Исследователи из Университета Иллинойса в сотрудничестве с учеными из Университета Нотр-Дам и Университета науки и технологий Хуачжун в Китае опубликовали свои результаты в журнале Nature Communications.«Всем известно, что для формирования эмбриона одна клетка каким-то образом имеет способ самоорганизоваться в несколько клеток, но микросреда in vivo не совсем понятна», — сказал руководитель исследования Нин Ван, профессор механики и инженерии в U. of I. «Мы хотим знать, как они развиваются в организованные структуры и органы. Это не происходит случайно. Существуют биологические правила, которые мы еще не понимаем».
Во время внутриутробного развития все специализированные ткани и органы тела формируются из небольшого шара стволовых клеток. Во-первых, клубок обобщенных клеток разделяется на три разные клеточные линии, называемые зародышевыми листками, которые станут разными системами организма. Этот важный первый шаг ускользнул от исследователей в лаборатории.
Никто еще не смог заставить клетки сформировать три отдельных зародышевых листка в правильном порядке — энтодерма внутри, мезодерма в середине и эктодерма снаружи. Это представляет собой серьезное препятствие на пути применения стволовых клеток в регенеративной медицине, поскольку исследователям необходимо понять, как развиваются ткани, прежде чем они смогут достоверно воспроизвести этот процесс.«Очень сложно создать ткани или органы, и причина в том, что мы не знаем, как они образуются in vivo», — сказал Ван. «Проблема, по сути, в том, что биологический процесс не ясен. Какая биологическая среда контролирует это, чтобы они могли стать более организованными и специализированными?»
Команда Вана продемонстрировала, что эмбриональные стволовые клетки мыши могут не только сформировать три различных зародышевых листка в лаборатории, но также и то, что разделение требует тщательного сочетания правильного времени, химических факторов и механической среды. Команда использует клеточные линии, которые флуоресцируют разными цветами, когда становятся частью зародышевого листка, что позволяет исследователям динамически контролировать процесс.
Исследователи поместили стволовые клетки в очень мягкую гелевую матрицу, пытаясь воссоздать свойства матки. Они обнаружили, что несколько механических сил играли роль в том, как клетки организовывались и дифференцировались — жесткость геля, силы, которые каждая клетка оказывает на своих соседей, и матрица белков, которые сами клетки откладывают в качестве каркаса, чтобы дать развивающимся строение зародыша.Регулируя механическую среду, исследователи смогли наблюдать, как силы влияют на развивающиеся клетки, и нашли конкретную комбинацию, которая дала три зародышевых листка. Они также обнаружили, что могут направлять развитие слоев, изменяя механику, даже создавая среду, которая заставляет слои формироваться в обратном порядке.
Сейчас группа Вана работает над улучшением своей техники для большей эффективности. Он надеется, что другие исследователи смогут использовать эту технику, чтобы преодолеть разрыв между стволовыми клетками и тканевой инженерией.«Это первый раз, когда у нас была правильная организация трех зародышевых листков в клетках млекопитающих», — сказал Ван. «Потенциал огромен.
Теперь мы можем расширить его и создать определенные органы и ткани. Это открывает двери для регенеративной медицины».