Lingjun Rao, Ying Qian, Alastair Khodabukus, Thomas Ribar, Nenad Bursac. Engineering human pluripotent stem cells into a functional skeletal muscle tissue. Nature Communications, 2018; 9 (1) DOI: 10.1038/s41467-017-02636-4 | |
|---|---|
|
|
 A stained cross section of the new muscle fibers. The red cells are muscle cells, the green areas are receptors for neuronal input, and the blue patches are cell nuclei. Биомедицинские инженеры впервые вырастили функциональные скелетные мышцы человека из индуцированных плюрипотентных стволовых клеток. В 2015 исследователи из Duke University вырастили первую функциональную мышечную ткань из мышечных биоптатов. Использование не-мышечной ткани позволило ученым выращивать больше мышечных клеток, предоставив более легкий путь для геномного редактирования и клеточной терапии и для разработки по желанию моделей редких мышечных болезней для разработки лекарств и базовых биологических исследований.
"Начав с плюрипотентных стволовых клеток, которые могут становиться всеми клетками тела, что позволило нам выращивать неограниченные количества клеток миогенных предшественников," сказал Nenad Bursac. "Эти клетки предшественники напоминают мышечные стволовые клетки взрослых, наз. 'сателлитными клетками', которые теоретически могут вырасти tв целые мышцы, начиная с одиночной клетки."
В своей предыдущей работе Bursac и его команда начинали с небольших выборок клеток человека, полученных из мышечных биоптатов, наз. "миобластами," которые уже прошли стадию стволовых клеток, но ещё не стали зрелыми мышечными волокнами. Они подращивали эти миобласты во много раз и затем позволяли им заполнять поддерживающий 3-D каркас с питательным гелем, который позволял им формировать вытянутые и функциональные мышечные волокна человека.
В новом исследовании исследователи начинали с индуцированных плюрипотентных стволовых клеток. Эти клетки получали из взрослых не-мышечных тканей, таких как кожа или кровь и репрограммировали их, чтобы вернуть в примордиальное состояние. Плюрипотентные стволовые клетки затем растили в среде, заполненной молекулами Pax7 -- которые передавали сигналы клеткам начинать становиться мышцами.
После пролиферации клетки становились очень похожими на, но не столь мощные, мышечные стволовые клетки взрослых. Поскольку предыдущие исследования сопровождались подобными достижениями, но никто не был способен затем заставить расти эти промежуточные клетки в функциональные скелетные мышцы. The Duke researchers succeeded where previous attempts had failed. "Потребовались годы испытаний и ошибок, позволившие обоснованно предложить и осуществить детские шажки, чтобы наконец получить функциональные мышцы человека из плюрипотентных стволовых клеток," сказал Lingjun Rao. "Что помогло преодолеть проблемы, так это наши уникальные культуральные условия и 3-D матрица, которые позволяли клеткам расти и развиваться быстрее и в более длинные волокна, чем в обычно используемых 2-D ."
Как только становились достаточно подходящими для их предназначения, чтобы стать мышцами, Bursac и Rao прекращали добавлять Pax7 сигнальные молекулы и начинали предоставлять клеткам поддержку и питание, которые им были необходимы для полного созревания.
В этом исследовании ученые показали, что после 2-4-х недель в 3-D культуре, возникшие в результате мышечные клетки формировали мышечные волокна, которые сокращались и реагировали на внешние стимулы, такие как электрические импульсы и биохимические сигналы, воспроизводящие нервные импульсы точно также как нативная мышечная ткань. Они также имплантировали вновь выросшие мышечные волокна взрослым мышам и установили, что они выживают и функционируют, по крайней мере, в течение трех недель, поскольку прогрессивно интегрировались в нативную ткань посредством васкуляризации.
Возникающие мышцы, однако, не были столь сильными, как нативные и были неспособны достигать мышечного роста, как ранее в исследовании, начинавшемся с мышечных биоптатов. Несмотря на это предостережение, исследователи утверждают, что мышцы всё ещё обладают потенциалом более сильным, которым не обладают более старые родственники.
Происходящие из плюрипотентных стволовых клеток мышечные волокна формируют резервуар "подобный сателлитным клеткам", который необходим для репарации повреждений нормальных мышц взрослых, тогда как мышцы из предыдущего исследования давали значительно меньше подобных клеток. Метод стволовых клеток также позволяет расти значительно большему количеству клеток из небольшого стартового источника, чем метод биопсии.
Эти преимущества, подчеркивают возможность использования нового метода для регенеративной терапии, так и создание моделей редких болезней для будущих исследований и индивидуализированного здравоохранения.
"Перспектива изучения редких болезней нас особенно волнует," говорит Bursac. "Когда мышцы детей уже увядают, как при мышечной дистрофии Дюшена, то не этично брать мышечный образец от больного и вносить дополнительное повреждение. Но с этой техникой выборок из не-мышечной ткани, кожи или крови, мы можем превращать полученные клетки в плюрипотентное состояние и в конечном итоге выращивать бесконечное количество функциональных мышечных волокон для тестирования."
Эта техника также позволяет комбинирование с генной терапией. Исследователи, теоретически, могут устранять генетические нарушения в индуцированных плюрипотентных стволовых клетках, полученных от пациентов и затем выращивать небольшие кусочки полностью здоровых мышц. Хотя это не сможет излечивать или замещать больные мышцы во всем теле, то может быть использовано вместе с целенаправленной генотерапией или излечивать локальные проблемы.
Исследователи теперь усовершенствуют свою технику, чтобы выращивать более сильные мышцы и разрабатывать новые модели редких болезней мышц.
Video: https://www.youtube.com/watch?time_continue=1&v=2FTPG5ff76I
|