Учёные разработали новый способ выращивания взрослых стволовых клеток в культуре

Исследователи из Медицинской школы Стэнфордского университета разработали технику, которая, по их мнению, поможет преодолеть главное препятствие для использования взрослых стволовых клеток в лечении мышечной дистрофии и других заболеваний, сопровождающихся потерей мышечной массы. Они обнаружили, что выращивание мышечных стволовых клеток на специально разработанном синтетическом матриксе, имитирующем эластичность реальной мышцы, позволяет клеткам сохранять способность к самообновлению.

"Клетки в норме не существуют в контакте с жёсткой чашкой для культивирования", — сказала Хелен Блау, PhD. "Они находятся на мягкой ткани. Имитируя эту среду, мы можем реально влиять на их функцию и позволить им самообновляться так, как нам никогда раньше не удавалось".

Взрослые стволовые клетки уже существуют в организме и важны для регенерации тканей, таких как кровь, мышцы и нейроны мозга. Но учёные не могли получить их в количествах, необходимых для терапии, потому что клетки дифференцируются и теряют свои "стволовые" свойства, как только их помещают в чашку для культивирования тканей. Этот новый метод выращивания клеток создаёт способ изучать поведение многих типов взрослых стволовых клеток в культуре и может революционизировать возможность их получения для будущих терапий.

Самообновление в культуре

Самообновление — определяющая черта стволовых клеток. До сих пор все попытки вырастить эти и некоторые другие взрослые стволовые клетки (например, кроветворные) в культуре приводили к их дифференцировке в более специализированные клетки-предшественники. Это представляет собой главное препятствие для лечения болезней, связанных с истощением мышц.

Исследователи предположили, что проблема может быть в способе культивирования. Клетки привыкли к мягкому окружению, а не к жёсткой пластиковой поверхности, которая в 100 000 раз менее эластична, чем настоящая мышца.

Разработка новой системы культивирования

Чтобы это проверить, учёные разработали новую систему на основе материала гидрогель — решётки из полимеров полиэтиленгликоля, заполненной водой. Меняя процентное содержание полимеров, можно регулировать эластичность матрикса.

Пенни Гилберт и Карен Хейвенстрайт доработали систему так, чтобы гель сохранял постоянный объём. Это позволило тестировать гели разной эластичности, но с одинаковым количеством белка. Они разметили гель на сотни микролунок и добавили по одной свежевыделенной мышечной стволовой клетке в каждую.

Результаты эксперимента

Через неделю учёные обнаружили, что на более мягких гелях, имитирующих эластичность мышечной ткани, клеток было значительно больше, чем на жёстких. Анализ с помощью разработанного ими алгоритма (названного Baxter Algorithm) показал, что это связано не с более быстрым делением, а с меньшей гибелью клеток в период культивирования. Алгоритм сократил время анализа данных о делении клеток более чем на 90%.

Дальнейшее изучение биологии клеток показало, что клетки, выращенные на мягкой поверхности:

• Реже экспрессировали ген миогенин, связанный с дифференцировкой.
• Были так же способны способствовать развитию мышц ног при трансплантации мышам, как и свежевыделенные стволовые клетки.

Доказательство самообновления: эксперимент с "дублетами"

Для окончательного доказательства самообновления был проведён эксперимент с "дублетами". Гилберт позволяла одной клетке разделиться один раз, получая две дочерние клетки (дублет). Возможны три комбинации: две стволовые клетки, одна стволовая и одна клетка-предшественник, или две клетки-предшественника. Первые два варианта означают самообновление.

Результаты:

• На субстрате, имитирующем мышцу, одна треть клеток экспрессировала специфичный для мышечных стволовых клеток ген (указывая, что хотя бы одна из двух клеток была стволовой).
• На жёсткой пластиковой поверхности этот показатель составил лишь 6%.
• При трансплантации пяти дублетов (10 клеток) с мягкого субстрата мышам, клетки успешно прижились и начали встраиваться в мышечные волокна у 3 из 12 животных. С дублетами, выращенными на жёстких поверхностях, подобного приживления не наблюдалось ни у одного животного.

"Очевидно, что клетки, выращенные на более эластичных поверхностях, обладают лучшей выживаемостью и свойствами самообновления, чем выращенные на стандартных чашках", — сказала Блау. — "Мы проводили эксперименты с мышечными стволовыми клетками, но ожидаю, что это будет верно и для других типов взрослых стволовых клеток".

Исследование будет опубликовано 15 июля в Science Express.