Регенерация: протеини превръщат фибробластите в клетки на крайниците

Акценти

Учени от Университета Кюшу, Япония, и от Медицинското училище в Харвард, Великобритания, откриват протеини, които са в състояние да трансформират фибробластите – най-разпространените клетки на кожата и на съединителната тъкан в подобни по свойства на прогениторните клетки на крайниците.
Проучването е поредното стъпало към дългосрочната цел за регенериране на човешките крайници след ампутация.

Регенерацията

Темата за регенерацията е сред водещите, които са във фокуса на научните търсения през последните десетилетия. В настоящето почти 60 000 000 души в света са принудени да живеят след загуба на крайниците си. Причините са много. Сред тях са както медицински състояния като тумори, различни инфекции или вродени дефекти, така и травми в резултат на пътнотранспортни произшествия, земетресения, природни бедствия и промишлени аварии.

Много често ампутираните крайници биват заменяни с протези, изработени от различни материали. И въпреки това научната общност продължава да изследва все по-задълбочено процеса на развитие на крайниците. Целта е регенеративната терапия, тоест естествената подмяна на тъканите, да се превърне в потенциално лечение.

Прогениторните клетки

Ръководител на проекта е д-р Yuji Atsuta. Започва работа по него в Медицинското училище на Харвард, а след това го продължава, докато е лектор в Университета Кюшу.

„Когато крайниците се развиват по време на ембрионалния стадий, прогениторните клетки в зародиша създават повечето от различните тъкани като кости, мускули, сухожилия и хрущяли. Точно затова е важно да се създаде достъпен и простичък начин за получаването на тези клетки“, казва д-р Atsuta.

Сега има един начин да бъдат получени прогениторни клетки на крайници и той е да се вземат директно от ембриона, което поражда обаче етични притеснения, особено когато става дума за човешки ембрион.

>>>Фибробластите изпълняват двойна функция в процеса на заздравяване на раните по кожата

Алтернативата на подобна директна намеса е да бъда създадени с помощта на индуцирани плурипотентни стволови клетки. Става дума за възрастни клетки, които се препрограмират в състояние, което е подобно на ембрион, а по-късно могат да бъдат превърнати в специфични тъкани.

Екипът на д-р Yuji Atsuta прави стъпка напред и предлага нов метод.

Проучването и методът

Методът, който учените разработват, препрограмира директно фибробластите в прогениторни клетки на крайници и заобикаля индуцираните плурипотентни стволови клетки. Предимствата са няколко. На първо място процесът е опростен, а разходите са много по-малко. Особено важно е и това, че методът намалява опасенията, че клетките става ракови, което се случва често при индуцирани плурипотентни стволови клетки.

>>>Японски лекари провеждат първото в света изпитване на iPS клетки, трансплантирани в гръбначния стълб

Първата фаза на проучването учените посвещават на изследването кои гени се експресират в ранните зародиши на крайници при миши и пилешки ембриони. Както поясняват от екипа, почти всички клетки в тялото, включително фибробластите и прогениторните клетки на крайниците, съдържат идентична геномна ДНК, но различните свойства и функции на всеки клетъчен тип се появяват по време на развитието и това се дължи на промени в генната експресия. Или казано по друг начин, екипът търси кои гени са активни и кои протеини се произвеждат от клетката.

Един от начините генната експресия в клетките да бъде контролирана е посредством протеини, наречени транскрипционни фактори.

По време на работата изследователите идентифицират 18 гена (предимно транскрипционни фактора). В сравнение с други тъкани те са по-силно изразени в ранните зародиши на крайниците. След това екипът култивира фибробласти от миши ембриони и въвежда тези 18 гена в тях. Извършва манипулацията като използва вирусни вектори, така че клетките да произведат тези 18 протеинови фактора.

След всичко това екипът открива, че модифицираните фибробласти придобиват свойствата и имат сходна генна експресия с естествените прогениторни клетки, открити в зародишите на крайниците.

>>>Стволови клетки са в основата на синтетични копия на човешки ембриони

Работата продължава с поредици от опити, които позволяват да бъде стеснен изборът. Така учените установяват, че от съществено значение за препрограмирането на миши фибробласти в клетки, подобни на прогениторите на крайници, са три протеинови фактора. Това са Prdm16, Zbtb16 и Lin28a.

Протеинът Lin41 помага на култивираните прогениторни клетки на крайниците да се размножават и растат по-бързо.

За тези експерименти екипът използва лентивируси, които вмъкват гени директно в генома на заразените клетки, а за тях това повишава риска да се превърнат в ракови. Затова сега учените обмислят използването на по-безопасни вектори. Например, адено-асоциирани вируси или плазмиди, които също доставят гени в клетката, но без да вмъкват гени в генома.

Изводите

Учените не само потвърждават, че препрограмираните прогениторни клетки на крайници имат сходна генна експресия с естествените, но и установяват, че имат подобни способности. Д-р Yuji Atsuta обобщава: „Препрограмираните клетки не са само молекулярни имитатори. Ние потвърдихме техния потенциал да се развиват в специализирани тъкани на крайниците както в лабораторни съдове (ин витро), така и в живи организми (ин виво).“

Ученият признава, че особено предизвикателство е тестът ин виво. Причината:„Трябваше да трансплантираме препрограмираните миши клетки в крайниците на пилешки ембриони“.

Сега работната група прави опити да приложи този метод към човешки клетки. Любопитна подробност е, че го прилагат и при змии, чиито предци са имали крайници, изгубени по време на еволюцията. Правят го, защото казват, че препрограмираните клетки генерират органоиди, които са подобни пъпките на крайници, което прави възможно създаването на тъкани при видове, които вече не притежават крайници.

„Изследванията на змии могат да разкрият нови пътища и да дадат нови знания в биологията на развитието“, убеден е д-р Yuji Atsuta.

Изводите от проучването, публикувани в статия в списанието Developmental Cell, дава допълнителни знания за развитието на крайниците и в същото време поставя началото на регенеративната терапия в бъдеще.