Национальный научный фонд (National Science Foundation) профинансировал многоуниверситетское исследование под руководством ученых из Школы инженеров Свансона Университета Питтсбурга (University of Pittsburgh Swanson School of Engineering), которые изучают использование плюрипотентных стволовых клеток человека (hPSC) для создания островков поджелудочной железы в лаборатории. Основной целью исследования является разработка метода выращивания васкуляризационных островков in vitro, в пробирке, что, по мнению исследователей, приведет к повышению жизнеспособности островковых клеток и усилению их функции после трансплантации.

«Это первая удачная попытка создать in vitro васкуляризированные органоиды — островки поджелудочной железы из hPSCs», — объясняет Ипсита Банерджи (Ipsita Banerjee), руководитель исследования. «Благодаря совместным усилиям мы разработали метод имплантации фрагментов кровеносных сосудов в островки. Путем васкуляризации островков до их трансплантации в организм они с большей вероятностью выживут и могут быстрее регулировать уровень глюкозы в крови».

Что такое островки и почему они жизненно необходимы?

Крошечные скопления клеток, называемые островками Лангерганса, расположены по всей поджелудочной железе, и позволяют органу производить инсулин. Группы таких клеток были обнаружены еще в 1869 ученым Паулом Лангергансом, в честь которого и были названы. Клетки островков концентрированы преимущественно в хвосте поджелудочной железы, и составляют 2% от массы органа. Всего в паренхиме насчитывается около 1 миллиона островков.

Выявлено, что у новорожденных островки занимают 6% от всей массы органа. По мере взросления организма удельный вес структур, имеющих эндокринную активность, снижается. К пятидесяти годам их остается всего 1-2%. В течение суток островки Лангерганса секретируют около 2 миллиграммов инсулина.

Диабет I типа приводит к тому, что иммунная система разрушает эти островки. В результате пациенты должны ежедневно принимать инсулин, чтобы поддерживать уровень сахара в крови. Слишком высокий уровень сахара может приводить к гипергликемии, диабетическому кетоацидозу и, если эти состояния не купировать — к смерти. Пациенты должны самостоятельно регулировать уровень сахара в крови на протяжении всей своей жизни. Либо искать возможность для замены неработающей поджелудочной железы или ее активной части — островков Лангенгарса.

Зачем островкам нужны сосуды?

Островки поджелудочной железы имеют очень высокие потребности в кислороде. При пересадке их нужно как можно скорее «подключить» к сосудам организма-реципиента, иначе они начнут очень быстро терять способность регулировать уровень глюкозы в крови и отмирать. Исследователи начали искать новые методы, чтобы ускорить васкуляризацию островков после трансплантации, и пришли к выводу, что проще «вырастить» сосуды еще до пересадки, в пробирке, прямо внутри группы островковых клеток.

В эксперименте была использована новая структурирующая система — специальный гидрогель для создания трехмерной конфигурации клеточной культуры, которая имитирует способ образования поджелудочной железы естественным путем.

«Гидрогель подобен строительным лесам, и он помогает наращивать ячейки структуры в трехмерном пространстве», — говорит доктор Банерджи. «Обычно плюрипотентные стволовые клетки hPSC представляют собой структуру неконтролируемой конфигурации, однако, используя гидрогель, разработанный нашим сотрудником в штате Аризона, мы можем создать точную многоклеточную архитектуру под названием« сфероиды». В отличие от обычной двумерной культуры островковых клеток, выращенной в чашке Петри, островковые сфероиды, выращенные на гидрогеле, полностью идентичны тем структурам, которые образуются в организме естественным путем».

Кроме применения непосредственно для трансплантации, создание жизнеспособных васкуляризованных островков поджелудочной железы за пределами тела может стать ценным инструментом для проверки эффективности и токсичности новых лекарств для лечения поджелудочной железы. Кроме того, васкуляризация органелл in vitro открывает новые горизонты в области трансплантологии.

«Принципы предварительного проектирования васкуляризации перед трансплантацией может применяться к любому типу ткани, а не только в случае поджелудочной железы», — говорит доктор Банерджи. «Когда донорские островки используются для трансплантации, часть из них гибнет в результате процедуры. Мы ожидаем, что меры, которые мы принимаем в лаборатории до того, как новые клетки будут пересажены в тело пациента, будут иметь огромное значение для регенеративной медицины следующего поколения».

Предшествующие исследования

Попытки стимулировать васкуляризацию островковых клеток в пробирке проводились и раньше. Так, в 2011 году были опубликованы результаты эксперимента американских ученых из Boston University, Brown University, Alpert Medical School , в котором они проверяли предположение, что стволовые клетки костного мозга стимулируют ангиогенез в островках поджелудочной железы. Для проверки этой гипотезы человеческие островки (100 на 1 мл) культивировали отдельно (контроль) или совместно с цельным человеческим костным мозгом (106 клеток на 1 мл) в течение 210 суток. При оценке в конце выращивания было обнаружено, что при ко-культивировании значительно возрастает содержание таких факторов ангиогенеза, как VEGF-a (535 vs 2 pg/mL), PDGF (280.79 vs 0 pg/mL), KGF (939 vs 8 pg/mL), TIMP-1 (4592 vs 4332 pg/mL) и ангиогенина (506 vs 97 pg/mL). При этом содержание ангиопоэтина-2 было ниже, чем в контроле (5 vs 709 pg/mL). Если при ко-культивировании удалить названные проангиогенные факторы, вызванная СК васкуляризация островков также снижается, что говорит о паракринном механизме воздействия этих клеток.

При вызванной стволовыми клетками васкуляризации наблюдалось значительное рассеивание эндотелиальных клеток и рост островков. Те островки, что уменьшались в размере, отличались слабой васкуляризацией. В течение всего периода культивирования наблюдалось выделение инсулина, что говорит о сохранении функции островков при взаимодействии со стволовыми клетками. Более того, при ко-культивировании наблюдалось значительное усиление генной экспрессии инсулина и глюкагона по сравнению с контролем — в 28,66 и в 24,4 раза соответственно. Это свидетельствует о том, что СК стимулируют и регенерацию эндокринных клеток.