Материалы на основе гидрогеля заставили стволовые клетки развиваться как человеческие эмбрионы

Ученые-материаловеды из UNSW Sydney показали, что человеческие плюрипотентные стволовые клетки в лаборатории могут инициировать процесс, напоминающий фазу гаструляции — когда клетки начинают дифференцироваться в новые типы клеток — гораздо раньше, чем это происходит в природе.

У эмбриона, развивающегося в утробе матери, гаструляция происходит на 14-й день. Но в лабораторной чашке Петри в кампусе UNSW Кенсингтон под руководством адъюнкт-профессора Криса Килиана был проведен эксперимент, в котором гаструляция запустилась уже через два дня после культивирования человеческих стволовых клеток в уникальном биоматериале, который, как оказалось, создал условия для имитации этой стадии эмбрионального развития.

"Гаструляция — это ключевой этап, ведущий к формированию плана строения человеческого тела", — говорит адъюнкт-профессор Килиан.

Важность гаструляции

Гаструляция — ключевое событие в развитии эмбриона, когда масса недифференцированных клеток делает первые шаги к формированию человека. Это одна из причин, по которой исследования эмбрионов, оставшихся от ЭКО, запрещены после 14 дней, когда происходит гаструляция.

До сих пор было сложно изучать этот процесс у людей из-за очевидных этических ограничений. Хотя существуют животные модели (например, мыши и рыбки данио), а другие исследователи вызывали гаструляцию in vitro с помощью химических веществ, включая факторы роста, это первый случай, когда только условия культивирования инициировали гаструляцию вне человеческого тела.

"Контроль гаструляции с использованием только материалов предоставит совершенно новый способ изучения развития человека", — говорит Килиан.

Потенциал для медицины

Способность индуцировать гаструляцию в «синтетических» эмбрионах может помочь в создании тканей тела или даже миниатюрных органов (органоидов) на основе генетического кода пациента. Органоиды уже используются для медицинских исследований, например, для тестирования эффективности лекарств, но процесс требует химической стимуляции клеток, что долго и дорого.

Контроль гаструляции с использованием только гидрогелевых материалов для стимуляции естественного процесса может быть более быстрым и экономичным решением.

"Нас действительно воодушевляет потенциал создания терапевтически полезных клеток гораздо быстрее и воспроизводимее", — говорит Килиан.

Этот подход также может революционизировать разработку лекарств, включая методы на основе РНК и CRISPR/Cas9, предоставив более воспроизводимый способ моделирования человеческой ткани в лаборатории.

Секрет успеха — в структуре гидрогеля

Успех команды UNSW заключается в структуре среды, в которую были помещены стволовые клетки. Используя методику, адаптированную из полупроводниковой промышленности, на гидрогеле создаются определенные области для прикрепления клеток. Это сочетание геометрического ограничения и мягкого геля, имитирующего поверхность матки человека, побуждает клетки начать процессы, подобные гаструляции.

"Мы обнаружили, что если поместить плюрипотентные стволовые клетки в очень ограниченную и мягкую среду, это похоже на то, что клетки могут испытывать в матке матери", — говорит Килиан.

Это сильно контрастирует со стандартной практикой, которая заставляет процесс гаструляции с помощью факторов роста и химических добавок на твердых пластиковых или стеклянных поверхностях.

Килиан предостерегает, что, хотя команда обнаружила условия, имитирующие первую стадию гаструляции, процесс, по-видимому, не идет дальше.

"Мы не можем создать человека таким способом. Этот метод демонстрирует только раннюю, но очень важную стадию развития", — говорит он.

Роль случайности в открытии

Как и в большинстве великих научных открытий, сыграла свою роль случайность. Команда не планировала вызывать гаструляцию, когда поместила стволовые клетки на гидрогелевый субстрат.

Ведущий автор доктор Паллави Шривастава была удивлена своими наблюдениями, что привело к смене направления ее проекта и в конечном итоге к этому открытию.

Исследователи надеются продолжить изучение преимуществ своего открытия, чтобы понять, как материалы могут направлять эмбриогенез и последующие процессы.

"Запуск гаструляции — это еще не все. Теперь нам нужно предоставить другие сигналы, чтобы дифференцировка продолжалась", — говорит Килиан.

Обнаружение следующего набора материальных сигналов может позволить создавать практически любую твердую ткань для исследовательских целей и для получения полезных типов клеток для регенеративной медицины.