Разработан гидрогель для направленной дифференцировки и пролиферации стволовых клеток

Исследователи из Западного Резервного Университета Кейса (Case Western Reserve University, США) установили, что стволовые клетки можно направить на формирование новой кости или хряща в присутствии соответствующих молекулярных сигналов и пространственного окружения из особого гидрофильного геля.

Создав трехмерное подобие шахматной доски в гидрогеле с перемежающимися внутри него крупными и мелкими ячейками, группа исследователей установила, что изменение размера микроячеек может влиять на такие свойства клеток, как пролиферация и дифференцировка.

Возможность управления темпом и ростом стволовых клеток, а также распределением определенного типа клеток в пространстве позволила бросить вызов разработке методик лечения на основе стволовых клеток. Новая технология даст возможность исследовать физические, химические и другие воздействия на поведение клеток в трехмерном пространстве, и, в конечном итоге, разработать метод выращивания тканей для нужд регенеративной медицины.

«Мы полагаем, что контроль над локальными свойствами биоматериала может позволить управлять формированием сложных тканей, - рассказывает Эбен Альсберг (Eben Alsberg), доцент биомедицинской инженерии Университета, - С помощью этой системы можно регулировать пролиферацию и направленную дифференцировку стволовых клеток в клетки, подобные, к примеру, клеткам костной или хрящевой тканей».

Результаты работы опубликованы в издании Advanced Functional Materials.

Гидрогели представляют собой гидрофильные трехмерные сети из водорастворимых полимеров, «сшитых» друг с другом. Сшивки увеличивают жесткость и изменяют поровую структуру внутри геля.

Альсберг и его коллега Ойу Джеон (Oju Jeon), научный сотрудник биомедицинской инженерии, использовали гидрогель из оксидизированного метакрилированного альгината и полиэтиленгликольамина. Химическая реакция между альгинатом и полиэтиленгликолем приводит к образованию связей, придающих гелю структуру. Химические связи скрепляют вещество таким образом, что под действием света образуется второй ряд связей.

Исследователи использовали шахматную маску для создания структуры перемежающихся ячеек с однократными и двукратными связями. Ячейки разного размера (25, 50, 100 и 200 мкм) были равномерно «прошиты» одинарными и двойными связями.

Стволовые клетки человека, полученные из жировой ткани, были заключены в ячейки с одинарными и двойными связями. Двукратно прошитые ячейки являются относительными помехами в структуре геля. По этой причине клетки образуют кластеры только в участках с одинарными связями, а в участках с двойными связями остаются преимущественно изолированными. Чем крупнее ячейки, тем более крупными формируются кластеры клеток.

Клетки выращивали в среде, обеспечивающей дифференцировку в направлении костной или хрящевой ткани.

Как в ячейках с одинарными, так и с двойными связями, стволовые клетки в большей степени дифференцировались в крупных ячейках. Результаты оказались более впечатляющими в ячейках с одинарными связями.

«Вероятно, дело в том, что участки с одинарными связями обеспечивают лучший транспорт питательных веществ и оставляют больше пространства клеткам для взаимодействия, - говорит Альсберг, - Формирование кластеров, в свою очередь, может влиять на пролиферацию и дифференцировку. Различия в механических свойствах между ячейками, вероятно, также влияют и на поведение клеток».

Исследователи продолжают использовать микропаттернинг для изучения влияния биоматериалов на определение судьбы стволовых клеток. Такой подход может в конечном итоге позволить создавать комплексы тканей, состоящие из множества типов клеток, используя в качестве источника лишь стволовые клетки.

По материалам Case Western Reserve University

Оригинальная статья:
Oju Jeon, Eben Alsberg. Regulation of Stem Cell Fate in a Three-Dimensional Micropatterned Dual-Crosslinked Hydrogel System. Advanced Functional Materials, 2013; DOI: 10.1002/adfm.201300529