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 системой. Островки представляют собой клеточные кластеры 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 содержали большее количество зрелых бета-клеток и секретировали больше инсулина, чем их неваскуляризированные аналоги. Васкуляризированные органоиды более точно имитировали островковые клетки, обнаруженные в организме.

«Наши результаты подчеркивают важность сосудистой сети в поддержании функции островковых клеток поджелудочной железы», — говорит Сандер. «Эта модель приближает нас к воспроизведению естественной среды поджелудочной железы, что необходимо для изучения диабета и разработки новых методов лечения».

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.

Она добавляет, что хотя было разработано несколько подходов для стимуляции созревания бета-клеток, их эффекты были скромными.

Чтобы лучше имитировать среду in vivo, исследователи добавили к островковым органоидам, выращенным из стволовых клеток , человеческие эндотелиальные клетки, выстилающие кровеносные сосуды, и фибробласты — клетки, которые помогают формировать соединительную ткань.

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 говорит нам о том, что васкуляризированная модель содержит больше зрелых клеток», — говорит Сандер.

Затем исследователи хотели 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 самой матрицы является сигналом, который подает сигнал клеткам созревать. Во-вторых, эндотелиальные клетки секретируют костный морфогенетический белок (BMP), который в свою очередь стимулирует бета-клетки к созреванию.

Осознав, что механические силы также стимулируют секрецию инсулина , команда затем интегрировала органоиды в микрофлюидные устройства, позволяя питательной среде перекачиваться 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 созревала при васкуляризации и еще больше созревала при добавлении потока питательных веществ через кровеносные сосуды.

«Модель островков поджелудочной железы на основе человеческих клеток , которая точно воспроизводит физиологию in vivo, открывает новые возможности для исследования основных механизмов диабета».

На последнем этапе исследователи показали, что васкуляризированные SC-островки также секретируют больше инсулина in vivo. Диабетические мыши, которым были пересажены неваскуляризированные SC-островки, показали худшие результаты по сравнению с теми, кому были пересажены васкуляризированные SC-островковые клетки, при этом у некоторых мышей не было никаких признаков заболевания через 19 недель после трансплантации.

Исследование подтверждает результаты других исследований, показавших, что предварительная васкуляризация улучшает функцию трансплантированных островков поджелудочной железы.

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 функционирования островковых клеток и может помочь в разработке более эффективных методов лечения в будущем».