Направленная дифференциация
Направленная дифференциация – это биоинженерная методология, находящаяся на стыке биологии стволовых клеток , биологии развития и тканевой инженерии . [1] По сути, он использует потенциал стволовых клеток, ограничивая их дифференцировку in vitro в направлении определенного типа клеток или ткани . интересующей [2] Стволовые клетки по определению плюрипотентны и способны дифференцироваться в несколько типов клеток, таких как нейроны , [3] кардиомиоциты , гепатоциты и т. д. Эффективная направленная дифференцировка требует детального понимания линии и решения судьбы клеток , часто предоставляемого биологией развития. [2] [4]
Концептуальная рамка
[ редактировать ]Во время дифференцировки плюрипотентные клетки принимают ряд решений в области развития, чтобы сначала создать три зародышевых листка ( эктодерму , мезодерму и энтодерму ) эмбриона и промежуточных предшественников. [5] за которыми следуют последующие решения или контрольные точки, дающие начало всем зрелым тканям организма. [4] Процесс дифференциации можно смоделировать как последовательность бинарных решений, основанных на вероятностных или стохастических моделях. Биология развития и эмбриология дают базовые знания о дифференциации типов клеток посредством анализа мутаций , отслеживания линий, микроманипуляций эмбрионов и экспрессии генов исследований . Дифференцировка клеток и органогенез тканей включают ограниченный набор сигнальных путей развития . [4] Таким образом, можно управлять судьбой клеток, контролируя решения клеток посредством внеклеточной передачи сигналов, имитируя сигналы развития.
Исходный материал
[ редактировать ]Направленная дифференцировка в первую очередь применяется к плюрипотентным стволовым клеткам (ПСК) млекопитающих, в частности к клеткам мыши и человека, для биомедицинских исследований . [5] С момента открытия эмбриональных стволовых (ЭС) клеток (1981 г.) и индуцированных плюрипотентных стволовых (ИПС) клеток (2006 г.) исходный материал потенциально неограничен. [1] [4] [6] Исторически эмбриональной карциномы (ЭК). также использовались клетки [7] Фибробласты или другие дифференцированные типы клеток использовались для прямого перепрограммирования . стратегий [1]
Методы
[ редактировать ]Дифференциация клеток включает переход от пролиферативного режима к режиму дифференцировки. Направленная дифференциация заключается в имитации решений, связанных с развитием (развитием эмбриона), in vitro с использованием стволовых клеток в качестве исходного материала. [1] С этой целью плюрипотентные стволовые клетки (ПСК) культивируют в контролируемых условиях с использованием специфического субстрата или внеклеточных матриц, способствующих адгезии и дифференцировке клеток, и определяют культуральных сред . составы [4] Ограниченное количество сигнальных факторов, таких как факторы роста или малые молекулы , контролирующие дифференцировку клеток, применяется последовательно или комбинаторно, в различных дозировках и времени воздействия. [1] Правильную дифференциацию интересующего типа клеток проверяют путем анализа маркеров , специфичных для типа клеток, профиля экспрессии генов и функциональных анализов. [1]
Ранние методы
[ редактировать ]- совместное культивирование со стромальными клетками или фидерными клетками и на определенных культуральных субстратах:
поддерживающие клетки и матрицы обеспечивают сигналы окружающей среды, подобные онтогенетическим. [8]
- Формирование трехмерных клеточных агрегатов, называемых эмбриоидными телами (ЭТ): цель агрегата имитировать раннее эмбриональное развитие и инструктировать дифференцировку клеток. [1] [5] [8]
- посев в присутствии фетальной бычьей сыворотки , удаление факторов плюрипотентности.
Текущие методологии
[ редактировать ]Направленная дифференциация
[ редактировать ]Этот метод заключается в воздействии на клетки специфических модуляторов сигнальных путей и манипулировании условиями культивирования клеток (окружающими или экзогенными), чтобы имитировать естественную последовательность решений развития для производства данного типа клеток/тканей. [1] [8] Недостатком этого подхода является необходимость хорошо понимать, какформируется интересующий тип клеток. [1]
Прямое перепрограммирование
[ редактировать ]Этот метод, также известный как трансдифференцировка или прямая конверсия, заключается в сверхэкспрессии одного или нескольких факторов, обычно факторов транскрипции, введенных в клетки. [1] Исходным материалом могут быть либо плюрипотентные стволовые клетки (ПСК), либо клетки любого дифференцированного типа, такие как фибробласты. Этот принцип был впервые продемонстрирован в 1987 году на примере миогенных факторов MyoD. [9] Недостатком этого подхода является введение чужеродной нуклеиновой кислоты в клетки и принудительная экспрессия факторов транскрипции, эффекты которой до конца не изучены.
Выбор в зависимости от линии/типа клеток
[ редактировать ]Этот метод заключается в выборе интересующего типа клеток, обычно устойчивых к антибиотикам . Для этой цели клетки исходного материала модифицируются так, чтобы они содержали кассету устойчивости к антибиотикам под промотором, специфичным для типа клеток-мишеней . [10] [11] выживают только клетки, принадлежащие интересующей линии Отбор .
