Форма определяет судьбу: форма стволовой клетки контролирует её специализацию

Новое исследование, проведенное в Национальном институте стандартов и технологий (NIST), подтверждает, что стволовые клетки можно направить к развитию в определенные типы клеток, контролируя исключительно их форму. Это открытие важно для разработки материалов, стимулирующих регенерацию утраченных или поврежденных тканей организма.

В экспериментах использовали первичные стромальные клетки костного мозга человека — взрослые стволовые клетки, способные дифференцироваться в клетки кости, жира или хряща. Ключевой вопрос тканевой инженерии — как гарантировать, что клетки превратятся в нужный тип. Обычно для этого используют химические сигналы (например, гормоны) или структурированные плоские поверхности.

Исследование NIST стало первым прямым сравнением влияния чистой архитектуры пяти популярных дизайнов тканевых скаффолдов на клетки костного мозга без добавления биохимических стимуляторов, кроме питательной среды. Скаффолды из биосовместимого полимера служили временным каркасом для роста клеток. Были протестированы структуры:

• Полученные методом выщелачивания и вспенивания (похожие на комья изъеденного насекомыми салата).
• Созданные свободным формованием (микроскопические стержни, сложенные в решетку).
• Электроспряденные нановолокна (случайное гнездо тонких волокон).

Клетки культивировали на каждом скаффолде и анализировали на отложения кальция — признак активности костных клеток. Также использовали микрочиповый анализ для определения паттернов экспрессии генов.

Результаты показали, что стволовые клетки эффективно дифференцировались в костные только на скаффолдах из нановолокон, даже без гормональных добавок. Ключевым фактором оказалась форма. Зрелые костные клетки имеют вытянутую, ветвистую форму. Только каркас из нановолокон, заставляя клетки вытягиваться и образовывать отростки в поиске точек прикрепления, придает им форму, характерную для костных клеток. Эта форма, в свою очередь, активирует гены, ответственные за производство костной ткани.

Биолог NIST Карл Саймон-младший отмечает, что стратегия будущего дизайна скаффолдов должна учитывать желаемую форму клеток. Хотя для этого требуется глубокое понимание взаимосвязи морфологии клетки, её поведения и трёхмерной структуры каркаса, физическое направление дифференцировки только за счёт формы потенциально проще, дешевле и, возможно, безопаснее, чем использование биохимических добавок.