Vědci vypěstovali v laboratoři z lidských buněk „ministřevo“, které se v mnoha ohledech chová stejně jako osmimetrová „trubka“ střev, kterou má každý z nás poskládanou v břiše.

Lidské tenké střevo je impozantní orgán. V průměru dosahuje délky kolem osmi metrů a jeho povrch je tak členitý, že celková plocha měří kolem 30 metrů čtverečních. Starší údaje o tom, že střevo se plochou vyrovná tenisovému kurtu, se ukázaly jako silně přehnané. Přesnější je přirovnání jeho plochy k polovině badmintonového hřiště. I tak ale představuje střevo obrovskou plochu, jejímž prostřednictvím jsme konfrontováni s podmínkami prostředí, především pak s potravou a vším, co obsahuje.

Střevo, které narostlo v laboratoři Jima Wellse v cincinnatské Dětské nemocnici má do rozměrů své předlohy daleko. Je to váček o rozměrech několika málo milimetrů. Přesto vzbudilo mezi odborníky velkou pozornost. Komplikovaný postup pro jeho pěstování publikoval Wells s kolegy v předním lékařském časopise Nature Medicine.

Pěstování miniaturních orgánů (organoidů) se v posledních letech rozvíjí. Jako výchozí buněčná surovina slouží vědcům takzvané pluripotentní kmenové buňky. Ty se získávají buď z lidských embryí, nebo si je vědci vypěstují ze specializovaných buněk – například buněk kůže – postupem, za nějž si v roce 2012 odnesl japonský biolog Šin’ja Jamanaka ze Stockholmu Nobelovu cenu za fyziologii a medicínu.

Auto s motorem na střeše

Pluripotentní kmenové buňky se v laboratorních podmínkách neomezeně množí, a pokud jim vědci vytvoří vhodné prostředí, mohou se měnit na kterýkoli ze zhruba 230 typů buněk dospělého člověka. Tu správnou recepturu pro vznik některých typů buněk vědci ještě neodhalili. Naopak jiné proměny probíhají v laboratoři tak úspěšně, že se vznikající buňky samy uspořádají do trojrozměrných útvarů připomínajících vnitřní stavbou anatomii skutečných orgánů.

Mezi orgánem v lidském těle a organoidem není rozdíl jen v rozměrech. Organoid připomíná tak trochu kubistickou malbu skutečného orgánu. Jürgen Knoblich z Institutu molekulárních biotechnologií ve Vídni přirovnává organoid k automobilu, který má všechny důležité části, ale ty nejsou na svém místě – motor je na střeše, výfuk vepředu a reflektory naopak vzadu. I tak hrají miniaturní orgány v biomedicínském výzkumu stále důležitější roli.

Wells vytvořil první organoidy lidského tenkého střeva už v roce 2010. Vykazovaly řadu rysů skutečného střeva, ale do dokonalosti jim hodně chybělo. Nenarostly v nich například nervy a cévy. Krevní oběh organoidům nechybí, protože získávají živiny a kyslík z živných roztoků, v kterých rostou. Absence nervů ale komplikovala další výzkum, protože sehrávají ve funkci střeva jednu z klíčových rolí. Řídí například vlny stahů, kterými se ve střevu zpracovává a posouvá potrava.

V novém experimentu, který si kladl za cíl doplnit do organoidu nervy, začali vědci tím, že v jedné nádobce „nutili“ pluripotentní kmenové buňky k tvorbě střeva a v druhé vytvořili podmínky pro vznik nervových buněk. Nejsložitější pro ně bylo vystihnout moment, kdy mají vnést tvořící se nervové buňky do formujícího se organoidu.

„Zkoušeli jsme různé postupy založené na předpokladu, že když dáme dohromady správné buňky ve správnou chvíli, budou samy vědět, co mají dělat. Byl to riskantní podnik, ale nakonec vyšel,“ popisuje obtíže Jim Wells.

Správná směs buněk se formovala do organoidu, který v mnoha ohledech připomínal základy střeva ve vyvíjejícím se lidském zárodku. A to včetně nervů. Vědci si dobře uvědomovali, že vzhled může být zavádějící. Rozhodující jsou funkce organoidu, které ověřili přenosem laboratorně vypěstovaného „ministřeva“ do těla myší.

Vybrali si k tomu myší kmen s defektním imunitním systémem, jenž nemá problém hostit v těle cizí buňky. Základy lidského střeva, vypěstované v laboratoři, v myším těle masivně rostly, vykazovaly aktivity buněk schopných trávení. Byly na nich dokonce patrné vlny střevních stahů. To dokazuje, že své úlohy plní i nervy.

Testování léků

Použití nových organoidů vybavených nervy demonstroval Wellsův tým v experimentu, v kterém vědci vypěstovali střevo z buněk lidí postižených Hirschprungovou chorobou. Při ní je v důsledku poškození jednoho genu narušen růst nervů v konečníku a tlustém střevě, což představuje pro fungování trávicího traktu nemocného člověka vážnou komplikaci.

Doposud lékaři diagnostikovali pacientům Hirschprungovu chorobu, až když se onemocnění rozvinulo. V organoidech pěstovaných v laboratoři nebo transplantovaných do těla myší však mohou sledovat, co probíhá v tvořícím se střevu špatně. Získávají tak informace potřebné k prevenci nebo léčbě této poruchy. Podobně je možné na organoidech studovat i další onemocnění střeva.

Uplatnění organoidů tím však není vyčerpáno. Řada léků vykazuje nežádoucí vedlejší účinky na trávicí trakt. Jejich včasné odhalení ale není jednoduché. Nyní bude možné, aby farmaceutické laboratoře testovaly vyvíjené léky na organoidech a neinvestovaly zbytečně čas a peníze do dalšího testování látek, které budou buňky organoidu poškozovat.

„Jednou by mohla tato technologie dovolit, abychom nechali v laboratoři narůst kus zdravého střeva pro transplantaci pacientovi,“ představuje výhled do budoucna člen Wellsova týmu Michael Helmrath.

Autor, profesor České zemědělské univerzity, pracuje ve Výzkumném ústavu živočišné výroby

LN, 30.11.2016