Мини-почки на конвейере
Исследователи из университета Вашингтона в Сиэтле, работающие под руководством доцента Бенджамина Фридмана (Benjamin Freedman), разработали автоматизированную систему для быстрого получения миниатюрных моделей органов из человеческих стволовых клеток.
Традиционным способом выращивания клеток для биомедицинских исследований является их культивирование на плоских поверхностях. Такой двухмерный подход является чрезмерно упрощенным. В последние годы специалисты добились значительных успехов в выращивании из клеток трехмерных структур, известных как мини-органы или органоиды. Они напоминают рудиментарные органы и во многих отношениях воспроизводят их функции. Эти свойства делают органоиды идеальным объектом для биомедицинских исследований, однако их массовое производство оказалось очень сложной задачей.
В своем исследовании авторы использовали роботизированную систему для автоматизации процедуры выращивания органоидов из стволовых клеток. Несмотря на то, что подобные подходы показали достаточно хорошие результаты в работе с взрослыми стволовыми клетками, до сих пор специалистам не удавалось автоматизировать производство органоидов из плюрипотентных стволовых клеток. Привлекательность последних заключается в их незрелости и способности дифференцироваться в клетки разных органов и тканей.
Предложенный исследователями процесс заключается в том, что способный совершать манипуляции с жидкостями робот помещает стволовые клетки в планшеты, каждый из которых содержит 384 миниатюрных лунки. После этого в течение 21 дня клетки формируют органоиды почек. При этом в каждой из микролунок формируется не менее 10, а в каждом планшете – тысячи органоидов. По словам авторов, только подготовка к эксперименту такого масштаба вручную заняла бы у исследователя целый день, тогда как роботу для этого требуется всего 20 минут. Помимо этого робот не устает и не делает ошибок. Очевидно, что при необходимости выполнения многократно повторяющихся однотипных манипуляций роботы справляются гораздо лучше человека.
Вид сверху микролуночного планшета, содержащего органоиды почек, созданные роботом из человеческих стволовых клеток. Красным, зеленым и желтым цветами помечены разные сегменты почек.
Исследователи также использовали новейшую автоматизированную технологию, известную как секвенирование РНК одиночных клеток, для идентификации различных типов клеток, входящих в состав органоидов. Полученные результаты подтвердили, что органоиды действительно являются миниатюрным аналогов развивающихся почек, но содержат определенное количество не имеющих отношению к почкам клеток, ранее не описанным в подобных культурах.
По словам доктора Фридмана, эти данные описывают природу выращиваемых органоидов и предоставляют отправную точку, от которой можно отталкиваться при усовершенствовании методики. При этом ценность разработанной высокопроизводительной платформы заключается в возможности внесения изменений в процедуру на любом ее этапе и множеством различных способов, при этом быстро получая информацию о результатах, к которым проводят внесенные изменения.
Так, например, исследователям удалось найти способ значительно увеличить в органоидах количество клеток, формирующих кровеносные сосуды, что увеличивает их сходство с настоящими почками.
Помимо этого авторы применили свою технологию для поиска препаратов, способных оказывать влияние на течение различных заболеваний. В рамках одного из экспериментов они произвели органоиды из клеток с мутацией, вызывающей поликистоз почек – наследственное заболевание, часто приводящее к развитию почечной недостаточности и встречающееся в мире с частотой 1 случай на 600 человек. При этом заболевании почечные протоки раздуваются и формируют растущие кисты, вытесняющие здоровые ткани.
Авторы воздействовали на поликистозные органоиды различными соединениями и установили, что одно из них – блеббистатин, – вызывает значительное увеличение количества и размера кист. Это было достаточно неожиданно, так как блеббистатин известен благодаря своей способности блокировать активность белка миозина, обеспечивающего сокращение мышечных волокон. Судя по всему, почечные протоки расширяются и сжимаются также благодаря миозину, нарушения функций которого и приводят к формированию кист. В будущем авторы планируют заняться более детальным изучением этого механизма.
Статья Stefan M. Czerniecki et al. High-Throughput Screening Enhances Kidney Organoid Differentiation from Human Pluripotent Stem Cells and Enables Automated Multidimensional Phenotyping опубликована в журнале Cell Stem Cell.
Евгения Рябцева, портал «Вечная молодость» http://vechnayamolodost.ru по материалам University of Washington Health Sciences/UW Medicine: Robots grow mini-organs from human stem cells.