Перепрограммирование без генной инженерии: доктор Дин и его коктейли

Ученые из Институтов Гладстона (Gladstone Institutes) трансформировали клетки кожи в клетки сердца и головного мозга, используя смесь химических веществ.  2 Май 2016, 07:49
Ученые из Институтов Гладстона (Gladstone Institutes) трансформировали клетки кожи в клетки сердца и головного мозга, используя смесь химических веществ. До сегодняшнего дня все методы перепрограммирования требовали встраивания в геном клеток дополнительных генов, и это достижение – беспрецедентный научный подвиг, закладывающий основы для разработки методов регенерации утраченных или поврежденных тканей с помощью фармацевтических препаратов.
Клетка человеческого сердца –
результат перепрограммирования клетки
человеческой кожи.
(Фото: Nan Cao, PhD, Gladstone Institutes)
В двух статьях, опубликованных в журналах Science and Cell Stem Cell, группа ученых, возглавляемая старшим научным сотрудником Институтов Гладстона Шэном Дином (Sheng Ding), PhD, использовала химический коктейль, позволяющий постепенно трансформировать фибробласты в клетки, близкие к органоспецифическим стволовым клеткам, и в конечном итоге в клетки сердца и головного мозга. Это открытие дает в руки ученых более эффективный и надежный метод перепрограммирования клеток и позволяет избежать проблем, связываемых с генной инженерией.

«Этот метод приближает нас к возможности получения новых клеток на месте повреждения в организме пациентов», - говорит старший автор обеих статей доктор Дин. «Мы надеемся, что в один прекрасный день сможем лечить болезни, такие как сердечная недостаточность или болезнь Паркинсона, препаратами, помогающими сердцу и мозгу восстанавливать поврежденные участки их собственными тканевыми клетками. Этот процесс гораздо ближе к естественной регенерации, свойственной таким животным, как тритоны или саламандры, которая нас давно восхищает».

Способность взрослого сердца генерировать новые клетки очень ограничена, и ученые давно ищут способ замены клеток, теряемых в результате инфаркта миокарда. Так, уже предложена трансплантация в поврежденное сердце взрослых клеток сердца или его стволовых клеток. Однако эти попытки в основном показали себя как неэффективные: большая часть трансплантированных соматических клеток не выживает или не интегрируется в сердце должным образом, и лишь очень немногие из стволовых клеток трансформируются в клетки сердечной мышцы.

В альтернативном подходе, впервые предложенном Дипаком Шриваставой (Deepak Srivastava), MD, для трансформации клеток рубцовой ткани в мышечные клетки непосредственно в сердце животных используются гены. Этот метод дает возможность улучшить насосную функцию органа. Однако подход, основанный на химическом перепрограммировании, может предложить более простой путь к сигналам-триггерам локальной регенерации сердечной мышцы.
В работе, опубликованной в журнале Science, руководителем которой является постдокторант лаборатории доктора Дина Нань Цао (Nan Cao), PhD, для трансформации клеток человеческой кожи в сокращающиеся клетки сердца исследователи использовали коктейль из девяти химических веществ. Методом проб и ошибок они нашли лучшую комбинацию препаратов, позволяющую начать процесс перехода этих клеток в клетки, близкие к мультипотентным стволовым клеткам, способным трансформироваться во многие типы клеток того или иного органа. Второй коктейль из малых молекул и ростовых факторов способствовал превращению этих клеток в клетки, очень близкие к кардиомиоцитам.
Нейроны, полученные из химически индуцированных нейральных
стволовых клеток. (Фото: Mingliang Zhang, PhD, Gladstone Institutes)

Новый метод позволил получить более 97% клеток, способных к сокращению, являющемуся характерным признаком полностью развитых здоровых клеток сердца. Кроме того, эти клетки адекватно реагировали на гормоны и были похожи на клетки сердечной мышцы, а не на клетки кожи на молекулярном уровне.

Более того, при трансплантации в сердце мыши в начале процесса они развивались в выглядящие вполне здоровыми клетки сердечной мышцы.

«Наша конечная цель – лечить сердечную недостаточность надежным безопасным методом, позволяющим сердцу создавать новые мышечные клетки», - говорит доктор Шривастава. «Перепрограммирование собственных клеток пациента может стать самым безопасным и наиболее эффективным способом регенерации умирающей или больной сердечной мышцы».

Взяв на вооружение этот же подход, Минлян Чжан (Mingliang Zhang), PhD, и его коллеги получили из фибробластов мыши нейральные стволовые клетки. Статья о результатах этого исследования опубликована в Cell Stem Cell.
Химический коктейль также состоял из девяти видов молекул, некоторые из которых совпадали с использованными в первом исследовании. За десять дней коктейль изменил идентичность этих клеток: все гены фибробластов выключились и постепенно включились гены нейральных стволовых клеток. После пересадки мышам они спонтанно развились в три основных типа клеток головного мозга – нейроны, олигодендроциты и астроциты. Кроме того, эти нейральные стволовые клетки обладали способностью к самовоспроизведению, что делает их идеальным средством для лечения нейродегенеративных заболеваний или травм головного мозга.

«Обладая повышенной безопасностью, эти нейральные стволовые клетки в один прекрасный день могут быть использованы для заместительной терапии при нейродегенеративных заболеваниях, таких как болезнь Альцгеймера и болезнь Паркинсона», – комментирует результаты работы старший научный сотрудник Институтов Гладстона Ядун Хуан (Yadong Huang), MD, PhD. «Можно даже помечтать о будущем лечении пациентов смесью лекарственных препаратов, воздействующей на головной или спинной мозг и оперативно омолаживающей клетки мозга».
По материалам
 
Оригинальные статьи:
Nan Cao, Yu Huang, Jiashun Zheng, C. Ian Spencer, Yu Zhang, Ji-Dong Fu, Baoming Nie, Min Xie, Mingliang Zhang, Haixia Wang, Tianhua Ma, Tao Xu, Guilai Shi, Deepak Srivastava, Sheng Ding. Conversion of human fibroblasts into functional cardiomyocytes by small molecules
 
Mingliang Zhang, Yuan-Hung Lin, Yujiao Jennifer Sun, Saiyong Zhu, Jiashun Zheng, Kai Liu, Nan Cao, Ke Li, Yadong Huang, Sheng Ding. Pharmacological Reprogramming of Fibroblasts into Neural Stem Cells by Signaling-Directed Transcriptional Activation