Механические сигналы перепрограммируют нормальные клеточные линии в стволовые клетки

Ученые из Университета в Буффало и других институтов превратили клетки, обычно используемые в качестве модельных (иммортализованные клетки), в стволовые или, как они их называют, «стволово-подобные» клетки, используя лишь механическое напряжение. Они сделали это без применения потенциально опасных методов, ранее использовавшихся для получения аналогичных результатов.

Исследователи используют термин «стволово-подобные» клетки для описания клеток в тканевой культуре, имеющих многие биохимические маркеры стволовых клеток. Определение того, могут ли они дифференцироваться, станет целью будущих исследований.

Результаты описаны в статье, недавно опубликованной онлайн в Proceedings of the National Academy of Sciences. Исследователи обнаружили, что изменение механического напряжения в нейрональных и других типах клеток в культуре ткани позволяет перепрограммировать их в «стволово-подобные» клетки.

«Нормальные типы клеток в тканевой культуре распластаны и имеют дифференцированные внутренние структуры, но изменение клеточной механики привело к превращению клеток в кластеры сферических клеток, обладающих многими биохимическими маркерами стволовых клеток», — говорит Фредерик Сакс, PhD, заслуженный профессор SUNY и старший автор.

Прогресс в области стволовых клеток стал возможен благодаря разработке генетически закодированного оптического зонда Фаньцзе Мэном, PhD, ведущим автором из UB. Этот зонд измеряет механическое напряжение в актине — основном структурном белке, присутствующем во всех клетках. Актин участвует в мышечном сокращении и множестве клеточных процессов, включая передачу сигналов, форму клеток и их движение.

Зонды для актина предоставят исследователям метод изучения того, как механические силы влияют на живые клетки, ткани, органы и животных в реальном времени.

«Этот зонд позволяет нам впервые измерить напряжение в актине внутри живых клеток, — объясняет Сакс. — Мы наблюдали градиенты напряжения в актиновых филаментах даже в отдельных живых клетках».

«Значительная часть существующей биомеханики должна быть пересмотрена, поскольку многие исследования предполагали, что напряжения однородны, — продолжает Сакс. — Актиновый зонд показал, что напряжение в актиновых волокнах стволовых клеток выше, чем в нормальных клетках. Это было для нас очень неожиданно».

Он добавляет, что хотя роль механики в клеточных процессах хорошо известна, детали плохо изучены из-за отсутствия методов измерения напряжения в специфических белках. Клинически релевантный пример: метастатические раковые клетки (смертоносный вариант) имеют другую механику, чем клетки исходной опухоли.

«Этот зонд позволит исследователям рака лучше понять, что позволяет клеткам становиться метастатическими», — говорит Сакс.

Исследователи из UB создали трансгенных животных (червей и мух), экспрессирующих эти зонды, что демонстрирует их нетоксичность для клеток и возможность изучения в целых организмах.

Ключевое преимущество подхода команды UB — использование механики для перепрограммирования нормальных клеток в стволовые — заключается в отсутствии необходимости применять химические факторы транскрипции, которые могут связываться с определенными последовательностями ДНК и оказаться клинически опасными.

«Использование стволовых клеток в клинике сдерживалось, в частности, необходимостью применения факторов транскрипции, которые могут быть токсичными, — объясняет он. — Возможность получения стволовых клеток просто путем изменения клеточной механики может приблизить терапию стволовыми клетками к клиническому применению».

Стволовые клетки представляют интерес для медицины, поскольку они обладают потенциалом дифференцироваться в любой тип клеток организма, регенерируя и восстанавливая поврежденные ткани.