Як виростити людську міні-печінку в лабораторії, щоб допомогти лікувати захворювання печінки -
Вирощування міні-печінки людини в лабораторії дає змогу краще зрозуміти захворювання печінки. Це потенційно потужні інструменти для тестування ліків.
Створення людської печінки в лабораторії може здатися дуже схожим на роботу доктора Франкенштейна. Але насправді це далеко не так. У моїй лабораторії ми виявили, як контролювати гени та функції цього органу, розробленого в лабораторії. Ми використовуємо цей інструмент для розуміння руйнівних захворювань печінки та тестування.
Кінцева стадія печінкової недостатності викликає близько 30000 смертей у США. Наразі єдиним остаточним методом лікування є трансплантація печінки, але брак донорської печінки є обмежуючим фактором. Друга основна причина печінкової недостатності є наслідком прогресивного пошкодження, спричиненого алкогольна та безалкогольна жирова хвороба печінки (НАЖХП).
Захворювання печінки
Кількість людей із цією хворобою швидко зростає поряд з епідеміями ожиріння та діабету. Щоб зрозуміти перебіг цієї хвороби, дослідникам потрібні моделі, що імітують її перебіг у людей. Але я думаю, що ми, можливо, вирішили цю проблему. Дослідники з моєї лабораторії виявили, як розвинути міні-печінку людини.
Я лікар-вчений, і моя лабораторія вивчає нові підходи до розуміння та лікування захворювань печінки. Я зацікавився печінкою під час вивчення медицини в Мехіко, коли член родини помер від кінцевої стадії печінкової недостатності.
Безалкогольна жирова хвороба печінки охоплює цілий ряд розладів печінки - Кредит: Natali1979/Shutterstock.com
Після медичного навчання я здобув ступінь доктора. в інженерії та регенерації тканини печінки. Потім я навчався у Китаї та Швеції, щоб навчитися розробляти штучні органи, зроблені з клітин.
Нарешті, я навчався в Гарвардській медичній школі, де дізнався, як рятувати органи, марні для трансплантації, і використовувати їх для виготовлення тканин печінки в лабораторії. Після всіх цих років я влаштувався на роботу в Університет Пітсбурга, центр досліджень печінки у всьому світі.
Як вирощувати печінку в лабораторії
Печінка є особливо незвичним органом в організмі людини, оскільки вона єдина, яка може регенерувати себе.. Це також виконує майже 500 різних функцій, включаючи трансформацію хімічних речовин або ліків, жирів та усіх поживних речовин, які ви споживаєте. І виробляє багато необхідних молекул.
Вперше ми з колегами генетично сконструйовані цілі людські міні-печінки використання індукованих плюрипотентних стовбурових клітин (iPS), типу стовбурових клітин, які можуть генеруватися з дорослих клітин шкіри або крові.
Можливо, вам цікаво, як ви «вирощуєте» міні-орган людини із стовбурових клітин. Тож дозвольте пояснити. Спочатку ми збираємо дорослі клітини шкіри у здорової людини і вирощуємо їх у лабораторії. Потім ми генетично модифікуємо ці клітини, щоб вимкнути ген, який називається SIRT1, який у нормальній печінці відповідає за регуляцію жирового обміну та контроль запалення в печінці.
Наступним кроком є друга генетична модифікація, в якій ми додаємо чотири специфічні гени, які перетворюють ці дорослі модифіковані клітини шкіри в клітини iPS, які потенційно можуть диференціюватися майже в будь-який тип клітин в організмі.
Як тільки ці клітини повертаються до стовбурових клітин, ми даємо їм розмножуватися у великих флаконах, поки у нас не з’явиться мільйони. Потім ми піддаємо їх дії різних факторів росту, щоб викликати їх перетворення в клітини печінки в чашці Петрі.
Нарешті, ми беремо модифіковані клітини печінки і поміщаємо їх у печінку щурів, де всі клітини щурів були видалені, залишаючи лише структурні риштування, що складаються з природної речовини, що називається колаген..
Це забезпечує основу, на якій клітини печінки людини можуть рости і утворювати міцний орган у камері, призначеній для підтримки росту органів, яка називається біореактором. Тут ми додали інші біоклітини людини до біореактора, щоб стимулювати утворення тканин і судин у міні-органі. Цей процес займає близько 28 днів.
