В совместном исследовании исследователи из Университета Кюсю и Гарвардской медицинской школы определили белки, которые могут превращать или «перепрограммировать» фибробласты — наиболее часто встречающиеся клетки кожи и соединительной ткани — в клетки со свойствами, сходными со свойствами клеток-предшественников конечностей. Результаты исследования, опубликованные в журнале Developmental Cell , расширили наше понимание развития конечностей и заложили основу для регенеративной терапии в будущем.
Во всем мире около 60 миллионов человек живут с потерей конечностей . Ампутации могут быть результатом различных заболеваний, таких как опухоли, инфекции и врожденные дефекты, или травм в результате промышленных аварий, дорожно-транспортных происшествий и стихийных бедствий, таких как землетрясения. Люди с травмами конечностей часто полагаются на синтетические материалы и металлические протезы, но многие исследователи изучают процесс развития конечностей с целью приблизить регенеративную терапию или замену естественных тканей на один шаг в качестве потенциального лечения.
«Во время развития конечностей у эмбриона клетки- предшественники конечностей в зачатке конечности дают начало большинству различных тканей конечностей, таких как кости, мышцы, хрящи и сухожилия. Поэтому важно найти простой и доступный способ создания этих клеток, ", - объясняет доктор Юджи Ацута, ведущий исследователь, который начал заниматься этим проектом в Гарвардской медицинской школе и продолжает его в качестве лектора в Высшей школе наук Университета Кюсю.
В настоящее время распространенным способом получения клеток-предшественников конечностей является непосредственное получение из эмбрионов, что – в случае человеческих эмбрионов – вызывает этические проблемы. В качестве альтернативы их можно создать с использованием индуцированных плюрипотентных стволовых клеток — взрослых клеток, которые перепрограммируются в эмбрионально-подобное состояние, а затем могут быть внедрены в определенные типы тканей.
Новый метод, разработанный Ацутой и его коллегами, который напрямую перепрограммирует клетки фибробластов в клетки-предшественники конечностей и обходит индуцированные плюрипотентные стволовые клетки, упрощает процесс и снижает затраты. Это также снижает риск превращения клеток в раковые, что часто происходит при индуцированных плюрипотентных стволовых клетках .
На начальном этапе исследования ученые изучили, какие гены экспрессируются в ранних зачатках конечностей у мышей и куриных эмбрионов. Почти все клетки организма, включая фибробласты и клетки-предшественники конечностей, содержат идентичную геномную ДНК, но разные свойства и функции каждого типа клеток возникают в процессе развития из-за изменений в экспрессии генов (другими словами, какие гены активны, а какие белки вырабатываются клеткой). Одним из способов контроля экспрессии генов в клетках являются специфические белки, называемые факторами транскрипции.
Исследовательская группа выявила 18 генов, в основном факторы транскрипции , которые более высоко экспрессируются в ранних зачатках конечностей по сравнению с другими тканями. Они культивировали фибробласты из эмбрионов мышей и вводили эти 18 генов в фибробласты, используя вирусные векторы, чтобы клетки производили эти 18 белковых факторов. Они обнаружили, что модифицированные фибробласты приобрели свойства и показали сходную экспрессию генов с естественными клетками-предшественниками конечностей, обнаруженными в зачатках конечностей.
Затем, в ходе серии экспериментов, исследователи сузили свой выбор и определили, что только три белковых фактора необходимы для перепрограммирования фибробластов мыши в клетки, подобные клеткам-предшественникам конечностей: Prdm16, Zbtb16 и Lin28a. Четвертый белок, Lin41, помог культивируемым клеткам-предшественникам конечностей расти и размножаться быстрее.
Исследователи не только подтвердили, что перепрограммированные клетки-предшественники конечностей имели схожую экспрессию генов с естественными клетками-предшественниками конечностей, но также обладали схожими способностями.
«Эти перепрограммированные клетки являются не только молекулярными имитаторами; мы подтвердили их потенциал для развития в специализированные ткани конечностей как в лабораторных условиях (in vitro), так и в живых организмах (in vivo)», — говорит Ацута. «Тестирование in vivo было особенно сложным, поскольку нам пришлось трансплантировать перепрограммированные мышиные клетки в зачатки конечностей куриных эмбрионов».
В этих экспериментах исследователи использовали лентивирусы, которые встраивают гены непосредственно в геном инфицированных клеток, повышая риск того, что клетки могут стать раковыми. Вместо этого команда рассматривает другие, более безопасные векторы, такие как аденоассоциированные вирусы или плазмиды, которые доставляют гены в клетки, не встраивая гены в геном.
Лабораторная группа Ацуты сейчас пытается применить этот метод к клеткам человека для будущих терапевтических целей, а также к змеям, чьи предки имели конечности, которые впоследствии были потеряны в ходе эволюции.
«Интересно, что перепрограммированные клетки-предшественники конечностей генерировали органоиды, похожие на зачатки конечностей, поэтому кажется возможным генерировать ткани конечностей у видов, которые их больше не имеют. Изучение змей без конечностей может открыть новые пути и знания в биологии развития».
