Биоинженерия стволовых клеток
Али Хадемхосейни, ПостНаука
Стволовые клетки на протяжении вот уже нескольких лет являются важнейшей темой научных исследований: они позволяют обеспечивать постоянные поставки клеток, необходимых для решения различных медицинских проблем. К настоящему моменту открыто множество новых видов стволовых клеток, при этом большое внимание уделяется их биологическим характеристикам. Однако в последнее время все больше исследователей понимают, что, хоть биологический компонент и важен, необходима разработка инженерных методов, чтобы управлять поведением клеток.
При обычных условиях стволовые клетки находятся в теле, то есть в активной среде, которая посылает клеткам большое количество сигналов и таким образом указывает, как себя вести. Вопрос в том, как мы можем управлять этой средой. За последнее время было опубликовано множество различных работ на эту тему. Скажем, мы хотим изменить способ взаимодействия клеток друг с другом. Вместо того чтобы просто поместить их в чашку Петри и наблюдать, мы можем прибегнуть к инженерным методам.
Во время одной из наших работ мы поместили клетки в микроструктуры, которые позволяли контролировать, как эти клетки объединяются в группы, то есть при помощи таких микроструктур можно управлять тем, как клетки взаимодействуют друг с другом и объединяются в кластеры. Как мы знаем, очень важно, сколько клеток-соседей видит вокруг себя каждая стволовая клетка, и при помощи инженерных систем мы можем контролировать это с большой точностью.
Часть проделанной нами работы, к примеру, показывает, что если где-то находится много эмбриональных стволовых клеток, то они начинают «общаться» друг с другом и создавать образования, которые с большой вероятностью станут клетками сердца. Когда их количество невелико, то они более склонны дифференцироваться в клетки кровеносных сосудов. Если посмотреть на причины и изучить биологическую сторону такой инженерии, становится ясно: благодаря системам, созданным нами, клетки чувствуют вокруг себя иную среду, сообщаются друг с другом при помощи разных сигналов и на основании того, сколько соседей находится рядом, преобразуются либо в клетки сердца, либо в клетки кровеносных сосудов. Это один из примеров.
Существуют и другие способы применения инженерных подходов к стволовым клеткам. К примеру, все более важным становится вопрос, как все компоненты биологической системы, будь то гены или белки, влияют на клетки. Мы получаем большое количество данных из протеомных и геномных исследований, и к ним мы можем применить наработки, которые используются при создании электрических схем. Мы используем те же концепции, чтобы логически понять все разнообразие и сложность приходящей к нам информации. В итоге мы имеем подход, при котором знания вычислительных наук и вычислительной инженерии используются для контроля поведения структур внутри клетки. Как и в электротехнике, мы можем оперировать диаграммами, шкалой времени, включением и выключением различных элементов – только применительно к биоинженерной схеме генов у стволовых клеток. Это два примера: в одном инженерная работа проходит внутри самой клетки, в другом – помогает контролировать поведение множества клеток извне.
Инженерия и биология стволовых клеток могут развиваться и другими путями. Благодаря биоинженерии мы знаем, что при помощи различных методов можно контролировать то, как молекулы выделяются в окружающую среду. Вы можете взять разлагаемые частицы и инкапсулировать биологические молекулы, такие как различные виды сигнальных белков и другие виды гормонов, а затем иметь возможность медленно высвободить их из этих частиц. Такой подход применим и к стволовым клеткам. Если взять отдельную клетку или целую группу и нужным образом поставлять им факторы роста, получится управлять их деятельностью. Можно спроектировать эти частицы так, чтобы молекулы одного вида выделялись очень быстро, а другого – очень медленно. В результате профиль экспрессии гена будет таким же, как и при нормальном развитии – в условиях, когда сигналы последовательно сообщают клетке, что делать. То есть можно воссоздать точно такую же биологическую среду.
Среди других подходов – использование различных типов пептидов или протеинов для создания материалов, которые будут определять поведение клетки. Поведение будет зависеть от выделения молекул материалом, например содержащим фактор роста тромбоцитов, или от его определенных механических свойств: твердые материалы могут производить на клетку впечатление костной среды, а мягкие материалы – имитировать жировую среду. Так мы можем посылать клетке сигналы о том, что ей делать и как изменяться.
