Блог

Эмбриогенез кишечника человека


ЭМБРИОГЕНЕЗ ОРГАНОВ ПИЩЕВАРИТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЫ — КиберПедия

Отделы и органы пищеварительной системы в эмбриогенезе развиваются из всех 3-х зародышевых листков: эктодермы (эпителий ротовой и анальной ямок или бухт), энтодермы (эпителий слизистой оболочки первичной кишки или кишечной трубки) и мезодермы (собственная пластинка слизистой, подслизистая основа, мышечная, соединительнотканная и серозная оболочки пищеварительного тракта).

В конце 3-ей недели внутриутробного развития из энтодермы образуется трубка – первичная кишка, замкнутая на переднем и заднем концах. В конце 4-й недели внутриутробного развития на головном и каудальном концах эмбриона появляются углубления, которые соответственно называются ротовой и заднепроходной (анальной) бухтами (ямками). Образовавшиеся углубления отделяются от первичной кишки глоточной и анальной мембранами, состоящими из двух слоев: наружного – эктодермального и внутреннего – энтодермального.

В первичной кишке выделяют глоточную и туловищную кишки. Границей между ними является небольшое выпячивание – закладка органов дыхания. В туловищной кишке в свою очередь выделяют три части: переднюю, среднюю и заднюю. Из различных отделов первичной кишки формируются следующие образования:

1. Из глоточной кишки– задняя часть полости рта, язык, слюнные железы, небные миндалины, железы – производные эпителия глоточных карманов (щитовидная, околощитовидные, тимус).

2. Из передней кишки – пищевод и желудок.

3. Из средней кишки– тонкая кишка, печень и поджелудочная железа

4.

 
 

Из задней кишки– слепая кишка с червеобразным отростком, восходящая ободочная, нисходящая ободочная, сигмовидная ободочная и прямая кишки.

Рис.3.1. Пищеварительная система 1,5 месячного зародыша человека:1 - хорда; 2 - трахея; 3 - пищевод; 4 - печень; 5 - желудок; 6 - дорсальная и 7 -вентральная закладки поджелудочной железы; 8 - полость брюшины; 9 - прямая кишка, 10 - постклоакальная кишка; 11 - мочеполовой синус; 12 - клоакальная мембрана; 13 - аллантоис; 14 - желточный стебелек; 15 - желчный пузырь; 16 - печеночный проток; 17 - сердце; 18 - карман Ратке; 19 – гипофиз.

Разберем более подробно развитие органов пищеварительной системы в эмбриональном и постэмбриональном периодах онтогенеза.

Преобразование глоточной кишки.Ротовая ямка в виде впячивания эктодермы располагается под нависающим над ней лобным бугром и растет навстречу слепому концу кишечной трубки. В результате слияния дна ротовой ямки (эктодерма) и слепого конца первичной кишки (энтодерма) образуется ротоглоточная мембрана, которая в конце третьей недели эмбриогенеза прорывается, в результате передний отдел кишечной трубки (глотка) открывается в ротовую ямку. На боковой поверхности головной кишки (глоточная часть) у зародышей 3-5 недель образуется 5 симметричных выпячиваний энтодермы – жаберных карманов, снаружи растут навстречу им впячивания эктодермы – жаберные щели. Участки ткани в виде возвышений, расположенных между соседними жаберными карманами и щелями на переднебоковой поверхности шеи эмбриона образуют жаберные дуги. Самая крупная первая жаберная дуга (нижнечелюстная) дает начало нижней и верхней челюстям и мягким тканям лица; из второй жаберной дуги развивается подъязычная кость; из третьей, четвертой и пятой жаберных дуг развиваются хрящи гортани. Жаберные карманы также идут на построение ряда органов. Первая пара жаберных карманов дает начало барабанной полости и слуховой трубе, молоточку и наковальне; вторая пара жаберных карманов развивается в глоточные миндалины и стремечко; третья пара жаберных карманов преобразуется в вилочковую железу и нижние паращитовидные железы; из четвертой пары жаберных карманов формируются верхние паращитовидные железы; из выпячивания между первой и второй парами жаберных карманов образуются щитовидные железы и эпителий корня языка.



Развитие полости рта тесно связано с формированием лица и полости носа. Вначале вход в ротовую ямку имеет вид щели (5-я неделя эмбриогенеза), над которой сверху нависает лобный отросток. С боков и снизу ротовую щель ограничивают производные нижнечелюстной дуги: верхне- и нижнечелюстные отростки; последние, срастаясь, образуют нижнюю челюсть и нижнюю губу. Лобный отросток располагается между верхнечелюстными отростками. В боковых отделах лобного отростка над ротовой ямкой с каждой стороны образуются медиальный и латеральный носовые отростки, окружающие обонятельные ямки, из которых в последующем формируются носовые ходы. Медиальные носовые отростки сближаются и сливаются друг с другом и врастают внизу между верхнечелюстными отростками, образуя среднюю часть верхней губы, спинку и верхушку носа, его перегородку, резцовую кость. Боковые носовые отростки идут на формирование крыльев носа, носовой и слезной костей. При слиянии медиальных и латеральных носовых отростков формируются ноздри. Верхнечелюстные отростки дают начало верхней челюсти, небу, щекам, боковым отделам верхней губы.



На внутренней поверхности верхнечелюстных отростков появляются валики – небные отростки (7-я неделя), которые превращаются в небные пластинки, слияние их медиальных отделов ведет к формированию неба, которое делит первичную полость рта на расположенную выше полость носа, а ниже – окончательную полость рта.

На 7-й неделе эмбриогенеза по краю верхнего и нижнего края ротовой щели происходит разрастание эпителия, в виде дугообразной щечно-губной пластинки, которая погружается в подлежащую мезенхиму. Эта пластинка расщепляется и отделяет зачаток верхней и нижней челюстей от соответствующей губы и щеки; в результате формируется преддверие рта.

Зубы развиваются на 7-й неделе эмбриогенеза из эктодермы и мезенхимы. Из утолщения эктодермы на поверхности верхне- и нижнечелюстных отростков формируются утолщения в виде дуг (подков), называемых зубными пластинками, врастающими в подлежащую мезенхиму. На наружной поверхности этих пластинок, в определенных участках (по 10 сверху и снизу), происходит интенсивное размножение эпителиальных клеток, и формируются колбовидные выпячивания – эмалевые органы, которые дают начало эмали молочных зубов. Мезенхима, впячиваясь в эмалевые органы, образует зубные сосочки (развиваются в дентин и пульпу зуба). Вокруг эмалевого органа и зубного сосочка из мезенхимы формируется зубной мешочек, из которого развивается кутикула эмали и цемент корня. Формирование молочных зубов из зачатков заканчивается после рождения к концу их прорезывания. Зачатки постоянных зубов закладываются на 5-м месяце эмбриогенеза также из зубных пластинок и лежат вместе с молочными зубами в одной альвеоле.

Язык закладывается на 5-й неделе эмбриогенеза из нескольких зачатков. Передняя часть языка развивается в виде медиальных выростов нижнечелюстной (1-й жаберной) дуги, формирующих парные симметричные боковые отделы тела и верхушки языка (место срастания – срединная борозда на спинке языка, внутри – его перегородка). Часть спинки языка впереди от слепого отверстия закладывается в виде непарного бугорка энтодермы - между концами 1-й и 2-й жаберных дуг. Задний отдел – корень языка, формируется из энтодермальных зачатков позади слепого отверстия в виде правого и левого выступов 2-й и 3-й жаберных дуг. Граница между передней и задней частью языка – пограничная линия. Эпителий слизистой оболочки языка, в том числе и сосочков (многослойный, плоский, неороговевающий), развивается из эктодермы ротовой бухты; поперечно-полосатые мышцы языка – из мезодермы затылочных миотомов.

Небные миндалиныпоявляются в конце третьего месяца развития. Они образуются в результате вселения лимфоцитов в соединительную ткань, расположенную вокруг регрессирующих вторых глоточных карманов. По мере увеличения объема лимфоидной ткани в нее начинает врастать покрывающий эпителий в виде плотных клеточных тяжей. Эти тяжи постепенно расщепляются и из них образуются крипты, которые внедряются в миндалины. По мере увеличения ткани миндалины происходит уплотнение окружающей соединительной ткани, из которой образуется капсула. Развитие глоточной и язычной миндалин происходят сходным образом.

