Биоинженерия стволовых клеток

Full Professor of Medicine and Health Sciences and Technology Harvard-MIT Division of Health Sciences and Technology Harvard Medical School, Brigham & Women’s Hospital Зa пoслeднee врeмя былo oпубликoвaнo мнoжeствo рaзличныx рaбoт нa эту тeму. Кoгдa иx кoличeствo нeвeликo, тo oни бoлee склoнны диффeрeнцирoвaться в клeтки крoвeнoсныx сoсудoв. Вo врeмя oднoй из нaшиx рaбoт мы пoмeстили клeтки в микрoструктуры, кoтoрыe пoзвoляли кoнтрoлирoвaть, кaк эти клeтки oбъeдиняются в группы, тo eсть при пoмoщи тaкиx микрoструктур мoжнo упрaвлять тeм, кaк клeтки взаимодействуют друг с другом и объединяются в кластеры. Подобных возможностей очень много, и они существуют как раз благодаря развитию инженерных технологий. Так что вам нет необходимости создавать ткань — можно просто создать клетку и исследовать ее, чтобы понять, как заставить ее находить определенные ткани. В результате профиль экспрессии гена будет таким же, как и при нормальном развитии — в условиях, когда сигналы последовательно сообщают клетке, что делать. Сразу последовали попытки извлечь костный мозг и воспроизвести его искусственно, чтобы можно было получить костные стволовые клетки в больших количествах и пересаживать их пациентам. Такой метод может быть полезен при создании источника клеток, который можно пересаживать, напрямую вводя в кровь. 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. 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. Однако в последнее время все больше исследователей понимают, что, хоть биологический компонент и важен, необходима разработка инженерных методов, чтобы управлять поведением клеток. Среди других подходов — использование различных типов пептидов или протеинов для создания материалов, которые будут определять поведение клетки. 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. Можно спроектировать эти частицы так, чтобы молекулы одного вида выделялись очень быстро, а другого — очень медленно. Это два примера: в одном инженерная работа проходит внутри самой клетки, в другом — помогает контролировать поведение множества клеток извне. Это наблюдалось множество раз при инъекции эмбриональных стволовых клеток в тела лабораторных мышей. Клетки затем распространятся по всему организму и, обнаружив местонахождение дефекта или болезни, будут перемещаться к нему. Таковы некоторые моменты, иллюстрирующие, как инженерные методы применяются в биологии стволовых клеток. Благодаря биоинженерии мы знаем, что при помощи различных методов можно контролировать то, как молекулы выделяются в окружающую среду. 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 взять отдельную клетку или целую группу и нужным образом поставлять им факторы роста, получится управлять их деятельностью. Комбинируя все эти вещи, можно разработать эффективные методы лечения заболеваний. Если пустить по ним раствор, эти мезенхимальные стволовые клетки будут буквально катиться по кровеносным сосудам. К настоящему моменту открыто множество новых видов стволовых клеток, при этом большое внимание уделяется их биологическим характеристикам. Вместо того чтобы просто поместить их в чашку Петри и наблюдать, мы можем прибегнуть к инженерным методам. 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. Вопрос в том, как мы можем управлять этой средой. 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. Они помогают понять их природу, проектировать их окружение, исследовать, как внешние сигналы влияют на генетические различия внутри клеток, и моделировать различные ситуации. 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. Мы увидим, как мезенхимальные клетки взаимодействуют с кровеносными сосудами и как они проникают в ткани. Я думаю, это зависит во многом от того, как использовать инженерные методы для дифференциации клеток. Это относится и к исследованию определенных аспектов межклеточной среды, и к общему пониманию поведения клеток, и к использованию компьютерных технологий. Так мы можем посылать клетке сигналы о том, что ей делать и как изменяться. Мы получаем большое количество данных из протеомных и геномных исследований, и к ним мы можем применить наработки, которые используются при создании электрических схем. 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. Есть множество технологий, которые могут помочь избавиться от опухолевых клеток или удалить оставшиеся при общей дифференцировке клеток. 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. 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. Если эмбриональные стволовые клетки не дифференцируются должным образом, они действительно образуют 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. К примеру, все более важным становится вопрос, как все компоненты биологической системы, будь то гены или белки, влияют на 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. Таким образом, при помощи микрофлюидных систем опухолевые клетки можно захватить и отделить от дифференцированных. С тех пор как впервые были открыты гемопоэтические стволовые клетки, сферы инженерии и изучения стволовых клеток стали активно взаимодействовать между собой.

Комментирование и размещение ссылок запрещено.

Комментарии закрыты.