Новая технология «печатает» клетки для создания разнообразных биологических сред
Подобно людям, клетки легко поддаются влиянию окружения. Например, судьба нейральной стволовой клетки в мозге — остаться стволовой или дифференцироваться в зрелую клетку — определяется сложным набором молекулярных сигналов от соседних клеток. Понимание этих сигналов — ключ к использованию стволовых клеток для лечения болезней вроде Альцгеймера или Паркинсона.
Исследователи из Калифорнийского университета в Беркли разработали новую технику, которая позволяет быстро «печатать» двумерные массивы клеток и белков, имитирующие различные клеточные среды в организме: ткань мозга вокруг стволовой клетки, слизистую кишечника или печени, или клеточную организацию внутри опухоли.
Эта технология поможет лучше понять межклеточную коммуникацию, определяющую окончательную судьбу клетки — от дифференцировки стволовой клетки до метастазирования опухолевой.
«Сила этой платформы в том, что можно создавать in vitro ткани, воспроизводящие пространственную организацию клеток в теле», — говорит Оливия Шайдерер, ведущий автор исследования.
В статье в журнале Science Advances авторы показывают, что новая техника позволяет быстро печатать сложные паттерны из до 10 различных типов клеток или белков на плоской поверхности.
«По сути, эта техника позволяет нам за один раз и высокопроизводительным способом создавать паттерны разных условий. Она даёт целый спектр возможностей для исследований благодаря своей гибкости», — поясняет Лидия Сон, старший автор работы.
Уловленные на ДНК-привязи
В новой методике каждая клетка или белок привязывается к субстрату короткой цепью ДНК. В отличие от методов, прикрепляющих клетки по одной, здесь используется фотолитография для «печати» каждого типа клеток или белков целыми партиями, что значительно ускоряет процесс.
«Это похоже на цветную лазерную печать: вы печатаете один цвет, а затем другой», — говорит Сон.
Как и в фотографии, в фотолитографии покрытая поверхность (субстрат) экспонируется по определённому световому паттерну. Это запускает химическую реакцию, растворяющую покрытие в освещённых областях. Затем субстрат обрабатывают одноцепочечными ДНК, химически модифицированные концы которых прочно закрепляются на очищенных участках.
Каждая такая ДНК-цепь запрограммирована иметь уникальную последовательность нуклеотидов: аденин (A), тимин (T), гуанин (G) и цитозин (C). К клеткам или белкам интереса присоединяются комплементарные одноцепочечные ДНК.
На финальном этапе поверхность промывают смесью клеток или белков с комплементарными ДНК. Они связываются с ДНК на поверхности, образуя двойную спираль — «привязь».
«Все клетки и белки прикрепляются именно туда, куда нужно, благодаря программированию ДНК», — объясняет Сон.
Повторяя процесс, можно привязать к поверхности до 10 различных типов клеток или белков в произвольном паттерне.
Противоречивые сигналы
В качестве демонстрации возможностей метода Шайдерер и её коллега Дэвид Шаффер использовали платформу для изучения химической сигнализации, которая заставляет нейральные стволовые клетки дифференцироваться.
«Стволовые клетки получают много информации о том, что делать, из окружающей среды, от других клеток. Если мы научимся управлять ими, мы сможем использовать их для массового производства специализированных клеток, утраченных из-за болезни или травмы», — говорит Шаффер.
Нейральные стволовые клетки в мозге постоянно получают противоречивые сигналы от соседей. Белок FGF-2 говорит им оставаться стволовыми клетками. Белок ephrin-B2 приказывает дифференцироваться в зрелый нейрон.
Шайдерер использовала новую технику, чтобы разместить стволовые клетки на тысячах различных массивов из этих двух белков и увидеть, как пространственная организация сигналов влияет на их судьбу.
Она обнаружила, что многие стволовые клетки дифференцировались в зрелые нейроны, даже находясь в основном в контакте с сигналом «оставаться стволовой клеткой» (FGF-2). При ближайшем рассмотрении оказалось, что дифференцировавшиеся клетки чаще имели небольшие пальцевидные выросты — нейриты, — которые касались «дифференцирующего» сигнала (ephrin-B2).
«Прелесть этой технологии паттернирования в том, что вы можете легко воспроизвести эти маленькие паттерны сотни или тысячи раз на одном слайде. Это как провести тысячу независимых экспериментов, чтобы увидеть, как стволовая клетка "слушает" окружающие её клетки. И затем вы получаете очень глубокую статистику о различных способах её регуляции», — заключает Шаффер.