Управление состоянием стволовых клеток через физическую среду

Стволовые клетки — перспективный инструмент для регенеративной медицины, но для этого их нужно надежно перевести из гибкого плюрипотентного состояния в зрелое дифференцированное. Исследователи A*STAR выяснили, как контролировать состояние стволовых клеток, изменяя физическую среду их культивирования.

На судьбу клеток влияют как химические сигналы, так и механические силы. Понимание химических «подсказок» продвинулось, но принципы управления структурой колоний клеток для контроля их поведения оставались неясными. «Было много проб и ошибок из-за отсутствия инженерных принципов», — отмечает Ханри Ю из Института биоинженерии и нанотехнологий A*STAR.

Его команда сосредоточилась на двух белках клеточной адгезии — E-кадгерине и интегрине, которые, как полагают, регулируют развитие стволовых клеток. Интересно, что оба белка действуют через общий сигнальный фактор Rho-ROCK-миозин II.

Эксперименты показали, что клетки на границах колоний чаще дифференцируются, что подтверждает модель, где стресс-индуцированные сигналы интегрина по краям активно способствуют дифференцировке. Однако дальнейшие исследования на поверхностях, покрытых паттернами этих белков, продемонстрировали, что доминирующим сигналом является E-кадгерин. Он способен подавлять интегрин и заставлять стволовые клетки оставаться плюрипотентными.

«В центре колонии сильное взаимодействие клеток, опосредованное E-кадгерином, подавляло дифференцировку стволовых клеток, — объясняет Ю. — Ближе к краю менее плотно упакованные клетки и более высокий стресс вызывали снижение этого взаимодействия, что снимало блок на дифференцировку». Этот процесс, по-видимому, отчасти опосредован предпочтительной локализацией Rho-ROCK-миозина II в местах взаимодействия E-кадгерина, что предотвращает его связывание с интегрином.

Эти открытия могут помочь в контроле поведения культур стволовых клеток в масштабе популяции, поддерживая их в полностью плюрипотентном или дифференцированном состоянии. «Использовать нечистые клеточные источники для восстановления тканей или регенеративной медицины сложно и дорого», — говорит Ю.

В будущем он планирует расширить примененный здесь подход «микропаттернинга» для еще более точного управления поведением стволовых клеток: «Мы планируем перехватить сигнальный процесс с помощью растворимых или нанесенных паттернами ингибиторов, чтобы запустить контролируемую дифференцировку человеческих эмбриональных стволовых клеток».