Исследователи из Национального института здоровья (NIH) разработали коктейль из четырех небольших молекул, который может защитить стволовые клетки, называемые индуцированными плюрипотентными стволовыми клетками (ИПСК), от стресса и поддерживать нормальную структуру и функцию стволовых клеток. Исследователи предполагают, что коктейль может улучшить потенциальное терапевтическое использование стволовых клеток, начиная от лечения заболеваний и состояний, таких как диабет, болезнь Паркинсона и травмы спинного мозга, до редактирования генома.
Плюрипотентные стволовые клетки человека — это клетки, которые теоретически могут расти вечно и служить неиссякаемым источником специализированных клеток, таких как клетки мозга, почек и сердца. Но стволовые клетки чувствительны, и их потенциальное использование в медицине затруднено из-за стресса, возникающего при выращивании в чашке для культивирования клеток, который может повредить их ДНК и привести к гибели клеток.
В серии экспериментов ученые во главе с Ильясом Сингечом, доктором медицины, доктором философии, директором Лаборатории трансляции стволовых клеток Национального центра развития трансляционных наук (NCATS) NIH, использовали высокопроизводительный скрининг для систематического тестирования тысяч соединений и препараты для определения уникальной комбинации, которая значительно улучшила выживаемость стволовых клеток и снизила стресс культуры клеток. Сингеч и его соавторы описали, как они разработали коктейль, названный CEPT, и его потенциальные применения 3 мая в Nature Methods .
«Коктейль из низкомолекулярных соединений защищает клетки и делает использование стволовых клеток более предсказуемым и эффективным. Предотвращая клеточный стресс и повреждения ДНК, которые обычно происходят, мы предотвращаем гибель клеток и улучшаем качество выживших клеток», — сказал Сингеч. «Коктейль станет широко используемым продуктом в области стволовых клеток и ускорит применение стволовых клеток как в исследованиях, так и в клинике».
ИПСК происходят из перепрограммированных клеток кожи или крови. Чтобы улучшить их выживаемость в культуре, Сингеч и его команда первоначально протестировали более 15 000 одобренных Управлением по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов США лекарств и исследуемых низкомолекулярных соединений из коллекций NCATS. Среди 20 лекарств и соединений, которые могут ингибировать активность ROCK, типа фермента киназы, который участвует в стрессе стволовых клеток, они обнаружили, что соединение Chroman 1 было более мощным, чем широко используемое соединение Y 27632, в улучшении выживаемости клеток.
Чтобы еще больше повысить выживаемость клеток, Сингеч и его коллеги использовали возможности матричного скрининга лекарств NCATS для поиска потенциального синергизма между Chroman 1 и другими лекарствами и соединениями. Матричный скрининг лекарств позволяет исследователям изучать эффекты комбинаций лекарств и определять возможные механизмы действия этих лекарств. Исследователи определили исследуемый препарат, Emricasan, который в сочетании с Chroman 1 может обеспечить дополнительную поддержку для повышения жизнеспособности стволовых клеток.
По словам Сингека, важным направлением биологии стволовых клеток является экспериментальный процесс, называемый клонированием одной клетки. Хотя культивировать стволовые клетки в больших группах проще, клонирование отдельных клеток — культивирование одной клетки за раз в крошечной лунке планшета для культивирования клеток — очень тяжело для клеток и неэффективно. Этот процесс имеет решающее значение для редактирования генов и создания клеточных линий, которые представляют собой клеточные культуры, полученные из одной клетки.
В своей первоначальной работе по скринингу команда проверила защитные эффекты лекарств и соединений на 500 стволовых клетках одновременно в лунках планшета. Чтобы имитировать клеточный стресс, наблюдаемый во время клонирования отдельных клеток, исследователи затем разработали новый анализ (тест), позволяющий им изучить влияние более 7500 соединений только на 10 клеток за раз.
Это тестирование привело к идентификации третьего соединения, транс-ISRIB, которое увеличивало выживаемость клеток, даже когда в каждой чашке было несколько клеток. Дополнительные эксперименты показали, что смесь соединений, называемых полиаминами, в сочетании с Chroman 1, Emricasan и транс-ISRIB, оказалась лучшей для клонирования отдельных клеток.
«Клетки необходимо культивировать должным образом, и они должны быть хорошего качества, чтобы попадать в организм пациентов», — сказала и.о. директора NCATS Джони Раттер, доктор философии. «Благодаря поиску новых способов защиты стволовых клеток от повреждений, эти результаты могут в конечном итоге иметь широкие последствия для многих различных заболеваний, включая рак, болезнь Альцгеймера и другие».
Команда провела ряд экспериментов, чтобы проверить полезность коктейля. Исследователи показали, например, что CEPT улучшил биобанк стволовых клеток, называемый криоконсервацией, которая включает в себя замораживание клеток и обычно вызывает у них большой стресс. Криоконсервация имеет решающее значение для доставки стволовых клеток в клинику, но значительное количество клеток теряется или повреждается в процессе оттаивания. Коктейль резко улучшил процесс.
В другом тесте исследователи изучили использование коктейля на ИПСК, которые уже были дифференцированы в клетки сердца, двигательные нейроны и другие типы клеток. Они обнаружили, что эти более дифференцированные клетки, обработанные CEPT, также были более жизнеспособными и показали улучшенную функцию. Сингеч также отметил потенциальные возможности использования коктейля в тканевой инженерии и биопроизводстве различных типов клеток для регенеративной медицины и разработки лекарств .
«Последние 20 лет нам не удавалось культивировать стволовые клетки человека в наиболее оптимальных условиях», — сказал Сингеч. «Наш подход может повысить безопасность и гарантировать, что линии стволовых клеток следующего поколения будут культивированы с высоким качеством, прежде чем они попадут в клинику».
Источник: