«Конечная цель — вырастить функциональные и трансплантируемые ткани или органы, но мы далеки от этого», — говорит ведущий исследователь Хуан Карлос Изписуа Бельмонте, профессор лаборатории экспрессии генов Института биологических исследований Солка. «Это важный первый шаг».Несмотря на десятилетия работы, ученые все еще пытаются заставить стволовые клетки, растущие в чашках Петри, стать полностью функциональными специализированными взрослыми клетками, не говоря уже о трехмерных тканях и органах. «Это похоже на попытку дублировать ключ.
Дубликат выглядит почти идентичным, но когда вы возвращаетесь домой, он не открывает дверь. Есть кое-что, что мы делаем неправильно», — говорит Изписуа Бельмонте. «Мы думали, что выращивание человеческих клеток в животном будет намного более плодотворным. Нам еще многое предстоит узнать о раннем развитии клеток».
В качестве первого шага Изписуа Бельмонте и научный сотрудник Института Солка Цзюнь Ву создали химеру крыса / мышь, введя крысиные клетки в эмбрионы мыши и дав им созреть. Другие исследователи уже создали химеру крыса / мышь в 2010 году.
Эта химера была мышью с тканью поджелудочной железы, сформированной из клеток крысы.Изписуа Бельмонте и Ву построили этот эксперимент, используя редактирование генома, чтобы гибко направлять крысиные клетки к росту в определенных нишах развития у мышей.
Для этого они использовали инструменты редактирования генома CRISPR для удаления критических генов в оплодотворенных яйцеклетках мыши. Например, в данной клетке они удаляли бы единственный ген, критический для развития органа, такого как сердце, поджелудочная железа или глаз. Затем они ввели крысиные стволовые клетки в эмбрионы, чтобы посмотреть, заполнят ли они открытую нишу. «Клетки крысы имеют функциональную копию отсутствующего гена мыши, поэтому они могут вытеснить мышиные клетки, занимая пустые ниши органов развития», — говорит Ву.
По мере созревания организма клетки крысы заполнялись там, где клетки мыши не могли, образуя функциональные ткани сердца, глаза или поджелудочной железы организма.Клетки крыс также выросли, образуя желчный пузырь у мышей, хотя крысы сами перестали развивать этот орган за 18 миллионов лет с тех пор, как крысы и мыши эволюционно разделились. «Это говорит о том, что причина того, что у крысы не образуется желчный пузырь, заключается не в том, что он не может, а в том, что потенциал был скрыт специальной программой развития для крыс», — говорит Ву. «Микросреда развивалась миллионы лет, чтобы выбрать программу, которая определяет крысу».Следующим шагом команды было введение человеческих клеток в организм. Они решили использовать эмбрионы коров и свиней в качестве хозяев, потому что размеры органов этих животных больше напоминают людей, чем мышей.
Команда столкнулась с множеством логистических проблем, но научная задача заключалась в том, чтобы определить, какие стволовые клетки человека могут выжить в эмбрионе коровы или свиньи.Эксперименты с коровьими эмбрионами были сложнее и дороже, чем со свиньями, поэтому команда сосредоточилась на свиньях.
Работа, необходимая для завершения исследования 1500 эмбрионов свиней, включала вклад более 40 человек, включая свиноводов, в течение четырехлетнего периода. «Мы недооценили приложенные усилия, — говорит Изписуа Бельмонте. «Это потребовало демонстрации силы».Свиньи и люди не только в пять раз более далеки от эволюции, чем мыши и крысы, но и у свиней также есть период беременности, который составляет около одной трети от срока у людей, поэтому исследователям необходимо было ввести человеческие клетки в идеальное время, чтобы соответствовать времени развития. стадия свиньи. «Это как если бы человеческие клетки выезжали на автостраду, идущую быстрее, чем на обычную автостраду», — говорит Изписуа Бельмонте. «Если у вас разные скорости, вы попадете в аварию».
Исследователи вводили несколько различных форм человеческих стволовых клеток в эмбрионы свиней, чтобы определить, какие из них выживут лучше всего. Клетки, которые выжили дольше всех и продемонстрировали наибольший потенциал для продолжения развития, были «промежуточными» плюрипотентными стволовыми клетками человека. Так называемые «наивные» клетки напоминают клетки более раннего происхождения с неограниченным потенциалом развития; «Примированные» клетки получили дальнейшее развитие, но все еще остаются плюрипотентными. «Промежуточные клетки находятся где-то посередине», — говорит Ву.
Человеческие клетки выжили и сформировали химерный эмбрион человека / свиньи. Эмбрионы имплантировали свиноматкам и оставляли для развития от трех до четырех недель. «Этого достаточно, чтобы попытаться понять, как клетки человека и свиньи смешиваются вместе на раннем этапе, не вызывая этических опасений по поводу зрелых химерных животных», — говорит Изписуа Бельмонте.
Даже при использовании наиболее эффективных стволовых клеток человека уровень вклада в химеризованный эмбрион был невысоким. «Это низкий уровень», — говорит Ву.Изписуа Бельмонте считает это хорошей новостью. Одна из проблем, связанных с созданием химер человека / животного, заключается в том, что химера будет слишком человечной. Например, исследователи не хотят, чтобы человеческие клетки участвовали в формировании мозга.
В этом исследовании человеческие клетки не стали предшественниками клеток мозга, которые могут расти в центральной нервной системе. Скорее, они развивались в мышечные клетки и предшественники других органов. «На этом этапе мы хотели знать, могут ли человеческие клетки вообще способствовать решению вопроса« да или нет »», — говорит он. «Теперь, когда мы знаем, что ответ положительный, наша следующая задача — повысить эффективность и направить человеческие клетки на формирование определенного органа у свиней».
Для этого исследователи используют CRISPR для редактирования генома в геноме свиньи, как они это делали с мышами, чтобы открыть пробелы, которые могут заполнить человеческие клетки. Работа продолжается.Это исследование было поддержано Фондом Сенека в Мерсии, Испания, Католическим университетом Сан-Антонио-де-Мурсия (UCAM), Фондом доктора Педро Гильена, Благотворительным фондом Дж.
Гарольда и Лейлы Ю. Мазерс и Фондом Мокси.