Приложения
[ редактировать ]Направленная дифференциация обеспечивает потенциально неограниченный и управляемый источник клеток и тканей.Некоторые применения ограничены незрелым фенотипом типа клеток, полученных из плюрипотентных стволовых клеток (PSC), что ограничивает возможные физиологические и функциональные исследования. [6] Появилось несколько областей применения:
Модельная система для фундаментальной науки
[ редактировать ]В фундаментальной науке , особенно в биологии развития и клеточной биологии , клетки, полученные из PSC, позволяют изучать фундаментальные вопросы in vitro на молекулярном и клеточном уровнях. [5] в противном случае было бы чрезвычайно трудно или невозможно изучить его in vivo по техническим и этическим причинам, например, эмбриональное развитие человека. В частности, дифференцирующиеся клетки поддаются количественному и качественному исследованию. [8] образование органоидов, в том числе цереброидов, глазного бокала и почек Более сложные процессы также можно изучать in vitro, и описано .
Открытие лекарств и токсикология
[ редактировать ]Типы клеток, дифференцированные из плюрипотентных стволовых клеток (ПСК), оцениваются в качестве доклинических моделей заболеваний человека in vitro. [5] Типы человеческих клеток в чашке представляют собой альтернативу традиционным доклиническим анализам с использованием иммортализованных клеток животных, человека или первичных культур из биопсий , которые имеют свои ограничения. Клинически значимые типы клеток, т.е. типы клеток, поражаемые при заболеваниях, являются основным направлением исследований, включая гепатоциты , островков Лангерганса бета-клетки , [12] кардиомиоциты и нейроны . Скрининг на наркотики проводят на миниатюрной культуре клеток в многолуночных планшетах или на чипе. [6]
Моделирование заболеваний
[ редактировать ]Клетки, полученные из ПСК пациентов, используются in vitro для воссоздания специфических патологий. [6] В основе модели лежит конкретный тип клеток, затронутый патологией. Например, мотонейроны используются для изучения спинальной мышечной атрофии (СМА) и кардиомиоцитов. [2] используются для изучения аритмии . Это может позволить лучше понять патогенез и разработать новые методы лечения посредством открытия лекарств. [6] Незрелые типы клеток, происходящие из ПСХ, можно созревать in vitro с помощью различных стратегий, таких как старение in vitro , для моделирования возрастных заболеваний in vitro.Основными заболеваниями, моделируемыми с помощью клеток, полученных из ПСК, являются боковой амиотрофический склероз (АЛС), болезнь Альцгеймера (БА), болезнь Паркинсона (БП), синдром ломкой Х-хромосомы (FXS), болезнь Хантингтона (БГ), синдром Дауна , спинальная мышечная атрофия (СМА), мышечные дистрофии , [13] [14] муковисцидоз , синдром удлиненного интервала QT и диабет I типа . [6]
Регенеративная медицина
[ редактировать ]Потенциально неограниченный источник клеток и тканей может найти прямое применение в тканевой инженерии , замене клеток и трансплантации после острых травм и реконструктивной хирургии . [2] [5] Эти применения ограничены типами клеток, которые можно эффективно и безопасно дифференцировать от ПСК человека при соответствующем органогенезе . [1] Децеллюляризованные органы также используются в качестве тканевого каркаса для органогенеза. Исходным материалом могут быть нормальные здоровые клетки от другого донора (гетерологичная трансплантация) или генетически скорректированные от того же пациента (аутологичные).Опасения по поводу безопасности пациентов были высказаны из-за возможности загрязнения недифференцированных клеток. Первое клиническое испытание с использованием клеток, полученных из чЭСК, состоялось в 2011 году. [15] Первое клиническое исследование с использованием клеток, полученных из hiPSC, началось в 2014 году в Японии. [16]
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ Перейти обратно: а б с д и ж г час я дж к Коэн Д.Е., Мелтон Д. (2011). «Превращение соломы в золото: управление судьбой клеток для регенеративной медицины». Обзоры природы Генетика . 12 (4): 243–252. дои : 10.1038/nrg2938 . ПМИД 21386864 . S2CID 26358726 .
- ^ Перейти обратно: а б с д Марри CE, Келлер Дж. (2008). «Дифференциация эмбриональных стволовых клеток в клинически значимые популяции: уроки эмбрионального развития» . Клетка . 132 (4): 661–680. дои : 10.1016/j.cell.2008.02.008 . ПМИД 18295582 .
- ^ Вихтерле Х., Либерам И., Портер Дж.А., Джесселл Т.М. (2002). «Направленная дифференцировка эмбриональных стволовых клеток в мотонейроны» . Клетка . 110 (3): 385–397. дои : 10.1016/S0092-8674(02)00835-8 . ПМИД 12176325 .
