Фоторецепторы сетчатки, подкрашенные при помощи флуоресцирующих белков. Изображение: X. Zhong / C. Gutierrez / M.V. Canto-Soler / Wilmer Eye Institute / Johns Hopkins University School of Medicine
Американские биоинженеры впервые вырастили полноценную сетчатку глаза
Ученые из США впервые смогли успешно превратить «перепрограммированные» стволовые клетки в полноценную сетчатку глаза, способную распознавать свет и превращать его в электрические импульсы. Такую ткань пока нельзя использовать для лечения поврежденных глаз, но проведение подобных операций возможно уже в обозримом будущем, уверены авторы статьи, опубликованной в журнале Nature Communications.
«Грубо говоря, нам удалось создать миниатюрное подобие сетчатки человеческого глаза в пробирке, которая не только схожа по своему устройству настоящий орган, но и обладает способностью чувствовать свет. Можно ли ее подключить к мозгу и будет ли он получать картинку с такой сетчатки? Наверное, нет, но это серьезный шаг на пути к созданию полностью искусственного глаза», — пояснила ведущий автор статьи Валерия Канто-Солер из университета Джона Гопкинса в Балтиморе.
С открытием стволовых клеток ученые задумались о том, нельзя ли использовать их культуры для выращивания полноценных глаз или сетчатки, которыми можно будет заменять поврежденные органы. Первые попытки создать им замену показали, что эта задача является крайне сложной и практически неразрешимой. Сетчатка и другие части глаза являются сложнейшими трехмерными органами, ростом которых внутри зародыша управляют сотни различных сигнальных молекул, заставляющих эмбриональные стволовые клетки занимать положенное место в гигантской структуре из миллионов клеток разных типов.
В последние три года ученым удалось добиться некоторых успехов в деле создания замены для глаз. В 2012 году биологи из США и Великобритании впервые смогли успешно пересадить колбочки и палочки в поврежденный глаз мыши, а в 2013 году — напечатать аналог сетчатки при помощи особого струйного принтера, в котором в качестве чернил использовались клетки глаза. Эти усилия не пропали даром: год назад правительство Японии официально одобрило клинические эксперименты с искусственной сетчаткой глаза.
Канто-Солер и ее коллеги сделали большой шаг в работе с искусственной сетчаткой, научившись воспроизводить в пробирке те процессы, которые происходят со стволовыми клетками внутри зародыша в первые 28 недель его развития, когда у будущего человеческого младенца растут глаза.
Как объясняют авторы статьи, сетчатка глаза человека и других млекопитающих состоит из семи разных типов клеток, часть из которых — колбочки и палочки — распознают свет, а другие участвуют в обработке и передаче сигнала в зрительный нерв и остальную часть мозга. Для роста каждого из них требуются уникальные наборы сигнальных молекул и особая химическая среда, что вынудило ученых проследить за тем, что происходит внутри зародыша во время формирования глаза.
Искусственная сетчатка глаза на разных стадиях развития. Микрофотографии: Zhong et al. / Nature /NPG
Наблюдая за ростом каждого слоя сетчатки в зародыше мыши, ученые заметили, что этот гормональный «коктейль» вырабатывался теми стволовыми клетками, которые составляли самую первую часть будущего глаза. Этот факт значительно упрощает создание искусственной сетчатки — достаточно научиться выращивать такие клетки, которые сами будут управлять дальнейшим ростом «заготовки» глаза.
Руководствуясь этой идеей, ученые приобрели небольшую колонию перепрограммированных стволовых клеток и попытались превратить их в важнейшую часть глаза при помощи этого набора гормонов. Эксперимент начался удачно и уже через две недели после его начала клетки начали делиться и превращаться в колбочки, палочки и прочие части будущей сетчатки. Эти клетки были крайне самостоятельными — без подсказки и помощи ученых они объединялись в трехмерную структуру, не отличимую по своему устройству от настоящего «фотосенсора» глаза, примерно через месяц после начала опытов.
«Мы знали, что наша искусственная сетчатка не будет обладать всеми функциями ее природного аналога, если у нас не получится воспроизвести ее трехмерной структуры. Когда мы начали этот эксперимент, мы не думали, что стволовые клетки смогут самостоятельно справиться с этой задачей. Но оказалось, что они словно знают, что им нужно делать и куда двигаться», — пояснила Канто-Солер.
Дождавшись появления нервных клеток, собирающих информацию из колбочек и палочек, ученые проверили, способна ли их искусственная сетчатка чувствовать свет. Для этого ученые подключили электроды к таким нейронам и стали следить за изменениями в частоте и силе импульсов, поступавших из этих клеток.
Оказалось, что такая сетчатка действительно умеет ловить фотоны видимого света и превращать его в электрические импульсы. Тем не менее они были значительно слабее, чем аналогичные сигналы в настоящей сетчатке, и у них был неправильный «формат» из-за того, что многие вспомогательные нервные клетки погибли из-за недостатка пищи или отсутствия каких-то иных гормонов за время роста сетчатки. По этой причине такую сетчатку вряд ли можно использовать для трансплантации. Авторы статьи планируют решить эту проблему в ближайшие годы и стать первой группой ученых, которым удастся совершить замену сетчатки.
материал с rusplt.ru