Роботы помогут выращивать органы из стволовых клеток

Исследователи из Школы медицины Университета Вашингтона в Сиэтле, США, разработали новую роботизированную систему автоматизации производства человеческих мини-органов из стволовых клеток. Способность к быстрому массовому производству органоидов обещает расширить их использование в фундаментальных исследованиях и открытии лекарств. Результаты опубликованы 17 мая 2018 года в Cell Stem Cell.

«Это новое «секретное оружие» в борьбе с болезнями», — сказал руководитель исследования Бенджамин Фридман (Benjamin Freedman), доцент медицины отдела нефрологии в Школе медицины Университета Вашингтона (University of Washington Health Sciences/UW Medicine)

Фридман объяснил, что традиционный способ выращивания клеток для биомедицинских исследований представляет собой простое культивирование на плоских двумерных поверхностях. В последние годы исследователи всё более успешно применяют методику формирования из стволовых клеток трёхмерных структур, называемых мини-органами или органоидами. По внешним признакам и своим свойствам они во многом напоминают органы на их зачаточной стадии развития.

И хотя это делает органоиды идеальными для биомедицинских исследований, их массовое производство пока проблематично. По словам авторов исследования, новая роботизированная технология наиболее перспективна в решении именно этой проблемы.

Несмотря на то, что подобные подходы были успешными со взрослыми стволовыми клетками, в настоящей работе учёные впервые использовали плюрипотентные стволовые клетки, обладающие универсальными свойствами и способные создавать любой тип органов.

В процессе исследования роботизированные дозаторы засевали планшеты с 384 миниатюрными лунками стволовыми клетками, а затем их развитие направлялось в органоиды почек в течение 21 дня. Каждая микролунка обычно содержала 10 и более органоидов, т. е. на каждом планшете их было несколько тысяч. Со скоростью, которая впечатлила бы Генри Форда, создавшего конвейерную линию сборки автомобилей, роботизированная система могла обслуживать множество планшетов за считанные минуты.

«Обычно простой эксперимент такого масштаба занимает у исследователей весь день, а робот может это сделать за 20 минут», — говорит Фридман. «Кроме того, робот не устаёт и не совершает ошибок. Без сомненья, повторяющиеся утомительные задачи, подобные этим, роботы выполняют лучше людей».

Исследователи дополнительно обучили роботов обработке и анализу производимых органоидов. Учёные использовали автоматизированную современную технологию, известную как секвенирование РНК одиночных клеток, чтобы идентифицировать все типы клеток в органоидах.

«Мы установили, что данные органоиды действительно напоминают развивающиеся почки, однако мы также обнаружили клетки, не имеющие отношение к почкам, которые ранее не наблюдались в таких культурах», — сказала доктор Дженнифер Хардер (Jennifer Harder), специалист по заболеваниям почек.

«Эти результаты дают лучшее представление о природе данных органоидов и предоставляют нам основание, от которого мы можем отталкиваться», — сказал Фридман.

«Значение этой высокопроизводительной платформы заключается в том, что теперь мы можем всячески изменять процедуру в любой момент и сразу увидеть, какие из изменений дают лучший результат».

Чтобы продемонстрировать это, исследователи открыли способ значительно увеличить количество клеток кровеносных сосудов в органоидах, чтобы сделать их более похожими на настоящие почки.

Учёные также использовали новую технологию для поиска лекарственных препаратов. В одном из таких экспериментов они создавали органоиды с мутациями, вызывающими поликистоз почек – наследственное заболевание, которое часто приводит к почечной недостаточности и встречающееся у 1 человека из 600 во всём мире.

При данном заболевании канальцы в почках расширяются, образуя кисты, вытесняющие здоровую ткань.

В своём эксперименте исследователи воздействовали на органоиды с поликистозом рядом соединений. Они обнаружили, что один из факторов, известный как блеббистатин (blebbistatin), блокирующий белок миозин, провоцировал значительное увеличение количества и размеров кист.

«Это оказалось неожиданностью, поскольку миозин, как известно, не участвует в поликистозе почек», — сказал Фридман.

Миозин, который более известен своей ролью в сокращении мышц, принимает участие в расширении и сокращении канальцев. Фридман пояснил, что сбои в его функциях могут привести к образованию кист.

«Это именно тот путь, который мы будем исследовать», — сказал он.