Новое понимание того, как стволовые клетки определяют свою тканевую судьбу

Исследователи из Мичиганского университета смогли предсказать, как будут дифференцироваться взрослые человеческие стволовые клетки (в какую ткань превратятся), уже в течение 24 часов после их культивирования на новом типе матрикса. Результаты опубликованы в выпуске Nature Methods от 1 августа.

Дифференцировка — это процесс превращения стволовых клеток в другие типы клеток. Её понимание ключево для разработки будущих регенеративных терапий на основе стволовых клеток.

«Мы впервые показываем, что можем предсказать дифференцировку стволовых клеток уже на 1-й день», — заявил Цзяньпин Фу, доцент кафедры машиностроения и биомедицинской инженерии, первый автор статьи.

Обычно для определения пути дифференцировки требуются недели или больше. Новая работа может ускорить этот длительный процесс и найти применение в скрининге лекарств и регенеративной медицине, предоставляя ранние индикаторы дифференцировки под действием новых препаратов.

В этом исследовании учёные изучили механику стволовых клеток — слабые силы, которые клетки оказывают на материал, к которому прикреплены. Эти силы тяги подозревались в участии в дифференцировке, но изучались меньше, чем химические триггеры. В работе подтверждается, что жёсткость материала, на котором выращивают стволовые клетки в лаборатории, действительно помогает определить их конечный тип.

«Наше исследование подтверждает, что механические факторы так же важны, как и химические, в регуляции дифференцировки, — сказал Фу. — До сих пор механические аспекты в значительной степени игнорировались биологами, работающими со стволовыми клетками».

Исследователи создали новый тип матрикса (скаффолда) для стволовых клеток, жёсткость которого можно регулировать, не меняя химический состав, что невозможно в обычных системах для роста клеток.

Новый скаффолд напоминает сверхтонкий «ковёр» из микростолбиков — волосовидных выступов из эластичного полимера полидиметилсилоксана (ключевого компонента «умного пластилина»). Регулируя высоту микростолбиков, можно было настраивать жёсткость всей матрицы.

В эксперименте использовались человеческие мезенхимальные стволовые клетки из костного мозга и других соединительных тканей (например, жировой). Клетки дифференцировались в костную ткань на более жёстких скаффолдах и в жировую — на более гибких.

После этого учёные решили измерить клеточные силы тяги в течение всего процесса культивирования, чтобы проверить, можно ли по ним предсказать дифференцировку.

С помощью флуоресцентной микроскопии исследователи измерили изгиб микростолбиков, чтобы количественно определить силы тяги.

«Наше исследование показывает, что если стволовые клетки решают дифференцироваться в один тип клеток, то их силы тяги могут быть значительно больше, чем у тех, которые не дифференцируются или превращаются в другой тип, — пояснил Фу. — Мы доказали, что можем использовать эволюцию силы тяги в качестве ранних индикаторов дифференцировки стволовых клеток».

Новая матрица, изготовленная по недорогой технологии литья, настолько дёшева в производстве, что исследователи готовы предоставлять её любым заинтересованным учёным.