Программирование человеческих стволовых клеток по индивидуальному заказу

Индуцированные плюрипотентные стволовые клетки (iPS) обладают потенциалом превращаться в самые разные типы клеток и ткани для тестирования лекарств и клеточной заместительной терапии. Однако «рецепты» такого превращения часто сложны. Исследователи из Центра регенеративных терапий Дрездена (CRTD) при TU Dresden, Гарвардского университета (США) и Боннского университета нашли способ быстро и легко получать из iPS сотни различных клеток с помощью факторов транскрипции, включая нейроны, клетки соединительной ткани и кровеносных сосудов. Ресурсом факторов транскрипции можно воспользоваться через некоммерческую организацию Addgene. Результаты опубликованы в журнале Nature Biotechnology.

Учёные использовали человеческие iPS-клетки, перепрограммированные из клеток соединительной ткани в квазиэмбриональное состояние. В принципе, из iPS можно получить любые дифференцированные клетки, но каждый рецепт индивидуален. Большинство протоколов дифференцировки трудоёмки и сложны. Невозможно получить разные типы клеток из iPS одновременно и контролируемо в одной культуре.

Вместе с командой из Гарвардского университета, TU Dresden и Боннского университета исследователи заменили сложные процедуры простыми «рецептами». В ходе крупномасштабного скрининга они обнаружили 290 ДНК-связывающих белков, которые быстро и эффективно перепрограммируют стволовые клетки в целевые. Учёные показали, что в каждом случае достаточно всего одного фактора транскрипции, чтобы получить из стволовых клеток дифференцированные нейроны, клетки соединительной ткани, кровеносных сосудов и глиальные клетки всего за четыре дня.

Генетический коммутатор для дифференцировки стволовых клеток

Используя автоматизированные процедуры, исследователи вводили последовательность ДНК для соответствующего фактора транскрипции и других контрольных элементов в геном стволовой клетки. Факторы транскрипции можно было активировать добавлением малой молекулы, в результате часть трансгенных стволовых клеток превращалась в дифференцированные. Затем с помощью клеточных маркеров можно было отличить и автоматически отсортировать стволовые и дифференцированные клетки. Учёные исследовали, насколько количество определённого фактора транскрипции в дифференцированных клетках отличается от его количества в стволовых. Чем больше разница, тем важнее, по-видимому, соответствующий фактор транскрипции для превращения iPS в дифференцированные клетки.

Этим методом команда протестировала в общей сложности 1732 потенциальных фактора транскрипции на трёх разных линиях стволовых клеток. Исследователи обнаружили эффект у 290 различных факторов транскрипции, которые заставляли iPS превращаться в дифференцированные клетки. Это новая территория, поскольку свойство программирования iPS для 241 из обнаруженных факторов транскрипции ранее было неизвестно. На примере нейронов, клеток соединительной ткани, кровеносных сосудов и глиальных клеток исследователи провели различные тесты, показавшие, что преобразованные клетки очень похожи на клетки человеческого тела по своей функциональной способности.

Результаты открывают новые возможности для исследований

Преимущество выявленных факторов транскрипции в том, что они способны преобразовывать iPS в клетки тела особенно быстро и легко, и их потенциально можно использовать и для формирования более сложных тканей. То, что занимало недели или даже месяцы, теперь происходит за дни. Вместо дорогостоящих и трудоёмких протоколов достаточно одного фактора транскрипции для «попаданий», выявленных при массовом скрининге.

Разнообразие, простота и скорость программирования стволовых клеток с помощью факторов транскрипции делает исследования стволовых клеток возможными в больших масштабах. Во всём мире уже 50 других групп работают с программируемыми линиями стволовых клеток и библиотекой факторов транскрипции. Ведущие авторы Алекс Х.М. Нг и Парасту Хошаклаг из Гарвардского университета основали стартап GC Therapeutics в Кембридже (США), который предоставляет программируемые стволовые клетки с индивидуальными, интегрированными факторами транскрипции.

Сотрудничество между разными исследовательскими институтами было очень успешным, потому что разные дисциплины хорошо дополняли и связывали друг друга. Исследователи во всём мире теперь могут использовать ресурс факторов транскрипции, доступный через некоммерческую организацию Addgene.

Как специалист по дегенеративным заболеваниям сетчатки, исследователи видят большой потенциал технологии стволовых клеток в офтальмологии. При заболеваниях, при которых дегенерирует сетчатка, например, возрастной макулодистрофии (ВМД), есть надежда, что когда-нибудь можно будет заменить поражённые фоторецепторы с помощью конверсии iPS. Работа ведётся в этом направлении.