Геометрия помогает стволовым клеткам самоорганизоваться
Примерно на седьмой день после зачатия в скоплении клеток, которое в итоге станет новым человеком, происходит замечательный процесс. Клетки начинают специализироваться. Они приобретают характеристики, которые указывают на их будущую судьбу как части кожи, мозга, мышц или любого из примерно 200 типов клеток человека, и начинают формировать отдельные слои.
Хотя этот процесс изучали на животных, а также пытались направлять человеческие эмбриональные стволовые клетки (human embryonic stem cells), заливая их химическими сигналами, до сих пор его не удавалось успешно воспроизвести в лаборатории. Однако команде исследователей под руководством Али Бриванлу, профессора Роберта и Харриет Хайльбрунн и главы Лаборатории биологии стволовых клеток и молекулярной эмбриологии в Университете Рокфеллера, это удалось. Оказалось, что недостающим ингредиентом была геометрия, а не химия.
«Понимание того, что происходит в этот момент, когда отдельные клетки этой массы эмбриональных стволовых клеток впервые начинают специализироваться и организовываться в слои, станет ключом к использованию потенциала регенеративной медицины, — говорит Бриванлу. — Это приближает нас к возможности выращивания органов для замены в чашках Петри и быстрого заживления ран».
В матке человеческие эмбриональные стволовые клетки получают химические сигналы от окружающих тканей, которые побуждают их начать формировать слои — процесс, называемый гаструляцией. Клетки в центре начинают формировать эктодерму (будущие мозг и кожу эмбриона), а те, что мигрируют к периферии, становятся мезодермой и эндодермой, которым суждено стать мышцами, кровью и многими основными органами соответственно.
Бриванлу и его коллеги, включая постдоков Арье Вармфлеша и Бенуа Сорре, а также Эрика Сиггию, ограничили человеческие эмбриональные стволовые клетки, изначально полученные в Рокфеллеровском университете, на крошечных круглых участках («микроузорах») на стеклянных пластинах. Эти участки были химически обработаны так, чтобы колонии не могли расширяться за пределы заданного радиуса. Когда исследователи вводили химические сигналы, стимулирующие начало гаструляции, они обнаружили, что колонии, ограниченные геометрически, формировали эндо-, мезо- и эктодерму и начинали самоорганизовываться так же, как при естественных условиях. Клетки без такого ограничения — нет.
Наблюдая за конкретными молекулярными путями, которые человеческие клетки используют для коммуникации и формирования паттернов во время гаструляции (что раньше было невозможно из-за отсутствия подходящей лабораторной модели), исследователи также выяснили, как работают специфические ингибирующие сигналы. Эти сигналы, генерируемые в ответ на начальные химические стимулы, предотвращают развитие всех клеток в колонии по одному и тому же пути.
Исследование было опубликовано 29 июня в журнале Nature Methods.
«На фундаментальном уровне мы разработали новую модель для изучения того, как человеческие эмбриональные стволовые клетки впервые дифференцируются в отдельные популяции с очень воспроизводимым пространственным порядком, как в эмбрионе, — говорит Вармфлеш. — Теперь мы можем отслеживать отдельные клетки в реальном времени, чтобы выяснить, что заставляет их специализироваться, и начать задавать вопросы о генетической основе этого процесса».
Исследование также имеет прямое значение для биологов, работающих над созданием «чистых» популяций специфических клеток или инженерных тканей, состоящих из нескольких типов клеток, для использования в медицинских целях. «Эти клетки обладают мощной внутренней тенденцией к формированию паттернов по мере развития, — говорит Вармфлеш. — Изменение геометрии колоний может оказаться важным инструментом для направления стволовых клеток к формированию определенных типов клеток или тканей».