Легкие человека, как и все органы, начинают свое существование как недифференцированные стволовые клетки. В течение нескольких месяцев клетки становятся организованными. Они собираются вместе, формируя воздушные пути и альвеолы – тонкие мешочки, с помощью которых происходит газообмен. В идеале, в результате получаются здоровые, дышащие легкие.
В течение многих лет ученые, изучающие заболевания легких, такие как муковисцидоз (кистозный фиброз), старались отследить этот процесс подробно, от начала и до конца, в надежде, что понимание того, как формируются легкие, может помочь объяснить ситуацию, когда все идет не так. Теперь специалисты из Центра регенеративной медицины Бостонского университета объявили о двух основных результатах, которые еще больше повысили понимание этого процесса: способность самых ранних предшественников легких, возникающих из стволовых клеток, расти и очищаться, и способность дифференцировать эти клетки в крошечные «бронхосферы», которые используются для моделирования кистозного фиброза. Исследователи надеются, что результаты приведут к появлению новых подходов к персонализированной медицине для лечения заболеваний легких. Это первый шаг в попытке предсказать, как человек может реагировать на существующие методы лечения или новые лекарственные средства.
Существует длинный список заболеваний легких, для которых нет других методов лечения, кроме трансплантации. Авторы считают, что крайне важно разработать новые инструменты для понимания этих заболеваний.
Ученые работают с индуцированными плюрипотентными стволовыми клетками, или iPSCs, которые были обнаружены в 2006 году, когда удалось взять взрослую клетку в человеческом теле – например, крови или кожи – и «перепрограммировать» ее в стволовую клетку со способностью расти в любой орган. В последние годы несколько групп ученых выращивали легочные клетки из iPSC человека, но пока разработки не идеальны – полученные клетки легких растут среди печеночных клеток, клеток кишечника и других тканей, что является большой проблемой. Если эти клетки необходимо использовать для изучения легких, нужно избавляться от других.
Во-первых, ученым требовался способ идентифицировать клетки легкого. Предыдущие работы продемонстрировали, что стволовые клетки мыши экспрессируют ген под названием Nkx2-1 в «судьбоносный» момент, когда они превращаются в клетки легких. Это первый ген, который как бы говорит:«Я клетка легких». Был разработан репортерный ген, который светился зеленым в момент экспрессии стволовыми клетками Nkx2-1, и специалисты сконструировали такой же ген в клетки человека. Теперь стало возможным легко определить и очистить светящиеся зеленые клетки легкого.
Используя проточный цитометр, специалисты отделили зеленые клетки от смеси, а затем вырастили матрицу из них. Результат: крошечные зеленые сферы размером около полумиллиметра в поперечнике, «популяция чистых, ранних клеток легких», как это назвали авторы. Команда называет крошечные сферы «органоидами», упрощенными и миниатюрными версиями органа, содержащего ключевые типы легочных клеток. Органоиды – это инструменты, и они служат, по крайней мере, двум важным целям. Во-первых, они позволяют ученым детально изучить критический момент в развитии легких у человека, о котором очень мало известно. Как оказалось, многие из генов, контролирующих развитие легких у других видов, таких как мыши, также экспрессируются в этих клетках человека. Помимо этого, ученые могут вырастить органоиды в более зрелые, специфические типы клеток, такие как клетки дыхательных путей или альвеолярные клетки, которые имеют решающее значение для функции легких. Становится возможным фактически начать смотреть на болезнь.
Другая команда ученых сосредоточила интерес на муковисцидозе, болезни, вызванной мутациями в одном гене, CFTR. Мутация заставляет легкие человека производить густую вязкую слизь, которая приводит к инфекции, воспалению и, в конечном итоге, к легочной недостаточности. Для многих пациентов лечения нет. Глядя на самые ранние стадии болезни, ученые хотели взять очищенные клетки легких из предыдущей работы и выяснить, как они стали клетками дыхательных путей. С помощью кропотливых экспериментов удалось обнулить сигнальный путь под названием Wnt, который играет важную роль в развитии легкого у мышей. Изменив путь, команда направила незрелые клетки легкого в клетки воздушных путей. Затем она вырастила их в крошечные шарики клеток – «бронхосферы».
Как и органоиды, бронхосферы не действуют как бронхи; они представляют собой просто набор конкретных клеток, но их специфика делает их полезными. Авторы хотели посмотреть, удастся ли использовать их для изучения заболеваний дыхательных путей. Это одна из главных целей: спроектировать эти клетки у пациентов, а затем использовать их для изучения заболеваний этих пациентов.
В качестве доказательства концепции авторы получили две клеточные линии от пациента с кистозным фиброзом, в одной из которых мутация CFTR, вызвавшая болезнь, была исправлена, и ворую, в которой этого не произошло, и превратили обе в бронхосферы. Чтобы узнать, сработал ли метод, команда провела тест, применяя лекарственное средство, которое должно было заставить сферы, состоящие из нормальных, функционирующих клеток, заполняться жидкостью. Это сработало: «фиксированные» бронхосферы начали набухать, в то время как сферы кистозного фиброза не реагировали. Самое интересное, по мнению специалистов, заключается в том, что измерения производились с помощью высокопроизводительной микроскопии, а затем рассчитывалось изменение площади во времени. Стала возможна количественная оценка функции CFTR.
Следующим шагом станет улучшение теста, его масштабирование и создание аналогичных тестов для других заболеваний легких. Конечной целью является взятие клеток у пациента, а затем скрининг различных комбинаций препаратов. Идея в том, чтобы стало возможным взять клетки пациента и протестировать не двадцать, а сотни или тысячи препаратов, понять, как пациент на них отвечает даже прежде, чем это лечение будет проведено.
Источник: Journal of Clinical Investigation