Биоинженеры перепрограммируют мышцы для борьбы с дегенерацией
Исследователи из Калифорнийского университета в Беркли смогли «повернуть время вспять» для зрелой мышечной ткани, вернув её на более раннюю стадию стволовых клеток для образования новой мышцы. Более того, они показали на мышах, что вновь перепрограммированные мышечные стволовые клетки можно использовать для восстановления повреждённой ткани.
Достижение, описанное в выпуске журнала Chemistry & Biology от 23 сентября, «открывает путь к разработке новых методов лечения для борьбы с дегенерацией мышц, связанной с мышечной дистрофией или старением», — заявила главный исследователь проекта Ирина Конбой.
Скелетная мышечная ткань состоит из удлинённых пучков миофибрилл — это отдельные мышечные клетки (миобласты), которые слились вместе. Это слияние считается завершающим этапом дифференцировки скелетных мышц.
«Формирование мышцы рассматривалось как путешествие в один конец: от стволовых клеток к миобластам и мышечному волокну. Но нам удалось заставить многоядерное мышечное волокно повернуть вспять и разделиться на отдельные миобласты», — сказала Конбой. — «Мы добились этого, подвергая ткань воздействию низкомолекулярных ингибиторов, а не изменяя геном клетки».
Не все стволовые клетки одинаковы
Текущие исследования методов лечения на основе плюрипотентных клеток — типа стволовых клеток, способных превращаться в любой тип взрослой клетки, — сталкиваются с трудностями. Плюрипотентные клетки могут быть получены либо из эмбриональной ткани (спорный источник), либо из взрослых дифференцированных клеток, которые были возвращены в эмбрионоподобное состояние. Последняя техника производит индуцированные плюрипотентные стволовые клетки (iPS) путём доставки специфических генов.
Плюрипотентные стволовые клетки могут делиться почти бесконечно и, если их не направить к определённому типу органа, быстро образуют тератомы — опухоли, содержащие смесь незрелых деформированных тканей. Это серьёзный недостаток использования трансплантации iPS-клеток.
«Самая большая проблема как с эмбриональными, так и с iPS-клетками заключается в том, что даже одна недифференцированная плюрипотентная клетка может размножаться in vivo и давать начало опухолям», — сказала ведущий автор исследования Прети Паливал. — «Важно, что перепрограммированные мышечные стволовые клетки-предшественники не образуют опухолей при трансплантации в мышцу in vivo».
В отличие от плюрипотентных стволовых клеток, взрослые органоспецифические стволовые клетки имеют заданную судьбу. Клетки-предшественники мышц предназначены для превращения в мышечную ткань, клетки-предшественники печени — только в ткань печени и так далее.
«Кроме того, трудно дифференцировать эти эмбрионоподобные клетки в функциональную взрослую ткань, такую как кровь, мозг или мышцы», — сказала Паливал. — «Поэтому вместо того, чтобы возвращаться к плюрипотентной стадии, мы сосредоточились на стадии клеток-предшественников, которые уже запрограммированы на формирование скелетных мышц и могут как делиться, так и расти в культуре».
Использование молекулярных сигналов для перемотки времени назад
Клетки-предшественники мышц (сателлитные клетки) обычно находятся рядом со зрелыми миофибриллами. Они остаются в спящем состоянии, пока их не призовут к действию для восстановления и построения новой мышечной ткани.
Однако этот процесс восстановления истощается у людей с мышечной дистрофией Дюшенна — генетическим заболеванием, при котором мышцы дегенерируют из-за дефектного структурного белка и последующего истощения мышечных стволовых клеток.
Чтобы заставить многоядерное мышечное волокно повернуть вспять, исследователи подвергли дифференцированную мышечную ткань воздействию ингибиторов тирозинфосфатазы, что дало сигнал зрелым клеткам снова начать делиться.
«Воздействие на миофибриллы этим ингибитором передаёт сигналы к делению клеток, но это может быть слишком резким изменением для них», — сказала Паливал. — «Если вы просто прикажете им делиться, многие из них начинают умирать».
Чтобы решить эту проблему, исследователи также использовали ингибитор апоптоза (гибели клеток). «Мы, по сути, промыли клеткам мозги, чтобы они вошли в клеточный цикл, делились и при этом не умирали», — сказала Паливал.
Конбой отметила, что использование молекулярных ингибиторов для дедифференцировки зрелой ткани — это востребованное применение в области стволовых клеток.
«Эти крошечные химические вещества проникают внутрь клетки и меняют её поведение, не изменяя её геном», — сказала она. — «Ингибиторы использовались только в течение 48 часов, достаточно, чтобы слившиеся миофибриллы разделились на отдельные клетки, а затем их смывали. Нет риска, что они начнут бесконтрольно делиться и превратятся в опухоли».
Новым перепрограммированным клеткам дали «светящуюся» оценку
Чтобы доказать, что полученные миобласты произошли именно из зрелой мышечной ткани, а не из немногих сателлитных клеток, исследователи генетически пометили слившиеся миофибриллы белком, излучающим зелёный флуоресцентный свет. Таким образом, миобласты, светящиеся зелёным, могли произойти только из дифференцированной миофибриллы.
Чтобы проверить жизнеспособность новых миобластов, исследователи сначала культивировали их в лаборатории, показав, что они могут нормально расти, размножаться и сливаться в новые миофибриллы. Затем исследователи ввели дедифференцированные миобласты живым мышам с повреждёнными мышцами.
«Через две-три недели мы проверили мышцу и увидели новые мышечные волокна, светящиеся зелёным. Это доказало, что клетки-предшественники, полученные нами из зрелой мышечной ткани, способствовали восстановлению мышц in vivo у мышей», — сказала Паливал.
Следующие шаги включают тестирование процесса на человеческой мышечной ткани и скрининг других молекулярных соединений, которые могут помочь дедифференцировать зрелую ткань.
«Этот подход будет работать не для всех дегенеративных заболеваний», — сказала Конбой. — «Он может сработать для некоторых болезней или состояний, где мы можем начать с дифференцированной ткани, например, нейронов или клеток печени. Но у пациентов с диабетом I типа, например, отсутствуют бета-клетки поджелудочной железы, вырабатывающие инсулин, поэтому нет функциональной дифференцированной ткани для старта. Наш подход не является заменой плюрипотентных клеток, но это дополнительный инструмент в арсенале терапии стволовыми клетками».