Ученые разрабатывают метод 3D-культуры органоидов для создания мышечных клеток

Фото из открытых источников

Биологи из Гарварда, занимающиеся стволовыми клетками, разработали новаторский метод культивирования трехмерных органоидов для получения большого количества клеток-сателлитов скелетных мышц взрослых людей, также известных как мышечные стволовые клетки, in vitro.

Ожидается, что способность эффективно создавать функциональные мышечные стволовые клетки таким образом ускорит понимание и лечение расстройств скелетных мышц, включая те, которые имеют нервно-мышечное происхождение. Новая техника, подробно описанная в  Nature Biotechnology, также предоставляет мощный инструмент для изучения биологии мышц.

«Люди смогут проводить все эти эксперименты по приживлению и регенерации, потому что внезапно у вас появятся миллионы клеток», — сказал соавтор и научный сотрудник Гарварда Федор Прайс. «Поиграйте с ними, изучите их, посмотрите на ваши любимые гены и пути в ваших лабораториях».

Прайс сотрудничал с  Ли Рубином, профессором кафедры стволовых клеток и регенеративной биологии и сопредседателем Программы по заболеваниям нервной системы Гарвардского института стволовых клеток, с целью создания первых лабораторных сателлитных клеток, которые очень похожи на собственные стволовые клетки взрослого человека и отвечают за рост и регенерацию скелетных мышц.

Их уникальный подход преодолевает проблему сохранения регенеративных возможностей клеток-сателлитов при культивировании вне организма традиционными методами. «Как только вы извлекаете их из организма, они по сути перестают быть стволовыми клетками», — объяснил Прайс.

Прайс поясняет, что когда клетки-сателлиты культивируются с целью увеличения их числа, они быстро размножаются, но затем спонтанно дифференцируются в миобласты (мышечные клетки-предшественники), теряя свою изначальную функциональную способность клеток-сателлитов. Это приводит к неэффективному восстановлению и поддержанию мышц, когда клетки пересаживаются обратно в организм.

Прорыв команды Гарварда в поддержании регенеративных возможностей сателлитных клеток произошел благодаря инновационному использованию 3D-методов культивирования органоидов. Поместив мышиные миобласты в колбы-спиннеры, исследователи смогли создать органоиды, содержащие дифференцированные мышечные волокна и популяцию клеток, экспрессирующих ключевой маркер сателлитных клеток Pax7. Наличие этого важного фактора транскрипции и организация структуры внутри органоида были показателями успешности их метода.

«Мы уверены, что нам удалось успешно воссоздать нишу сателлитных клеток», — сказал Прайс, — «и благодаря этому мы смогли заставить клетки внутри этого органоида дедифференцироваться обратно в состояние сателлитных клеток. По сути, мы создали сателлитные клетки in vitro, что является значительным достижением, которое открывает большие перспективы для области регенеративной медицины и мышечной биологии».

Обширная характеристика in vitro и in vivo продемонстрировала, что эти стволовые клетки очень похожи на настоящие сателлитные клетки, включая их небольшой размер, состояние покоя и паттерны экспрессии ключевых генов и эпигенетических меток. Однако они не идентичны нативным клеткам. Анализ РНК и ДНК показал, что созданные в лаборатории клетки имеют промежуточный транскрипционный и эпигенетический профиль между сателлитными клетками и миобластами.

Однако самое важное то, что при трансплантации в мышцу мыши клетки смогли прижиться, повторно заселить нишу стволовых клеток, сохраняться в течение длительного времени и регенерировать мышцы после повторных травм — все это ключевые функции нативных сателлитных клеток.

В одном эксперименте исследователи показали, что трансплантация новых клеток, но не миобластов, в облученную мышцу мыши, лишенную эндогенных сателлитных клеток, привела к регенерации мышц с нормальной сократительной силой. Миобласты сделали именно то, что и ожидалось: ничего. Они не создали мышцы. Для сравнения, стволовые клетки и сателлитные клетки создали приличные мышцы. «Когда мы сравнили их способность сокращаться, мы были рады увидеть, что по сути генерация силы этой сократительной мышцей была идентичной», — сказал Прайс.

Он добавил: «Меня так впечатляет не способность клеток приживаться. А их способность повторно заселять нишу стволовых клеток, потому что если они это сделают, то они и приживутся, и сохранятся в долгосрочной перспективе».

Исследователи также смогли создать сателлитные клетки из человеческих миобластов, включая высокопассированные коммерческие клеточные линии. Это имеет важные последствия для разработки клеточной терапии, поскольку работа с человеческими тканями сложна, а большое количество функциональных сателлитных клеток теперь можно производить in vitro.

Это исследование было поддержано биомедицинским акселератором Блаватника и стратегическим альянсом между Гарвардским университетом и National Resilience, созданным Управлением развития технологий Гарварда (OTD) для продвижения исследований в сторону возможностей коммерциализации.

Опираясь на эти достижения, исследовательская группа заложила основу для совместного проекта с другими лабораториями Гарварда по моделированию всей нервно-мышечной цепи с потенциальным применением при таких состояниях, как спинальная мышечная атрофия, боковой амиотрофический склероз и плече-лопаточно-лицевая мышечная дистрофия.

«Наша лаборатория потратила годы на работу над «нейронной» стороной нервно-мышечных заболеваний», — сказал Рубин. «Теперь мы с нетерпением ждем времени, когда сможем создать совершенно новую схему, простирающуюся от спинного мозга до высокофункциональных мышц».