Новый метод анализа обнаружил вариативность стволовых клеток

Стволовые клетки обладают огромным биоинженерным потенциалом благодаря свойству плюрипотентности – способности неограниченно делиться, дифференцироваться и давать начало любому клеточному типу в организме. Однако всю сложность регуляции развития стволовых клеток через ряд клеточных изменений было сложно определить до настоящего времени.

Используя новый метод одноклеточного генетического профилирования, исследователи из Института Биоинженерии Уайса (Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering) и Детской Больницы Бостона (Boston Children's Hospital) (США) раскрыли гораздо больше вариаций плюрипотентных стволовых клеток (ПСК), чем ожидалось ранее. Результаты исследования, опубликованные в журнале Nature, приблизили ученых ко дню, когда много различных типов стволовых клеток смогут максимально использоваться для лечения заболеваний и в регенеративной медицине.

«Между отдельными клетками колонии стволовых клеток существует значительное разнообразие. Это казалось несколько проблематичным для разработки биоинженерных методов с использованием стволовых клеток. Теперь мы установили: то, что ранее рассматривалось как проблемная вариабельность, на самом деле может сыграть на руку способности точно контролировать стволовые клетки», – говорит один из главных авторов исследования Джеймс Коллинз (James Collins), доктор философии, ведущий преподаватель Института Уайса, профессор медицинской инженерии и наук в Массачусетском Технологическом Институте (Massachusetts Institute of Technology, MIT, США ).

Исследовательская группа установила, что существует множество мелких флуктуаций в состоянии плюрипотентности стволовых клеток, которые могут влиять на последующий путь развития.

«Наше исследование освещает широкий спектр состояний плюрипотентности. Мы уловили детали молекулярного профиля различных состояний стволовых клеток», – рассказывает Джордж Дэли (George Daley), один из главных авторов публикации, директор по трансплантации стволовых клеток Детской Больницы Бостона, а также профессор биологической химии и молекулярной фармакологии Медицинской Школы Гарварда (Harvard Medical School, США).

Приняв во внимание полученные сведения, исследователи стали лучше оснащены для работы с клетками и точного контроля над развитием определенного типа клеток или ткани из отдельной плюрипотентной стволовой клетки или колонии.

«Исследование стало возможным благодаря использованию новых технологий изучения отдельных клеток, разработанных группами из Института Брода (Broad Institute), что дало нашей команде беспрецедентный взгляд на гетерогенность стволовых клеток на уровне отдельных клеток», – говорит Патрик Кахан (Patrick Cahan), один из ведущих авторов исследования, научный сотрудник Детской Больницы Бостона и Медицинской Школы Гарварда.

Ученые исследовали паттерн развития плюрипотентных стволовых клеток, воздействуя на них различными химическими факторами, изменениями условий культивирования и нокаутами генов. Затем они проанализировали индивидуальные генетические особенности каждой клетки, наблюдая микрофлуктуации в состоянии плюрипотентности каждой стволовый клетки. Исследователи обнаружили множество нюансов, касающихся воздействия на клетки внутренних и химических факторов, а также условий окружающей среды, обнаружив сложный цикл «принятия решений» регулирования развития.

«Новая техника анализа одной клетки позволила нам очень точно классифицировать клетки и выявить регуляторные цепи, контролирующие их состояние, – говорит один из ведущих авторов публикации Рошан Кумар (Roshan Kumar), в прошлом научный сотрудник Института Уайса, а ныне старший научный сотрудник компании HiFiBiO Inc. (США). – Настоящим стимулом для этого исследования стало желание понять причины и последствия различий между отдельными клетками и то, как баланс ключевых регуляторов внутри клетки может повлиять на результат ее развития».

Исходя из полученных данных, исследователи предполагают существование «кода», связывающего паттерны динамического поведения цепей регуляции стволовых клеток с путем развития, по которому пойдет клетка. Используя такой код, исследователи надеются точно воздействовать на состояния отдельных клеток и использовать их в различных целях, таких как получение определенных типов клеток, которые не вырабатываются в организме самостоятельно.

«Способность понять и запрограммировать стволовые клетки посредством изменения состояний плюрипотентности критически необходима для успеха в регенеративной медицине, – поясняет Дональд Ингбер (Donald Ingber), директор Института Уайса. – Сделав инженерию стволовых клеток более предсказуемой, мы надеемся максимально использовать многоплановость контролируемых плюрипотентных стволовых клеток, чтобы направить их для лечения множества заболеваний и повреждений».

По материалам Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering at Harvard

Оригинальная статья:
Roshan M. Kumar, Patrick Cahan, Alex K. Shalek, Rahul Satija, A. Jay DaleyKeyser, Hu Li, Jin Zhang, Keith Pardee, David Gennert, John J. Trombetta, Thomas C. Ferrante, Aviv Regev, George Q. Daley, James J. Collins. Deconstructing transcriptional heterogeneity in pluripotent stem cells. Nature, 2014; 516 (7529): 56 DOI: 10.1038/nature13920