Традиционная трансплантация органов - сложное дело. От длительного ожидания до оценки иммунологического сходства пациентов и потенциальных доноров - могут пройти годы, прежде чем будет найдена подходящая кандидатура. По данным Управления ресурсов и услуг здравоохранения, каждый день семнадцать американцев умирают в ожидании пересадки органов¹.

Ученые изучают возможности замены трансплантации, в том числе использование плюрипотентных стволовых клеток человека (hPSCs) в качестве альтернативной терапии. hPSCs - это клетки-предшественники, способные дифференцироваться в любой тип клеток организма при наличии соответствующих условий окружающей среды или культуры. In vitro стволовые клетки, взятые у пациентов, могут генерировать ткани и органы, которые имеют меньший риск отторжения по сравнению с донорским материалом. Поэтому для удовлетворения спроса необходимо увеличить их производство. Существующие методы увеличения производства hPSCs основаны на создании сложных условий культивирования, имитирующих клеточную среду.² Поэтому исследователи изучают альтернативные методы, позволяющие снизить уровень человеческого вклада, необходимого для производства большого количества стволовых клеток.

"В идеальном мире мы бы генерировали функциональные клетки из стволовых с помощью синтетических генных схем для повышения урожайности [стволовых клеток] или типов клеток, чтобы в конечном итоге использовать их в клеточной и генной терапии", - говорит Peter Zandstra, ученый-исследователь из Университета Британской Колумбии. Чтобы сделать это реальностью, Zandstra и его коллеги, включая первого автора Laura Prochazka, стратегически разработали синтетическую генную схему для обнаружения и контроля того, в каком дифференцированном состоянии находится клетка. Эта работа была недавно опубликована в журнале Molecular Systems Biology.³

Синтетическая генная цепь - это сконструированная сеть генов, контролируемая с помощью транскрипционных или пост-транскрипционных регуляторов для координации желаемого результата. Чтобы контролировать переходы между состояниями клеток hPSC, команда Zandstra использовала пост-транскрипционный механизм регуляции с помощью логических цепей на основе микроРНК (miRNA). Эти схемы регулируют экспрессию генов, используя способность миРНК связывать и облегчать деградацию РНК, содержащей miRNA response elements (MREs). В данном исследовании схемы были разработаны для определения состояния клетки (hPSC или не hPSC) или для модуляции экспрессии указанных пользователем генов для контроля состояния дифференцировки.

"Контроль над клеткой был важной целью", - говорит Ga'bor Bala'zsi, биолог-синтетик из Университета Стони-Брук в Нью-Йорке, который не принимал участия в этом исследовании. "Это интересный способ объединить эти две задачи [определение состояния клетки и ее дифференцировку], по сути, исключив участие человека".

В качестве доказательства концепции исследователи экспрессировали свои схемы в hPSCs и подтвердили, могут ли они контролировать клеточную дифференциацию. В качестве выходного сигнала они использовали экспрессию BMP4, который необходим для дифференцировки hPSCs в различные типы клеток. Когда исследователи модулировали экспрессию BMP4 с помощью различных вариантов MRE, называемых miRNA silencing-mediated-fine-tuners (misFITs), они наблюдали дозозависимый ответ в дифференцировке. Например, клетки, экспрессирующие BMP4 на низком уровне, оставались в не дифференцированном плюрипотентном состоянии. Напротив, клетки, экспрессирующие BMP4 в умеренном или высоком количестве, формировали гаструляционную структуру, подобно клеткам, подвергшимся воздействию экзогенного BMP4. Это свидетельствует о том, что цепи могут координировать переход клеток в разные состояния дозозависимым образом.

После успешного доказательства концепции Zandstra с нетерпением ждет, что будет дальше. "Я думаю, что мы находимся в самом начале пути к внедрению более сложных схем в плюрипотентные стволовые клетки, и эта работа показывает, что это возможно", - сказал он. В дальнейшем исследователи хотят разработать такие сложные схемы для уничтожения нежелательных дифференцированных клеток или отслеживания состояния клеток, чтобы контролировать производство hPSCs для применения в регенеративной и трансплантационной медицине. References 1.

"Organ Donation Statistics," https://www.organdonor.gov/learn/organ-donation-statistics, accessed Feb 19, 2023. 2.

S. Dakhore et al., "Human pluripotent stem cell culture: current status, challenges, and advancement," Stem Cells Int, 2018:7396905, 2018. 3. L.

Prochazka et al., "Synthetic gene circuits for cell state detection and protein tuning in human pluripotent stem cells," Mol Syst Biol, 18(11):e10886, 2022.