Исследователи создали способ направлять и контролировать развитие стволовых клеток в определенные ткани и органы, открывая путь к разработке средства, которое однажды поможет справиться со сложными заболеваниями, такими как диабет и болезнь Паркинсона.
Можно утверждать, что стволовые клетки представляют собой будущее здравоохранения и медицинских исследований. Имея потенциал для открытия возможностей для исцеления, понимания и инноваций способами, которые не могут традиционные подходы, они являются основой для того, как можно лечить и предотвращать заболевания, а также для будущего.
Теперь исследователи из Университета медицинских наук Cedars-Sinai и Калифорнийского университета в Сан-Франциско (UCSF) продвинулись дальше в разработке стволовых клеток. Их сотрудничество привело к созданию сконструированных клеток, называемых «синтетическими организаторами», которые передают инструкции стволовым клеткам, сообщая им, как вырасти в определенные ткани и органы.
«Мы можем использовать эти синтетические организаторы, чтобы подтолкнуть стволовые клетки к созданию различных частей раннего эмбриона или к созданию сердца или других органов», — сказал Офир Кляйн, доктор медицины, доктор философии, член Института регенеративной медицины Cedars-Sinai, директор Института генетики человека Калифорнийского университета в Сан-Франциско и соавтор исследования.
Предыдущие исследования показали, что некоторые клетки, присутствующие на очень раннем этапе развития, могут действовать как организаторы или сигнализаторы для in vitroЭмбрионы. Эти клетки организуются вокруг стволовых клеток, снабжая их инструкциями для развития. Имея это в виду, исследователи выдвинули гипотезу: если бы они сконструировали версию этих организующих клеток, они могли бы лучше направлять развитие in vitro.
Исследователи взяли нативные и синтетические молекулы клеточной адгезии (CAM), белки, которые помогают клеткам прилипать друг к другу и к окружающей среде, и сконструировали клетки-организаторы, которые самоорганизовались вокруг эмбриональных стволовых клеток мыши (mESC) в настраиваемых архитектурах. Затем они сконструировали клетки для производства определенных сигнальных молекул, называемых морфогенами.
Морфогены играют ключевую роль в развитии клеток. Они определяют судьбу клетки на основе своей концентрации. Когда морфогены распространяются от источника, они образуют градиенты — области высокой концентрации ближе к источнику и более низкой концентрации дальше. Клетки «считывают» эти градиенты, чтобы выяснить свое положение и роль в развивающейся ткани. Например, высокие уровни могут сообщать клетке стать нервной клеткой, средние уровни сообщать ей стать клеткой кожи, а низкие уровни могут сообщать клетке стать соединительной тканью.
Организационные клетки были сконструированы для экспрессии морфогена Wingless-related integration site 3A (WNT3A) и его антагониста Dickkopf-1 (DKK1) в разных градиентах. Это позволило исследователям изучить, как изменение градиента направляло эмбриоид — совокупность эмбриональных стволовых клеток — к разным результатам. Они побудили стволовые клетки начать формировать тело мыши от головы до хвоста, подобно тому, как эмбрион развивается в утробе матери. В отдельном эксперименте они приказали стволовым клеткам сформировать бьющуюся, похожую на сердце структуру с центральной камерой и сетью кровеносных сосудов.
«Этот тип синтетической платформы организующих клеток обеспечивает новый способ взаимодействия со стволовыми клетками и программирования того, во что они развиваются», — сказал Венделл Лим, доктор философии, другой автор-корреспондент исследования и профессор клеточной и молекулярной фармакологии в Калифорнийском университете в Сан-Франциско. «Контролируя и изменяя то, как стволовые клетки дифференцируются и развиваются, это может позволить нам выращивать лучшие органы для трансплантации органоидов для моделирования заболеваний и в конечном итоге использовать их для стимулирования регенерации тканей у живых пациентов».
Сконструированные организующие клетки также были оснащены химическим переключателем, который позволял исследователям включать и выключать доставку клеточных инструкций, а также «переключателем самоубийства» для устранения клеток при необходимости.
«Эти синтетические организаторы показывают, что мы можем предоставить более совершенные инструкции по развитию стволовых клеток, проектируя, где и когда подаются определенные сигналы морфогена», — сказал Лим. «Клетки-организаторы несут как пространственную, так и биохимическую информацию, тем самым давая нам невероятный уровень контроля, которого у нас не было раньше».
Подобная технология имеет потенциал привести к колоссальным реальным применениям в регенеративной медицине, персонализированной медицине, разработке и тестировании лекарств, более глубокому пониманию развития человека и лечению хронических и генетических заболеваний.
«Замечательная наука программирования инструкций для привлечения стволовых клеток может однажды открыть дверь для борьбы со сложными заболеваниями», — сказал Кляйн. «Мы могли бы создавать определенные типы клеток, например, бета-клетки для производства инсулина или нейроны для лечения болезни Паркинсона, в контексте большого куска ткани или даже целого органа. Эта работа открывает много новых и захватывающих возможностей».
Исследование было опубликовано в журнале Cell.