- ^ Перейти обратно: а б с д и Спаньоли FM, Хеммати-Бриванлу А (2006). «Направление эмбриональных стволовых клеток к дифференцировке: уроки молекулярной эмбриологии». Текущее мнение в области генетики и развития . 16 (5): 469–475. дои : 10.1016/j.где.2006.08.004 . ПМИД 16919445 .
- ^ Перейти обратно: а б с д и ж Келлер Дж. (2005). «Дифференцировка эмбриональных стволовых клеток: возникновение новой эры в биологии и медицине» . Гены и развитие . 19 (10). Genesdev.cshlp.org: 1129–1155. дои : 10.1101/gad.1303605 . ПМИД 15905405 . Проверено 6 ноября 2014 г.
- ^ Перейти обратно: а б с д и ж Стернекерт Дж.Л., Райнхардт П., Шолер Х.Р. (2014). «Исследование заболеваний человека с использованием моделей стволовых клеток». Обзоры природы Генетика . 15 (9): 625–639. дои : 10.1038/nrg3764 . ПМИД 25069490 . S2CID 22976547 .
- ^ Джонс-Вильнёв Э.М., Макберни М.В., Роджерс К.А., Калниньш В.И. (1982). «Ретиноевая кислота побуждает клетки эмбриональной карциномы дифференцироваться в нейроны и глиальные клетки» . Журнал клеточной биологии . 94 (2). Издательство Рокфеллеровского университета: 253–262. дои : 10.1083/jcb.94.2.253 . ПМК 2112882 . ПМИД 7107698 .
- ^ Перейти обратно: а б с д Нишикава С., Джакт Л.М., Эра Т (2007). «Культура эмбриональных стволовых клеток как инструмент биологии клеток развития». Nature Reviews Молекулярно-клеточная биология . 8 (6): 502–507. дои : 10.1038/nrm2189 . ПМИД 17522593 . S2CID 205494131 .
- ^ Дэвис Р.Л., Вайнтрауб Х., Лассар А.Б. (1987). «Экспрессия одной трансфицированной кДНК превращает фибробласты в миобласты». Клетка . 51 (6): 987–1000. дои : 10.1016/0092-8674(87)90585-X . ПМИД 3690668 . S2CID 37741454 .
- ^ Маркетти С., Гимон С., Ильин К., Бурсье С., Алитало К., Пуиссегюр Ж., Пажес Г. (2002). «Эндотелиальные клетки, генетически отобранные из дифференцирующихся эмбриональных стволовых клеток мыши, включаются в участки неоваскуляризации in vivo». Журнал клеточной науки . 115 (Часть 10): 2075–2085. дои : 10.1242/jcs.115.10.2075 . ПМИД 11973349 .
- ^ Клуг М.Г., Сунпаа М.Х., Ко Г.И., Филд Л.Дж. (1996). «Генетически отобранные кардиомиоциты из дифференцирующихся эмбриональных стволовых клеток образуют стабильные внутрисердечные трансплантаты» . Журнал клинических исследований . 98 (1): 216–224. дои : 10.1172/JCI118769 . ПМК 507419 . ПМИД 8690796 .
- ^ Лумельский Н., Блондель О., Лаенг П., Веласко И., Рэвин Р., Маккей Р. (2001). «Дифференциация эмбриональных стволовых клеток в инсулин-секретирующие структуры, подобные островкам поджелудочной железы». Наука . 292 (5520): 1389–1394. Бибкод : 2001Sci...292.1389L . дои : 10.1126/science.1058866 . ПМИД 11326082 . S2CID 13025470 .
- ^ Чал Дж, Огинума М, Аль Танури З, Гоберт Б, Сумара О, Хик А, Буссон Ф, Зидуни Ю, Мурш С, Монкуке П, Тасси О, Винсент С, Миянари А, Бера А, Гарнье Дж. М., Гевара Дж., Хестин М., Кеннеди Л., Хаяши С., Дрейтон Б., Черрье Т., Гайро-Морель Б., Гуссони Э., Реле Ф., Таджбахш С., Пуркье О (август 2015 г.). «Дифференцировка плюрипотентных стволовых клеток в мышечные волокна для моделирования мышечной дистрофии Дюшенна» (PDF) . Природная биотехнология . 33 (9): 962–9. дои : 10.1038/nbt.3297 . ПМИД 26237517 . S2CID 21241434 .
- ^ Шелтон М., Кочарян А., Лю Дж., Скерьянц И.С., Стэнфорд В.Л. (2016). «Надежное создание и размножение предшественников скелетных мышц и миоцитов из плюрипотентных стволовых клеток человека» . Методы . 101 : 73–84. дои : 10.1016/j.ymeth.2015.09.019 . ПМИД 26404920 .
- ^ «Первое испытание терапии эмбриональными стволовыми клетками человека на людях прекращено – The Washington Post» . Washingtonpost.com . Проверено 6 ноября 2014 г.
- ^ «Японская команда первой использовала iPS-клетки в попытке восстановить зрение человека | The Japan Times» . japantimes.co.jp . Проверено 6 ноября 2014 г.
