Ученые нашли способ отслеживать в режиме реального времени, как стволовые клетки костного мозга производят различные типы клеток в крови — процесс, называемый гемопоэзом.
После создания новой мышиной модели, позволяющей фиксировать поведение клеток в реальном времени и связанные с ними закономерности экспрессии генов в высоком разрешении, исследователи смогли получить четкую картину того, как ведут себя гемопоэтические стволовые клетки (ЗСК), находящиеся в костном мозге.
Способность мышиной модели фиксировать поведение клеток in vivo в реальном времени в отношении моделей экспрессии генов означает, что ее можно использовать для изучения любого аспекта костномозгового кроветворения, как в физиологии, так и при заболеваниях.
Этот новый подход представляет собой важный вклад в исследования рака , поскольку аномальная дифференцировка ЗКП может привести к лейкемии, лимфоме и миеломе — основным типам рака крови. Это также может повлиять на прогрессирование опухоли. Поэтому крайне важно, чтобы ученые могли понять и даже предсказать, как эти клетки реагируют на изменения в их естественной среде, например, в костном мозге.
Исследователи из Института исследования рака в Лондоне выступили соавторами исследования, которое было опубликовано в журнале Cell Stem Cell . Совместная работа групп Геттгенса, Кранка и О'Кэрролла проводилась в Лондонском университете Королевы Марии, Кембриджском университете и Эдинбургском университете.
Значительный прогресс
ЗКП определяются их способностью к самообновлению и способностью дифференцироваться в любой из основных типов клеток крови: Т-лимфоциты, В-лимфоциты, эритроциты (эритроциты), тромбоциты, базофилы, эозинофилы, нейтрофилы или моноциты.
Эти стволовые клетки проходят различные промежуточные стадии во время созревания, генерируя различные типы клеток-предшественников, которые созревают в клетки различных линий. Например, некоторые ЗКП продуцируют лимфоидные клетки-предшественники, которые впоследствии становятся Т-лимфоцитами и В-лимфоцитами.
Ученые знали об этой кроветворной иерархии уже много лет, но до сих пор они сталкивались с препятствиями при попытке смоделировать продвижение отдельных клеток через нее в реальном времени — то, что возможно только в костном мозге живого организма.
Иммунофенотипирование, тип теста, используемый для обнаружения присутствия маркеров клеток крови, дает только снимки производства крови с низким разрешением и не может различить различные гемопоэтические стволовые клетки и клетки-предшественники. Альтернативный метод, называемый секвенированием одноклеточной РНК (scRNA-seq), который выявляет экспрессию генов отдельных клеток в данной популяции, не включает временной элемент, поэтому он не может четко отразить, как эти клетки изменяются с течением времени.
Чтобы преодолеть эти проблемы, исследователи, стоящие за нынешним исследованием, разработали новую модель мыши. Они индуцировали экспрессию репортерного гена в ЗКП, который генетически маркирует их и позволяет отслеживать их развитие в дифференцированные клетки.
Затем они провели секРНК-секвенирование в различные моменты времени, чтобы определить динамические взаимоотношения между стволовыми клетками и популяциями клеток-предшественников, включая скорость деления клеток и время, необходимое для созревания клеток разных типов. Примечательно, что на основе этих результатов исследователи использовали математическое моделирование для разработки системы прогнозирования для дальнейших экспериментов in vivo.
Новый взгляд на производство клеток крови
Сравнивая количество и тип меченых клеток в каждом анализе scRNA-seq, команда смогла точно рассчитать скорость дифференцировки клеток крови — чего раньше не удавалось достичь. Высокое количество меченых клеток-предшественников в компартменте нижестоящих клеток указывало на быстрый переход между стадиями созревания, тогда как отсутствие изменений между анализами предполагало вместо этого высокие скорости самообновления HSC/клеток-предшественников.
Один из многих конкретных вопросов, на которые исследователи хотели ответить, заключался в том, могут ли общие миелоидные клетки-предшественники (CMP) дифференцироваться в любой из типов миелоидных клеток — эритроциты, тромбоциты, нейтрофилы или моноциты. У исследователей неоднозначные мнения по этому поводу: некоторые утверждают, что большинство CMP на самом деле склонны к производству определенного типа клеток, а это означает, что они не являются мультипотентными.
Исследование, проведенное под руководством профессора Камила Кранца — нового директора Центра моделирования in vivo ICR, показало, что CMP могут производить различные типы дифференцированных клеток только в правильных условиях. Когда CMP были трансплантированы или окружены цитокинами — сигнальными белками, влияющими на рост клеток, — они имели тенденцию генерировать только клетки одного и того же типа. Однако, когда им было предоставлено больше времени для расширения в естественной среде костного мозга, CMP оказались мультипотентными.
Профессор Кранц, профессор гематоонкологии в ICR, сказал: «Наши анализы показали, что клеткам-предшественникам, таким как CMP, требуется достаточно времени, чтобы «изучить» свою потенциальную судьбу и дать разнообразные результаты клеток крови. Однако, когда условия способствуют быстрой дифференцировке, клетки- предшественники У клеток недостаточно времени, чтобы определиться с выбором своей судьбы, и они направляются на производство менее разнообразной продукции».
Исследователи также изучили, как экспрессия генов менялась вместе с определенным поведением клеток, сосредоточив внимание на клетках, которые подвергались усиленной пролиферации или ускоренной дифференцировке. Они определили конкретные закономерности экспрессии генов, которые коррелируют с самообновлением клеток и развитием определенных типов клеток крови.
Предоставление новой основы для дальнейших исследований
Этот новый подход может помочь исследователям во всем мире лучше понять, как различные состояния, такие как химиотерапия, старение и инфекции, влияют на динамику производства клеток крови при раке и других заболеваниях.
Профессор Кранк, пришедший в ICR из Лондонского университета Королевы Марии, сказал: «Как функционируют ЗСК in situ в костном мозге и как они генерируют разнообразные предшественники в реальном времени во время ненарушенного кроветворения, никогда не было решено. Наша статья непосредственно обращается к этому вопросу». .
«Более того, наш подход потенциально может выявить новую биологическую динамику с высоким разрешением в любой биологической системе. Мы надеемся, что другие исследователи также смогут применить его для понимания этой динамики в других тканях и органах, в том числе во время рака».
«Мышиные модели являются одним из наших наиболее ценных инструментов в исследованиях рака, поскольку они позволяют нам изучать опухоли с теми же характеристиками, что и опухоли человека, предоставляя нам более качественные данные, чем мы можем получить, используя раковые клетки в лабораторной чашке. Наши новые и обширные наборы данных доступна исследовательскому сообществу, и мы считаем, что нашу инновационную модель можно использовать для прогнозирования того, как нормальный и злокачественный кроветворение может реагировать на различные физиологические стимулы, при заболевании и при лечении».
