Со времен Аристотеля было известно, что человеческая печень обладает наибольшей регенеративной способностью из всех органов в организме, будучи способной вырасти даже после 70% ампутации, что сделало возможным трансплантацию от живого донора. Хотя печень полностью регенерируется после травмы, механизмы, которые регулируют, как активировать или остановить процесс и когда регенерация прекращается, все еще неизвестны. Исследователи из Института молекулярной клеточной биологии и генетики Макса Планка (MPI-CBG) в Дрездене (Германия), Института Гурдона (Кембридж, Великобритания) и Кембриджского университета (кафедра биохимии) обнаружили, что тип регуляторных клеток – мезенхимальные клетки – могут активировать или останавливать регенерацию печени. Мезенхимные клетки делают это за счет количества контактов, которые они устанавливают с регенерирующими клетками (эпителиальными клетками). Это исследование предполагает, что ошибки в процессе регенерации, которые могут привести к раку или хроническим заболеваниям печени, вызваны неправильным количеством контактов между обеими популяциями. Работа описана в статье, опубликованной в журнале Cell Stem Cell 2 августа 2021 года.
Молекулярные механизмы, с помощью которых взрослые клетки печени запускают регенеративный ответ, остаются в значительной степени неизвестными. Примерно 29 миллионов человек в Европе страдают хроническими заболеваниями печени, такими как цирроз или рак печени. Они являются основной причиной заболеваемости и смертности от болезней печени, на которые во всем мире ежегодно приходится около двух миллионов смертей. В настоящее время нет лекарства, и трансплантация печени является единственным методом лечения печеночной недостаточности. Поэтому ученые изучают новые варианты того, как запустить регенеративную способность печени в качестве альтернативного средства для восстановления функции.
Развитие мини-печени
Исследователи из Института молекулярной клеточной биологии и генетики им. Макса Планка в Дрездене вместе с коллегами из Института Гурдона Кембриджского университета изучают биологические принципы регенерации печени у взрослых. В 2013 году Meritxell Huch вместе с профессором Хансом Клеверсом разработали первые органоиды печени – миниатюрные ткани печени, полученные из клеток печени мыши в чашке в лаборатории. Исследователям даже удалось пересадить органоид мыши, где он смог выполнять функции печени. В 2015 году они успешно перенесли эту технологию органоидов печени, чтобы вырастить человеческую печень в блюде из биопсии человеческой печени, а в 2017 году они разработали аналогичную систему из рака печени человека. Лаборатория Хуха до 2019 года располагалась в Институте Гурдона Кембриджского университета, а затем переехала в MPI-CBG.
Удивительное, захватывающее наблюдение
Двумя основными функциональными клетками взрослой печени являются гепатоциты, которые выполняют многие функции печени, и протоковые клетки, которые образуют сеть крошечных протоков, доставляющих желчь в кишечник. Они работают вместе с другими поддерживающими клетками, такими как кровеносные сосуды или мезенхимальные клетки. Для создания органоидов печени вначале исследователи использовали только протоковые клетки желчного протока. Чтобы улучшить эту модель и сделать ее более похожей на настоящую печень, докторант Люсия Кордеро-Эспиноза и доктор наук Анна Доубай планировали создать более сложный органоид печени, который лучше имитирует клеточные взаимодействия и архитектуру ткани печени взрослого человека. Для этого они добавили мезенхиму печени – тип регуляторных клеток соединительной ткани, которые поддерживают трубчатую структуру желчного протока. "Мы поместили мезенхимальные клетки рядом с органоидом, состоящим из клеток протоков, в чашку Петри и увидели, что они не соприкасаются и не соединяются, как в естественной ткани" говорит Анна Довбай. Исследователи связались с Флорианом Холлфельдером из Кембриджского университета, который знал метод, позволяющий объединять клетки в крошечные гели, которые позволяют им встречаться и устанавливать контакт. Анна продолжает: "Мы были взволнованы, увидев, как наш новый и более сложный органоид воспроизводит структуру ткани в чашке, поэтому мы решили изучить, как ведут себя клетки, и сняли их под микроскопом. К нашему удивлению, мы увидели совершенно неожиданное поведение: ткань (органоид) сжималась при соприкосновении с мезенхимальными клетками, но росла при отсутствии контактов. Это парадоксальное поведение было очень поразительным, но могло помочь нам объяснить, почему ткань разрасталась или перестала делать это во время процесса регенерации".
Меньше значит больше и больше меньше
В здоровой печени существует определенное количество контактов между протоковыми клетками и мезенхимальными клетками, что говорит протоковым клеткам не производить больше самих себя, а просто оставаться такими, как они есть. Как только ткань подвергается повреждению, мезенхимные клетки уменьшают количество контактов с клетками протока, поэтому они могут размножаться, чтобы восстановить повреждение. Из своих наблюдений исследователи пришли к выводу, что, а не абсолютное количество обоих типов клеток, именно количество клеточных контактов контролирует, сколько клеток вырабатывается для восстановления поврежденной ткани. Слишком много касаний мезенхимальными клетками означает, что вырабатывается меньше или совсем нет новых протоковых клеток, а меньшее количество касаний означает, что вырабатывается больше клеток. Это регулирование очень важно, потому что, когда нет сигнала для протоковых клеток, чтобы прекратить воспроизводить себя для восстановления ткани, может произойти перепроизводство, что может привести к раку.
Мериткселл Хух, руководивший исследованием, заключает: "Это первый раз, когда мы смогли сделать эти контакты видимыми, и мы впервые доказали, что они существуют. Мы смогли это сделать благодаря нашим органоидным системам. Несмотря на то, что мы проводили наши эксперименты в посуде, вне живого тела, мы думаем, что тот же процесс происходит в живом организме. Мы наблюдали это в фиксированные моменты времени во время процесса регенерации повреждений, но до сих пор мы не могли наблюдать это в живом организме, потому что технология недоступна. Хотя наше исследование было сосредоточено на протоково-мезенхимальном взаимодействии в печени, мы можем представить, что аналогичные механизмы имеют место в любой другой системе, где количество клеток динамически изменяется, например, в ткани легких или молочной железы. Конечно, в далеком будущем мы хотели бы создать органоид печени со всеми типами клеток. С таким органоидом вы можете протестировать лекарства и посмотреть, влияют ли они не только на регенерирующие клетки, но и на их поддерживающую среду. Но для этого нам нужно подождать, пока технология станет доступной."