Клеточные различия позволяют разделить стволовые клетки для достижения потенциальной терапии

Новый процесс разделения, который зависит от легко различимого физического различия в адгезионных силах между клетками, может помочь расширить производство стволовых клеток, генерируемых путем перепрограммирования клеток. Благодаря содействию новым исследованиям процесс разделения также может привести к улучшению самой техники перепрограммирования и помочь ученым моделировать некоторые процессы заболевания.

Метод перепрограммирования позволяет небольшому количеству клеток, часто принимаемых из кожи или крови, стать человеческими индуцированными плюрипотентными стволовыми клетками (hiPSC), способными продуцировать широкий спектр других типов клеток. Используя клетки, взятые из собственного тела пациента, метод перепрограммирования может в один прекрасный день разрешить регенеративную терапию, которая могла бы, например, обеспечить новые клетки сердца для лечения сердечно-сосудистых заболеваний или новых нейронов для лечения болезни Альцгеймера или болезни Паркинсона.

Но метод перепрограммирования клеток неэффективен, образуя смеси, в которых интересующие клетки составляют всего лишь небольшой процент от общего объема. Отделение плюрипотентных стволовых клеток в настоящее время занимает много времени и требует уровня мастерства, который мог бы ограничить использование техники – и сдерживать потенциальную терапию.

Чтобы решить эту проблему, исследователи из Технологического института Джорджии продемонстрировали перестраиваемый процесс, который отделяет клетки в зависимости от степени, в которой они прилипают к субстрату внутри крошечного микрожидкостного устройства. Адгезионные свойства hiPSCs значительно отличаются от адгезионных свойств клеток, с которыми они смешиваются, что позволяет разделить потенциально-терапевтические клетки на целую 99% чистоту.

Процесс разделения высокой пропускной способности, который занимает менее 10 минут, не зависит от технологий маркировки, таких как антитела. Поскольку он позволяет разделять целые колонии клеток, он позволяет избежать повреждения клеток, позволяя выживаемость клеток выше 80 процентов. Полученные клетки сохраняют нормальные профили транскрипции, потенциал дифференциации и кариотип.

«Принцип разделения основан на физическом явлении прочности адгезии, которое контролируется лежащей в основе биологии», – сказал Андреш Гарсия, главный исследователь исследования и профессор инженерной школы инженеров Джорджа Текса Вудраффа и Petit Institute for Bioengineering и Бионаука. «Это очень мощная платформа, потому что ее легко реализовать и легко масштабировать».

Процесс разделения был описан 7 апреля в онлайн-публикации журнала Nature Methods. Исследование было поддержано Национальными институтами здравоохранения (NIH) и Национальным научным фондом (NSF), дополненным средствами Американского закона о восстановлении и реинвестировании (ARRA).

«Ученые применили свое новое понимание адгезионных свойств плюрипотентных стволовых клеток человека, чтобы разработать быстрый и эффективный метод для выделения этих жизненно важных клеток», – сказала Паула Фликкер из Национального института национальных медицинских наук Национального института здоровья, которая частично финансировал исследование. «Их работа представляет собой инновационное преобразование основных биологических данных в стратегию с терапевтическим потенциалом».

Усовершенствованный метод разделения необходим для преобразования индуцированных человеком плюрипотентных стволовых клеток, продуцируемых путем перепрограммирования, в жизнеспособную терапию, сказал Тодд Макдевитт, доцент кафедры биомедицинской инженерии Уоллеса Х. Култера в Университете Джорджии и Университета Эмори, и директор Georgia Tech’s Инженерный центр стволовых клеток.

«В исследовательских целях, в зависимости от маркировки реагентов для разделения, не является серьезной проблемой», – сказал Макдевитт, один из соавторов газеты. «Но когда мы переходим к коммерциализации и производству клеточных терапий для людей, нам нужен технологический подход, который является беспристрастным и может быть увеличен».

Технология разделения, называемая высокоэффективным восстановлением на основе адгезии микро-стволовых клеток (μSHEAR), позволит стандартизировать работу лабораторий, обеспечивая согласованные результаты, которые не зависят от уровня квалификации пользователей. «Из-за техники и технологий, а также работы с характеристиками у нас теперь есть технология, которая легко переносится», – сказал Макдевитт.

Процесс μSHEAR вырос из понимания того, как клетки, участвующие в процессе перепрограммирования, морфологически меняются по мере прохождения процесса. Используя вращающееся дисковое устройство, исследователи протестировали адгезионные свойства hiPSCs, родительских соматических клеток, частично перепрограммированных клеток и перепрограммированных клеток, которые начали дифференцироваться. Для каждого типа клеток они измеряли свою «адгезивную подпись» – уровень силы, необходимый для отделения клеток от субстрата, который был покрыт конкретными белками.

Исследовательская группа, в которую вошли докторанты Georgia Tech Анкур Сингх и Шалу Сури, проверила свою технику на микрожидкостных устройствах, разработанных в сотрудничестве с Ханг Лу, профессором в Технологической школе химической технологии и биомолекулярной инженерии Грузии.

При тестировании клеткам культуры сначала позволяли прикрепляться к субстрату, прежде чем подвергаться потоку буферной жидкости. Клетки с более низкой адгезионной сигнатурой отделились от подложки при более низких скоростях потока. Изменяя скорость потока, исследователи смогли выделить конкретные типы клеток, что позволило производить культуры стволовых клеток с чистотой до 99 процентов – от смесей, в которых эти клетки составляли лишь несколько процентов от общего количества.

«На разных этапах перепрограммирования мы видим различия в молекулярном составе и распределении клеточных структур, которые контролируют силу адгезии», – объяснил Гарсиа. «Как только мы узнаем диапазон сил прилипания для каждого типа ячеек, мы можем применять эти узкие диапазоны для выбора популяций, которые появляются в каждом диапазоне».

Используя недорогие одноразовые «кассеты», микрофлюидная система может быть увеличена, чтобы увеличить объем произведенных клеток и обеспечить конкретные разделения, отметил Гарсия.

В отличие от существующих методов маркировки, новый процесс разделения работает на клеточных колониях, избегая необходимости рисковать повреждающими клетками, разбивая колонии для разделения. Процесс разделения был протестирован как с перепрограммированной кровью, так и с клетками кожи. Ячейки были предоставлены для тестирования компанией ArunA Biomedical, компанией, базирующейся в Афинах, штат Джорджия, основанной профессором Университета Джорджии Стивеном Стисом.

Помимо непосредственного применения в производстве стволовых клеток метод разделения также может помочь ученым с другими исследованиями, в которых необходимо разделить клетки, включая потенциальные улучшения в методе перепрограммирования, которые получили Нобелевскую премию по медицине в 2012 году.

«Перепрограммирование ячеек – это черный ящик», – сказал Макдевитт. «Вы начинаете процесс перепрограммирования, и когда ячейки полностью перепрограммируются, вы можете их визуально отображать. Но есть действительно интересные научные вопросы об этом процессе, и, изолируя клетки, подвергающиеся перепрограммированию, мы сможем сделать новые открытия о том, как происходит этот процесс ».