В ходе совместного исследования ученые из Университета Кюсю и Гарвардской медицинской школы выявили белки, способные превращать или «перепрограммировать» фибробласты – наиболее распространенные клетки кожи и соединительной ткани – в клетки, сходные по свойствам с клетками-предшественниками конечностей. Результаты исследования, опубликованные в журнале Developmental Cell, расширили наши представления о развитии конечностей и заложили основу для регенеративной терапии в будущем.
Во всем мире около 60 миллионов человек живут с потерей конечностей. Ампутации могут быть следствием различных заболеваний, таких как опухоли, инфекции, врожденные дефекты, а также травм, полученных в результате несчастных случаев на производстве, дорожно-транспортных происшествий и стихийных бедствий, таких как землетрясения. Люди с травмами конечностей часто пользуются синтетическими материалами и металлическими протезами, но многие исследователи изучают процесс развития конечностей, чтобы еще на один шаг приблизить регенеративную терапию, или естественную замену тканей, к потенциальному методу лечения.
«Во время развития конечности у эмбриона клетки-предшественники в зародыше конечности дают начало большинству различных тканей конечности, таких как кость, мышца, хрящ и сухожилие. Поэтому важно создать простой и доступный способ получения этих клеток», – объясняет доктор Юдзи Ацута, ведущий исследователь.
В настоящее время общепринятый способ получения клеток-предшественников конечностей – непосредственно из эмбрионов, что в случае с человеческими эмбрионами вызывает этические проблемы. В качестве альтернативы их можно получить с помощью индуцированных плюрипотентных стволовых клеток – взрослых клеток, которые перепрограммируются в эмбриональное состояние и впоследствии могут быть превращены в определенные типы тканей.
Новый метод, разработанный Ацутой и коллегами, который напрямую перепрограммирует клетки фибробластов в клетки-предшественники конечностей, упрощает процесс и снижает затраты. Кроме того, он снимает опасения, что клетки могут стать раковыми, что часто происходит с индуцированными плюрипотентными стволовыми клетками.
На начальном этапе работы ученые исследовали, 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 различные свойства и функции каждого типа клеток появляются в процессе развития благодаря изменениям в экспрессии генов (другими словами, какие гены активны и какие белки производятся клеткой). Одним из способов контроля экспрессии генов в клетках являются специфические белки, называемые транскрипционными факторами.
Исследовательская группа выявила 18 генов, которые более активно экспрессируются в зачатке конечности по сравнению с другими тканями. Они культивировали фибробласты из эмбрионов мышей и ввели эти 18 генов в фибробласты с помощью вирусных векторов, чтобы клетки вырабатывали эти 18 белковых факторов. Было обнаружено, что модифицированные фибробласты приобрели свойства и экспрессию генов, схожие с естественными клетками-предшественниками конечностей.
Далее, в ходе серии экспериментов, исследователи сузили свой выбор и определили, что только 3 белковых фактора необходимы для перепрограммирования мышиных фибробластов в прогениторные клетки конечностей: Prdm16, Zbtb16 и Lin28a. Четвертый белок, Lin41, помогал культивируемым клеткам-предшественникам конечностей быстрее расти и размножаться.
«Перепрограммированные клетки – не только молекулярные имитаторы; мы подтвердили их потенциал для развития в специализированные ткани конечностей, как в лабораторной посуде (in vitro), так и в живых организмах (in vivo)», – говорит Ацута. Испытания in vivo были особенно сложными, поскольку пришлось пересаживать перепрограммированные мышиные клетки в зародыши конечностей куриных эмбрионов.
В этих экспериментах обычно ученые использовали лентивирусы, которые вставляют гены непосредственно в геном зараженных клеток, что повышает риск того, что клетки могут стать раковыми. Вместо этого команда рассматривает другие, более безопасные векторы, такие как адено-ассоциированные вирусы или плазмиды, которые доставляют гены в клетки, не вставляя их в геном.
Сейчас лабораторная группа Ацуты пытается применить этот метод к человеческим клеткам для будущего терапевтического применения, а также к змеям, чьи предки имели конечности, которые впоследствии были утрачены в ходе эволюции. Интересно, что перепрограммированные клетки-предшественники конечностей образовывали органоиды, похожие на зачатки конечностей, так что возможно генерировать ткани конечностей у видов, которые больше ими не обладают.