Слюнные железы (крупные и мелкие) развиваются как выпячивания эктодермы (эпителия ротовой бухты) в подлежащую мезенхиму, которая дифференцируется в соединительную ткань (капсула, междольковые перегородки) и сосуды.

Околоушная и поднижнечелюстная слюнные железы закладываются на 6-й неделе, подъязычная - в конце 7-й недели эмбриогенеза.

Глотка дифференцируется из головной части передней кишки в начале 2-го месяца эмбриогенеза. На боковых стенках первичной глотки формируются жаберные дуги и жаберные карманы, которые дают начало различным органам (см.. выше).

Центральная часть глоточной кишки суживается, уплощается и дает начало дефинитивной глотке; в нижнем отделе ее передней стенки образуется выпячивание (вырост), которое является закладкой нижних дыхательных путей. Эпителий глотки – многослойный плоский, неороговевающий, кроме носоглотки, где он является многорядным ресничатым. Мышцы глотки относятся к скелетным (поперечнополосатым), т.к. развиваются из мезодермы.

Пищевод– часть передней кишки ниже глотки, закладывается на 4-й неделе эмбриогенеза. По ходу пищевода формируются 3 сужения: 1) верхнее - в области перехода глотки в пищевод; 2) среднее - в месте его соприкосновения с дугой аорты; 3) нижнее - при прохождении пищевода через диафрагму и при переходе в желудок. Эпителий пищеводав период своего эмбрионального развития изменяет свою структуру от многослойного цилиндрического (4-х недельный эмбрион), к двухслойному цилиндрическому, потом многорядному мерцательному эпителию и с 6-го месяца развития к многослойному плоскому, как у взрослого человека. На ранних стадиях его мышечная оболочка состоит из гладкой мускулатуры (производное мезенхимы). После прорыва ротоглоточной мембраны на пищевод наслаиваются мышцы мезодермального происхождения, образуя поперечнополосатую мускулатуру (верхняя треть). В остальных двух третях в мышечной оболочке стенки органа сохраняется гладкая мускулатура.

Желудок.В период от 4-х недель до 2-х месяцев внутриутробного развития формируются все отделы. Эпителий желудка сначала многорядный, затем однослойный призматический. Мышечные слои закладываются в таком порядке: на 6-й неделе - круговой слой мышечной оболочки, на 13-14-й неделе - наружный продольный слой, на 15-й неделе - внутренний косой слой.

Тонкая кишканачинает развиваться на 5-й неделе жизни эмбриона. Сначала эпителий кишечника однорядный кубический, затем становится двухрядным призматическим, а на 7-8 неделе - однослойным призматическим. В конце второго месяца развития наблюдается специфическая фаза роста, во время которой усиленно растет эпителий кишки и заполняет ее просвет. Это так называемая фаза кишечной атрезии. В дальнейшем, в процессе нормального развития, эпителиальные клетки гибнут, просвет кишки увеличивается, то есть наступает реканализация тонкой кишки. На 8-12 неделе возникают ворсинки и крипты из энтодермы кишечной трубки.

Из мезодермы развивается гладкая мышечная ткань: на 7-8 неделе появляется внутренний циркулярный слой, на 8-9 неделе - наружный продольный слой мышечной оболочки, на 24-28 неделе возникает мышечная пластинка слизистой оболочки. Серозная оболочка тонкой кишки закладывается на 50-й неделе из мезодермы.

Толстая кишканаиболее интенсивно изменяется в процессе эмбриогенеза. На 6-7 неделе эмбриогенеза эпителий сильно разрастается и, практически, закрывает просвет кишки. Потом эпителий в глубоких слоях разрушается, и просвет кишки снова восстанавливается. Ворсинки и крипты в слизистой оболочке закладываются почти одновременно, позднее в ворсинки врастает мезенхима, и ворсинки сильно выпячиваются в просвет кишки.

На 4-ом месяце внутриутробного развития закладка толстой кишки содержит большое количество ворсинок. Позже слизистая усиленно растет и ворсинки исчезают.

К 8-9-му месяцу эмбриогенеза ворсинок уже нет.

Мышечная оболочка толстой кишки развивается на 3-м месяце внутриутробной жизни.

Печень.Зачаток печени появляется на 3-й неделе эмбриогенеза из вентральной стенки двенадцатиперстной кишки. Эта стенка в области печеночного поля (место, где эпителиальные клетки более высокие) выпячивается и врастает в вентральную брыжейку. Это мешковидное выпячивание называется печеночной бухтой. Оно разделяется на краниальный и каудальный отделы. Из краниального будет развиваться печень и печеночный проток. Из каудального - желчный пузырь и его проток.

Листки брыжейки образуют серозную капсулу и соединительнотканный каркас для железистой паренхимы печени. В дальнейшем из быстрорастущей клеточной массы формируются печеночные балки, а между ними врастают кровеносные капилляры. Под влиянием тока крови капилляры приобретают в дольках преимущественно радиальную ориентацию. С развитием кровоснабжения брюшной полости печень растет очень быстро, заполняя всю брюшную полость. Интенсивный рост печени во внутриутробной жизни объясняется особенностями кровоснабжения этого органа. Артериальная кровь, притекающая в тело плода из плаценты по пупочной вене через соединение с воротной веной проходит через печень.

В эмбриональном периоде в печени происходит кроветворение, которое постепенно угасает к концу внутриутробного развития, а после рождения прекращается.

Поджелудочная железаразвивается у зародыша человека на 3-4 неделе внутриутробной жизни из 2-х выростов. Вентральная закладка возникает из печеночного выроста, а дорсальная - из стенки двенадцатиперстной кишки непосредственно ниже желудка. По мере роста закладок и поворота желудка вокруг вертикальной оси. оба выроста сближаются, а позднее сливаются. Из дорзальной закладки формируется тело и хвостовая часть органа, из вентральной - головка и главный выводной проток железы.

Оплодотворение человека и эмбриогенез - онлайн-биологические заметки

Удобрение

  • Это процесс слияния сперматозоидов и яйцеклетки с образованием зиготы. Оплодотворение обычно происходит в яйцеводе. Во время оплодотворения яйцеклетка находится на стадии вторичного ооцита . Вторичный ооцит окружен двухслойной сетчатой ​​оболочкой zona pellucida и zona reticulate. Сперма движется к вторичному ооциту и связывается с рецептором блестящей оболочки.После того, как сперматозоид попадает в ооцит, пеллюцидная зона становится оплодотворяющей мембраной, препятствующей проникновению других сперматозоидов. Именно поступление сперматозоидов стимулирует второго мейотического деления ооцита с образованием яйцеклетки. Акросома протеолитического фермента высвобождения сперматозоидов (гиалуронидаза), который переваривает стенку яйцеклетки, а затем слияние про-ядер образует зиготу (2n).

