Индуцированные стволовые клетки восстанавливают костную ткань

Используя особо чистую биологическую подложку, ученые из Университета Мичигана (University of Michigan, США) смогли вырастить стволовые клетки и дифференцировать их в различные клеточные типы. Кроме того, эксперименты показали, что выращенные таким образом клетки годятся для регенерации костной ткани мыши. Результаты нового исследования опубликованы в журнале Stem Cells.

Эмбриональные стволовые клетки способны превращаться в любой тип клеток органов и тканей человеческого организма, включая фибробласты кожи, клетки нервной и костной ткани. Индуцированные стволовые клетки, получаемые путем репрограммирования дифференцированных клеток организма обратно в «стволовое состояние», обладают аналогичными свойствами, кроме того, эти клетки идеально подходят для применения в медицинских целях, поскольку их источником может быть сам больной.

Несмотря на то, что с момента разработки методов репрограммирования дифференцированных клеток в стволовое состояние прошло около пяти лет, ученые так и не выяснили точные механизмы, управляющие этим процессом, однако методика непременно подразумевает использование особых белков, способных «включать» и «выключать» гены в дифференцированных клетках.

Прежде чем использовать индуцированные стволовые клетки для восстановления тканей и органов, необходимо их вырастить и осуществить дифференцировку в желаемый тип клеток, что сопряжено с определенными трудностями. При культивировании стволовых клеток ученые обычно используют подложки на основе клеток животных, недостатком которых является высокая себестоимость, кроме того, их свойства могут различаться в разных партиях, получаемых от различных животных.

Человеческие клетки часто выращивают на подложках из мышиных клеток. По словам Йорга Лаханна (Joerg Lahann), доцента химической и биомедицинской инженерии, директора Института Биоповерхностей (Biointerfaces Institute, США), недостатком этой методики является то, что в человеческих клетках могут начать синтезироваться белки, свойственные мышиным клеткам. Трансплантация таких клеток в организм пациента может активировать реакцию «трансплантат против хозяина».

Полимерный гель, разработанный в 2010 г. Лаханном и его коллегами, создан без использования молекул животного происхождения и позволяет избежать вышеуказанных проблем, поскольку ученые могут контролировать ингредиенты, входящие в состав геля, и по-разному их сочетать в зависимости от эксперимента. Лаханн считает, что применение разработанного ими геля в качестве подложки позволит исключить проблему контаминации культуры клетками другого вида, что могло бы привести к изменению свойств стволовых клеток человека.

В предыдущих исследованиях Лаханн и его коллеги показали, что разработанная ими подложка эффективна в выращивании эмбриональных стволовых клеток. В настоящее время Лаханн проводит совместное исследование с командой ученых под руководством Пола Кребсбаха, профессора биологических наук и материаловедения из Школы Стоматологии при Университете Мичигана (School of Dentistry, США). Ученые пытаются показать, что созданную полимерную поверхность можно использовать для культивирования индуцированных стволовых клеток. Ученые доказали, что индуцированные стволовые клетки, выращенные на их подложке, можно дифференцировать в различные типы клеток, в том числе клетки жировой, хрящевой и костной ткани.

На следующем этапе экспериментов исследователи оценили способность полученных клеток восстанавливать органы и ткани организма. Целью ученых было восстановить отверстия размером 5 мм, проделанные в костной ткани черепа мышей. Ослабленная иммунная система мышей не уничтожала трансплантированные клетки костной ткани человека, позволив им закрыть отверстие в черепе.

Через 8 недель после оперативного вмешательства размеры отверстий в черепе экспериментальных животных, которым были введены индуцированные стволовые клетки человека, стали в 4,2 раза меньше таковых мышей контрольной группы. В костной ткани черепа подопытной группы животных также началось формирование полостей костного мозга. Результаты морфологического анализа показали, что новообразованная костная ткань соответствует костной ткани человека. Полученные данные подтверждают, что усиленный рост костной ткани черепа мышей обусловлен введением стволовых клеток человека.

По словам профессора Кребсбаха, если его команда сможет разработать способ, позволяющий вырастить индуцированные стволовые клетки без использования клеток и белков животного происхождения, ученые в разных странах мира вскоре смогут вырастить любые необходимые им ткани человеческого организма.

Исследование было финансировано Национальными Институтами Здоровья (National Institutes of Health, США). Университет Мичигана оформляет патент на изобретение, защищающий право на интеллектуальную собственность авторов, и ищет партнеров для коммерциализации этого проекта.

Черным контуром частично обведена новообразованная костная ткань черепа мыши (окрашена в розовый цвет) (фото: Villa-Diaz, L.G., Brown, S.E., Liu, Y. Ross, A.M., Lahann, J.M., Krebsbach, P.H., University of Michigan)

По материалам University of Michigan

Оригинальная статья:

L.G. Villa-Diaz, S.E. Brown, Y. Liu, A.M. Ross, J. Lahann, J.M. Parent, P.H. Krebsbach. Derivation of Mesenchymal Stem Cells from Human Induced Pluripotent Stem Cells Cultured on Synthetic Substrates. Stem Cells, 2012; 30 (6): 1174 DOI: 10.1002/stem.1084