Сетчатку глаза вырастили в чашке Петри

Биотехнологи из научных центров Японии под руководством доктора Мотоцугу Эираку (Mototsugu Eiraku) из исследовательского фонда RIKEN вырастили из мышиных стволовых клеток внутреннюю оболочку глаза – сетчатку. «Думаем, не за горами то время, когда биотехнологи вырастят в пробирке полноценный работающий глаз», -- прокомментировали успех японских коллег Робин Али (Robin. R. Ali) и Джейн Соуден (Jane C. Sowden) из Университетского колледжа Лондона (University College London).

Рождение глаз

Человек видит не глазами. Глаз – лишь оптический прибор, который принимает электромагнитное излучение и передает сигнал в мозг.

Рецепторная часть глазного яблока, то есть своего рода светочувствительный экран – это и есть внутренняя оболочка глаза или сетчатка. Во внутренней (зрительной) части сетчатки располагаются фоторецепторные клетки – палочки и колбочки. Ими-то и воспринимает окружающий мир человек в темноте и при дневном освещении соответственно. Прежде чем световая волна дойдет до палочек и колбочек, она преодолевает одиннадцать слоев сложно организованных и переплетенных клеток зрительной части сетчатки. Сигнал, принятый светочувствительными клетками, передается по нейронам (зрительным нервам) в специализированные отделы головного мозга.

У человеческого эмбриона зачатки будущих глаз различимы уже на шестой неделе внутриутробного развития. Малыш, конечно, еще не моргает и ничего не видит, но у него уже появляется глазной пузырь – выпячивание боковой оболочки промежуточного мозга. Далее со стоны наружного слоя зародыша (эктодермы) по направлению к глазному пузырю формируется встречное выпячивание. Выпячивание разрастается, округляется и входит в глазной пузырь, превращая его в двухслойный бокал. Край глазного бокала становится зачатком радужной оболочки и цилиарного тела (часть глаза, которая преобразует сыворотку крови во внутриглазную жидкость). Из остальной части глазного бокала формируется сетчатка – пигментная и светочувствительная части.

Глазная кухня

Биотехнологи, генетики и эмбриологи знают не только про этапы формирования органов зрения в процессе внутриутробного развития. Им известны рецепты молекулярно-генетических "блюд", которые управляют рождением глаз. Основной ингредиент – плюрипотентные стволовые клетки, то есть те, которые можно «приправить» любыми «специями» молекулярных, генетических и физиологических особенностей. Так, в 2003 году группа "кулинаров» под руководством Мишеля Зубера (Michael E. Zuber) из Кембриджа (University of Cambridge) опубликовала результаты потрясающих экспериментов со шпорцевыми лягушками (Xenopus). Ученые показали, что управляя генами и белками, можно вырастить лягушат с заданными размерами глаз; сформировать эмбрионы с зачатками зрительных органов в тех местах, где их и быть-то не должно. То есть, формирование органов зрения – вполне контролируемый и управляемый эмбриональный процесс.

Правда, как отмечают авторы нового исследования, до настоящего момента у ученых не получалось сформировать полноценную сетчатку в условиях in vitro. Дело в том, что она состоит из чувствительных и пигментных клеток, которые происходят от одного прародителя. Управлять же клеточным прародителем, заставляя рождать разные клетки в необходимых пропорциях, достаточно сложно. Более того, сбалансированный органогенез (формирование целого органа) происходит под влиянием и молекулярных сигналов, и соседних клеток. Условно говоря, вырастить глаз на пятке – менее сложная задача, чем вырастить тот же самый глаз, но в пробирке. Во втором случае у будущего глаза возникнут проблемы, по меньшей мере, с ориентаций в пространстве: зачаток органа зрения не «поймет», в какую сторону нужно выпячиваться и куда расти.

Глаз в пробирке

Коллеги Мотоцугу Эираку не впервые колдуют с клетками нервной системы и органов чувств. В предшествующих экспериментах они имитировали мозговые условия, после чего в пробирках выросли стратифицированные клетки коры головного мозга. На этот раз ученые использовали мышиные стволовые клетки со «включенным» геном Rax (он-то и несет ответственность за формирование глазного пузыря).

В экспериментальную среду биотехнологии добавили пластичный, вязкий и одновременно высокоэластичный гель гиалуроновой кислоты – матригель. Эта субстанция послужила каркасом, за который мышиные стволовые клетки могли хвататься и от которого могли отталкиваться. Далее ученые следили за формированием сетчатки, фиксировали молекулярные тонкости преобразования клеточной культуры.

Доктор Эираку отмечает, что уже через восемь-десять дней эксперимента стволовые клетки сформировали глазной бокал диаметром 200-400 мкм. Причем, клетки будущей сетчатки начали перерождаться в пигментные и чувствительные составляющие, о чем исследователи узнали по молекулярно-генетическим маркерам и появившейся пигментации. Стоит отметить, что столь маленькая сетчатка (эдакая глазная мензурка, а не бокал), на самом деле – здоровая физиологическая норма для мышей. Человеческому глазу, конечно, потребуется сетчатка большего размера.

Группа Эираку провела еще серию экспериментов, в которых тренировалась управлять сетчаткой. «Мы были удивлены тем, что для формирования сетчатки не нужны никакие окружающие соседки. Синтетического каркаса из матригеля было достаточно для того, чтобы стволовые клетки самостоятельно сформировали нормальную (чувствительную и пигментированную ) сетчатку», -- заключают авторы статьи Stem cells generate eye-like structure, опубликованной в Nature.

«Подобные сетчатки можно использовать для исследовательских и медицинских целей, -- поясняют авторы исследования. – Синтетическая сетчатка – возобновляемый ресурс для выращивания, например, светочувствительных клеток, которые пригодятся пациентам с патологиями зрения», -- продолжают авторы статьи, поясняя, что технологии трансплантации зрительных клеток уже апробированы на животных. А вот «клеточной коровы», которая постоянно будет давать необходимые элементы, пока нет.

Биологи обращают внимание, что такая сетчатка – это еще и отличная модель для тестирования новых лекарственных препаратов.