Рисунок: Оплодотворение в яйцевод и имплантация эмбриона в матку

Эмбриогенез

  • Зигота подвергается повторному делению клеток, называемому расщеплением.Расщепление начинается, когда зигота движется вниз от яйцевода к матке через 3-5 дней после оплодотворения, зигота превращается в шарообразную структуру клетки с центральной полостью; бластоциста (стадия бластулы) .
  • Наружная клетка бластоцисты известна как трофобластическая клетка , а внутренняя клетка известна как эмбриональная клетка . Трофобластические клетки секретируют ХГЧ (hu хорионический гонадотропин человека ) гормон; По функциям аналогичен LH . Предотвращает деградацию желтого тела, поэтому желтое тело продолжает секретировать прогестерон и эстроген, которые помогают непрерывному росту стенки эндометрия, вызывая менструацию цикл прекращается.
  • Когда бластоциста достигает матки, клетки трофобласта проникают в стенку эндометрия и используют питательные вещества для своего роста и размножения. Эта инвазия устанавливает эмбрион в течение 6-9 дней в матке, что называется имплантацией . При успешной имплантации трофобласт формирует хорионную мембрану, которая впоследствии становится частью плаценты .
  • На мембране хориона образуются небольшие ворсинки, похожие на выступ на внешнем слое, называемый Ворсинки хориона , который начинает расти в эндометрии и помогает в обмене питательными веществами между эмбрионом и маткой. Эмбриональная клетка растет и становится эмбрионом. Он также формирует другую эмбриональную оболочку, покрывающую эмбрион.
  • В течение 20 дней эмбриональная мембрана становится четко отличимой от эмбриона. Амнион представляет собой тонкую мембрану, наполненную амниотической жидкостью, которая в конечном итоге окружает эмбрион и действует как амортизатор.Позже развиваются аллантоиновые мембраны, которые развиваются по направлению к хориону и сливаются с образованием аллантохориона, который позже формирует плаценту. Желточный мешок не имеет существенной функции у человека. Эмбриональный диск , расположенный между желточным мешком и амнионом, дает зародыш. Эмбриональный диск дифференцируется в 3 зародышевых листка (эктодерма, мезодерма и энтодерма), известная как Гастуляция. Эмбрион отличается примерно от 4-5 недель. Только через 6 недель эмбрион можно отличить от эмбриона человека, и теперь срок эмбриона - Fetus.

Рисунок: Стадии эмбрионального развития человека

Сводная информация об эмбриональном и внутриутробном развитии

  • Неделя 1: оплодотворение, образование бластоцисты, имплантат
  • Неделя 2 : дифференциация 3 зародышевых листков
  • Неделя 3 : начало позвоночника и нервная пластинка (первый орган), эмбрион длиной 2 мм
  • Неделя 4 : сердце, кровеносный сосуд, кровь, начало формирования кишечника, развитие пуповины, эмбрион размером 5 мм
  • Неделя 5 : развитие мозга, зачатков конечностей, сердечных сокращений (видно на УЗИ), эмбрионов длиной 8 мм
  • Неделя 6 : форма глаз и ушей, эмбрион, известный как f etus
  • 7 неделя: внутренние органы, форма лица, конечности, рот и язык, размер плода 17 мм.
  • К 12 неделе: плод полностью сформирован, половые органы развиваются, плод начинает двигаться, длина 56 мм,
  • К 20 неделе: Волосы и ногти начинают расти, появляются отпечатки пальцев, плотный захват рукой, можно почувствовать движение плода, длина 160 м,
  • К 24 неделе: веко открывается, законный предел для аборта,
  • К 26 неделе: хорошие шансы на выживание в случае недоношенных детей
  • К 28 неделе: реагирует на прикосновение и звук, глотание околоплодных вод, мочеиспускание
  • К 30 неделе: голова в положении лежа, длина 240 мм
  • Неделя 40: рождение

Оплодотворение человека и эмбриогенез

.

Эмбриогенез человека | IntechOpen

Как указывалось ранее, существующие локальные модели вывода предков можно разделить на две основные группы в зависимости от того, использует ли модель неравновесие по сцеплению примесь / фон (LD) или нет.

\ n
2.1.1 Модели на основе LD для вывода локальной родословной
\ n

Модели на основе LD учитывают LD в деконволюции локальных предков, и из-за важности LD в картировании болезней первые методы локального происхождения попадают в это категория.Они предполагают, что родословная вдоль смешанного индивидуального генома следует по цепи Маркова первого порядка. Это означает, что непосредственно прошедшее состояние фиксирует всю информацию о прошлых состояниях [19]. В результате модели на основе LD предполагают, что на каждом сайте наблюдаемые смешанные генотипы генерируются ненаблюдаемой родословной, и, следовательно, скрытая марковская модель (HMM) и ее расширения используются для вывода ненаблюдаемых (скрытых) состояний. Таким образом, для деконволюции предков в смешанном геноме эти модели имеют три модельных параметра, а именно: начальную модель, модель перехода и наблюдения или вероятностную модель выброса.Из-за неопределенности и количества задействованных параметров в методах на основе LD используются алгоритмы Монте-Карло цепи Маркова (MCMC), алгоритмы вперед-назад или Витерби для определения скрытой последовательности предков для данного человека. Falush et al. и Паттерсон и др. смоделированное переключение предков между популяциями предков на данном участке, \ n \ n \ nX \ nt \ n \ n∈ \ n \ n1 \ n… \ nK \ n \ n \ n, по

\ n \ nP \ n \ n \ n \ nX \ n1 \ n \ n = \ nk \ n \ nq \ nr \ n \ n = \ n \ nq \ nk \ n \ n, \ n \ nE1

\ n

\ n \ nP \ n \ n \ n \ nX \ nt \ n \ n = \ nk \ n \ n \ n \ nX \ n \ nt \ n - \ n1 \ n \ n \ n = \ n \ nk \ n \ '\ n \ n \ nq \ nr \ n \ n = \ nδ \ n \ n \ n \ nk \ n \ '\ n \ n = \ nk \ n \ n \ n \ ne \ n \ n - \ n \ nd \ nt \ n \ nr \ n \ n \ n + \ n \ n \ n1 \ n- \ n \ ne \ n \ n- \ n \ nd \ nt \ n \ nr \ n \ n \ n \ n \ n \ nq \ nk \ n \ n \ nдля \ n \ n1 \ n <\ nt \ n≤ \ nT \ n \ nE2

\ n

, представляющий первый маркер, и вероятность перехода между последовательными маркерами с \ n \ nδ \ n \ n \ nk \ n = \ n \ nk \ n \ '\ n \ n \ n \ n \ n - индикаторная функция и \ n \ n \ nd \ nt \ n \ n \ n генетическая дистанция между сайтами \ n \ nt \ n \ n и \ n \ nt \ n− \ n1 \ n, \ n \ n выше и \ n \ n \ nq \ nk \ n \ n \ n доля предков, внесенная кандидатским предковым населением k, таким что \ n \ nq \ n = \ n \ n \ nq \ n1 \ n \ n… \ n \ nq \ nk \ n \ n \ n \ n - вектор предков, унаследованный от каждой предковой популяции.Для гаплоидных данных вероятность события рекомбинации равна \ n \ n1 \ n- \ n \ ne \ n \ n- \ n \ nd \ nt \ n \ nr \ n \ n \ n, \ n \ n, что означает, что вероятность отсутствия рекомбинации равна \ n \ n \ ne \ n \ n− \ n \ nd \ nt \ n \ nr \ n \ n \ n \ n [8, 20]. Методы на основе ЛД можно подразделить на методы ЛД с добавкой и методы ЛД с добавлением и фоновым методом. Обратите внимание, что добавочная LD возникает, когда предки по соседним маркерам наследуются вместе, а фоновая LD является LD в пределах предковых популяций, и она сильно зависит от истории популяции (т. Е. Генерируется генетическим дрейфом и узкими местами популяции).

\ n \ n
2.1.1.1 Модели на основе добавок LD
\ n

Методы на основе добавок LD - это модели, которые учитывают LD, возникающие в результате процесса смешения. Они не моделируют фоновые LD. Методы Admixture на основе LD включают ранние методы, например, STRUCTURE V2 [20], ANCESTRYMAP [8] и ADMIXMAP [9], которые основаны на байесовской структуре. Ранние методы основаны на маркерах, которые показывают значительную разницу в частоте между наследственными популяциями (AIM). Модели, основанные на Admixture LD, предполагают, что маркеры независимы и известны общие и предковые частоты аллелей.Они интегрируют HMM с MCMC, и их модель переключения, начальная и переходная модели такие же, как в уравнениях. (1) и (2) соответственно. Поскольку методы, основанные на LD, не моделируют фоновые LD, их модель наблюдения зависит только от частоты аллелей предков на этом участке. Например, полагая K = 2, Паттерсон и др. определил вероятность выброса как

