Органоиды-мини-кишки помогают ответить на большие вопросы о кишечном транспорте питательных веществ

Тамара Зитек имеет степень доктора философии в области биохимии и работала на кафедре физиологии питания в Техническом университете Мюнхена. Там она изучала транспорт питательных веществ, всасывание лекарств и выработку гормонов в кишечнике. Работая в одном здании, Тамара и Ева случайно встретились, и они объединили кишечные органоиды и методы измерения транспорта питательных веществ. В настоящее время Тамара работает в организации, которая продвигает технологии, основанные на использовании человека и не содержащие животных, и стремится спасти жизни животных.

Ева Рат

Ева Рат изучала "Питание и биомедицину" и сейчас работает постдоком на кафедре питания и иммунологии в Техническом университете Мюнхена. Тема ее исследований - эпителиальные клетки кишечника и то, как изменяется клеточный метаболизм при воспалении кишечника. С 2013 года она работает с кишечными органоидами и до сих пор удивляется их форме и восхищается возможностями, которые они открывают для исследований. Тамара и Ева впервые объединились в 2013 году и с тех пор являются коллегами и друзьями. *eva.rath@tum.de

Молодые рецензенты

Араси

Возраст: 8 лет

Ола Амиго! Меня зовут Араси. Я учусь в 3-м классе. Я люблю танцевать, играть на пианино и рисовать! В свободное время я читаю книги, мои любимые серии - "Дневник слабоумного ребенка" и "Дневники придурка". Мои любимые цвета - пастельно-розовый, фиолетовый и мятно-зеленый. Когда я вырасту, я хочу стать юристом. Я просто хочу сказать, что для того, чтобы мир стал лучше, нужно использовать доброту! Аддиос!

Хания

Возраст: 14 лет

Здравствуйте, меня зовут Хания! Мои любимые предметы в школе - искусство и английский, а в свободное время я люблю рисовать и смешивать/мастерить. Мне нравится читать о различных темах в интернете, и я увлекаюсь анализом тайн и странных событий.

Абстракция

Употребление здоровой пищи обеспечивает ваш организм питательными веществами, необходимыми для поддержания сил. Но задумывались ли вы когда-нибудь, как питательные вещества попадают в ваш организм? После пережевывания и глотания пища переваривается и в виде кашицы попадает в кишечник. Если представить кишечник в виде трубки, то пища находится внутри, а ваше тело - вокруг трубки. Внутренний слой трубки, который соприкасается с пищей, образован специальными клетками, способными транспортировать питательные вещества, такие как сахар и белок. Некоторые люди не могут нормально усваивать питательные вещества. Молекулы, транспортирующие питательные вещества, также переносят некоторые лекарства. Таким образом, изучение кишечного транспорта очень важно для помощи людям с проблемами всасывания и для разработки более эффективных лекарств. Для изучения процессов кишечного транспорта мы использовали новую научную модель - органоиды. Органоиды - это крошечные "мини-кишки", выращенные в лаборатории из человеческих клеток. Органоиды имеют много преимуществ перед другими моделями, используемыми учеными для изучения кишечника.

Как питательные вещества попадают в организм?

Когда вы едите, пища попадает в ваш желудочно-кишечный тракт (ЖКТ) через рот и пищевод (рис. 1). Слово "желудочно-кишечный тракт" происходит от слов "гастро", что означает "желудок", и "кишечник", которое относится к тонкой и толстой кишке. В желудочно-кишечном тракте происходит процесс пищеварения. Пищеварение - это важный процесс, в ходе которого пища расщепляется на части, достаточно мелкие для усвоения организмом. Углеводы, белки, жиры, витамины, минералы и вода - это питательные вещества, содержащиеся в продуктах, которые вы едите и пьете. Из этих питательных веществ ваше тело получает энергию и строительные блоки, чтобы расти и функционировать должным образом. Чтобы переварить пищу, ваш организм делает две вещи. Во-первых, ваши зубы измельчают пищу, а желудочно-кишечный тракт с помощью мускулов перетирает и взбивает ее в кашицу. Это называется механическим пищеварением. Во-вторых, ваш организм вырабатывает пищеварительные соки, чтобы расщепить пищу химическим путем (вставка 1). Хотя пищеварение начинается во рту, всасывание питательных веществ происходит в основном в тонком кишечнике. По сравнению с толстым кишечником, или толстой кишкой, тонкий кишечник не маленький, а узкий. В то время как "большой" кишечник имеет размеры~У взрослого человека длина тонкого кишечника достигает 1,5 м, а у человека - 7 м! Если бы весь желудочно-кишечный тракт был расправлен, то его площадь была бы сопоставима с площадью боксерского ринга (30-40 м 2 ). Такая большая площадь поверхности помогает организму эффективно усваивать питательные вещества [ 1 ]. Чтобы создать такую большую площадь поверхности и при этом не занимать много места в организме, тонкая кишка петляет и имеет множество складок. Эти большие складки покрыты более мелкими "долинами", называемыми криптами, и крошечными, похожими на пальцы выступами, называемыми ворсинками. Сотни тысяч ворсинок покрывают тонкую кишку и придают ей вид и ощущение бархата. Ворсинки действуют как гребень, который захватывает питательные вещества из проходящей пищевой кашицы. Клетки, покрывающие поверхности крипт и ворсинок, называются кишечными эпителиальными клетками (КЭК), и именно они являются местом всасывания питательных веществ (рис. 1). Как и любая другая клетка в организме, МЭК окружены клеточной мембраной. Все питательные вещества должны пересечь мембрану, чтобы быть поглощенными.

