Учёные выяснили, что физическое воздействие на зрелую клетку может превратить её в стволовую

Недавние исследования показали, что зрелые клетки могут быть перепрограммированы в стволовые клетки без прямой генетической модификации, достаточно физически ограничить их в пространстве и они самостоятельно вернуться в изначальное состояние, т. е. превратятся в стволовые.

Схема, показывающая рост сферического скопления стволовых клеток из зрелой клетки на замкнутом субстрате. Клетки фибробластов, которые приурочены к прямоугольным областям и имеют возможность расти в течение 10 дней, образуют сферические скопления клеток. При конфайнменте специфические геномные маркеры, обычно ассоциированные со зрелыми фибробластами, терялись к шестым суткам, а к 10-м суткам клетки экспрессировали гены, обычно ассоциированные с эмбриональными стволовыми клетками и iPSC.

Стволовые клетки — это чистый лист, на котором построены все специализированные клетки в наших телах, и они являются основой для каждого органа и ткани в организме.

Недавние исследования, проведенные профессором Г. В. Шивашанкаром из Института механобиологии (MBI) в Национальном университете Сингапура (NUS) и Институтом молекулярной онкологии (IFOM) в Италии, показали, что зрелые клетки могут быть перепрограммированы в повторно развертываемые стволовые клетки без прямой генетической модификации — путем ограничения их на определенное геометрическое пространство в течение длительного периода времени.

«Наше исследование позволит открыть новое поколение технологий по созданию стволовых клеток для тканевой инженерии и регенеративной медицины, которые могут преодолеть негативные последствия генетических манипуляций», — сказал профессор Шивашанкар.

Прошло более десяти лет с того момента, как учёные впервые в лабораторных условиях смогли перепрограммировать зрелые клетки в плюрипотентные стволовые клетки, которые способны развиться в любой тип клеток в организме. В этих ранних исследованиях учёные генетически модифицировали зрелые клетки, вводя внешние факторы, которые перезапускают геномные программы клеток, по существу поворачивая «поворачивая время вспять» и возвращая их в недифференцированное или неспециализированное состояние. Полученные лабораторные клетки, известные как индуцированные плюрипотентные стволовые клетки (iPSC), затем могут быть запрограммированы на различные типы клеток для использования при восстановлении тканей, открытии лекарств и даже для выращивания новых органов для трансплантации. Важно отметить, что эти клетки не нужно собирать из эмбрионов.

Однако, основным препятствием широкого использования прежней технологии является высокий риск для специализированной клетки, которая развивалась из iPSC, образовать опухоль после введения в организм.

В новых исследованиях учёные сконцентрировали своё внимание на того, как дифференцировка и рост стволовых клеток регулируются в организме, и, в частности, как клетки естественным образом возвращаются к незрелому состоянию стволовых клеток или преобразуются в другой тип клеток во время развития или в поддержании тканей.

Команда исследователей Шивашанкара показала, что зрелые клетки можно перепрограммировать in vitro в плюрипотентные стволовые клетки без генетической модификации зрелых клеток, просто ограничивая клетки определенной областью роста.

Когда клетки фибробластов (тип зрелой клетки, обнаруженной в соединительной ткани, такой как сухожилия и связки) были ограничены прямоугольными областями, они быстро приняли форму субстрата (поверхности или среды, к которым прикреплены клетки). Основываясь на предыдущей работе лаборатории Шивашанкара, это указывало на то, что клетки измеряли и реагировали на физические свойства окружающей среды и передавали эту информацию в ядро, где адаптация ДНК и программы генома соответствовали бы соответствующим образом.

Клетки росли в течение 10 дней, пока не образовались сферические скопления клеток. Генетический анализ в этих кластерах показал, что специфические характеристики хроматина (конденсированная форма упакованной ДНК), обычно связанные с зрелыми фибробластами, были утрачены к шестому дню. К 10-му дню клетки экспрессировали гены, обычно связанные с эмбриональными стволовыми клетками и iPSC. Исследователи теперь узнали, что, ограничивая зрелые клетки в течение длительного периода времени, зрелые фибробласты могут быть превращены в плюрипотентные стволовые клетки.

Чтобы подтвердить, что фибробласты действительно были перепрограммированы в стволовые клетки, исследователи затем направили их рост на два разных специализированных типа клеток. Некоторые клетки также были направлены назад в фибробласты.

Физические параметры, используемые в исследовании, отражают переходные геометрические ограничения, которым клетки могут подвергаться в организме. Например, во время развития создание геометрических узоров и ниш имеет важное значение для формирования функциональных тканей и органов. Точно так же, когда ткань повреждается, либо через ушиб, либо в результате болезни, клетки будут испытывать внезапные изменения в окружающей их среде. В каждом случае зрелые клетки могут вернуться обратно в плюрипотентное состояние, подобное стволовым клеткам, перед тем как быть перераспределены как специализированные клетки для ремонта или поддержания ткани.

«Хотя хорошо известно, что ограничение стволовых клеток на определенные геометрические закономерности и свойства субстрата может направлять их дифференциацию в специализированные клетки, это исследование впервые показывает, что механические сигналы могут сбросить геномные программы зрелых клеток и вернуть их в плюрипотентное состояние, — объяснил профессор Шивашанкар.

Он добавил: «Использование геометрических ограничений для перепрограммирования зрелых клеток может лучше отражать процесс, происходящий естественным образом в организме. Более того, наши результаты позволяют исследователям генерировать стволовые клетки из зрелых клеток с высокой эффективностью и без генетической модификации».

Источник: ScienceDaily