\ n \ nP \ n \ n \ n \ nY \ nt \ n \ n = \ ny \ n \ n \ n \ nX \ nt \ n \ n = \ n \ nn \ na \ n \ n \ n \ n = \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n2 \ n \ n \ n \ n \ n \ nn \ na \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ np \ nk \ n \ nn \ na \ n \ n \ n \ n \ n \ n1 \ n− \ n \ np \ nk \ n \ n \ n \ n \ n2 \ n− \ n \ nn \ na \ n \ n \ n \ n \ n, если \ n \ n \ nn \ na \ n \ n = \ n0 \ n \ or \ n \ n1 \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n2 \ n \ n \ n1 \ n- \ n \ np \ n1 \ n \ n \ n \ n \ n \ n1 \ n- \ n \ np \ n2 \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ np \ n2 \ n \ n \ n \ n1 \ n - \ n \ np \ n2 \ n \ n \ n \ n + \ n \ np \ n1 \ n \ n \ n \ n1 \ n - \ n \ np \ n2 \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ np \ n1 \ n \ n \ n \ np \ n2 \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n, если \ n \ n \ nn \ na \ n \ n = \ n2 \ n \ n \ n \ n \ n \ nE3

\ n

, где y и \ n \ n \ nn \ na \ n \ n∈ \ n \ n0 \ n1 \ n \ n \ n - номера референсных аллелей смешанного индивидуума в момент t и аллелей из популяции 1 соответственно.\ n \ n \ np \ nk \ n \ n \ n - частота аллелей популяции \ n \ nk \ n∈ \ n \ n1 \ n2 \ n \ n \ n на сайте t, такая, что когда \ n \ n \ nn \ na \ n \ n = \ n0 \ n \ n, \ n \ n \ np \ nk \ n \ n = \ n \ np \ n1 \ n \ n \ n, а \ n \ n \ np \ nk \ n \ n = \ n \ np \ n2 \ n \ n \ n, когда \ n \ n \ nn \ na \ n \ n = \ n2 \ n \ n. В настоящее время технологические, статистические и вычислительные достижения позволяют получать огромные объемы данных SNP с высокой плотностью. Хотя SNP с высокой плотностью нарушают предположение о независимости из-за фонового LD [21], они содержат больше информации, чем в AIM [22]. Чтобы ослабить предположение о независимости и минимизировать шум и систематические искажения из-за немоделированного LD, появились более продвинутые методы вывода локальных предков [22].Эти методы включают SEQMIX [23], PCADMIX [24] и SUPPORTMIX [13].

\ n

SUPPORTMIX [11] модели только добавляют LD путем комбинирования опорных векторных машин (SVM) и HMM. В 2012 году было предложено сократить время вычислений и решить проблему с несколькими типизированными или несуществующими эталонными панелями, которые в целом улучшают многостороннюю деконволюцию локальных предков. SUPPORTMIX - первая модель, которая позволяет изучать наследственных суррогатов с учетом набора справочных панелей. В результате он способен обучать древние популяции, которые больше по размеру, чем смешанные.Поскольку SVM могут обрабатывать огромные наборы данных, SUPPORTMIX работает быстрее, чем ранние методы. Он использует богатую информацию о гаплотипах. Также предложенный в 2012 году PCADMIX [24] делит геном на смежные окна SNP, как в SUPPORTMIX. Он использует анализ главных компонентов из прокси-предковых гаплотипов для моделирования LD примеси в рамках стандартной HMM. Подобно SUPPORTMIX, PCADMIX работает быстро и требует поэтапных данных. Тем не менее, SUPPORTMIX и PCADMIX не моделируют ошибки переключения фазы, и в результате в 2013 году была предложена SEQMIX [23].В отличие от всех других методов, основанных на добавлении LD, SEQMIX основан на последовательности экзома, считывает данные и использует HMM. Модели SEQMIX только добавляют LD и сокращают SNP в фоновом LD. В результате, чтобы уменьшить шум и систематические ошибки от использования всех SNP [10], не полностью моделируя LD (фон), появились методы смешанного и фонового LD [22].

\ n \ n \ n
2.1.1.2 Модели добавок и фоновых LD
\ n

Поскольку биологические данные часто имеют некоторые зависимости, которые нарушают предположение независимости в стандартном HMM, методы, основанные на добавках LD, часто нереалистичны.Чтобы ослабить предположение о независимости, HMM расширяется до Марковского HMM, факториального HMM, иерархического HMM или двухуровневого HMM или других многомерных статистических моделей, таких как многомерное нормальное распределение (MVN), и в отличие от ранних методов используются богатые данные о предковых гаплотипах. . Это относится к SABRE [10], SWITCH [25], HAPAA [26], HAPMIX [4], MULTIMIX [27], ALLOY [28] и ELAI [29]. MHMM были первым расширением HMM в местной родословной. Впервые они были реализованы в SABRE, а затем в SWITCH.SABRE был первым методом моделирования фоновой LD при выводе генетического происхождения. MHMM предполагает, что текущий наблюдаемый гаплотип зависит как от текущего происхождения, так и от недавних наблюдений в прошлом. Разница в MHMM и примесной LD HMM заключается в том, что когда родословная переключается между сайтами t - 1 и t, тогда модель наблюдения MHMM зависит от совместного распределения частот аллелей в двух сайтах [6, 30], определяемого следующим образом [10]:

\ n \ n \ n \ n \ nP \ n \ n \ n \ nY \ nt \ n \ n = \ nc \ n \ n \ n \ nY \ n \ nt \ n - \ n1 \ n \ n \ n = \ nd \ n \ n \ n \ nX \ nt \ n \ n = \ nk \ n \ n \ n \ nX \ n \ nt \ n \ '\ n \ n \ n = \ n \ nk \ n \ '\ n \ n \ n \ n = \ n \ nB \ nt \ n \ n \ nc \ nd \ n \ nk \ n \' \ n \ nk \ n \ n, \ n \ n \ n \ n \ nP \ n \ n \ n \ nY \ nt \ n \ n = \ nc \ n \ n \ n \ nY \ n \ nt \ n - \ n1 \ n \ n \ n = \ nd \ n \ n \ n \ nX \ nt \ n \ n = \ nk \ n \ n \ n \ nX \ n \ nt \ n \ '\ n \ n \ n = \ n \ nk \ n \' \ n \ n \ n \ n = \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ nB \ n˜ \ n \ n \ nk \ n \ '\ n, \ nt \ n \ n \ n \ nc \ nd \ n \ n \ nдля \ n \ n \ nk \ n \ '\ n \ n = \ nk \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ nB \ n¯ \ n \ n \ nk \ n \' \ n, \ nt \ n \ n \ n \ nc \ n \ n \ иначе \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ nE4

\ n

, где \ n \ n \ n \ nB \ n˜ \ n \ n \ nk \ n, \ nt \ n \ n \ n \ nc \ nd \ n \ n \ n - вероятность наличия аллелей в маркере t при условии, что аллель d был в точках t - 1 и \ n \ n \ n \ nB \ n¯ \ n \ n \ nk \ n, \ nt \ n \ n \ n \ nc \ n \ n \ n частота аллелей аллелей на маркере t имеет происхождение от популяции k.Однако, если предки не меняются, то модель наблюдения аналогична моделям из раздела 2.1.1.1. Модель перехода модели SABER учитывает различия во времени смешивания, которые имеют место в реальном случае непрерывного потока генов, когда популяции вносят свой генетический материал в смесь в разных поколениях [10]. Tang et al. определил вероятность перехода от предков k в момент t к k в момент t как

\ n \ n \ nA \ nij \ n \ n = \ n \ n \ n \ n \ n \ nq \ ni \ n \ n \ n \ ng \ ni \ n2 \ n \ n \ n \ n∑ \ n \ nk \ n = \ n1 \ n \ nK \ n \ n \ nq \ nk \ n \ n \ n \ ng \ nk \ n \ n \ n \ n− \ n \ ng \ ni \ n \ n, \ n \ n \ nдля \ n \ ni \ n = \ nj \ n, \ n \ n \ n \ n \ n \ nq \ nj \ n \ n \ n \ n \ ng \ ni \ n \ n \ n \ ng \ nj \ n \ n \ n \ n \ n∑ \ n \ nk \ n = \ n1 \ n \ nK \ n \ n \ nq \ nk \ n \ n \ n \ ng \ nk \ n \ n \ n \ n, \ n \ n \ в противном случае \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ nE5

\ n

где \ n \ n \ ng \ nk \ n \ n \ n - время перемешивания, когда популяция k начала вносить вклад в добавку.

