Исследователи под руководством Майке Сандер, научного директора Центра Макса Дельбрюка, разработали васкуляризированную органоидную модель гормон-секретирующих клеток поджелудочной железы. Достижение, опубликованное в Developmental Cell , обещает улучшить исследования диабета и клеточную терапию.
Международная группа исследователей под руководством научного директора Центра Макса Дельбрюка профессора Майке Сандер впервые разработала органоидную модель панкреатических островков, полученных из человеческих плюрипотентных стволовых клеток (SC-островков) с интегрированной сосудистой сетью. Островки — это клеточные скопления в поджелудочной железе, в которых размещаются несколько различных типов гормон-секретирующих клеток, включая инсулин-продуцирующие бета-клетки. Исследователи из лаборатории Сандера в Калифорнийском университете в Сан-Диего обнаружили, что органоиды SC-островков с кровеносными сосудами содержат большее количество зрелых бета-клеток и секретируют больше инсулина, чем их неваскуляризированные аналоги. Васкуляризированные органоиды более точно имитируют островковые клетки, обнаруженные в организме. Исследование было опубликовано в «Developmental Cell».
***«Наши результаты подчеркивают важность сосудистой сети в поддержании функции островковых клеток поджелудочной железы. Эта модель приближает нас к воспроизведению естественной среды поджелудочной железы, что необходимо для изучения диабета и разработки новых методов лечения», - Профессор Майке Сандер, научный директор Центра Макса Дельбрюка.
Инженерные васкуляризированные островки стволовых клеток
Органоиды клеток островков поджелудочной железы — мини-органы, которые отражают кластеры клеток, вырабатывающих инсулин, вне организма — широко используются для изучения диабета и других заболеваний поджелудочной железы. Но бета-клетки в этих органоидах обычно незрелые, что делает их неоптимальными моделями для среды in vivo, говорит Сандер. Хотя было разработано несколько подходов для содействия созреванию бета-клеток, их эффекты были скромными, добавляет она.
Чтобы лучше имитировать среду in vivo, исследователи добавили человеческие эндотелиальные клетки, которые выстилают кровеносные сосуды, и фибробласты, клетки, которые помогают формировать соединительную ткань, к островковым органоидам, выращенным из стволовых клеток. Команда экспериментировала с различными средами для культивирования клеток, пока не нашла коктейль, который сработал. Клетки не только выжили, но и созрели и вырастили сеть трубчатых кровеносных сосудов, которые охватили и проникли в SC-островки.
«Нашим прорывом стало создание рецепта», — говорит Сандер. «Потребовалось пять лет экспериментов с различными условиями, в которых участвовала преданная своему делу команда биологов и биоинженеров, занимающихся стволовыми клетками».
Васкуляризированные островковые органоиды стволовых клеток более зрелые
Когда исследователи сравнили васкуляризированные органоиды с неваскуляризированными, они обнаружили, что первые секретируют больше инсулина при воздействии высоких уровней глюкозы. «Незрелые бета-клетки плохо реагируют на глюкозу. Это сказало нам, что васкуляризированная модель содержала больше зрелых клеток», — говорит Сандер.
Затем исследователи захотели изучить, как именно сосудистая сеть помогает органоидам созревать. Они обнаружили два ключевых механизма: эндотелиальные клетки и фибробласты помогают строить внеклеточный матрикс — сеть белков и углеводов на поверхности клеток. Формирование самого матрикса является сигналом, который подает клеткам сигнал к созреванию. Во-вторых, эндотелиальные клетки секретируют костный морфогенетический белок (BMP), который, в свою очередь, стимулирует созревание бета-клеток.
Осознав, что механические силы также стимулируют секрецию инсулина, команда затем интегрировала органоиды в микрофлюидные устройства, что позволило прокачивать питательную среду напрямую через их сосудистые сети. Они обнаружили, что доля зрелых бета-клеток увеличилась еще больше.
«Мы обнаружили градиент», — говорит Сандер. «Неваскуляризированные органоиды имели самые незрелые клетки, большая часть созрела с васкуляризацией и еще больше созрела при добавлении потока питательных веществ через кровеносные сосуды. Модель человеческих клеток панкреатических островков, которая точно воспроизводит физиологию in vivo, открывает новые пути для исследования основных механизмов диабета», — добавляет она.
На последнем этапе исследователи показали, что васкуляризированные SC-островки также секретируют больше инсулина in vivo. Диабетические мыши, которым были пересажены неваскуляризированные SC-островки, показали себя хуже по сравнению с мышами, которым были пересажены васкуляризированные SC-островковые клетки, причем некоторые мыши не проявляли никаких признаков заболевания через 19 недель после трансплантации. Исследование подтверждает другие исследования, которые показали, что предварительная васкуляризация улучшает функцию пересаженных SC-островков.
Лучшая модель для изучения диабета 1 типа
Теперь Сандер планирует использовать васкуляризированные модели органоидов SC-островков для изучения диабета 1-го типа, который вызывается иммунными клетками, атакующими и разрушающими бета-клетки поджелудочной железы, в отличие от диабета 2-го типа, при котором поджелудочная железа со временем вырабатывает меньше инсулина, а клетки организма становятся устойчивыми к воздействию инсулина.
Она и ее команда в Центре Макса Дельбрюка выращивают васкуляризированные органоиды из клеток пациентов с диабетом 1 типа. Они переносят органоиды на микрофлюидные чипы и добавляют иммунные клетки пациентов. «Мы хотим понять, как иммунные клетки разрушают бета-клетки», — объясняет Сандер. «Наш подход обеспечивает более реалистичную модель функции островковых клеток и может помочь в разработке лучших методов лечения в будущем».
Источник: Центр молекулярной медицины имени Макса Дельбрюка при Ассоциации Гельмгольца
