Исследователи из Института регенеративной медицины Медицинского научно-образовательного центра МГУ разработали новый способ получения каркаса для стволовых клеток, который можно будет имплантировать пациенту для наращивания у него недостающих тканей и даже органов. Каркас создан с помощью мезенхимных стромальных клеток, из которых получаются клетки соединительной ткани костей, хрящей, жира и др. Этот материал лучше созданного классическим методом – из фибробластов. Исследование может оказаться полезным для создания новых технологий регенеративной медицины на основе стволовых клеток. Статья опубликована в журнале Frontiers in Cell and Developmental Biology. Исследование поддержано грантом Президентской программы Российского научного фонда (РНФ).
Фотографии мезенхимальных стволовых клеток. Получены на дифференциальном интерференционно-контрастном микроскопе. Источник: Ekaterina Novoseletskaya et al. / Frontiers in Cell and Developmental Biology, 2020
Стволовые клетки — главный инструмент регенеративной, восстановительной медицины. Они незрелы, то есть у них нет «профессии»: клетки почек они, мышц или чего-то еще. При взаимодействии с различными молекулами они способны делиться и превращаться в другие типы клеток. Это свойство позволяет выращивать из них ткани и даже некоторые органы. Но при этом необходим специфический каркас, который сам по себе или уже с готовыми клетками можно будет имплантировать пациенту.
В живых организмах роль такого 3D-каркаса играет внеклеточный матрикс. Он представляет собой сеть, состоящую в основном из белков коллагена и фибронектина. Матрикс заполняет все пространство между клетками и служит им механической опорой. Кроме того, к матриксу прикрепляется множество молекул, с помощью которых клетки согласовывают свою работу и деление. Внеклеточный матрикс можно использовать и как «умный» биоматериал для регенеративной медицины, но пока что нет идеального способа его получения и не установлены молекулярные механизмы, с помощью которых он может регулировать дифференцировку стволовых клеток.
Стволовые клетки отличаются по своей способности к дифференцированию, то есть делению на типы. Одни могут дать начало целому организму, другие — только небольшой группе клеток. У взрослых людей выделяют три их группы: кроветворные, мультипотентные мезенхимальные и тканеспецифичные стволовые клетки. Они отличаются по своему расположению в организме и путями возможной специализации. Потомки первых — клетки крови, вторых — клетки соединительной ткани, третьи отвечают за восстановление погибших клеток в определенных тканях при травмах.
«Любые стволовые клетки в организме находятся в специализированном окружении, так называемой нише стволовых клеток, и внеклеточный матрикс является ее важнейшим структурным и регуляторным компонентом. Известно, что в таких нишах его синтезировать могут, в первую очередь, мезенхимальные стромальные клетки. Мы наработали матрикс с их помощью, удалили из него все клетки и затем проверили, как хорошо на нем приживутся тканеспецифичные мультипотентные стволовые клетки. Оказалось, что они активировались, то есть начали готовиться к делению и стали эффективнее отвечать на сигналы, запускающие их дифференцировку в разных направлениях. Наши результаты оказались заметно лучше, чем в случае с матриксом, наработанным фибробластами», — рассказывает Анастасия Ефименко, участник грантов РНФ, кандидат медицинских наук, заведующая лабораторией репарации и регенерации тканей Института регенеративной медицины Медицинского научно-образовательного центра МГУ.
Один из авторов исследования Анастасия Ефименко. Источник: пресс-служба РНФ
Чтобы выяснить механизм этого процесса, авторы изучили изменение сигнальных каскадов клетки, то есть соотношение молекул, передающих информацию «от сигнала к действию» внутри клетки. Для этого они сравнили уровни белков-участников сигнальных каскадов в стволовых клетках до и после выращивания на матриксе.
«Нам удалось выяснить, что при посадке на матрикс происходил переход клеток из состояния покоя в состояние "боеготовности", то есть в готовности к дифференцировке, — уточняет аспирант кафедры биохимии и молекулярной медицины МГУ Екатерина Новоселецкая, участник грантов РНФ, первый автор статьи.
При этом центральную роль в активации этих каскадов сыграли специальные рецепторы к внеклеточному матриксу — интегрины, которые передают различные сигналы между клетками. Чтобы это произошло, к интегрину должна прикрепиться молекула, содержащая особую последовательность аминокислот, например RGD. При этом запускается цепочка реакций, которая ведет к изменению поведения клетки. Интегрины участвуют и в регулировании дифференцировки стволовых клеток. Ученые заблокировали их с помощью специальных RGD-пептидов и химических ингибиторов. Это сделало невозможным их взаимодействие с матриксом и передачу сигнала внутрь клетки. При этом ответ клеток на стимулы дифференцировки сильно замедлился, что подтверждает центральную роль RGD-связывающих интегринов в этих процессах.
Биологи уже давно ищут способы эффективного получения внеклеточного матрикса для поддержки клеток и управления их поведением. Описанный подход позволит избавиться от реакций иммунной системы пациента на трансплантат, точнее на фрагменты чужеродной ДНК. Такая проблема часто возникает при пересадке тканей и органов от доноров — ими могут быть другие люди или животные. Материал при этом очищают, но все равно остается риск. Полученный учеными матрикс был проверен на наличие молекул, которые могли бы вызвать отторжение. Их не обнаружили, но исследований на людях пока не проводили.
Предложенный исследователями подход к получению внеклеточного матрикса с помощью мезенхимных стромальных клеток может оказаться востребованным для создания новых биоматериалов, способных стимулировать регенерацию тканей за счет управления дифференцировкой стволовых клеток человека.
Источник информации: совместный релиз пресс-службы МГУ имени М.В. Ломоносова и пресс-службы Российского научного фонда
