Биоинженеры создали для взрослых стволовых клеток среду с одновременными химическими, электрическими и механическими сигналами

Биоинженеры из Калифорнийского университета в Сан-Диего достигли «тройной короны» в культивировании стволовых клеток. Они создали искусственную среду, которая одновременно обеспечивает клетки химическими, механическими и электрическими сигналами, необходимыми для их роста и дифференцировки. Создание лучших микроокружений для стволовых клеток критически важно для реализации потенциала регенеративной медицины (например, создание хряща для восстановления суставов, кардиомиоцитов для повреждённого сердца, миобластов для пациентов с мышечной дистрофией). Разработка также может привести к созданию лучших модельных систем для фундаментальных исследований.

Работа опубликована онлайн в журнале Advanced Functional Materials 13 ноября.

Хотя ранее уже создавались среды, сочетающие химические сигналы с механическими или электрическими, по словам учёных, это первый описанный в научной литературе материал, который одновременно предоставляет все три сигнала в трёхмерной поддерживающей среде. Примечательно, что разработку нового материала возглавили студенты-бакалавры по биоинженерии.

В природе стволовые клетки общаются с другими клетками и внеклеточным матриксом через химические, электрические и механические сигналы. «Мы воспроизвели все эти сигналы, которые обеспечивает естественная среда. Эта работа фундаментальна для создания более реалистичных условий, чтобы направлять стволовые клетки в сторону специфических типов, таких как хондроциты, остеобласты, миобласты или кардиомиоциты», — пояснила профессор Шайни Варгезе.

Многофункциональный гелевый матрикс

Стволовые клетки помещены в гидрогель, похожий на желатин, и погружены в электролитный раствор, совместимый с ростом клеток. Когда через гидрогель пропускают электрический потенциал, гель изгибается и оказывает на клетки механическое напряжение, имитируя естественные механические сигналы.

«Наш гидрогель обеспечивает химические сигналы, а при воздействии электрического поля он изгибается, что даёт клеткам механическую нагрузку», — сказала Варгезе.

В статье сообщается, что мезенхимальные стволовые клетки человека, выделенные из костного мозга, в этой среде дифференцировались в хрящевые клетки (хондроциты) под действием всех трёх сигналов.

Исследователи продолжают совершенствовать систему, конечная цель — получение здоровой ткани из стволовых клеток. «Мы ещё не достигли этого, но эта работа приближает нас на шаг», — отметила Варгезе.

Разработка также будет полезна для фундаментальных исследований и клинических испытаний, где клетки часто «кондиционируют» в искусственной среде перед имплантацией. Дополнительный контроль над сигналами на этой стадии может быть критически важен для успеха будущей терапии.

Ключевой вклад студентов

«Значительная часть заслуг принадлежит Хану Лиму, который выполнял эту работу будучи студентом-бакалавром. Многие идеи рождались в наших с ним обсуждениях», — сказала Варгезе. Хан Ли, первый автор статьи, также привлёк к сотрудничеству профессора наноинженерии Гаурава Арья для включения в проект математического моделирования.

«Я очень благодарен всем соавторам и особенно доктору Варгезе за веру в наш потенциал. Я надеюсь, что в будущем мы сможем манипулировать химическими, механическими и электрическими сигналами для создания лучших биомиметических материалов в тканевой инженерии», — сказал Ли.

Лаборатория Варгезе объединена общей целью: лечить дисфункциональные ткани или органы с помощью стволовых клеток и здоровых тканей, полученных из них. «Я твёрдо верю, что без фундаментального понимания науки трансляционная работа невозможна. Нам нужно знать, что происходит в природе, прежде чем мы сможем успешно это имитировать», — заключила профессор.