вставили наиболее многообещающие типы в эмбрионы свиней и успешно имплантировали эти эмбрионы свиноматкам.
Исследователи остановили эксперимент через четыре недели, чтобы оценить безопасность и эффективность технологии на тот момент.Некоторые эмбрионы показали, что человеческие клетки внутри начали специализироваться и превращаться в тканевых предшественников, хотя степень успеха и уровень вклада человеческих iPS-клеток у свиней были намного ниже, чем у эмбрионов мыши, содержащих клетки крысы.
Результаты представляют собой первую успешную попытку интеграции человеческих iPS-клеток в организм крупных животных и могут дать представление о том, как возникают и развиваются заболевания человека, а также предоставить новую платформу для тестов на токсичность лекарств. Ученые подчеркивают, что исследования все еще находятся на очень ранней стадии, и остаются серьезные проблемы с разработкой медицинских методов лечения, основанных на этой технологии.«Конечно, конечная цель химерного исследования — узнать, можем ли мы использовать технологии стволовых клеток и редактирования генов для создания генетически согласованных человеческих тканей и органов, и мы очень оптимистично настроены в отношении того, что продолжение работы приведет в конечном итоге к успеху», — сказал он. — говорит Изписуа Бельмонте. «Но в процессе мы получаем лучшее понимание эволюции видов, а также эмбриогенеза человека и болезней, которые трудно получить другими способами.Дальнейшая работа будет включать дальнейшее понимание пределов успешной интеграции человеческих клеток в животных.
Среди других авторов: Аида Платеро Луенго, Масахиро Сакураи, Ацуши Сугавара, Такайоши Ямаути, Кейитиро Судзуки, Мариана Моралес Валенсия, Дайджи Окумура, Цзинпин Луо, Томоаки Хисида, Эми Судзуки, Палома Мартинес-Редондэпо, Алехандро Сугавара и У. Трэвис Берггрен из Института Солка; Мария Антония Хиль, Кристина Куэлло, Инмакулада Паррилья, Кристина А. Мартинес, Алисия Ноалес, Хорди Рока и Эмилио А. Мартинес из Кампуса Эспинардо Университета Мурсии; Янина Соледад Больотти, Марсела Виларино, Делия Сото, Хуэли Ван, Элизабет А. Мага и Пабло Хуан Росс из Калифорнийского университета в Дэвисе; Льянос Мартинес, Соня Санчес, Эстрелла Нуньес и Херонимо Лахара из Католического университета Сан-Антонио-де-Мерсия; Изабель Гильен и Педро Гильен из Clinica Centro Fundacion Pedro Guillen; и Хосеп М. Кампистол из больничной клиники Барселоны.Работа финансировалась Фондом Сенека; Калифорнийский университет в Дэвисе, грант на новое исследование Академического сената; Католический университет Сан-Антонио-де-Мерсия; Fundacion Dr.
Pedro Guillen; Благотворительный фонд Дж. Гарольда и Лейлы Ю. Мазерс; и Фонд Мокси.