\ n

Однако SABRE имеет большой набор параметров и не моделирует явно фоновый LD, поскольку он моделирует фоновый LD с использованием цепи Маркова первого порядка [22]; были предложены другие методы, такие как SWITCH. SWITCH выполняет рекомбинацию, даже если это не приводит к появлению переключателя предков. В отличие от SABRE, SWITCH обусловливает MHMM рекомбинацией. Подобно ранним методам, вероятность рекомбинации зависит от поколений примесей, генетического расстояния между последовательными SNP и скорости рекомбинации.Таким образом, если модель вероятности перехода в SWITCH маргинальна по сравнению с рекомбинацией, то она аналогична уравнению. (2) для двухстороннего и уравнения. (5) для многоходовой. Хотя SWITCH моделирует фоновый LD и оценивает скорость рекомбинации, авторы рекомендовали более богатые MHMM или другие другие модели, которые будут превосходить парные модели SWITCH и SABER [25]. В результате были введены методы, использующие как крупномасштабные, так и мелкомасштабные HMM, получившие название HHMM.

\ n \ n \ n
2.1.2 Локальные модели предков, не основанные на LD
\ n

Методы, отличные от LD, не моделируют фон и не добавляют LD.Они либо удаляют SNP в LD, как в случае LAMP [11] и WINPOP [31], либо используют все SNP (связанные и несвязанные SNP) без моделирования LD; это относится к EILA [14], RFMIX [32] и LOTER [15]. Поскольку MHMM имеют большое количество параметров и не моделируют LD явным образом, в 2008 г. появился алгоритм, который разделяет геном на окна SNP, LAMP [11]. LAMP является быстрым и надежным, и может определять локальное происхождение даже без прокси-предков. генотипы. Это случай двухкомпонентных добавок.Он использует наивный байесовский классификатор и алгоритм кластеризации, известный как итерационные условные режимы. LAMP оценивает наиболее вероятное происхождение на сайте, применяя большинство голосов для каждого SNP [11]. Хотя точность включена, LAMP не страдает от проблем HMM и расширения. В результате LAMP не работает в тесно связанных популяциях, и поэтому он был расширен до WINPOP [31], алгоритма динамического программирования. В отличие от LAMP, WINPOP предполагает наличие хотя бы одного события рекомбинации в каждом окне и изменяет длину окна в зависимости от генетического расстояния между популяциями.Следовательно, WINPOP и LAMP превосходят другие методы в близкородственных и отдаленных популяциях соответственно. И LAMP, и WINPOP предполагают несвязанные маркеры и отбрасывают SNP в LD.

\ n

По мере увеличения доступности данных смешанных последовательностей Maples et al. предложил дискриминантный подход к оценке местного происхождения, RFMIX [32]. Дискриминативный подход оценивает апостериорную вероятность напрямую, а не через совместное распределение вероятностей. В отличие от моделей генеративного вывода предков, RFMIX использует информацию, содержащуюся в смешанных особях.Это выгодно в случае нескольких генотипированных эталонных панелей. Так обстоит дело с коренными американцами [32]. RFMIX использует условные случайные поля (CRF), параметризованные для случайных лесов. Он превосходит по характеристикам в многоходовых добавках, возможно, из-за ошибок моделирования фазового переключения. В 2013 г. был предложен метод EILA [14], основанный на многомерной статистике, в частности, для увеличения силы вывода за счет решения трех общих проблем местного происхождения. Решаемые проблемы включают независимость предположения о SNP, трудности с определением точек разрыва и использование трех значений генотипа.Вместо исходных генотипов EILA использует числовое значение от 0 до 1. Оценка определяет, насколько близки SNP к наследственным популяциям. Определить контрольные точки сложно, но EILA определяет их с помощью объединенной квантильной регрессии, что облегчает использование оценок при датировании примесей. Наконец, классификаторы k-средних используются для определения происхождения с использованием всех генотипированных SNP [14].

\ n

Недавно был предложен программный пакет LOTER [15], который деконволюционирует местную родословную в многосторонних смесях для широкого диапазона видов.LOTER может учитывать фазовые ошибки только при двухкомпонентной смеси. Это облегчает процесс определения местного происхождения и его применение у немодельных видов [15]. В отличие от других методов, LOTER не требует биологических, таких как время смешивания и скорость рекомбинации, или статистических параметров, таких как количество скрытых состояний и вероятности несоответствия, для деконволюции предков [15]. Хотя в нем используется модель копирования Ли и Стивена [33], как в LAMPLD / LAMPHAP, LOTER представляет собой небезопасный подход, сформулированный на основе задачи оптимизации.Его решение получено с помощью динамического программирования.

\ n

Наконец, различные существующие локальные модели предков, основанные на LD и не-LD, сведены в Таблицу 1, взятую из Geza et al. [34].

\ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n 90 079 Количество скрытых состояний, размер окна и физическая карта \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n 9007 9 ELAI \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n \ n
Программное обеспечение Multi-way Учетная запись LD Модель LD Биологические / статистические параметры Контрольные популяции Смешанные популяции Год публикации
СТРУКТУРА V2 * HMM Маркеры и пропорции предков Нефазный Нефазный Август 2003
ANCESTRYMAP * HMM Физическая карта, рекомбинация и пропорции предков Нефазный Нефазный Май 2004
ADMIXMAP * HMM Физическая карта и пропорции предков U nphased Unphased May 2004
SABRE MHMM Физическая карта или расстояние рекомбинации По фазе / без фазы По фазе / без фазы Июль 2006 г.
«ЛАМПА» Примесь поколения, порог LD и физическая карта Нефазный Нефазный Февраль 2008 г.
HAPAA HHMM Поколения примесей и генетическая дивергенция Поэтапный Поэтапный Февраль 2008 г.
SWITCH MHMM Скорость рекомбинации По фазе По фазе Февраль 2008 г.
GEDI-ADMX 900 80 \ n FHMM фиксированного размера Смешанные и наследственные SNP (физическая карта) Поэтапно Нефазный Май 2009 г.
WINPOP Рекомбинация, генерации примесей, пороговое значение LD и физическая карта Нефазировано Нефазировано Июнь 2009 г.
HAPMIX HHMM Частота мутаций на генетической карте и смешанные и предковые SNP Поэтапно Нефазный Июнь 2009 г.
CHROMOPAINTER Матрица родословной Скорость рекомбинации По фазе Поэтапно Январь 2012
LAMPLD HHMM По фазе Без фазы Май 2012 г.
SUPPORTMIX * HMM Поколения добавок и генетическая карта Поэтапный Поэтапный Июнь 2012 г.
PCADMIX * Окна блоков SNP Генетическая карта и размер окна Поэтапно Поэтапно Август 2012 г.
mSPECTRUM \ n SNP, скорость мутаций и рекомбинации По фазе По фазе Август 2012
MULTIMIX MVN Генетическая карта, файл легенды и вероятности несоответствия По фазе / без фазы P обработанный / нефазированный Ноябрь 2012 г.
СПЛАВ Неоднородный VLMC Маркеры, наследственные пропорции, поколения примесей, и генетическая карта Поэтапный Поэтапный Февраль 2013 г.
RFMIX Генетический карта, размер окна и поколения примесей По фазе По фазе Август 2013 г.
EILA Физическая карта Нефазный (без пропущенных значений) Нефазный (без пропущенных значений) Ноябрь 2013 г.
SEQMIX Генетическая карта Нефазный Нефазный Ноябрь 2013 г.
Двухслойный HMM Поколения смеси, нижний и верхний кластеры Фазовый / нефазовый Фазовый / бесфазный Май 2014
ЛОТЕР - По фазе По фазе Ноябрь 2017 г.

Таблица 1.

Существующие 20 предков инструментов деконволюции: ✓ указывает на способность программного обеспечения выполнять указанную задачу, ✗ указывает на неприменимость задачи конкретным инструментом. Если явно не указано иное, LD относится к фоновому LD.

\ п.

