Новый биоинженерный подход: крошечные клеточные паттерны раскрывают развитие и болезнь

Ученые давно знают, что для формирования тканей и органов стволовые клетки мигрируют и дифференцируются в ответ на другие клетки, матрикс и сигналы окружающей среды. Однако об этих процессах развития и о том, как отличить нормальное поведение от патологического, известно мало. Исследователи из Columbia Engineering School разработали новый метод оценки человеческих стволовых клеток с помощью микропаттернинга клеток — простого, но мощного инструмента in vitro. Он позволит изучать инициацию лево-правой асимметрии при формировании тканей, диагностировать заболевания и исследовать факторы, ведущие к некоторым врожденным дефектам.

Исследование под руководством Горданы Вуньяк-Новакович, профессора биомедицинской инженерии, будет опубликовано в онлайн-раннем выпуске Proceedings of the National Academy of Sciences на неделе 27 июня 2011 года.

В 2008 году Лео Ван, постдок из её лаборатории, наносил человеческие клетки на микроскопически маленькие паттерны для изучения контроля формы-силы над функцией клеток. Это помогло понять связь между механическим напряжением внутри клетки и её решениями.

Анализируя видео, документирующие форму клеток на микропаттернах со временем в культуре, исследователи заметили, что популяции клеток на паттернах живут своей жизнью. Эти небольшие сообщества клеток через день-два культивирования начинали направленное движение и формировали хиральное выравнивание, двигаясь в одном направлении в пределах границ. "Постоянство этой модели движения — один и тот же тип клеток всегда выбирал одно направление с чрезвычайно высокой статистической значимостью — было интригующим и заставило нас провести сотни экспериментов", — сказала Вуньяк-Новакович.

Они обнаружили, что направление движения зависит от типа клеток: нормальные клетки и раковые клетки одного типа демонстрируют противоположное направление движения. Механизм установления направленного движения связан с актиновыми стресс-волокнами внутри клетки.

"Что действительно интересно в этой работе, так это то, что она показывает, что клетки могут устанавливать последовательно смещенную асимметрию без помощи крупных эмбриональных структур", — отметила Вуньяк-Новакович. "Наше исследование ясно продемонстрировало, что клетки млекопитающих могут устанавливать и организовывать последовательную асимметрию без ресничек или узла. Это открытие представляет большой интерес для клеточной биологии, биологии развития и биоинженерии стволовых клеток. Использование методов клеточного паттернинга для изучения клеточной асимметрии, или хиральности, совершенно ново и позволяет получить много биологической и медицинской информации, анализируя движение клеток на крошечных паттернах".

Команда планирует расширить исследования в нескольких направлениях:

• Совместно с биологами развития — для более глубокого понимания установления лево-правой асимметрии.
• Совместно с онкобиологами — для оценки способности этой технологии диагностировать заболевания.
• В тканевой инженерии сердца — для паттернинга распространения сигнала в популяциях клеток.

"Мы очень рады разработке этой технологии, которая дает нам представление о маленьком мире клеток таким образом, что это предсказывает их поведение во всем организме", — добавила Вуньяк-Новакович.

Columbia University подал заявку на патент, покрывающий потенциальные коммерческие применения открытия, и через свой офис трансфера технологий ищет партнеров для их разработки.