Вставка 1 - Эксперимент - пищеварение начинается во рту.

Слюна во рту - пример пищеварительного сока. Вы можете провести простой эксперимент, чтобы проверить наличие ферментов в слюне. Сначала съешьте кусочек хлеба (без масла или чего-либо еще). Затем тщательно пережуйте его и подержите во рту некоторое время. На вкус он будет немного сладковатым. Почему? Потому что хлеб содержит крахмал, который является углеводом. Химически такие углеводы, как крахмал, представляют собой длинные цепочки молекул сахара. Однако на вкус они не сладкие, поскольку рецепторы сладкого вкуса на вашем языке распознают только углеводы, состоящие из одной или двух молекул сахара. Когда ферменты в вашей слюне расщепляют длинные углеводные цепочки на более мелкие кусочки во рту, образуются маленькие молекулы сахара, которые активируют рецепторы сладкого вкуса, и ваш язык сообщает мозгу, что вы съели что-то сладкое.

В процессе пищеварения углеводы распадаются на сахара, белки - на аминокислоты, а жиры - на крошечные капельки, называемые мицеллами, которые содержат липиды (рис. 2). МЭК вбирают в себя все эти мелкие компоненты питательных веществ. В то время как мицеллы могут проходить непосредственно через клеточную мембрану, сахарам, аминокислотам и витаминам для проникновения в МЭК требуются специальные молекулы, называемые транспортерами (рис. 2).

Что такое транспортеры питательных веществ?

Транспортеры образуют маленькие поры или туннели в клеточной мембране, создавая двери, через которые могут проходить питательные вещества. Внутренняя сторона кишечника, содержащая пищевую кашицу, называется просветом. Для всасывания транспортеры располагаются на клеточной мембране, обращенной к просвету. Причина, по которой питательные вещества проходят через эти двери, чтобы покинуть просвет и попасть в клетку, заключается в диффузии. Диффузия описывает процесс, при котором молекулы перемещаются из области с высокой концентрацией (например, вы съели кекс, и теперь в просвете вашего кишечника много сахара) в область с низкой концентрацией (меньше молекул сахара в ваших МЭК). Чем больше разница в концентрациях, тем больше физическая сила, которая втягивает молекулы в клетки. Некоторые транспортеры перемещают ионы параллельно с питательными веществами, используя разницу концентраций ионов для переноса питательных веществ. Ионы - это электрически заряженные частицы, например, соль содержит положительные ионы натрия и отрицательные ионы хлорида. Но почему перенос питательных веществ не замедляется и не прекращается? Из-за непрерывного транспорта можно было бы ожидать уменьшения разницы концентраций или даже одинаковой концентрации в просвете и внутри МЭК. Чтобы предотвратить остановку транспорта питательных веществ, МЭК также имеют транспортеры на своей противоположной, или "базолатеральной", стороне. Используя энергию, эти транспортеры "выкачивают" ионы, поддерживая внутри МЭК низкую концентрацию, необходимую для всасывания питательных веществ. Кроме того, транспортеры питательных веществ на базолатеральной стороне помогают питательным веществам

Почему мы должны изучать транспорт питательных веществ?

Как вы можете себе представить, поглощение и транспортировка питательных веществ - очень сложные процессы. Существует множество типов транспортеров, специфичных для разных типов питательных веществ, и даже есть разные транспортеры для определенных типов аминокислот и сахаров. Кроме того, некоторые транспортеры могут переносить более одного типа сахара, а иногда несколько типов транспортеров могут переносить одно и то же питательное вещество. Поэтому неудивительно, что усвоение питательных веществ до сих пор не до конца изучено. Изучение транспорта питательных веществ очень важно, потому что существуют заболевания, вызванные дефектами транспортеров, а у некоторых пациентов транспортеры в норме, но они все равно не могут усваивать определенные питательные вещества. Например, у пациентов с фруктозомалабсорбцией, которые не могут усваивать фруктовый сахар, часто имеется функциональный транспортер фруктозы. Знание того, что не так в каждом из этих случаев, может помочь ученым найти лечение. Лечение очень важно, потому что мальабсорбция может вызывать такие проблемы со здоровьем, как сильные боли в желудке.

