Не все стволовые клетки создаются равноценными

Исследователи из Института биоматериалов и биомедицинской инженерии Университета Торонто (University of Toronto’s Institute for Biomaterials and Biomedical Engineering, IBBME) и Центра Доннелли (Donnelly Centre) обнаружили популяцию клеток, названных «элитными», которые играют ключевую роль в процессе трансформации дифференцированных клеток в стволовые. Это открытие имеет важное значение для регенеративной медицины.

Эмбриональные стволовые клетки способны превращаться в специализированные клетки различных органов – от легких до мозга. Последние 15 лет учёные активно развивали методику перепрограммирования зрелых клеток в эмбриональное состояние. Полученные клетки, названные индуцированными плюрипотентными стволовыми клетками (иПСК), способны, как и эмбриональные стволовые клетки (ЭСК), развиваться в любой тип тканей организма. Методика перепрограммирования была удостоена Нобелевской премии в 2012 году.

Несмотря на то что данная технология достаточно изучена, о тонкостях поведения отдельных перепрограммируемых клеток в условиях популяции известно меньше.

Группа Питера Зандстры (Peter Zandstra), профессора двух университетов: Торонто и Британской Колумбии (University of British Columbia) недавно провела исследование данного процесса и обнаружила группу клеток, которые, по-видимому, имеют конкурентное преимущество в перепрограммировании. Исследование опубликовано 21 марта 2019 года в Science.

В своей работе Зандстра и его команда использовали эмбриональные фибробласты, полученные из кожи мышей. Они использовали технологии ДНК-штрихкодирования, чтобы дать каждому фибробласту уникальную метку для отслеживания отдельных клеток во время перепрограммирования и для определения связей с родительской популяцией. Также учёные использовали компьютерное моделирование, чтобы лучше понять полученные комплексные данные и разработать теории, которые можно было бы проверить на практике в лаборатории.

Исследователи обнаружили, что до 80% первоначальной популяции клеток погибло спустя неделю после перепрограммирования. Лишь небольшой процент родительской популяции смог во время стрессового процесса перепрограммирования создать свои полноценные клоны, способные размножаться и превращаться в стволовые клетки.

Несмотря на то, что данные клетки внешне не отличаются от своих «собратьев» и имеют схожий с ними геном, их более высокая приспособленность позволила им производить больше потомства, то есть клонировать себя с большей частотой. Команда назвала эти клетки «элитными клонами».

«Клеточная приспособленность – это, в широком смысле, способность клетки конкурировать со своими соседями прямо или косвенно», — говорит Ника Шакиба (Nika Shakiba), ведущий автор статьи.

«Существует прямая элиминация, когда одна клетка может поглотить другую или выделять химические вещества, вызывающие ее смерть. Но существует также косвенная конкуренция, когда клетки конкурируют за пул ограниченных питательных веществ и пространство в чашке Петри. Это аналогично конкуренции в экологии».

Новое открытие вызвало волну дебатов в сообществе исследователей стволовых клеток. Некоторые учёные полагают, что все клетки обладают способностью перепрограммироваться в эмбриональное состояние, подобное стволовым клеткам, в то время как другие считают, что только определенное подмножество клеток обладает этой способностью. Шакиба говорит, что, хотя есть доказательства обеих теорий, её новая работа поддерживает вторую версию.

«(Наше исследование) заставляет людей смотреть на явление перепрограммирования через призму клональной динамики – как клоны, составляющие многоклеточную популяцию, конкурируют между собой и как это влияет на общую популяцию», — говорит она.

Команда Зандстры использовала специально выведенную мышиную модель, чтобы обнаружить происхождение эмбриональных фибробластов, которые демонстрируют свойства «элитных клонов», открытых Шакибой. Данный тип клеток происходит из части эмбриона, известной как нервный гребень, который играет ключевую роль в развитии клеток кожи, нейронов и гладких мышц. Исследователи предполагают, что такое происхождение не случайно, поскольку клеткам нервного гребня необходимо постоянно «быть в форме».

«Им повезло, поэтому они получают фору в гонке перепрограммирования», — говорит Шакиба. «Перепрограммировавшись раньше, они делятся быстрее, чем их конкуренты. Через несколько поколений эта начальная фора намного увеличивается».

Результаты данной работы также имеют важное значение для регенеративной медицины, включая методы, в которых стволовые клетки используются для создания определённых тканей, которые затем имплантируются в организм для восстановления повреждений.

«Предположим, мы хотим ввести популяцию стволовых клеток в организм для регенерации сердца», — говорит Шакиба. «Способность трансплантированных клеток выживать и интегрироваться в нативные ткани зависит от способности этих клеток к конкуренции. Если мы не узнаем и не поймем, как эти клетки будут конкурировать не только друг с другом, но и с эндогенными клетками, к которым мы их сейчас вводим, мы не сможем предсказать или контролировать то, что они будут делать в организме».

«Я очень вдохновлён данным исследованием, поскольку оно учит нас ряду новых вещей», — говорит Зандстра. «В конечном счете, оно учит нас, что клеточная конкуренция является контролируемым параметром, который может быть спроектирован, чтобы влиять на результат динамических регенеративных процессов. Данное исследование должно привести к новым стратегиям и технологиям, направленным на восстановление тканей in vivo после трансплантации стволовых клеток. Также с его помощью можно сделать клетки более восприимчивыми к конкуренции при клональных заболеваниях, таких как рак».