Хроническая предсердная и кишечная аритмия - Genetics Home Reference

Хроническая предсердная и кишечная дисритмия (CAID) - это заболевание, поражающее пищеварительную систему. CAID нарушает работу; У пораженных людей есть нарушение сердечного ритма, называемое синдромом слабости синусового узла. Расстройство также нарушает ритмические сокращения мышц, которые продвигают пищу через кишечник (перистальтика), вызывая состояние пищеварения, называемое кишечной псевдообструкцией. Проблемы с сердцем и пищеварением развиваются одновременно, обычно к 20 годам.

Синдром слабости синусового узла (также известный как дисфункция синусового узла) - это аномалия синоатриального (СА) узла, который представляет собой область специализированных клеток в сердце, которая функционирует как естественный кардиостимулятор. Узел SA генерирует это начало каждого тактового сигнала. Эти сигналы проходят от узла SA к остальной части сердца, сигнализируя сердечной (сердечной) мышце о сокращении и перекачивании крови. У людей с синдромом слабости синусового узла узел SA не функционирует нормально, что обычно вызывает слишком медленное сердцебиение (брадикардия), хотя иногда сердцебиение бывает слишком частым (тахикардия) или быстро переключается с слишком быстрого на слишком медленное ( синдром тахикардии-брадикардии).Симптомы, связанные с ненормальным сердцебиением, могут включать головокружение, бред, обморок (синкопе), ощущение трепетания или стуков в груди (сердцебиение), а также спутанность сознания или проблемы с памятью. Во время упражнений многие люди испытывают боль в груди, затрудненное дыхание или чрезмерную усталость (утомляемость).

При псевдообструкции кишечника нарушение перистальтики приводит к накоплению частично переваренной пищи в кишечнике, вздутию живота и боли, тошноте, рвоте, запорам или диарее.У больных теряется аппетит и снижается способность усваивать питательные вещества, что может привести к недоеданию. Эти симптомы напоминают симптомы, вызванные кишечной непроходимостью (непроходимостью), такой как опухоль, но при кишечной псевдо-непроходимости такой закупорки не обнаруживается.

.

Обзор - Органоиды кишечника - Органоиды - Области интересов

Органоиды кишечника

Культуры органоидов кишечника - это трехмерные (3D) модели ткани in vitro, которые включают многие физиологически важные особенности ткани кишечника in vivo. Эти особенности включают поляризованный эпителиальный слой, окружающий функциональный просвет, и все типы клеток кишечного эпителия, присутствующие в пропорциях и относительном пространственном расположении, которые повторяют то, что наблюдается in vivo.

В течение последнего десятилетия произошел резкий сдвиг в доступности инструментов и модельных систем, используемых для изучения кишечного эпителия, с развитием и внедрением кишечных органоидных культур, занимающих центральное место в этом движении. С момента появления модели органоидов тонкого кишечника мышей в 2009 г., –1, в этой области произошел лавинообразный рост, включая разработку условий культивирования органоидов человека, полученных из первичной ткани толстой кишки, 2 , а также из плюрипотентной ткани человека. стволовые клетки (чПСК). 3 Различные экспериментальные методики также были разработаны параллельно с культурами кишечных органоидов и применялись к ним с синергетическим с научной точки зрения эффектом. Некоторые из этих методов включают новые инструменты для генетической манипуляции, 4,5 подходы к моделированию заболеваний in vitro 6–9 и инновационную систему совместного культивирования с аутологичными типами клеток 10,11 или бактериями, 12–14 а также модели вирусных инфекций. 15,16 Развитие таких методов применительно к культурам кишечных органоидов значительно увеличило полезность этой модельной системы для самых разных целей.Хотя большая часть первоначальной основы для системы культивирования органоидов изначально возникла из глубоких корней в биологии развития, система моделей созревания в настоящее время применяется в самых разных областях исследований, включая открытие новых лекарств и скрининг лекарств для конкретных пациентов, рак и иммунологию. исследования и патогенез инфекционных агентов. Число исследователей, применяющих системы культивирования кишечных органоидов для обогащения своих конкретных исследовательских программ, быстро растет как в фундаментальных исследованиях, так и в медицинских сообществах.

Эпителий кишечника

Кишечный эпителий включает несколько различных популяций клеток, включая быстро делящиеся кишечные стволовые клетки (ISC), которые облегчают типичный четырех-пятидневный цикл обновления кишечного эпителия взрослых. 17 Это свойство быстрой регенерации при кишечном застое делает кишечник уникально удобной модельной системой для биологии эпителиальных клеток и биологии взрослых стволовых клеток как внутри, так и за пределами специфического контекста функции кишечника.

Эпителий кишечника взрослого человека в основном состоит из шести типов клеток, которые расположены в структуре крипта-ворсинка 18 (рис. 1). В основании кишечной крипты ISCs обнаруживаются интеркалированными с клетками Панета, 17 , которым приписывают большую часть передачи сигналов, необходимых для поддержания ниши ISC. Транзитные амплифицирующие клетки представляют собой частично дифференцированные клетки, которые мигрируют вверх посредством физического механизма исключения крипт, когда ISC под ними делятся.По мере того как эти клетки движутся вверх из крипты, они перемещаются по сигнальным градиентам, которые запускают их дифференцировку, давая начало зрелым типам клеток, которые населяют домен ворсинок. Зрелые клетки включают энтероциты, которые составляют большую часть эпителия ворсинок и осуществляют всасывание питательных веществ; бокаловидные клетки, которые выделяют слизь для защиты эпителиальной выстилки и помогают перемещать кишечное содержимое через просвет; и энтероэндокринные клетки, которые реагируют на химические механизмы в содержимом просвета, выделяя гормоны в организм для поддержания метаболизма питательных веществ.

Рис. 1. Схема эпителия тонкой кишки, подчеркивающая идентичность и пространственное расположение ключевых типов эпителиальных клеток.

Стволовые клетки LGR5 + сохраняют свою способность к самообновлению и регенерации кишечного эпителия в первую очередь благодаря своему положению в нише стволовых клеток. 2 Кишечная ниша хорошо охарактеризована и, как было показано, состоит из пространственных градиентов высокого WNT и фактора роста эпителия (EGF), в то время как сигналы костного морфогенетического белка (BMP) подавлены.Понимание этих ниш сигнализирует о развитии условий культивирования органоидов кишечника.

Типы органоидов кишечника

Органоиды, полученные из первичных тканей кишечника

Основополагающая работа по системе культивирования органоидов кишечника, вышедшая из лаборатории Ханса Клеверса в 2009 г. -1 , описывает систему культивирования, в которой ниша стволовых клеток взрослых кишечных стволовых клеток воспроизводится in vitro.Это позволяет создать органотипические культуры эпителиальных клеток кишечника, которые поддерживают регенеративные свойства кишечника in vivo. Эти кишечные органоиды, иногда называемые энтероидами, размножаются из эпителиальных кишечных стволовых клеток, которые существуют во взрослой кишечной ткани, и как таковые образуют изолированную эпителиальную структуру в культуре. Эта модель позволяет исследовать эпителиальную систему кишечника и напрямую манипулировать передачей сигналов ниши стволовых клеток без мешающего влияния ассоциированной мезенхимы.

Первый протокол, опубликованный Sato et al. –1 описали выделение интактных кишечных крипт из кишечной ткани мыши и их последующее культивирование с образованием органоидов. Кишечные крипты встроены в купол внеклеточного матрикса Matrigel ® и погружены в питательную среду, содержащую специфические факторы роста, предназначенные для имитации передачи сигналов, присутствующих в основании кишечных крипт in vivo. Эта работа продемонстрировала, что создание кишечных органоидов возможно из отдельных отсортированных LGR5 + кишечных стволовых клеток, полученных в результате диссоциации кишечных крипт. 1 При культивировании с использованием этого метода органоиды образуют эпителиальный монослой, окружающий центральный просвет, а также зарождающиеся домены крипт, которые, как сообщается, содержат кишечные стволовые клетки и клетки Панета, составляющие их нишу. Как и в кишечном эпителии in vivo, клетки, составляющие органоидный эпителий, вытесняются и отслаиваются в просвет органоида. Это приводит к накоплению клеточного мусора в люменальном компартменте с течением времени и связанному с этим снижению жизнеспособности культур, даже в присутствии соответствующих факторов роста.Следовательно, органоидные культуры периодически пассируют, отделяя органоиды от Matrigel ® и разбивая их на фрагменты, которые пересеивают в новые культуры. Этот процесс может повторяться бесконечно с замечательной генетической стабильностью, 19 , и представляет собой эффективный метод размножения популяции кишечных стволовых клеток.

