Области регенеративной медицины имеют большие перспективы, что способствует более глубокому пониманию того, как стволовые клетки дифференцируются во многие типы клеток организма. Но клинические применения в этой области были медленными, частично из-за трудностей в воспроизведении условий, которые естественным образом испытывают эти клетки.
Команда исследователей из Университета Пенсильвании дала новое представление о том, как окружающая среда стволовых клеток влияет на тип клеток стволовых клеток. Они показали, что ли человеческие мезенхимальные стволовые клетки превращаются в жировые или костные клетки, частично зависит от того, насколько хорошо они могут «захватывать» материал, в котором они растут.
Исследование проводилось аспирантом Судиром Хетаном и доцентом Джейсоном Бурдиком, а также профессором Кристофером Ченом, всем факультетом биоинженерии Школы инженерии и прикладных наук. Другие участвующие в исследовании включают Мурат Гувендирен, Уэсли Лежант и Даниэль Коэн.
Их исследование было опубликовано в журнале Nature Materials.
Было проведено много исследований о том, как стволовые клетки растут на двумерных подложках, но сравнительно небольшая работа была выполнена в трех измерениях. Трехмерные среды или матрицы для ячеек стеблей в основном рассматривались как простые строительные леса, а не как сигнал, влияющий на развитие клеток.
Бердик и его коллеги интересовались тем, как эти трехмерные матрицы влияют на механотрансмиссию, а именно, как клетка получает информацию о своей физической среде и переводит ее в химическую сигнализацию.
«Мы пытаемся понять, как материальные сигналы могут диктовать реакцию стволовых клеток», – сказал Бердик. «Вместо того, чтобы рассматривать материал как инертную структуру, это действительно направляет судьбу и дифференциацию стволовых клеток – какие клетки они превратятся».
Мезенхимальные стволовые клетки исследователи изучаются в костном мозге и могут развиваться в несколько типов клеток: остеобласты, которые находятся в кости; хондроциты, которые встречаются в хряще; и адипоциты, которые содержатся в жире.
Исследователи культивировали их в набухших в воде полимерных сетях, известных как гидрогели, которые имеют некоторое сходство с окружающей средой, в которые естественным образом растут стволовые клетки. Эти материалы обычно мягкие и гибкие – контактные линзы, например, представляют собой тип гидрогеля, но могут варьироваться в плотности и жесткости в зависимости от типа и количества связей между полимерами. В этом случае исследователи использовали ковалентно сшитые гели, которые содержат необратимые химические связи.
При посеве над двумерными ковалентно сшитыми гелями мезенхимальные стволовые клетки распространялись и потягивали материал по-разному в зависимости от того, насколько он был жестким. Критически, механики направляют судьбу клетки, или тип клеток, в которые они дифференцируют ее. Более мягкая окружающая среда создавала бы более жироподобные клетки и более жесткую среду, в которой клетки могли бы натягивать гель сильнее, создавали бы более костные клетки.
Однако, когда исследователи помещали мезенхимальные стволовые клетки в трехмерные гидрогели различной жесткости, они не видели таких изменений.
«В большинстве ковалентно сшитых гелей клетки не могут распространиться в матрицу, потому что они не могут деградировать связи – все они становятся жировыми клетками», – сказал Бердик. «Это говорит нам о том, что в трехмерных ковалентных гелях ячейки не переводят механическую информацию так же, как в 2D-системе».
Чтобы проверить это, исследователи изменили химию своих гидрогелей, так что полимерные цепи были связаны пептидом, что клетки могли естественным образом разрушаться. Они предположили, что, по мере расширения клеток, они смогут лучше справляться с окружающей средой и, следовательно, с большей вероятностью превратятся в костиобразные клетки.
Чтобы определить, насколько хорошо клетки натягивают окружающую среду, исследователи использовали технику, разработанную лабораторией Чена под названием трехмерная силовая микроскопия. Этот метод включает высевание геля с помощью микроскопических гранул, а затем отслеживание их местоположения до и после удаления клетки.
«Поскольку гель является эластичным и будет расслабляться в исходное положение, когда вы удаляете клетки, – сказал Чэнь, – вы можете количественно определить, сколько клеток натягивает гель, исходя из того, сколько и как он возвращается после клетки удален.”
Результаты показали, что дифференциация стволовых клеток в костно-подобные клетки способствовала их способности лучше привязываться к среде роста.
«В нашем первоначальном эксперименте мы наблюдали, что клетки по существу не вытягивали гель. Они придерживались этого и были жизнеспособны, но мы не видели смещения бисера. Они не могли схватить, – сказал Бердик. «Когда мы помещаем клетки в гель, где они могут разлагать связи, мы видели, как они распространяются в матрицу и деформируют ее, вытесняя бусины».
В качестве дополнительного теста ученые синтезировали еще один гидрогель. У этого были те же ковалентные связи, что стволовые клетки могли естественным образом разлагаться и распространяться, но также и другой тип связи, который мог образоваться при воздействии света. Они позволяли стволовым клеткам распространяться по-прежнему, но в тот момент клетки начинают дифференцироваться – примерно через неделю после их первого инкапсулирования – исследователи далее «устанавливают» гель, подвергая его воздействию света, формируя новые связи, т.
«Когда мы представили эти перекрестные ссылки, чтобы они больше не могли деградировать матрицу, мы увидели увеличение к жироподобным клеткам, даже после того, как их распространили», – сказал Бердик. «Это еще раз подтверждает мысль о необходимости непрерывной деградации клеток, чтобы ощущать материальные свойства окружающей среды и трансформировать ее в сигналы дифференциации».
Бердик и его коллеги рассматривают эти результаты как способствующие более глубокому пониманию того, как создавать ткани, используя стволовые клетки.
«Это модельная система, показывающая, как микроокружение может влиять на судьбу клеток», – сказал Бердик.