Від конструювання мікроорганізмів до стовбурових клітин – дослідники випробовують нові стратегії лікування захворювань кишечника

12 червня 2018, університет м. Торонто, Канада

Університет Торонто Девід Макміллен та його дослідницька група створюють нову форму життя для запобігання захворюванню – це індивідуальний мікроорганізм, що живе в кишечнику, вирощений з метою вивільнення дії ліків, за необхідності.

"Наш ідеальний результат полягає в тому, щоб забезпечити терапевтичний вплив на кишечник програмувальною бактерією, яку можна використовувати для боротьби з різними хворобами", – говорить Макміллен, доцент кафедри хімічних і фізичних наук університету Міссісога та керівник групи "Медицина дизайнерів" м. Торонто, що прагнуть розвинути терапію регенеративних ліків для кишкових захворювань.

Цей новий тип підходу є одним із декількох міждисциплінарних проектів, з метою використання кишкових стовбурових клітин – клітин, які можуть самостійно відновлювати і замінювати пошкоджені клітини в кишечнику, – щоб збільшити природні здібності організму і, можливо, навіть наростити запасні тканини.

До цієї ділянки дослідження докладає  зусилля і керує Джефрі Вранна, старший слідчий у дослідницькому інституті Люненфельд-Таненбаум (LTRI), лікар Сінеї, професор кафедри молекулярної генетики Університету Ті, та професор кафедри клітинної та системної біології Ульріх Тепасс, які вивчають, як різні клітини сприяють розвитку і підтримці кишечника.

Три команди фінансуються, щоб прискорити відкриття стовбурових клітин та привести їх у нові методи лікування. Медицина щодо конструювання клітин стала можливою, частково завдяки гранту у розмірі 114 мільйонів доларів від першого фонду досліджень федерального уряду Канади  – найбільшої в історії унікальної наукової премії.

Паростки до порятунку

Вважається, що щоденно 100 мільярдів клітин відмирають в кишечнику як результат часткового зносу органу, викликаного харчовим травленням. Загублені клітини швидко замінюються новими, завдяки стовбуровим клітинам, які вибудовують всю площину кишечника, і на які покладено завдання регенерувати пошкоджені тканини протягом усього життя організму людини. Але коли  процес клітинного відновлення  дає збій щодо заміни клітин, це може призвести до безлічі захворювань від запального захворювання кишечника (ІХС) до раку.

Якщо, наприклад, клітки кишкової футеровки не досить швидко замінюються, кишечник може стати "як решето" і не здатним правильно поглинати їжу, очищати відходи і, найголовніше, запобігати надходженню мікроорганізмів у організм. Це спричиняє запальне захворювання кишечника – inflammatory bowel disease (IBD), та позначається терміном хвороби Крона та виразкового коліту, які негативно впливають на стан функціонування організму.

Згідно з доповіддю 2012 року Фонду Крона та Коліту Канади, Канада займає одне з перших місць з 150 канадців, які живуть з  хворобою Кроном або колітом, що є  однією з найчисельніших випадків захворювання на ІХС у світі, економічні витрати яких оцінюються в 2,8 мільярда доларів на рік. Серед канадських дітей віком до п’яти років захворюваність на ІХС зростає з невпинною  тривогою, згідно з результатами дослідження, опублікованого минулого року.

Поки незрозуміло, що стоїть за зростанням IBD, вважається, що мікробіом – бактерії-резиденти кишечника – може мати до цього причинний стосунок. Експерти називають його "запущеним органом", мікробіом все більше розглядається як визначальна для здоров’я людини, особливо для належного розвитку імунної системи.

Команда "Медицина вирощення клітин" намагається наростити стінку кишечника за допомогою (інженерного) штучно вирощеного мікроорганізму. На чолі з Макмілленом команда буде вводити  гени в бактерію, що дозволить їй відчути і реагувати на запалення в кишечнику таким чином, щоб вона могла лікувати – і, можливо, навіть вилікувати –  IBD.

Проект породжується зв’язком між мікробіомом та хворобою Крона, раніше відкритого співробітником Макміллен Дана Філпотт, професором кафедри імунології. Команда Філпота встановила, що бактерії кишечника виділяють продукт, названий мурамил дипептидом (MDP), який зв’язується з рецептором під назвою NOD2, що знаходиться всередині стовбурових клітин. Недавнє дослідження показало, що MDP діє через NOD2, щоб стимулювати стовбурові клітини кишечника для розмноження і створення нових клітин для нарощення стінок.

