„Riadené“ kmeňové bunky vytvárajú špecifické tkanivá a orgány

Kmeňové bunky pravdepodobne predstavujú budúcnosť zdravotníctva a lekárskeho výskumu. S potenciálom odomknúť možnosti liečenia, porozumenia a inovácie spôsobmi, ktoré tradičné prístupy nedokážu, sú základom toho, ako by sa dali choroby liečiť a predchádzať im, ako aj budúcnosť.

Teraz výskumníci z Univerzity zdravotníckych vied Cedars-Sinai a Kalifornskej univerzity v San Franciscu pokročili vo vývoji kmeňových buniek ďalej. Ich spolupráca viedla k vytvoreným bunkám nazývaným ako „syntetické organizátory“, ktoré dodávajú kmeňovým bunkám pokyny, ktoré im hovoria, aby rástli do špecifických tkanív a orgánov.

„Tieto syntetické organizátory môžeme použiť na to, aby sme kmeňové bunky posunuli smerom k vytváraniu rôznych častí skorého embrya alebo k výrobe srdca alebo iných orgánov,“ povedal Dr. Ophir Klein, PhD, spoluzodpovedný autor štúdie.

Predchádzajúci výskum ukázal, že niektoré bunky prítomné počas veľmi skorého vývoja môžu pôsobiť ako organizátory alebo signalizátory pre embryá in vitro. Tieto bunky sa organizujú okolo kmeňových buniek a poskytujú im pokyny na ich vývoj. S ohľadom na to výskumníci predložili hypotézu: Ak by skonštruovali verziu týchto organizačných buniek, mohli by byť lepšie schopní riadiť vývoj in vitro.

Výskumníci teda vzali natívne a syntetické bunkové adhézne molekuly, proteíny, ktoré pomáhajú bunkám priľnúť k sebe navzájom a k ich okoliu, a skonštruované organizačné bunky, ktoré sa sami zostavili okolo myších embryonálnych kmeňových buniek v prispôsobiteľných architektúrach. Potom skonštruovali bunky tak, aby produkovali špecifické signálne molekuly nazývané ako morfogény.

Morfogény sú kľúčom k vývoju buniek. Určujú osud bunky na základe ich koncentrácie. Keď sa morfogény šíria zo zdroja, vytvárajú gradienty – oblasti s vysokou koncentráciou bližšie k zdroju a nižšou koncentráciou ďalej. Bunky „čítajú“ tieto gradienty, aby zistili ich polohu a úlohu vo vyvíjajúcom sa tkanive. Napríklad vysoké hladiny môžu bunke povedať, aby sa stala nervovou bunkou, stredné hladiny jej môžu povedať, aby sa stala bunkou kože a nízke hladiny môžu signalizovať bunke, aby sa stala spojivovým tkanivom.

Organizačné bunky boli skonštruované tak, aby exprimovali morfogén WNT3A a jeho antagonistu DKK1 v rôznych gradientoch. To umožnilo výskumníkom preskúmať, ako zmena gradientu viedla embryoid – agregát embryonálnych kmeňových buniek – k odlišným výsledkom. Prinútili kmeňové bunky, aby začali tvoriť telo myši od hlavy po chvost, podobne ako sa embryo vyvíja v maternici.

V samostatnom experimente dali kmeňovým bunkám pokyn, aby vytvorili bijúcu štruktúru podobnú srdcu, doplnenú centrálnou komorou a sieťou krvných ciev.

„Tento typ platformy syntetických organizačných buniek poskytuje nový spôsob prepojenia s kmeňovými bunkami a programovania toho, do čoho sa vyvinú,“ povedal Wendell Lim, PhD, ďalší zodpovedajúci autor štúdie. „Kontrolou a pretvorením toho, ako sa kmeňové bunky diferencujú a vyvíjajú, nám to môže umožniť kultivovať lepšie orgány na transplantáciu organoidov na modelovanie chorôb a prípadne ich využiť na podporu regenerácie tkanív u živých pacientov.“

Skonštruované organizačné bunky boli tiež vybavené chemickým spínačom, ktorý umožnil výskumníkom zapnúť a vypnúť dodávanie bunkových inštrukcií, ako aj „samovražedný spínač“ na elimináciu buniek v prípade potreby.

„Títo syntetickí organizátori ukazujú, že môžeme poskytnúť prepracovanejšie vývojové pokyny pre kmeňové bunky inžinierstvom, kde a kedy sú poskytované špecifické signály morfogénu,“ povedal Lim. „Organizačné bunky nesú priestorové informácie aj biochemické informácie, čím nám poskytujú neuveriteľné množstvo kontroly, ktorú sme predtým nemali.“

Technológia, ako je táto, má potenciál viesť k obrovským aplikáciám v reálnom svete v regeneratívnej medicíne, personalizovanej medicíne, vývoji a testovaní liekov, lepšiemu pochopeniu ľudského vývoja a liečbe chronických a genetických stavov.

„Pozoruhodná veda o programovaní inštrukcií na presviedčanie kmeňových buniek by jedného dňa mohla otvoriť dvere na riešenie zložitých chorôb,“ povedal Klein. „Mohli by sme vytvoriť špecifické typy buniek, ako je beta bunka na výrobu inzulínu alebo neurón na liečbu Parkinsonovej choroby v kontexte veľkého kusu tkaniva alebo dokonca celého orgánu. Táto práca otvára mnoho nových a vzrušujúcich možností.“

Štúdia bola nedávno publikovaná v magazíne Cell.