Новый анализ отдельных клеток выявил сложные вариации в стволовых клетках

Стволовые клетки обладают большим потенциалом в биомедицинской инженерии благодаря своей плюрипотентности — способности неограниченно делиться, а также дифференцироваться и развиваться в любой из сотен различных типов клеток и тканей организма. Однако точная сложность регуляции развития стволовых клеток в различных состояниях клеточных изменений до сих пор была трудноуловимой.

Используя мощные новые методы генетического профилирования отдельных клеток, ученые из Института биологически инспирированной инженерии Висса и Бостонской детской больницы обнаружили гораздо больше вариаций в плюрипотентных стволовых клетках, чем считалось ранее. Результаты, опубликованные сегодня в Nature, приближают исследователей к тому дню, когда различные виды стволовых клеток можно будет использовать для терапии заболеваний и регенеративного лечения.

"Колонии стволовых клеток содержат значительную вариабельность между отдельными клетками. Это считалось в некоторой степени проблематичным для разработки предсказуемых подходов в инженерии стволовых клеток", — сказал соавтор исследования Джеймс Коллинз. "Теперь мы обнаружили, что то, что ранее считалось проблемной вариабельностью, на самом деле может быть полезным для нашей способности точно контролировать стволовые клетки".

Исследовательская группа выяснила, что существуют множество небольших колебаний в состоянии плюрипотентности стволовой клетки, которые могут влиять на путь развития, который она выберет.

"Это фундаментальное исследование, но оно подчеркивает широкий спектр состояний плюрипотентности", — сказал соавтор Джордж Дейли. "Мы получили детальный молекулярный профиль различных состояний стволовых клеток".

Учитывая это, исследователи теперь лучше подготовлены к манипулированию и точному контролю того, какие типы клеток и тканей будут развиваться из отдельной плюрипотентной стволовой клетки или колонии.

"Исследование стало возможным благодаря использованию новых технологий для изучения отдельных клеток, разработанных, в частности, сотрудничающими группами в Институте Броуда, что дало нашей команде беспрецедентный взгляд на гетерогенность стволовых клеток на уровне отдельной клетки", — сказал соавтор Патрик Кахан.

Исследователи изучили ландшафт развития плюрипотентных стволовых клеток, воздействуя на них различными химическими веществами, условиями культивирования и генетическими нокаутами. Затем они проанализировали индивидуальный генетический состав каждой клетки, чтобы наблюдать микрофлуктуации в состоянии плюрипотентности каждой стволовой клетки. Они обнаружили множество небольших нюансов в том, как стволовые клетки подвержены влиянию внутренних, химических и внешних сигналов, выявив сложную "схему принятия решений" регуляторов развития.

"Эти новые методы анализа отдельных клеток позволяют нам очень точно классифицировать клетки и идентифицировать регуляторные цепи, контролирующие состояния клеток", — сказал соавтор Рошан Кумар. "Реальной движущей силой этого исследования было понимание причин и последствий различий между отдельными стволовыми клетками и того, как баланс ключевых регуляторов внутри клетки может влиять на результат ее развития".

Основываясь на результатах, исследователи теперь полагают, что существует "код", связывающий паттерны динамического поведения в регуляторных цепях стволовых клеток с путем развития, который в итоге выбирает клетка. Используя этот код, они надеются точно настраиваться на определенные состояния отдельных клеток и использовать их для различных целей, например, для создания определенных типов клеток, которые организм пациента может быть неспособен производить самостоятельно.

"Способность понимать и программировать стволовые клетки в изменяющихся состояниях плюрипотентности является критически важным условием успеха регенеративной медицины", — сказал директор-основатель Института Висса Дональд Ингбер. "Сделав инженерию стволовых клеток более предсказуемой, мы надеемся использовать универсальность контролируемых плюрипотентных стволовых клеток для решения широкого спектра заболеваний и травм".