Влияние на судьбу стволовых клеток: Новый метод скрининга помогает учёным быстро выявлять ключевую информацию

Учёные из Северо-Западного университета разработали мощный аналитический метод, который использовали для направления дифференцировки стволовых клеток. Из миллионов возможностей они быстро определили химические и физические структуры, которые могут сигнализировать стволовым клеткам стать остеоцитами — клетками зрелой костной ткани.

Исследователи могут использовать метод, названный нанокомбинаторикой, для создания огромных библиотек физических структур размером от нескольких нанометров до многих микрометров для решения задач в биологии и за её пределами.

Специалисты в областях химии, материаловедения и нанотехнологий могут использовать этот бесценный инструмент для оценки того, какие химические и физические структуры — включая размер, форму и состав — работают лучше всего для желаемого процесса или функции.

Нанокомбинаторика открывает перспективы для скрининга катализаторов преобразования энергии, изучения свойств, обусловленных наноструктурами, выявления активных молекул для разработки лекарств или даже оптимизации материалов для регенерации тканей.

Детали метода и доказательство концепции опубликованы в Proceedings of the National Academy of Sciences.

Как работает метод

Новый аналитический метод использует технику полимерной пера литографии, изобретённую в Северо-Западном университете. Резиновая печать с 11 миллионами острых пирамид крепится на прозрачную стеклянную подложку и точно контролируется с помощью атомно-силового микроскопа для создания нужных паттернов на поверхности. Каждая пирамида — полимерное перо — покрыта молекулами для конкретной цели.

В этой работе исследователи использовали молекулы, связывающие белки естественной клеточной среды, такие как фибронектин, которые затем можно было прикрепить к субстрату в различных паттернах. Команда быстро создала миллионы текстурных элементов на большой площади — библиотеку. Библиотека состояла примерно из 10 000 паттернов фибронектина с 25 миллионами элементов размером от пары сотен нанометров до нескольких микрометров.

Для создания поверхностей печать с массивом перьев наклоняли при контакте с субстратом. Наклон приводит к разному давлению на полимерные перья, что определяет размер каждого пятна молекул.

Эксперимент со стволовыми клетками

Затем исследователи внесли мезенхимальные стволовые клетки (MSC) в библиотеку из миллионов элементов фибронектина. Они обнаружили области с дифференцировкой стволовых клеток и области без неё. Наноразмерные элементы, особенно белковые пятна диаметром 300 нанометров, с большей вероятностью приводили к образованию костноподобных клеток, чем более крупные микрометровые структуры.

Далее учёные построили библиотеку, состоящую только из точек размером 300 нм, и внесли стволовые клетки. Почти все клетки стали костноподобными.

Эта дифференцировка стволовых клеток была достигнута без использования дополнительных химических сигналов (помимо белков в паттернах). Переход от стволовой клетки к остеоциту диктовался исключительно физическими сигналами структурированных паттернов. Исследователи продемонстрировали лучший контроль над дифференцировкой стволовых клеток, чем современные методы с использованием химических реагентов.

Перспективы

Метод не ограничивается стволовыми клетками. Учёные могут использовать нанокомбинаторику для создания библиотек структур, варьирующихся по форме, размеру и расстоянию между частицами, и определения лучших структур для контроля важных событий, таких как ускорение каталитической реакции.