Ученые стали на ступеньку ближе к возможности регенерации конечностей

Изображение: (cc) Немецкие федеральные архивы
Инвалид-ампутант Первой мировой войны, фото 1923 года
Инвалид-ампутант Первой мировой войны, фото 1923 года
Инвалид-ампутант Первой мировой войны, фото 1923 года

Белки, способные «перепрограммировать» фибробласты (клетки кожи и соединительной ткани) в клетки, свойства которых сходны со свойствами клеток — предшественниц конечностей, определили в ходе совместного исследования ученые Университета Кюсю и Гарвардской медицинской школы, 1 марта сообщает пресс-служба Университета Кюсю.

Результаты исследования, которое расширяет понимание процесса развития конечностей и закладывает основу для регенеративной терапии в будущем, были представлены в статье «Прямое перепрограммирование фибробластов, не относящихся к конечностям, в клетки со свойствами предшественников конечностей», опубликованной в журнале Developmental Cell.

Около 60 миллионов человек во всем мире живут, потеряв конечности вследствие как травм, так и различных заболеваний — опухолей, инфекций и врожденных дефектов развития.

В настоящее время таким людям предлагают протезы разной степени сложности, но многие исследователи надеются, изучая процесс развития конечностей, усовершенствовать регенеративную терапию таким образом, чтобы помочь пациенту «отрастить» потерянную конечность.

Ведущий исследователь доктор Юджи Ацута, который начал заниматься этим проектом в Гарвардской медицинской школе и продолжает его в качестве преподавателя в Высшей школе наук Университета Кюсю, пояснил его цель:

«Во время развития конечностей у эмбриона клетки-предшественницы конечностей в зачатке конечности дают начало большинству различных тканей конечностей, таких как кости, мышцы, хрящи и сухожилия. Поэтому важно найти простой и доступный способ формирования этих клеток».

Поскольку в настоящее время такие клетки-предшественницы конечностей могут быть получены только из эмбрионов, что в случае человеческих эмбрионов создает этические проблемы, то альтернативой может стать создание их с помощью индуцированных плюрипотентных стволовых клеток.

Индуцированные плюрипотентные стволовые клетки (ИПСК) представляют собой стволовые клетки взрослого организма, которые генетически перепрограммированы в эмбрионально-подобные клетки, что позволяет позже внедрить их в определенные типы тканей.

Метод, разработанный командой исследователей под руководством Ацуты, позволяет напрямую перепрограммировать клетки фибробластов в клетки-предшественницы конечностей без использования ИПСК, что упрощает процесс, снижает затраты, а также и риск превращения клеток в раковые, что часто случается с ИПСК.

Команда исследователей изучила, какие гены экспрессируются в ранних зачатках конечностей у мышей и куриных эмбрионов.

Почти все клетки организма, в том числе фибробласты и клетки-предшественницы конечностей содержат идентичную геномную ДНК, а их функциональное разделение происходит в процессе развития за счет изменений в экспрессии различных генов — то есть за счет активации определенных генов и выработки клеткой определенных белков.

Одним из способов управления экспрессией генов в клетках являются специфические белки — факторы транскрипции. Исследователи установили 18 генов, в основном факторов транскрипции, которые более сильно экспрессируются в ранних зачатках конечностей по сравнению с другими тканями.

Они вырастили фибробласты из эмбрионов мышей и с помощью вирусных векторов вводили эти 18 генов в фибробласты, с тем чтобы клетки продуцировали эти 18 белковых факторов. В результате оказалось, что модифицированные фибробласты приобрели свойства и сходную экспрессию генов с естественными клетками-предшественницами конечностей, которые были выявлены в зачатках конечностей эмбрионов.

Далее, проведя ряд экспериментов, исследователи сузили выбор до трех белковых факторов, которые оказались необходимыми для перепрограммирования фибробластов мыши в клетки, подобные клеткам-предшественницам конечностей: Prdm16, Zbtb16 и Lin28a. Четвертый выявленный белок, Lin41, помогал этим клеткам быстрее расти и размножаться.

Исследование японских и американских ученых доказали, что перепрограммированные клетки-предшественницы конечностей имеют похожую с естественными клетками-предшественницами конечностей экспрессию генов и аналогичные функции.

«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), — сообщил Ацута. — Тестирование in vivo было особенно сложным, поскольку нам пришлось трансплантировать перепрограммированные мышиные клетки в зачатки конечностей куриных эмбрионов».

В планах команды Ацуты применение этого метода к клеткам человека, а также к змеям — их предки конечности имели, но в ходе эволюции потеряли.

«Интересно, что перепрограммированные клетки-предшественницы конечностей, создали органоиды, похожие на зачатки конечностей, поэтому кажется возможным генерировать ткани конечностей у видов, которые больше ими не обладают. Изучение змей без конечностей может открыть новые пути и знания в области биологии развития», — отметили авторы в статье.