Коли ми закінчимо, ми отримаємо міні печінку діаметром від 5 до 7 сантиметрів. Дуже захоплююче спостерігати за такою формою в режимі реального часу.
Міні печінки схожі на справжні
Чудова річ наших лабораторних міні-печінок полягає в тому, що вони імітують багато аспектів людського НАЖХП та його прогресування до більш серйозного стану, який називається неалкогольний стеатогепатит, або НАШ. Це дозволить нам та іншим дослідникам печінки вивчити процес захворювання та визначити, як втручатися.
Тому що ми генетично модифіковані клітини печінки для зменшення активності гена SIRT1, який загалом регулює накопичення жиру та метаболізм, Міні-печінка людини почала імітувати метаболічну дисфункцію, яка спостерігається в тканинах пацієнтів із жировою хворобою печінки. Ці органи почали накопичувати жир, жовтіючи, коли рівень жиру в клітинах збільшувався. Для мене спостереження за зміною органу було найбільш захоплюючою частиною.
Зліва: біореактор. Справа: ешафот печінки щурів, заселений генетичними печінковими, судинними та запальними клітинами - Автор: UPMC, CC BY-SA
Після чотирьох днів видалення гена SIRT1 у міні-печінці ми провели кілька тестів, щоб зрозуміти, як переробляється жир, як поводяться інші гени, що відповідають за переробку жиру, і як клітини печінки виглядають під мікроскопом.
Ми виявили, що приблизно 80% дефіциту переробки жиру, що спостерігається у пацієнтів із жировою хворобою печінки, були присутніми в наших міні-жирових печінках, отриманих людиною. Це мене хвилює, бо це означає, що ми можемо створити реалістичні, схожі на пацієнта печінки, які ми можемо використовувати для тестування нових методів лікування або пошуку нових маркерів захворювання.
Використання лабораторної печінки для обробки наркотиків
То який сенс вирощувати міні-печінку? Ми з колегами вважаємо, що це буде цінним інструментом для тестування кандидатів на наркотики. У деяких випадках ці міні-печінки можуть бути більш точними, ніж миші, визначаючи, чи буде діяти наркотик у людей.
Наприклад, кілька років тому в доклінічних випробуваннях фармакологічний засіб ресвератрол вводили тваринам із жировою хворобою печінки - молекулою, яка міститься у винограді та червоному вині, що посилювало функцію гена SIRT1. Це успішне зменшення накопичення жиру у мишей мається на увазі, що це може бути те ж саме у людей з жировою печінкою.
Однак клінічні випробування на людях не були остаточними. Але коли наші людські жирові міні-печінки обробляли ресвератролом, ми виявили, що це не впливає на накопичення жиру. Суперечливі результати у людей та мишей можуть бути зумовлені міжвидовими відмінностями між захворюваннями у людей та захворюваннями на сучасних тваринних моделях неалкогольної жирової хвороби печінки.
Це підкреслює значення органів, розроблених в лабораторії та створених з клітин людини. Зрештою, важлива здатність генерувати хвору тканину печінки за допомогою генетично модифікованих клітин iPS з різних популяцій людини. Люди народжуються з різними генетичними варіаціями, які можуть схилити їх до різних захворювань.
Таким чином, генерація різних людських міні-печінок з різними генетичними варіаціями є потужним ресурсом, який вперше дозволяє дослідити роль цих генетичних варіацій у хворобі.
Моя група розробила це дослідження, щоб змінити експресію окремого гена, спростивши тим самим це складне захворювання, щоб зрозуміти неалкогольну жирову хворобу печінки та її прогресування до НАСГ. У наступних експериментах я планую контролювати функцію кількох генів одночасно.
Наші міні-печінки не є ідеальними копіями людської печінки. Ми не змогли імітувати всі важливі характеристики NASH, і ці міні печінки не дозріли повністю порівняно з печінкою дорослої людини. Тому ми з колегами будемо продовжувати шукати способи модифікувати ці печінки, щоб зробити їх більш точними копіями цього надзвичайного органу.
Переклад зі статті у розмові Алехандро Сото-Гутьєррес, доцент кафедри патології Університету Пітсбурга.