Биоинженеры заимствуют у электронной промышленности метод для управления формой стволовых клеток

Чтобы понять поведение клеток в организме, биоинженеры создают в лаборатории миниатюрные модели их окружения. Однако воссоздание этой нишевой среды в контролируемых условиях невероятно сложно, поскольку ученые все еще изучают все факторы, влияющие на поведение и рост клеток. Наблюдая и модифицируя свои искусственные мини-модели, исследователи могут точнее определять эти факторы.

Это направление клеточных исследований критически важно для регенеративной медицины, которая занимается заменой или восстановлением поврежденных тканей, часто с использованием стволовых клеток — особой популяции клеток, способной дать начало всем тканям организма. Перед биоинженерами стоит центральный вопрос регенеративной медицины: что заставляет стволовые клетки расти, организовываться и созревать из небольшой популяции в сложные органы?

В поисках ответа исследовательская группа из Института нанобиотехнологий Джонса Хопкинса заимствовала процесс, широко используемый в электронной промышленности, — микропаттернинг, при котором миниатюризация форм увеличивает количество транзисторов на схеме. Команда создала микропаттерны различных форм и, используя машинное обучение, изучила, как ограничение пространства влияет на созревание и организацию стволовых клеток.

Результаты опубликованы в Proceedings of the National Academy of Sciences.

В ходе исследования команда под руководством выпускника INBT Квинтона Смита и постдока Нэша Рочмана поместила человеческие индуцированные плюрипотентные стволовые клетки (hiPSC) в узоры в форме звезд, кругов, треугольников и сердец. Ученые наблюдали, как клетки мигрируют и заполняют эти формы. Интересно, что края паттернов становились плотно упакованными клетками, которые организовывались и созревали иначе, чем клетки в центре, и экспрессировали маркеры-предшественники тканей, таких как сердце, мышцы и кровеносные сосуды. Наблюдение за самоорганизацией в лаборатории было труднодостижимой целью для исследователей в области регенеративной медицины, и этот прорыв дает окно в сложный процесс, происходящий во время развития человека.

Кроме того, команда обнаружила баланс между натяжением клеток и плотностью клеточной популяции. По мере того как клетки скапливались и становились более скученными на краях форм, они испытывали большее напряжение, чем клетки во внутренней части паттерна. Это, по-видимому, запускало самоорганизацию и экспрессию тех предшественников, которые дают начало тканям. При отсутствии клеточного натяжения самоорганизация не происходит, что указывает на важную роль механического ограничения пространства в росте и поведении клеток.

Исследование продвигает одну из главных целей регенеративной медицины — однажды восстанавливать поврежденные ткани, используя собственные клетки пациента. Хотя это лишь один пример, данную технологию можно применять для понимания организации широкого спектра процессов развития тканей. «Нам нужны все эти междисциплинарные подходы, включая биологию, инженерию и компьютерное моделирование, чтобы гарантировать, что стволовые клетки стабильны, функциональны и эффективно дифференцируются, прежде чем использовать источник hiPSC в клинических условиях», — сказал Смит.