Поточні процедури включають ін’єкції стероїдів та інших протизапальних препаратів, які викликають імуносупресію в цілому тілі, що може бути шкідливим. Але ці «підходи, що використовують спеціальну смугу», не враховують корінь проблеми і лише зменшують симптоми, говорить Філпотт. Створення бактерії кишечника, яка може підсилити вироблення MDP під час запалення, "повинно бути можливістю стимулювати рецептор людини на правильному рівні та сприяти оздоровленню клітин, які найбільш сильно постраждали під час хвороби Крона", говорить Філпот.

Для цього дослідники будуть вкорінювати синтетичну генетичну схему всередину бактерії, яка дозволить виявити запальні молекули в кишечнику і використовувати її як тригер для вивільнення MDP для репарації тканин.

Створення бактерій, що борються з хворобами, знаходиться на передньому краї синтетичної біології, поле, яке прагне створювати клітини з новими та бажаними властивостями. "Основна перевага бактерій над ліками полягає в тому, що вони також можуть відчувати хворобу", говорить Макміллен.

Інститут мікробіома особливо цікавий не тільки тому, що бактеріальні геноми невеликі і їх досить легко змінювати, але також тому, що отримання нормативного дозволу на будь-яку подібну терапію є легшим, ніж для інженерних клітин людини.

"З усього, що ми могли б в інженерії, мікробіом, ймовірно, є одним з найбезпечніших місць, де можна почати застосовувати синтетичну біологію", говорить Кіт Пардей, доцент кафедри фармації Леслі Ден, який також є членом команди. "Ви не модифікуєте пацієнта, ви модифікуєте бактерії, які в кінцевому рахунку змиватимуться".

Команда оперує тим фактом, що мікроорганізми кишечника змінюють експресію генів, і в кінцевому підсумку вивільняються молекули, – у відповідь на запалення. Працюючи з мишами, їхній план полягає в ідентифікації цих молекул і перетворенні їх на універсальні сенсори запалення. План включає в себе збирання інформації про послідовні реакції мишей для виведення виділених бактерій, які потім підпадають під аналіз шляхом секвенування ДНК для виявлення генів, які включаються у відповідь на дію IBD.

Ця частина проекту ведеться у співпраці з Джоном Паркінсоном, старшим науковим співробітником лікарні для хворих дітей (SickKids) та професором кафедри молекулярної генетики Університету Т., який є експертом у галузі обчислювального великомасштабного аналізу даних. Також в команді є Тей-Хі Ким, вчений SickKids і доцент кафедри молекулярної генетики, який використовує платформу "кишка на чіпі" для вивчення кишкових стовбурових клітин більш докладно, і Радхакришнан Махадеван, професор на факультеті хімічного машинобудування і прикладної хімії Університету Т, який є інженером бактерій для отримання високих рівнів молекули MDP .

Від конструювання мікроорганізмів до вирощення стовбурових клітин – дослідники вивчають нові стратегії лікування захворювань кишечника

Інший можливий підхід, який досліджує команда, полягає у зволоженні(послабленні)  на місцевому рівні запалення та відновленні кишечника самостійно. У цьому випадку інженерна бактерія випускатиме протизапальні препарати тільки на місці запалення, що є корисним для запобігання імуносупресії всього тіла.

І на відміну від більшості найсучасніших лікарських засобів, терапевтичні бактерії не потребують багато грошей.

"Те, що ми робимо, – це саморепліковані препарати, які можуть поставити на ноги пацієнтів по суті безкоштовно", – говорить Парді. 

Якщо все буде добре, Макміллен вважає, що бактерія, що чутливо реагує на IBD, знаходиться в межах досяжності дії за три роки.

"Це найцікавіший проект моєї кар’єри", – говорить Макміллен. "Завдяки Медицині конструювання(вирощення) ми маємо спільну мету серед групи дослідників з широким спектром інтересів, і це каталізує взаємодії та ідеї, які ми  не мали інакше".

