Прозрачные рыбки и новый метод визуализации позволили детально изучить кроветворные стволовые клетки

Впервые исследователи смогли получить детальное изображение одиночных кроветворных стволовых клеток благодаря сочетанию методов микроскопии и использованию рыбки данио-рерио.

Учёные из Университета Висконсин-Мэдисон и Калифорнийского университета в Сан-Диего разработали метод, позволяющий отследить одиночную кроветворную стволовую клетку в живом организме, а затем описать её ультраструктуру с помощью электронной микроскопии. Эта новая техника поможет в разработке терапии заболеваний крови и рака.

"В настоящее время мы изучаем стволовые клетки в тканях с ограниченным набором маркеров и при низком разрешении, упуская огромный пласт информации", — говорит Оуэн Тамплин, соавтор исследования, опубликованного 9 августа в eLife.

Новый взгляд на нишу

Ниша — это микроокружение в тканях, например, в костном мозге, где находятся кроветворные стволовые клетки, поддерживающие систему крови. В нише каждую секунду происходят специализированные взаимодействия между стволовыми клетками и соседними клетками, но их сложно отследить и они плохо изучены.

Тамплин и его соавтор Марк Эллисман разработали способ интеграции нескольких типов микроскопии для исследования клеточной ниши. Новая методика использует конфокальную микроскопию, рентгеновскую микроскопию и серийную сканирующую электронную микроскопию срезов блока, что позволяет отслеживать ранее неуловимые межклеточные взаимодействия.

"Это позволило нам идентифицировать типы клеток в микроокружении, о взаимодействии которых со стволовыми клетками мы даже не подозревали, что открывает новые направления для исследований", — отмечает Тамплин.

Открытие новых клеток и роль прозрачности

В рамках исследования команда, включая соавторов Собхику Агарвалу и Кёнёна Кима, идентифицировала ганглиозные клетки, позитивные по дофамин-бета-гидроксилазе — ранее не охарактеризованный тип клеток в нише кроветворных стволовых клеток. Понимание роли нейротрансмиттеров, таких как дофамин, в регуляции этих клеток может привести к улучшению терапии.

"Трансплантированные кроветворные стволовые клетки используются как лечебная терапия при многих заболеваниях крови и раке, но они очень редки и их трудно локализовать в живом организме", — объясняет Тамплин.

Прозрачные личинки рыбки данио-рерио предоставляют уникальную возможность легче наблюдать за внутренними процессами в нише. "У млекопитающих кроветворные стволовые клетки развиваются внутриутробно в костном мозге, что делает практически невозможным наблюдение за этими событиями в реальном времени. С данио вы можете видеть, как стволовая клетка прибывает с током крови, находит нишу, прикрепляется к ней и внедряется туда".

Многоступенчатая методика визуализации

Для детализации таких мелких клеток требуется специализированная визуализация. Учёные потратили более шести лет на совершенствование техник.

1. Сначала одиночные флуоресцентно меченые стволовые клетки идентифицировали с помощью светлопольной или конфокальной микроскопии.
2. Затем тот же образец обрабатывали для серийной сканирующей электронной микроскопии срезов блока.
3. После этого трёхмерные наборы данных световой и электронной микроскопии совмещали.

Пересекая эти разные методы визуализации, можно увидеть ультраструктуру одиночных редких клеток глубоко в ткани и найти все окружающие их нишевые клетки.

Перспективы применения

Тамплин надеется, что этот подход можно будет использовать для многих других типов стволовых клеток (в кишечнике, лёгких, микроокружении опухоли), где редкие клетки необходимо характеризовать с нанометровым разрешением.

"Мы генерируем все наши кроветворные стволовые клетки во время эмбрионального развития. Несколько сотен или тысяч этих клеток впоследствии производят сотни миллиардов новых клеток крови каждый день на протяжении всей жизни организма", — говорит Тамплин. — "Но мы очень мало знаем о том, как стволовые клетки впервые находят свой "дом" в нише, где они будут находиться всю оставшуюся жизнь организма. Это исследование поможет нам понять, как ведут и функционируют стволовые клетки. Лучшее понимание их поведения и регуляции окружающими клетками ниши может привести к улучшению клеточной терапии".