Количество воды в стволовых клетках влияет на их дальнейшую судьбу

Сенсационное открытие совершили учёные из Университета штата Нью-Йорк в Буффало (University at Buffalo), США. В работе, которая была опубликована в Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America (PNAS), исследователи утверждают, что судьбой мезенхимальных стволовых клеток (МСК) можно управлять, обезвоживая их или добавляя к ним избыток воды.

Исследование показало, что изменение объёма клетки изменяет её внутреннюю динамику, а также жёсткость окружающей её мембраны. Удаление воды из мезенхимальных стволовых клеток конденсирует их, делая структуру более жёсткой. Такие МСК становятся предкостными клетками. Добавление же воды приводит к разбуханию МСК, что приводит к формированию преджировых клеток.

Учёные давно поняли, что на дальнейшее формирование стволовых клеток влияет жёсткость внешних мембран клеток из их окружения.

Изначально исследователи из Буффало намеревались изучить влияние объёма на характеристики и функции клеток. Объём — величина строго регламентированная и часто изменяется на протяжении жизни клетки, увеличиваясь в период роста и уменьшаясь во время деления.

Такие изменения объёма являются результатом изменения количества белков, ДНК и других составляющих клетки, хотя они, в основном, остаются постоянными. Однако клетки могут быстро изменять размер и плотность за счёт поглощения или выделения воды, расширяясь или сжимаясь всего за 20 минут.

Учёные обнаружили, что уменьшение объёма на 20% влияет на некоторые внутриклеточные процессы, в том числе на экспрессию генов и жёсткость. Зная, что жёсткость играет важную роль в развитии стволовых клеток, исследователи задались вопросом, может ли объём также повлиять на их судьбу.

Чтобы выяснить данный вопрос, исследователи поместили мезенхимальные стволовые клетки в плотный гидрогелевый субстрат для имитации жёсткости костных клеток. Примерно через 7 дней большая часть МСК дифференцировалась в предкостные клетки.

Эксперимент повторили с мягким гидрогелевым субстратом. В данном случае наблюдалось уменьшение количества клеток, превратившихся в предкостные. Однако, после удаления воды из клеток для уменьшения их объёма на 20%, количество МСК, ставшим предкостными клетками, увеличилось, несмотря на то, что они находились в более мягкой среде.

Аналогичный эксперимент был проведён с использованием стекла. Исследователи разместили на нём стволовые клетки, чтобы имитировать более жесткую окружающую среду, и обнаружили, что некоторые из клеток превратились в клетки с высоким содержанием жира. Когда объём МСК был увеличен на 20% за счёт добавления воды, наблюдался всплеск формирования жировых клеток.

Учёные обнаружили, что изменения объёма клеток влияло на них так же, как если бы они находились под давлением окружения.

«Неожиданное открытие в этих экспериментах – это то, что объём, похоже, очень влияет на клетки. Вероятно, он регулирует их жёсткость так же, как и их дальнейшую судьбу», — говорит доктор Дэвид Вайц (David Weitz), один из руководителей исследования. «Эти наблюдения могут пригодиться для внешних средств мониторинга судьбы клеток, которые могут сыграть важную роль в будущих биотехнологических исследованиях».

Дальнейшие исследования необходимы для изучения влияния различных изменений объёма, чтобы выяснить, является ли определяющим фактором в судьбе стволовых клеток объём или, всё же, внешние сигналы.

Стволовые клетки в настоящее время являются наивысшим приоритетом в регенеративной медицине, предоставляя исследователям и клиницистам возможность восстанавливать или заменять повреждённые ткани и органы.

Благодаря способности дифференцироваться в специализированные клетки любого типа ткани — от миоцитов до клеток крови или мозга – стволовые клетки обладают потенциалом для лечения различных заболеваний и патологий. Во всём мире широко используется доступная методика терапии МСК, полученными из жировой ткани самого пациента.

Стволовые клетки также способствуют разработке новых лекарственных препаратов и пониманию возникновения врождённых дефектов.

Изучение факторов, влияющих на дифференциацию стволовых клеток, поможет учёным создать методы, влияющие на их поведение, что, в конечном счёте, поможет в создании новых терапевтических подходов.

Помимо физических сигналов, таких как жёсткость или объём клеток, на дифференцировку МСК также может влиять ряд биологических факторов, фармацевтических препаратов или биофизических агентов, таких как свет, радиочастоты и ультразвук.