Это исследование, недавно опубликованное в журнале Cell Reports, является первой демонстрацией того, что волосяные фолликулы можно выращивать в культурах стволовых клеток. Исследование возглавил Карл Келер, доктор философии, доцент кафедры отоларингологии, хирургии головы и шеи Медицинской школы IU и доктор философии Джиюн Ли, научный сотрудник его лаборатории.«Кожа — сложный орган, который трудно полностью воссоздать и сохранить в культуре для исследовательских целей», — сказал д-р Келер, который более подробно рассказывает в своем блоге. «Наше исследование показывает, как стимулировать рост волос на коже мышей, выращенной в лаборатории, что было особенно сложно воссоздать в культуре исследователям».
Открытия доктора Келера и его команды основаны на их прошлой работе по созданию метода выращивания клеток внутреннего уха из стволовых клеток, в котором стволовые клетки мыши культивируются в трехмерном шаре и обрабатываются специфическими сигнальными молекулами, чтобы заставить клетки производить внутренние ткань уха. Исследователи заметили, что кожа является побочным продуктом процесса роста внутреннего уха.
«В развивающемся эмбрионе внутреннее ухо происходит из того же слоя клеток, что и верхний слой кожи, [эпидермис], поэтому неудивительно, что кожа и ткань внутреннего уха сформировались в тандеме», — сказал доктор Келер. «Мы были удивлены, обнаружив, что нижний слой кожи [дерма] также развивается».В текущем исследовании доктор Келер и его команда показывают, как клетки эпидермиса и дермы образуют сферический кластер клеток, называемый кожным «органоидом».
Клетки органоидов кожи организованы так же, как клетки нормальной кожи, но вывернуты наизнанку, то есть верхний слой кожи обращен внутрь органоида.Команда определила условия культивирования, которые позволили кожным органоидам пройти стадии развития так же, как кожа в эмбрионе.«Примерно через 20 дней мы были поражены, увидев, что из кожных органоидов выросли волосяные фолликулы», — сказал доктор Келер. «Корни фолликулов выступают из органоидов кожи во всех направлениях».
Исследователи подтвердили, что время развития и экспрессии ключевых белков близко соответствует развитию кожи и волос у эмбриона мыши. Чтобы подтвердить свои выводы, команда IU сотрудничала со Стефаном Хеллером, доктором философии, Эдвардом К. и профессором отоларингологии — хирургии головы и шеи в Стэнфордском университете Эми Х. Сьюолл, члены лаборатории которого подтвердили, что метод воспроизводится со стволовыми клетками других мышей. штаммы.«В дополнение к основным типам эпидермальных и дермальных клеток мы также обнаружили специализированные типы клеток, такие как меланоциты [пигментные клетки], клетки Меркеля [сенсорные клетки], адипоциты [жировые клетки], клетки сальных желез и стволовые клетки волосяных фолликулов в органоиды ", — сказал доктор Келер. «Это увлекательно, потому что это показывает, что если мы получим основные строительные блоки кожи вместе в культуре, то эти различные типы клеток будут самоорганизовываться сами по себе».
Доктор Ли, первый автор исследования, сказал, что эти результаты служат планом для создания с нуля всего кожного органа с использованием стволовых клеток.«Я надеюсь, что, улучшив модели« кожа в блюде », мы сможем значительно уменьшить количество жертвоприношений экспериментальных животных и, в конечном итоге, помочь пациентам с проблемами кожи жить лучше», — сказал доктор Ли.Доктор Кёлер сказал, что он предупреждает, что существует несколько технических препятствий, которые им еще предстоит преодолеть, чтобы модель кожных органоидов полностью раскрыла свой потенциал в качестве инструмента открытия лекарств. Например, в органоидах кожи отсутствуют иммунные клетки, кровеносные сосуды и нервные окончания, обнаруженные в нормальной коже.
«Форма кожных органоидов — еще одна проблема, которую необходимо решить в будущем», — сказал он. «Поскольку органоиды вывернуты наизнанку по сравнению с нормальной кожей, слои мертвых клеток и волос не могут быть сброшены, как обычно, поэтому нам нужно найти способ перевернуть структуру органоидов кожи».Без этих изменений кожные органоиды имеют срок годности около месяца, чего достаточно, чтобы изучить полное развитие кожи и волос мыши.Келер и его команда в настоящее время используют органоиды мышей в качестве шаблона для получения волосистой кожи из плюрипотентных стволовых клеток человека.
Эта работа может привести к новым методам пересадки кожи, включая волосяные фолликулы, и методам лечения заболеваний человека, включая алопецию, угри и рак кожи.Среди дополнительных исследователей, участвовавших в исследовании, — Пей-Цяо Тан, доктор философии из Медицинской школы IU; и Роберт Боске, доктор медицины, и Байрон Хартман, доктор философии, из Стэнфордского университета.
Доктор Боске в настоящее время работает в Любекском университете.Это исследование финансировалось Национальными институтами здравоохранения, Индианским институтом клинических и трансляционных наук и Индианским центром биомедицинских инноваций.