Во всем мире более 2 миллионов человек страдают хронической почечной недостаточностью. Часть из них вынуждена пожизненно несколько раз в неделю выполнять гемодиализ. Пересадка почки является более выигрышным вариантом, но не все могут дождаться трансплантата. В 2006 году японские ученые начали работу по выращиванию почки из стволовых клеток.
В эмбриональной почке есть три вида клеток-предшественников: предшественники нефрона, мочеточниковые зачатки и интерстициальные клетки-предшественники. Взаимодействуя, они образуют трехмерную структуру почки.
Способы индуцирования клеток-предшественников нефрона из плюрипотентных стволовых клеток (ПСК) у мышей были известны ранее, но поскольку другие клетки-предшественники не были задействованы, получить почку со структурой высшего порядка, когда нефрон органически связан со всеми структурами, не получилось.
Исследовательская группа из Института молекулярной эмбриологии и генетики Университета Кумамото разработала способ использования ПСК для образования мочеточникового зачатка, из которого потом образуются собирательные трубки.
Предыдущие исследования показали, что взаимодействие трех типов клеток-предшественников играет важную роль для эмбрионального развития почки. Большое значение имеют мочеточниковые зачатки, так как именно из них формируются собирательные трубки. Из клеток-предшественников интерстиция формируется ткань, которая заполняет пространство между нефронами и сетью канальцев и трубок.
В конце 2013 года исследовательская группа разработала метод индукции клеток-предшественников нефрона из мышиных эмбриональных стволовых клеток (ЭСК) и человеческих индуцированных стволовых клеток. Им удалось создать трехмерную структуру почки, содержащую нефрон. Но «вырастить» из клеток-предшественников канальцевую сеть не удавалось до сегодняшнего дня.
Канальцы и трубки собирают мочу, которая образуется в нефроне, и выводят ее в лоханки к мочеточнику, откуда она должна попадать в мочевой пузырь, а потом выводиться из организма.
Исследователи сосредоточили силы на разработке метода индуцирования мочеточниковых зачатков из ПСК и создания почки путем совмещения ПСК-производных нефронов и эмбриональных стволовых клеток-предшественников.
Слева: высокоорганизованная структура почки, созданной из ЭСК мыши; слабое увеличение. Зеленым цветом обозначены собирательные трубки, красным – клетки-предшественники нефрона. Справа: нефрон, связанный с концом собирательной трубки; сильное увеличение. Зеленым цветом обозначены собирательные трубки, красным – дистальный извитой каналец, синим – проксимальный извитой каналец, розовым – клубочек. Здесь и ниже рисунки из пресс-релиза Kumamoto University.
Они впервые обнаружили, что мышиные Вольфовы протоки (ВП), из которых формируются мочеточниковые зачатки, постепенно созревали и приобретали способность к ветвлению на 8-11 день эмбриогенеза. Исследователи культивировали клетки ВП ин витро и определили факторы роста, необходимые для получения мочеточниковых зачатков. Наконец, они разработали протокол для индуцирования мочеточниковых зачатков из ЭСК мышей с помощью клеток ВП. Выяснилось, что клетки-предшественники нефрона и мочеточниковые зачатки требуют для развития соблюдения совершенно разных условий.
Вверху: процесс морфогенеза почек эмбриона мыши. Внизу: созданные из ПСК предшественники нефрона без мочеточниковых зачатков и клеток интерстиция.
Функциональность мочеточниковых зачатков из мышиных ЭСК была дополнительно проверена путем совместного культивирования одного зачатка с ЭСК почки, а затем в сочетании с ЭСК-производными предшественниками нефрона и эмбриональных стромальных предшественников. В такой реконструкции почки ученые наблюдали ветвление мочеточникового эпителия, дифференциацию нефронов и предшественники нефрона на поверхности мочеточниковых зачатков. Это подтвердило функциональность индуцированных мочеточниковых зачатков и возможность создания структуры почки.
Внеся небольшие изменения в протокол, исследователи смогли создать мочеточниковые зачатки из индуцированных ПСК человека и продемонстрировали их способность к ветвлению при культивировании в присутствии факторов роста.
Создание высокоорганизованной структуры почки из ПСК.
Исследователи провели подобный эксперимент с индуцированными ПСК человека при истощении гена PAX2. Этот ген, как известно, необходим для формирования почек у мышей и у людей. В подобных условиях мочеточниковые зачатки не образовывались, их ветвлений не наблюдалось. Таким образом, мочеточниковые зачатки, полученные из индуцированных ПСК, можно использовать для изучения аномалий развития почек, обусловленных генной мутацией.
Результаты проведенного исследования демонстрируют возможность реконструкции сложной структуры почки из индуцированных ПСК. Используя созданный протокол, можно индуцировать и объединять различные типы клеток-предшественников в соответствии с индивидуальными процессами развития. Эта работа предоставляет фундаментальные основы для регенерации почек и исследования механизмов органогенеза.
Для создания искусственной почки из ПСК необходимо выполнить еще много работы. Нужно воссоздать интерстициальную ткань из клеток-предшественников. Кроме того, для правильного роста и нормального функционирования органа необходимы кровеносные сосуды.
Таким образом, до выращивания полноценной почки из стволовых клеток еще далеко, но разработки авторов исследования по созданию сети собирательных канальцев и трубок, безусловно, еще один важный шаг в этом направлении.
Статья Atsuhiro Taguchi et al. Higher-Order Kidney Organogenesis from Pluripotent Stem Cellsопубликована в журнале Cell Stem Cell.
Аминат Аджиева, портал «Вечная молодость» http://vechnayamolodost.ru по материалам EurikAlert: Reproducing higher-order embryonic kidney structures using pluripotent stem cells.