Транспортеры питательных веществ также важны для разработки лекарственных препаратов, поскольку некоторые лекарства поглощаются транспортерами питательных веществ. Например, некоторые антибиотики, используемые для борьбы с бактериальными инфекциями, поглощаются транспортерами питательных веществ, поскольку эти препараты по химической структуре похожи на небольшие пептиды. Если бы мы знали точные детали транспортных процессов, мы могли бы изобрести лекарства, которые очень эффективно всасываются и вызывают меньше побочных эффектов.

Как изучается транспорт питательных веществ?

К сожалению, изучить транспорт питательных веществ довольно сложно. Ученые изучают транспорт питательных веществ с помощью так называемых биологических моделей, поскольку мы не можем исследовать транспортные процессы непосредственно в кишечнике человека. Обычно в качестве моделей ученые используют либо клеточные линии, либо животных, но и у тех, и у других есть огромные недостатки. Клеточные линии должны постоянно расти и делиться, чтобы они оставались живыми достаточно долго для проведения эксперимента. Поэтому большинство клеточных линий получают из опухолей или с измененной ДНК. Но изменения, благодаря которым эти клетки так хорошо растут, изменяют и другие их свойства. В частности, линии опухолевых клеток, которые очень часто используются для изучения транспорта питательных веществ в кишечнике, иногда имеют больше транспортеров, чем нормальные клетки, или меньше, или в них даже могут отсутствовать некоторые транспортеры.

С другой стороны, на животных можно изучать не только поглощение питательных веществ МЭКами. На поглощение питательных веществ могут влиять такие факторы, как состав пищи, скорость прохождения пищевой кашицы через ворсинки и скорость передачи питательных веществ в кровь с базолатеральной стороны. Вот почему важно рассматривать весь организм, а не только отдельные клетки. Однако если вспомнить мышь, наиболее распространенную животную модель, - это грызуны, они питаются совсем не так, как люди, и их желудочно-кишечный тракт имеет другое строение. И хотя транспортеры питательных веществ у мышей и человека похожи, они не одинаковы. Тем не менее ученые использовали эти модели в течение многих лет, пока... не был разработан новый, революционный метод - культура органоидов кишечника!

Что такое органоиды?

Органоиды - это небольшие органоподобные структуры, состоящие из клеток. Они растут не в виде "клеточной лужайки", как обычные клеточные линии, а в виде трехмерных структур в веществе, напоминающем желе. Кишечные органоиды похожи на "мини-кишки", и их можно выращивать из крипт (рис. 3) [ 2 ]. По мере роста крипт в культуральной посуде они закрываются и образуют шар, стенки которого формируют МЭК, обращенные к центральному просвету, который подобен воздуху внутри шара. Со временем шаровидный органоид начинает разрастаться и приобретает форму, напоминающую осьминога. Многочисленные руки осьминога и области между ними напоминают крипты и ворсинки тонкой кишки (рис. 3).

Чтобы получить достаточное количество крипт для выращивания органоидов, необходимы очень маленькие кусочки кишечной ткани. Как же их получить? Есть два варианта. Иногда пациентам требуется операция по удалению части кишечника, в основном из-за воспаления кишечника или рака. В таких случаях удаляется и часть здоровой ткани рядом с поврежденной частью. Эта ткань может быть использована для получения крипт. Другой вариант - биопсия. Биопсия - это небольшой кусочек ткани, который может быть взят из желудочно-кишечного тракта во время медицинского обследования. Биопсию берут с помощью небольших зажимов, которые вгрызаются в стенку кишечника, чтобы получить кусочки ткани размером ~ 10 мм 2 . Для сравнения, площадь шипа из кирпичика LEGO составляет 18 мм 2 . Из 2-3 таких кусочков ткани можно получить 150-300 крипт, что вполне достаточно для начала выращивания кишечных органоидов [ 3 ].

Почему органоиды - это отличная модель?

Органоиды имеют множество преимуществ:

• они состоят из МЭК, точно таких же, как в кишечнике.
• В отличие от клеточных линий, они не происходят от рака и не имеют измененной ДНК.
• Они имеют человеческое происхождение, а не от животных, например мышей.
• Они могут быть выращены из различных частей кишечника - это важно, поскольку некоторые питательные вещества всасываются только в определенных участках кишечника, а необходимые транспортеры находятся только в этих участках кишечника.
• Их можно выращивать у отдельных пациентов и использовать для подбора оптимального лечения для каждого конкретного пациента. Это называется "персонализированная медицина".

Заключение и перспективы

Нам еще предстоит многое изучить о всасывании питательных веществ в желудочно-кишечном тракте. Органоиды кишечника - отличный инструмент для этой области исследований, и они помогут ученым лучше понять такие заболевания, как мальабсорбция питательных веществ. Используя органоиды кишечника человека в качестве модельной системы, мы теперь можем лучше проверить всасывание лекарств через транспортеры питательных веществ, что поможет в разработке лекарств. И последнее, но не менее важное: органоиды кишечника спасут жизни лабораторных животных, поскольку использование органоидов человека для экспериментов позволит сократить количество опытов, проводимых на животных.