На шляху заміни та відновлення органів

Використання стовбурових клітин для вирощування замінних органів з нуля або для підсилення природних процесів зцілення організму за бажанням – це довголітні цілі в галузі регенеративної медицини. Але перш ніж ці цілі можуть бути реалізовані, дослідники спочатку повинні отримати більш чітке уявлення про те, як різні типи клітин працюють разом, щоб керувати процесом їх  росту та підтримкою органів.

Кілька років тому стало можливим вирощувати тривимірні кульки кишкової тканини зі стовбурових клітин у посуді, також відомі як кишкові органоїди або "міні-кишечники", які дозволяють дослідникам вивчати  різноманітні ролі різних типів клітин.

Врана та його команда знаходяться на передньому краї органоїдних досліджень. Завдяки фінансуванню "Медицини регенеративної" вони зараз розробляють нові технології візуалізації, які, в поєднанні з редагуванням геному та математичним моделюванням, відкриють нові уявлення про те, як окремі клітини сприяють реставрації кишечника.

"Ці відкриття можуть бути застосовані для підвищення ефективності росту тканин, що замінюються в людині, або шляхом висвітлення того, як отримати функціонуючу інтеграцію заміни тканини в орган-одержувач", – говорить Верна. "Це дослідження також дозволить розробити методи лікування, спрямовані на активацію регенеративних програм у пошкодженому організмі, тим самим стимулюючи власну тканину самовідновлюватися".

Отримання потрібної величини

Перед тим, як дослідники зможуть вирости  змінні органи  в лабораторії, їм потрібен спосіб контролювати їх розмір. Органи, які є занадто великими або занадто малими, можуть бути непридатними для трансплантації, в той час як будь-яке незбалансоване зростання може потенційно призвести до раку.

Як контролюється розмір органу – це те, що команда Tepass намагається з’ясувати сьогодні.

Для кишечника ключ до оздоровлення  знову лежить у (регенерації) нарощенні стінок,  що є питанням стовбурових клітин. Тепер ясно, що клітини, які складають стінки, роблять набагато більше, ніж просто відокремлюють кишечник від інших тканин. Наприклад, коли кишечник перекручується під час переробки харчових продуктів, клітини проникають і реагують на механічні сили та на зміни генів, які включаються в дію. І коли справа доходить до стовбурових клітин, видовження змушує їх ще більше розмножуватися.

Можливість контролювати цей механізм проліферації клітин може допомогти регулювати розмір органу. "Якщо орган росте занадто швидко або стає занадто великим, можна використовувати препарат, який знижує механічну чутливість, щоб уповільнити зростання", – зазначає Tepass, додавши, що, хоча це дослідження все ще знаходиться на ранніх стадіях, в один прекрасний день такі підходи можуть знайти своє місце в клінічній практиці.

Tepass шукає молекулярні діючі елементи, які пов’язують механічний стрес із змінами експресії генів. Але він не шукає відповідей всередині кишечника. Навпаки, його команда вивчає крила фруктових мух. Крило складається з того самого роду листів епітелію, який утворює кишкову підкладку (стінку) і огортає багато внутрішніх органів. Вивчення крил мухи допомогло дослідникам виявити численні гени, які контролюють розмір органу, які згодом також показали, що вони мають таку ж функцію у людей. Робота з мухами дозволяє дослідникам вивчати складну поведінку клітин у контексті цілої тварини, яку неможливо легко відтворити у культивованих клітинах або органоїді.

"Процес переходу від стовбурових клітин до функціонального органу досі є переважно чорним ящиком, який ми не дуже добре знаємо", – говорить Tepass. "Контроль загальної величини органу це складне біологічне питання, і ми використовуємо простий організм, щоб знайти ключові діючі елементи, які організовують організм."

Підтримка" Медицини регенеративної" має важливе значення для об’єднання дослідників з різних галузей, щоб переорієнтуватися на питання про контроль величини органів. На фундаментальному рівні розуміння, отримане тут, як очікується, спрямовуватиме раціональні підходи до відтворення органів  людини та оздоровлення їх у клініці ".

За інформацією університету Торонто, Канада.

Переклад Задорожнього О.Б.

Електронне посилання: https://medicalxpress.com/news/2018-06-microbes-stem-cells-strategies-bowel.html