После создания этой системы культивирования для тонкого кишечника мышей она была адаптирована для создания органоидов из тонкой кишки человека, крипт толстой кишки человека и мыши и отдельных стволовых клеток кишечника. 2,20 Хотя органоиды, полученные из крипт кишечника и толстой кишки, имеют много общих характеристик, они также обнаруживают существенные различия. Они отражаются в клеточной динамике тканей in vivo, а также в ответе тканеспецифичных взрослых стволовых клеток на специфические концентрации сигнала ниши, присутствующие в среде для культивирования клеток. Как правило, в то время как культуры органоидов тонкого кишечника мышей имеют тенденцию обнаруживать обширное почкование криптоподобных доменов, органоиды толстой кишки, происходящие из крипт как мыши, так и человека, имеют тенденцию проявлять более кистоподобную морфологию со значительно менее выраженным почкованием или отсутствием почкования.Точно так же существует повышенная потребность в передаче сигналов WNT при культивировании органоидов человека по сравнению с мышами. 2 Это вызывает повышенную пролиферацию стволовых клеток и приводит к более кистозному фенотипу культур органоидов кишечника человека по сравнению с соответствующими органоидами мыши.

Было много улучшений и модификаций базовой методологии культивирования, впервые разработанной для органоидов кишечного эпителия мыши и человека. Эти последующие исследования представили методологии для специальной адаптации системы культивирования для тканей пациентов, полученных из опухоли, с различными зависимостями от факторов роста 21,22 ; выращивание органоидов в форматах, подходящих для скрининга соединений со средней и высокой пропускной способностью 23,24 ; и использование определенных систем внеклеточного матрикса, 25 среди других приспособлений для конкретных приложений.

Органоиды, полученные из плюрипотентных стволовых клеток

Вскоре после внедрения системы культивирования органоидов, полученных из стволовых клеток кишечника, была опубликована методология культивирования органоидов кишечника человека, полученных из плюрипотентных стволовых клеток человека (hPSC), в которой использовалась большая часть той же методологии для 3D-культуры органоидов. 3 В отличие от органоидов кишечного эпителия, выращенных из изолированных крипт или LGR5 + кишечных стволовых клеток, кишечные органоиды, полученные из дифференцированных hPSC, включают мезенхимный компартмент, который способствует передаче сигналов в нишах кишечных стволовых клеток, присутствующих в культурах. 18 Органоиды кишечника, полученные в результате направленной дифференцировки hPSCs, также обладают характеристиками, напоминающими долгосрочные процессы, которые происходят во время нормального развития ткани; на ранних пассажах органоиды характеризуются отчетливо фетальным кишечным фенотипом, тогда как полное созревание кишечных эпителиальных клеток до сих пор возможно только при трансплантации органоидов в капсулы почек мыши. 26 Повторение развития кишечника в органоидной системе, полученной из hPSC, делает эту модель отличным инструментом in vitro для исследования этапов развития кишечника в экспериментальной системе, которой легко манипулировать. 18 Кроме того, эта система позволяет получать органоиды от отдельных пациентов без необходимости биопсии кишечника или толстой кишки, что делает ее полезным инструментом для исследования фенотипических свойств кишечного эпителия людей с широким спектром генетических характеристик.

Протокол создания кишечных органоидов из недифференцированных клеток включает дифференцировку hPSCs в дефинитивную энтодерму и инициирование спецификации средней / задней кишки в виде монослойной культуры посредством индукции судьбы кишечника в 3D-культуре в виде кишечных органоидов. 3 Интересно, что формирование 3D-культур происходит в этих культурах спонтанно в ходе направленной дифференцировки в заднюю кишку; сфероиды, демонстрирующие маркеры задней кишки, выходят из монослойных культур и могут быть легко выделены из супернатантов культур. Подобно органоидам первичного тканевого происхождения, частично дифференцированные сфероиды затем внедряются в купола Matrigel ® и инкубируются в среде для культивирования клеток, которая способствует их дифференцировке в кишечную ветвь и последующее частичное созревание. 3

Экспериментальные методы, применяемые к органоидным культурам

Широкое распространение и применение культур органоидов кишечника в самых разных областях в значительной степени связано с множеством экспериментальных инструментов и подходов, которым эти культуры поддаются. С момента внедрения базовой методологии культивирования органоидов было много достижений как в разработке, так и в проверке различных методов в системе моделей кишечных органоидов.

Генетическая манипуляция

Ключевой функцией кишечной органоидной системы является способность манипулировать генетической идентичностью клеток, составляющих культуру, особенно по сравнению с проблемами или невозможностью подобных манипуляций, выполняемых в моделях in vivo. Культурами кишечных органоидов можно манипулировать генетически с помощью различных средств, включая введение генетического материала через ретро-, адено- и лентивирусную инфекцию 27–29 или электропорацию, 30 , а также специфический сайт-направленный мутагенез с использованием CRISPR Техника редактирования гена Cas9. 31 После применения определенной техники генетической модификации культуры органоидов могут быть восстановлены клонально из одноклеточных суспензий отсортированных стволовых клеток 1,2 или целых диссоциированных органоидов, что позволяет изолировать желаемый генетический вариант для дальнейшего размножения в 3D культура. Для модели кишечника мышей это дает значительное преимущество по времени и энергии, необходимым для создания особой линии мышей с нокаутом. Для модели кишечника человека способность манипулировать генетическим составом клеток in vitro дает возможность осуществлять такой уровень контроля над генетическим составом модели, который в противном случае был бы невозможен с использованием традиционных методов первичной клеточной культуры или иммортализованных клеточных линий. .

В дополнение к их совместимости с прямой генетической манипуляцией in vitro, культуры органоидов также являются высокоинформативным способом изучения ранее существовавших моделей нокаута для исследования механизмов конкретных клеточных процессов или патологий болезней.

Биобанки

Культуры кишечных органоидов обладают высокой проходимостью, сохраняя при этом замечательный уровень генетической и фенотипической стабильности. 32 Однако иногда бывает выгодно создать статическую библиотеку органоидных культур путем криоконсервации культур. Это особенно верно в контексте создания криоконсервированных библиотек органоидов, полученных от пациентов, которые сохраняют свойства исходной культуры и могут использоваться в таких приложениях, как доклинический скрининг эффективности лекарств. 23 Размороженные клетки обычно имеют короткий период восстановления (от одного до двух пассажей), в течение которого они демонстрируют пониженную скорость роста, а после этого они возобновляют динамику роста до замораживания.

Системы совместного выращивания

Возможность изучать взаимодействие эпителиальных клеток, которые образуют основу системы культивирования органоидов кишечника, с другими специфическими типами клеток, которые могут быть введены в систему культивирования, составляет еще одно существенное преимущество системы модельных органоидов. Выделение эпителия (или эпителия с ассоциированной мезенхимой в случае органоидов, происходящих от hPSC) от других систем организма в системе органоидной культуры представляет собой преимущество с точки зрения экспериментальной специфичности, но также и ограничение в отношении исследования специфических взаимодействий между этим эпителием и другие аутологичные или чужеродные клетки.Эта проблема решается путем постоянного развития новых систем совместного культивирования органоидов кишечника с различными другими типами клеток. Органоиды кишечника культивировали с иммунными клетками 10,11,33 путем введения неэпителиальных клеток во внеклеточный матрикс, поддерживающий культуру органоидов, таким образом воспроизводя взаимодействия, которые, как ожидается, будут иметь место на базолатеральной стороне эпителия. Функциональная кишечная нервная система также была создана посредством совместного культивирования органоидов, полученных из hPSC, и клеток нервного гребня, что позволило создать модель, позволяющую изучать нарушения моторики желудочно-кишечного тракта человека. 34 Точно так же живые бактерии были введены в просвет органоидных культур посредством микроинъекции для моделирования взаимодействий, которые происходят на апикальной стороне эпителия in vivo. 12–14 Органоиды также прошли валидацию в качестве модельных систем вирусной инфекции. 15,16

Аппликации органоидов кишечника

Клеточная биология

Корни системы органоидной культуры лежат в сообществе биологов развития.В то время как эта область исследований сообщала о факторах, необходимых для разработки систем моделей органоидных культур, кишечные органоидные культуры теперь возвращают ценную информацию о траектории развития ткани, для моделирования которой они были разработаны. 35 Это особенно верно для органоидов кишечника, происходящих из hPSC, которые следуют общим путям развития кишечника во время своего становления 3 и поддерживают фенотип, подобный эмбриональному, в культуре органоидов. 36 Большая полезность органоидных культур в этом контексте отчасти заключается в легком доступе к континууму временных точек развития, что резко контрастирует с тем, что в других случаях доступно в отношении человеческих образцов.

