Используя новую методику на клетках мышей, исследователи увеличили количество стволовых клеток, получаемых из клеток кожи, более чем в 20 раз по сравнению со стандартным способом. Считая свою методику эффективной и надежной, они надеются, что она придаст новый импульс исследованиям, направленным на использование стволовых клеток для выращивания различных типов биологической ткани.
«Значительное повышение эффективности дает нам возможность изучать механизмы программирования стволовых клеток на более глубоком уровне», - говорит руководитель исследования Маттиас Штадтфельд (Matthias Stadtfeld), PhD, доцент кафедры клеточной биологии и научный сотрудник Института биомолекулярной медицины Скирболла (Skirball Institute of Biomolecular Medicine) и Центра биологии стволовых клеток Киммелов (Helen L. and Martin S. Kimmel Center for Stem Cell Biology) Медицинского центра имени Лангонов Нью-Йоркского университета.
О возможности перепрограммирования клеток кожи, крови или других тканеспецифических клеток в так называемые индуцированные плюрипотентные стволовые клетки(ИПСК) мир узнал в 2006 году. Это удалось японскому ученому Шинья Яманака (Shinya Yamanaka) из Киотского университета (Kyoto University), впоследствии получившему за свое достижение Нобелевскую премию. Метод Яманака основан на искусственной экспрессии четырех ключевых генов (Oct4, Klf4, Sox2 и Myc), вместе называемых OKSM. Совместная активность этого квартета медленно подталкивает клетки к незрелому состоянию, близкому к состоянию клеток раннего эмбриона.
Теоретически можно взять клетки конкретного человека, перепрограммировать их в ИПСК, размножить ИПСК в лаборатории и индуцировать их трансформацию в желаемый тип клеток, например, в клетки крови, мозга или сердца. Такие клетки можно использовать для восстановления травмированных или больных тканей этого же человека.
Но на практике ученые сталкиваются с множеством серьезных технических препятствий, среди которых низкая эффективность используемых в настоящее время протоколов. В стабильные ИПСК перепрограммируется 1 или менее процентов клеток большинства типов, и этот процесс может занять несколько недель.
Колония индуцированных плюрипотентных стволовых клеток, полученных с помощью новой методики из одной зрелой иммунной клетки.
(Фото: Laboratory of Matthias Stadtfeld at NYU Langone Medical center)
Лаборатории всего мира ищут способы повысить эффективность перепрограммирования, и в некоторых случаях им удается достичь значительных успехов. Однако эти процедуры часто затрагивают жизненно важные гены, что делает основанные на таких клетках методы терапии далеко небезопасными. Доктор Штадтфельд и его лаборатория решили выбрать менее инвазивный подход и изучить химические соединения, временно модулирующие ферменты, присутствующие в большинстве клеток.
Два из этих соединений влияют на известные сигнальные пути - Wnt и TGF-β, - регулирующие множество процессов, связанных с клеточным ростом. Третье - витамин С, или аскорбиновая кислота. Наиболее известный как мощный антиоксидант, витамин С, как недавно установлено, помогает в индукции ИПСК путем активации ферментов, ремоделирующих хроматин - спиральный каркас ДНК, - влияя тем самым на экспрессию генов.
Доктор Штадтфельд и его коллеги начали эксперименты с мышиных фибробластов кожи - наиболее распространенного типа клеток, используемых для изучения ИПСК. Добавление к генномодифицированным фибробластам, экспрессирующим OKSM, либо витамина С, либо соединения, активирующего Wnt-сигналинг, либо соединения, ингибирующего сигналинг TGF-β, повышало эффективность получения ИПСК до примерно 1 процента за неделю культивирования клеток. Добавление любых двух из этих соединений давало лучший результат. Но сочетание всех трех повышало эффективность до 80 процентов за тот же период времени.
В другой серии экспериментов исследователи работали с клетками-предшественниками крови. Генный коктейль OKSM, взятый в чистом виде, может медленно преобразовать эти клетки в стволовые с КПД до 30 процентов. Использование OKSM вместе с тремя соединениями подняло эффективность почти до 100 процентов менее чем за неделю. Почти 100-процентная эффективность была достигнута и в экспериментах с клетками-предшественниками печени мышей.
Витамин С и два соединения, используемые для манипулирования путями Wnt и TGF-β, хорошо изучены и, по мнению исследователей, не могут обладать многими неизвестными или опасными эффектами. В противоположность этому использование OKSM в некоторых случаях является причиной нежелательных свойств ИПСК, приводящих, например, к порокам развития.
«Это очень значительное достижение», - считает Рут Леманн (Ruth Lehmann), PhD, директор Центра Киммелов и Института Скирболла, заведующий кафедрой клеточной биологии. «Разработанная в лаборатории Штадтфельда новая методика эффективного перепрограммирования дифференцированных клеток как никогда ранее приближает нас к методам их безопасного использования в регенеративной медицине».
