Сахарный диабет и диабетическая ангиопатия
По данным статистики, распространенность сахарного диабета в настоящее время приобретает характер эпидемии. Известно, что указанная патология является причиной развития слепоты, почечной недостаточности, острого коронарного синдрома, инсультов. Подобные осложнения обусловлены патологическими изменениями сосудистой стенки, такими как утолщение базальной мембраны с последующей деградацией сосудистых клеток. Кроме того, наблюдается дисфункция эндотелиоцитов с нарушением взаимосвязи между эндотелиальными клетками и перицитами.
Однако механизмы, посредством которых дисфункция эндотелиоцитов и перицитов приводит к развитию диабетической васкулопатии, до сих пор не были уточнены. В новом исследовании научные сотрудники Института молекулярных биотехнологий Австрийской академии наук (Institute of Molecular Biotechnology of the Austrian Academy of Sciences), Австрия, сообщили об уникальном синтезе in vitro самоорганизующихся трехмерных сосудистых структур, полученных из плюрипотентных стволовых клеток. Статья по материалам исследования была опубликована в издании «Nature» 16 января 2019 г.
Васкулярная регенерация in vitro
В представленной статье, обосновывая актуальность работы, авторы отметили, что ранее в подобных исследованиях для формирования сосудистых сетей применялись методы сочетанной культивации эндотелиоцитов, индуцированных плюрипотентными стволовыми клетками, перицитов, предшественников сосудистых клеток. В поисках возможностей трехмерного проектирования кровеносных сосудов человека разработан поэтапный протокол модуляции развития мезодермы и сосудистой дифференциации. По данным предварительных исследований, изображения, полученные с помощью метода конфокальной микроскопии, демонстрировали формирование сложных, взаимосвязанных сетей CD31+ эндотелиальных микротубул.
Наблюдаемые самоорганизующиеся трехмерные сосудистые сети отличались физиологичной архитектоникой перицитов, что подтверждалось присутствием таких молекулярных маркеров, как PDGFRβ, кальпонин-1 и α-актин гладких мышц. Эти сосудистые структуры были окружены базальной мембраной, которая визуализировалась при помощи метода иммунного контрастирования коллагена IV типа. Тем не менее культивирование очищенных, дифференцированных эндотелиальных клеток и перицитов способствовало формированию неустойчивых эндотелиальных сетей, структура которых поддерживалась лишь отдельными взаимодействиями перицитов при отсутствии покрытия коллагеном IV типа.
Однако инновационная технология, представленная по результатам новой работы, явилась шагом вперед в исследованиях и терапии сосудистых заболеваний, в то же время определив ключевой механизм потенциальной профилактики ангиопатий — основной причины смерти среди пациентов с сахарным диабетом. Так, вновь разработанные трехмерные сосудистые структуры, созданные на основе стволовых клеток, полностью имитируют физиологические сосудистые структуры и могут применяться для изучения морфофункциональных аспектов in vitro.
В своей работе авторы отмечают, что полученные органоиды кровеносных сосудов содержат эндотелиальные клетки и перициты, которые самостоятельно формируют капиллярные сети, окруженные базальной мембраной. После трансплантации генерированных in vitro 3D-сосудистых структур лабораторным мышам показано, что такие васкулярные образования обеспечивают постепенное формирование сосудистой сети со стабильной перфузией, включая артерии, артериолы и венулы.
В ходе параллельных основному проекту исследований ученые установили, что воздействие на структуры кровеносных сосудов высоких концентраций глюкозы и воспалительных цитокинов in vitro вызывает утолщение базальной мембраны сосудов. Подобные влияния на искусственно генерированные сосудистые сети in vivo в организме лабораторных животных также имитировали микроваскулярные патологические изменения, наблюдаемые у пациентов с сахарным диабетом.
Кроме того, описаны ключевые молекулярные факторы диабетической ангиопатии — сигнальные протеины DLL4 и NOTCH3. В целом результаты проведенной работы позволили авторам высказать мнение о том, что органоиды, полученные из плюрипотентных человеческих стволовых клеток, точно воспроизводят структуру и функцию кровеносных сосудов человека и являются подходящими системами для моделирования и идентификации регуляторов диабетической васкулопатии — осложнения сахарного диабета, которому подвержены более 100 млн человек во всем мире.
Перспективы терапии и профилактики диабетической ангиопатии
Кроме того, по итогам скрининга химических соединений, способных блокировать утолщение базальной мембраны сосудистых стенок, установлено, что ни один из существующих противодиабетических препаратов не оказывает положительного влияния на эти дефекты кровеносных сосудов. Тем не менее в экспериментах на моделях ангиопатии у животных выявлено, что ингибитор фермента β-секретазы способен блокировать изменения, связанные с расширением базальной мембраны.
По мнению ученых, такие результаты предполагают, что метод терапии, нацеленный на блокирование β-секретазы, может стать основой нового направления в профилактике и терапии осложнений сахарного диабета. В заключение исследователи выразили надежду на то, что результаты проведенной работы могут внести вклад в понимание этиологии сосудистых заболеваний, а также в разработку новых методов лечения пациентов с сахарным диабетом.
- Wimmer R.A., Leopoldi A., Aichinger M. et al. (2019) Human blood vessel organoids as a model of diabetic vasculopathy. Nature, Jan. 16 [Epub. ahead of print].
Наталья Савельева-Кулик