Есть еще способы, как искусственно созданная клеточная среда может направлять стволовые клетки. Мезенхимальные стволовые клетки можно использовать для создания микрофлюидных систем со слоем эндотелия. Если пустить по ним раствор, эти мезенхимальные стволовые клетки будут буквально катиться по кровеносным сосудам. Мы увидим, как мезенхимальные клетки взаимодействуют с кровеносными сосудами и как они проникают в ткани. Все это происходит в искусственной среде, которая позволяет узнать больше о природе этих клеток и о том, какие типы молекул нужны, чтобы задержать клетки в определенных местах или заставить их мигрировать. Такой метод может быть полезен при создании источника клеток, который можно пересаживать, напрямую вводя в кровь. Клетки затем распространятся по всему организму и, обнаружив местонахождение дефекта или болезни, будут перемещаться к нему. Так что вам нет необходимости создавать ткань – можно просто создать клетку и исследовать ее, чтобы понять, как заставить ее находить определенные ткани.
Таковы некоторые моменты, иллюстрирующие, как инженерные методы применяются в биологии стволовых клеток. Они помогают понять их природу, проектировать их окружение, исследовать, как внешние сигналы влияют на генетические различия внутри клеток, и моделировать различные ситуации. Конечно, это только часть примеров, но представьте себе другие. К примеру, инженерный подход возможно использовать, чтобы визуализировать клетки, находящиеся в теле, в соответствующей микросреде: если их маркировать, можно проследить, как они движутся к костному мозгу и выходят. Подобных возможностей очень много, и они существуют как раз благодаря развитию инженерных технологий.
Мне кажется, в этом заложен большой потенциал. С тех пор как впервые были открыты гемопоэтические стволовые клетки, сферы инженерии и изучения стволовых клеток стали активно взаимодействовать между собой. Сразу последовали попытки извлечь костный мозг и воспроизвести его искусственно, чтобы можно было получить костные стволовые клетки в больших количествах и пересаживать их пациентам. Было сделано много работы, чтобы разработать биореакторы для выращивания стволовых клеток, увеличения их числа и трансплантации.
Работы в этой области уже многие десятилетия все сильнее сближаются с исследованиями того, на что реагируют клетки, как они видят свое окружение и как мы можем его оптимизировать. Это относится и к исследованию определенных аспектов межклеточной среды, и к общему пониманию поведения клеток, и к использованию компьютерных технологий. Комбинируя все эти вещи, можно разработать эффективные методы лечения заболеваний. Некоторые из них, такие как, например, трансплантация костного мозга, уже были осуществлены, а, скажем, методам работы с индуцированными плюрипотентными стволовыми клетками и их применением в персонализированной медицине это только предстоит.
Одна из главных проблем, которую ученые обнаружили у стволовых клеток, – то, что эмбриональные стволовые клетки и недифференцированные стволовые клетки настолько неразвиты, что могут образовывать опухоли, если не дифференцируются в зрелые клетки. Это наблюдалось множество раз при инъекции эмбриональных стволовых клеток в тела лабораторных мышей. Если эмбриональные стволовые клетки не дифференцируются должным образом, они действительно образуют опухоли. Как инженерия может быть применена в решении этой проблемы? Я думаю, это зависит во многом от того, как использовать инженерные методы для дифференциации клеток. Если подвергнуть клетки воздействию среды, которая неизменно будет стремиться дифференцировать клетки в различные типы, то количество недифференцированных клеток будет минимизировано, а следовательно, шанс появления опухоли будет значительно снижен. Если все клетки видят вокруг себя однородную среду в биореакторе или микрореакторе, то они будут вести себя согласованно, каждая из них будет дифференцироваться одинаково.
Есть другие инженерные методы, при помощи которых получится изолировать опухолевые клетки от полностью дифференцированных клеток. К примеру, они могут быть использованы для обнаружения чего-либо: можно окрашивать клетки и таким образом проверять их на предмет маркеров зрелости, выявив, какие из них могут быть зрелыми, а какие нет. Таким образом, при помощи микрофлюидных систем опухолевые клетки можно захватить и отделить от дифференцированных.
Есть множество технологий, которые могут помочь избавиться от опухолевых клеток или удалить оставшиеся при общей дифференцировке клеток. Мы знаем, что в природе клетки, приводящие к образованию организма, обладают теми же свойствами, что и эмбриональные стволовые клетки. Но в природе из-за контроля со стороны среды все клетки дифференцируются должным образом и достигают нужных стадий развития, в то время как in vitro, если недифференцированные клетки не делают этого, они образуют популяции, которые могут превратиться в опухоли. Так что использование тех же природных биологических принципов необходимо в совокупности с инженерными методами, чтобы было возможно применить эти принципы к клеткам и не дать им стать опухолевыми.
Об авторе:
Ali Khademhosseini – Full Professor of Medicine and Health Sciences and Technology Harvard-MIT Division of Health Sciences and Technology Harvard Medical School, Brigham & Women's Hospital
Портал «Вечная молодость» http://vechnayamolodost.ru
28.03.2016