Физические сигналы помогают зрелым клеткам вернуться в эмбриональное состояние

Биоинженеры из Калифорнийского университета в Беркли показали, что физические сигналы могут заменить некоторые химические вещества при возвращении зрелых клеток в плюрипотентную стадию, способную стать любым типом клеток в организме.

Исследователи выращивали фибробласты — клетки, взятые из человеческой кожи и мышиных ушей — на поверхностях с параллельными бороздками шириной 10 микрометров и высотой 3 микрометра. После двух недель культивирования в специальной среде для репрограммирования зрелых клеток ученые обнаружили четырехкратное увеличение числа клеток, вернувшихся в эмбрионоподобное состояние, по сравнению с клетками, выращенными на плоской поверхности. Аналогичный эффект наблюдался при выращивании клеток в каркасах из нановолокон, выровненных параллельно.

Исследование, опубликованное в журнале Nature Materials, может значительно улучшить процесс репрограммирования взрослых клеток в эмбриональные стволовые клетки, способные дифференцироваться в любой тип ткани.

Нобелевская премия по физиологии и медицине 2012 года была присуждена за открытие возможности репрограммировать клетки с помощью биохимических соединений и белков, регулирующих экспрессию генов. Эти индуцированные плюрипотентные стволовые клетки стали основным инструментом в регенеративной медицине, моделировании заболеваний и скрининге лекарств.

«Наше исследование впервые демонстрирует, что физические свойства биоматериалов могут заменить некоторые из этих биохимических факторов и регулировать память о клеточной идентичности. Мы показываем, что биофизические сигналы могут преобразовываться во внутриклеточные химические сигналы, которые побуждают клетки меняться», — сказал руководитель исследования Сонг Ли.

Текущий процесс репрограммирования клеток основан на использовании вируса для внедрения изменяющих гены белков в зрелые клетки. Для повышения эффективности процесса также используются определенные химические соединения, такие как вальпроевая кислота, которая может сильно влиять на структуру и экспрессию ДНК.

«Проблема текущих методов — низкая эффективность репрограммирования и непредсказуемые долгосрочные эффекты некоторых генетических или химических манипуляций. Например, вальпроевая кислота — мощное химическое вещество, которое резко изменяет эпигенетическое состояние клетки и может вызывать непреднамеренные изменения», — отметил ведущий автор Тимоти Даунинг.

Новое исследование показало, что культивирование клеток на микробороздчатых биоматериалах улучшает качество и воспроизводимость процесса репрограммирования и так же эффективно, как вальпроевая кислота.

«Контролируя физическое микроокружение, мы можем более точно имитировать то, что клетка испытывает в своей естественной физиологической среде. В этом отношении такие физические сигналы менее инвазивны и искусственны для клетки и, следовательно, с меньшей вероятностью вызовут непредвиденные побочные эффекты», — пояснил Даунинг.

Ученые исследуют, может ли выращивание клеток на бороздчатых поверхностях в конечном итоге заменить вальпроевую кислоту и, возможно, другие химические соединения в процессе репрограммирования. Также изучается, могут ли биофизические факторы помочь репрограммировать клетки в определенные типы, например, в нейроны.