Возможно, наиболее очевидное применение культур органоидов кишечника - это in vitro модельная система кишечного эпителия. Поскольку обе эти культуры включают все типы эпителиальных клеток, присутствующих в ткани in vivo, и воспроизводят многие, если не большую часть динамики внутри- и внутриэпителиальных клеток, которые происходят in vivo, культуры органоидов кишечника представляют собой ценный экспериментальный инструмент для исследования эпителия кишечника. клеточная биология. Таким образом, эта модельная система in vitro недавно была использована для исследования регенерации кишечника, 37,38 ниша стволовых клеток кишечника, 39–44 воспаление кишечника, 9,45–48 частота мутаций стволовых клеток кишечника 49 и функции терминально дифференцированных эпителиальных клеток кишечника (например,чувствительность к питательным веществам и секреция гормонов). 50–52

Органоиды кишечника, в частности, среди систем культивирования органоидов, также имеют применение вне тканеспецифических биологических процессов и условий. Это происходит из-за активной популяции стволовых клеток и, как следствие, высокого обновления кишечного эпителия по сравнению со многими другими тканями. Активная природа ниши кишечных стволовых клеток дает ей большую полезность в качестве модельной системы для исследования более общих вопросов, касающихся биологии взрослых стволовых клеток или биологии эпителиальных клеток.Конкретные примеры применений, которые эта технология применялась недавно, включают исследование общих механизмов пролиферации взрослых стволовых клеток и рака, 53 механизмов деградации белков, 54 и поляризации эпителия. 55

Моделирование заболеваний

Культуры кишечных органоидов в настоящее время используются для моделирования кишечных заболеваний, а также заболеваний эпителия других тканей. Например, органоиды, выращенные у пациентов, несущих мутации в гене миозина 5b, могут быть использованы в качестве модели болезни включения микроворсинок (MVID), которая приводит к неправильной локализации белков на апикальной поверхности кишечного эпителия и поляризации энтероцитов. 8 Эта модель позволила получить органоиды у пациентов, проявляющих симптомы MVID, но не несущих мутаций в гене миозина 5b. При секвенировании эти образцы определили, что ген синтаксина 3 вносит вклад в потерю микроворсинок.

Культуры могут быть получены из соседней здоровой и больной (канцерогенной) ткани, полученной от одного и того же пациента, 23 подход, который позволяет оценивать состояние болезни при одновременном контроле потенциально смешивающих факторов в здоровом специфическом генетическом фоне.Анализ генетического состава этих уникальных опухолей позволяет установить корреляцию между органоидным фенотипом и конкретными комбинациями мутаций. Многочисленные исследования продемонстрировали как обнаружение мутаций в комбинации APC, KRAS, SMAD4 и TP53, 21 , так и использование редактирования генов с помощью системы CRISPR / Cas9 для моделирования последовательности аденома-карцинома. 31

Ободочную кишку также можно использовать для моделирования заболеваний, не специфичных для кишечника, таких как кистозный фиброз, который обычно проявляется в легких в результате мутаций трансмембранного рецептора муковисцидоза (CFTR).Биопсии пациентов, несущих мутации в гене CFTR, не отвечают на анализ набухания органоидов, что позволяет точно идентифицировать такие мутации. 56

Разработка и проверка лекарственных средств

Одним из наиболее многообещающих аспектов исследований с использованием органоидов в качестве модели является возможность скрининга культур, полученных из индивидуальных образцов тканей пациента, на предмет воздействия внешних воздействий. Благодаря быстрому культивированию и возможности увеличения размеров образцов, культивирование органоидов уже использовалось при скрининге конкретных пациентов.Например, ранее упомянутый анализ набухания CFTR, разработанный Бикманом и его коллегами, 56 , который обеспечивает считывание реакции на текущие лекарства или комбинации лекарств, которые улучшают транспорт хлорида через ионные каналы у пациентов с муковисцидозом. В первом испытании анализа набухания CFTR была выявлена ​​комбинация лекарств, способная очистить большую часть слизи, накопившейся в легких пациента, что, таким образом, является доказательством принципиальной схемы эксперимента, которая в настоящее время движется к внедрению в государственные платформы скрининга.

Ключевым аспектом, который все еще оптимизируется в условиях культивирования органоидов, является переход к высокопроизводительному скринингу. Шаги в этом направлении были недавно продемонстрированы разработкой автоматизированной платформы в 384-луночном формате для культур органоидов, полученных из образцов тканей пациентов с раком толстой кишки. 24 Эти органоиды были подвергнуты воздействию различных лекарственных соединений, и анализ был подтвержден на надежность и воспроизводимость, что позволило получить систему, которая обеспечивает большую физиологическую значимость, чем 2D-культуры, без ущерба для способности скрининга.

Взаимный подход направлен на более конкретные методы лечения мутационного состава библиотек образцов пациентов с использованием конкретного препарата. Группа ван Лохуйзена лечила органоидные культуры, полученные с использованием образцов тканей, взятых у 18 пациентов с диагнозом колоректальный рак, с помощью ингибитора EZh3, GSK126. 28 Хотя наблюдались разнообразные ответы, были обнаружены ассоциации с ATRX и PAX2, а также корреляция с экспрессией BIK и Nutlin-3A.Эти результаты демонстрируют возможность апстрима фармацевтических разработок на основе скрининга библиотеки органоидов пациентов.

Перспективы органоидов кишечника

После недавнего открытия, что кишечные стволовые клетки могут создавать органоидные структуры, повторяющие кишечник млекопитающих, исследовательское сообщество быстро приняло эту органоидную модель. Такому быстрому принятию органоидов в качестве инструмента исследования способствовали два ключевых аспекта: физиологическое значение для кишечника и усовершенствования по сравнению с традиционными двумерными системами культивирования.Для трансляционных исследований органоиды обеспечивают возможность высокопроизводительного анализа образцов от отдельных пациентов, устраняя разрыв между фундаментальными исследованиями и точной медициной. Возможность создания образцов для маркерного или геномного анализа, а также для лечения лекарственными средствами или небольшими молекулами возможна в одном и том же экспериментальном дизайне.

Эти культуры также обещают расширить понимание базовой биологии стволовых клеток, что станет необходимым дополнением к трансляционным исследованиям.По самой природе системы культивирования ранние деления стволовых клеток и формирование тканей будут доступны для экспериментального анализа и манипуляции посредством редактирования гена CRISPR / Cas9.

По мере создания большего количества систем на основе органоидов становится возможным объединение нескольких конкретных типов клеток в одни и те же органоиды. Такое совместное культивирование позволит идентифицировать специфические роли каждой ниши компонентных стволовых клеток, а также кооперативные и необходимые роли отдельных систем.

Области применения системы органоидных культур продолжают расширяться, и по мере их расширения наше понимание сложных взаимодействий органов, составляющих человеческое тело, механизмов, которые не работают при определенных заболеваниях, и способности быстро лечить пациентов с этими заболеваниями. .

.

Смотрите также

MAXCACHE: 0.84MB/0.00054 sec