Новости Центра медицинских исследований имени Джонса Хопкинса
«Универсальный» безвирусный метод превращения клеток крови в «бьющиеся» сердечные клетки
Ученые ЦМИ Johns Hopkins разработали простой, более дешевый, универсальный метод, который, как они считают, позволяет ученым любой точки земного шара превращать клетки крови в клетки миокарда. Метод – безвирусный, а клетки сердца почти с 100-процентной гарантией воспроизводят биение сердца.
«Мы поступили подобно кулинарам, упрощающим рецепт блюда, и вместо сложного в приготовлении мясного супа типа минестроне сделали простой мисо-суп», – говорит доктор философии и медицины, доцент oнкологии и педиатрии в Институте клеточной инженерии и Kimmel Cancer Center Johns Hopkins Elias Zambidis.
Zambidis говорит: «Многие думали, что невозможно невирусным методом заставить клетки крови превращаться в высокофункциональные клетки миокарда. Но мы нашли очень эффективный способ сделать это и хотим, чтобы другие ученые проверили наш метод в своих лабораториях». Однако он предостерегает, что клетки еще не готовы для клинических испытаний на человеке.
Для превращения стволовых клеток из одного источника (такого как кровь) в клетку другого типа (такого как миокард) ученые используют вирусы, встраивая в клетки вирусный пакет генов. Однако вирусы могут значительно видоизменить последующий генетический код и инициировать развитие опухоли в недавно преобразованных клетках. Чтобы вставить гены, не используя вирус, группа Zambidis обратилась к состоящим из кольцевых молекул двухнитевой ДНК плазмидам, копирующим генетические факторы клеточных органелл и ответственным за дифференциацию клетки.
Кроме сложности самого процесса превращения стволовых клеток в другие типы, также необходимы различные дорогостоящие факторы роста и питательные вещества, создание прочих условий, в которых должны находиться стволовые клетки во время их преобразования. Состав этого «бульона» в каждой лаборатории имеет своеобразную рецептуру и существенные различия для каждой линии клеток.
Сообщая 8 апреля о проблеме на Public Library of Science ONE (PLoS ONE), группа Zambidis описала «кропотливый двухлетний процесс» упрощения состава и условий окружающей среды, в которые помещаются клетки крови, подвергающиеся преобразованию в клетки миокарда. Группа нашла, что сделанный ею состав последовательно работал, по крайней мере, на 11 различных линиях стволовых клеток, в том числе на линиях эмбриональных и взрослых стволовых клеток.
Сначала доктор философии Paul Burridge из Johns Hopkins изучил приблизительно 30 методик выращивания клеток миокарда. Он создал диаграммы 48 различных переменных, используемых для создания клеток миокарда, включая буферные растворы, ферменты, факторы роста, синхронизацию и размер линий клеточной культуры. После тестирования сотен комбинаций этих переменных Burridge пришел в каждой из трех стадий превращения клетки миокарда к четырем – девяти основным компонентам.
Упрощение манипуляций также дало существенную выгоду в уменьшении стоимости всего процесса воспроизводства. Доктор Burridge использовал более дешевые ростовые факторы, стоимостью в одну десятую цены применяемых стандартных (250$ за бутылку) и хранящихся приблизительно одну неделю.
Доктор Zambidis надеется, что другие ученые проверят метод на своих линиях стволовой клетки, но также и отмечает, что работа над «ростовым супом» далека от завершения. «Мы недавно оптимизировали условия для окончательного удаления эмбриональной бычьей сыворотки, так как использование животного продукта может привнести нежелательные вирусы».
В экспериментах с новой ростовой средой специалисты ЦМИ Johns Hopkins для перенесения в стволовые клетки семи генов смешали стволовые клетки крови и плазмиды. С помощью электрического импульса в поверхностной мембране клетки делали крошечные отверстия, через которые плазмиды могли проникнуть внутрь клетки. Находясь в цитоплазме, плазмиды заставляли клетки вернуться к более примитивному устройству – плюрипотентным стволовым клеткам (iPSC), которые впоследствии дают развитие различным типам клетки.
Недавно сформированные iPSCs доктор Burridge помещал в упрощенный состав носителей роста, который был назван «универсальной системой дифференцирования миокарда». Состав носителей ростовых факторов имеет определенный рецепт для создания именно клеток сердца из любой линии iPSC.
Наконец, клетки выводили в особых контейнерах, в которых процент кислорода составлял четверть от обычных атмосферных уровней. «Идея состоит в создании условий, испытываемых эмбрионом, когда примитивные клетки развиваются в различные типы», – говорит доктор Burridge. Также добавлялся химикат, названный ПВА, который работает как связующий элемент, заставляющий клетки склеиваться.
Девять дней спустя созданные без помощи вирусов iPSCs превратились в функциональные, бьющиеся (ритмично сокращающиеся) пластинки сердечных клеток размером не более острия иглы.
Вручную, с помощью микроскопа идентифицируя каждый кластер сокращающихся клеток миокарда в чашках Петри, Burridge рассчитал вероятность формирования iPSCs в сердечные клетки. В каждой из 11 проверенных частичек миокарда в каждом пласте было в среднем 94,5% ритмично сокращающихся клеток. «Для большинства ученых удача получить 10% эффективность для линии, созданных из IPSC», – говорит Zambidis.
Для приспособления к проверяемым клеткам миниверсии электрокардиографии, что важно для выяснения использования ими кальция и передачи импульса, доктора Zambidis и Burridge работали вместе с экспертами по биоинженерии из Университета Johns Hopkins. Получающийся ритм сокращений был идентичен характерному для нормального человеческого организма.
Безвирусные, iPSC-полученные сердечные клетки могут использоваться в лабораториях для испытания препаратов для лечения аритмии и других состояний. В конечном счете, биоинженеры могут разработать линии клеток, пригодные для трансплантации пациентам, перенесшим инфаркт миокарда.
Группа д-ра Zambidis недавно разработала подобные методики для превращения полученных из крови линий iPSC в клетки сетчатки глаза, нервной и сосудистой ткани.
Исследование финансировалось Фондом Исследования Стволовой клетки Мэриленда и Национальным Институтом Здоровья.
Соавторы: Susan Thompson, Michal Millrod, Seth Weinberg, Xuan Yuan, Ann Peters, Vasiliki Mahairaki, Vassilis E. Koliatso и Leslie Tung из ЦМИ Johns Hopkins.
Перевод Натальи Мещеряковой
12.04.2011 г.
