Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

Направленный дифференциации является биоинженерии методология на стыке биологии стволовых клеток , биологии развития и тканевой инженерии . [1] По сути, это использование потенциала стволовых клеток путем ограничения их дифференцировки in vitro в направлении определенного типа клеток или представляющих интерес тканей . [2] Стволовые клетки по определению плюрипотентны , способны дифференцироваться на несколько типов клеток, таких как нейроны , [3] кардиомиоциты , гепатоциты и т. Д.направленная дифференцировка требует детального понимания клонов и решения судьбы клеток , часто обеспечиваемого биологией развития. [2] [4]

Концептуальная рамка [ править ]

Во время дифференцировки плюрипотентные клетки принимают ряд решений, связанных с развитием, чтобы создать первые три зародышевых листка ( эктодерма , мезодерма и энтодерма ) эмбриона и промежуточных предшественников [5], за которыми следуют последующие решения или контрольные точки, дающие начало зрелому телу. ткани. [4] Процесс дифференциации можно смоделировать как последовательность бинарных решений на основе вероятностных или стохастических моделей. Биология развития и эмбриология дают базовые знания о дифференциации типов клеток посредством мутации.анализ, отслеживание клонов, микроманипуляции с эмбрионами и исследования экспрессии генов . Дифференцировка клеток и органогенез тканей включают ограниченный набор сигнальных путей развития . [4] Таким образом, возможно управлять судьбой клеток, контролируя решения клеток посредством внеклеточной передачи сигналов, имитируя сигналы развития.

Исходный материал [ править ]

Направленная дифференцировка в первую очередь применяется к плюрипотентным стволовым клеткам (PSC) происхождения млекопитающих, в частности к клеткам мыши и человека, для биомедицинских исследований . [5] С момента открытия эмбриональных стволовых (ES) клеток (1981) и индуцированных плюрипотентных стволовых (iPS) клеток (2006) исходный материал потенциально неограничен. [1] [4] [6] Исторически также использовались клетки эмбриональной карциномы (EC). [7] Фибробласты или другие типы дифференцированных клеток использовались для стратегий прямого репрограммирования . [1]

Методы [ править ]

Дифференцировка клеток включает переход от пролиферативного режима к режиму дифференцировки. Направленная дифференцировка заключается в имитации решений, связанных с развитием (развитием эмбриона) in vitro, с использованием стволовых клеток в качестве исходного материала. [1] Для этой цели плюрипотентные стволовые клетки (PSC) культивируют в контролируемых условиях с участием определенного субстрата или внеклеточных матриц, способствующих адгезии и дифференцировке клеток, и определяют состав культуральной среды . [4] Ограниченное количество сигнальных факторов, таких как факторы роста или небольшие молекулы , контролирующих дифференцировку клеток, применяется последовательно или комбинаторно, при различныхдозировка и время воздействия. [1] Правильная дифференциация интересующего типа клеток подтверждается путем анализа маркеров , специфичных для определенного типа клеток , профиля экспрессии генов и функциональных анализов. [1]

Ранние методы [ править ]

  • совместное культивирование со стромальными клетками или питающими клетками , а также на определенных субстратах для культивирования:

поддерживающие клетки и матрицы обеспечивают сигналы окружающей среды, подобные развитию. [8]

  • Формирование трехмерных клеточных агрегатов, называемых эмбриоидными тельцами (ЭТ): агрегаты стремятся имитировать раннее эмбриональное развитие и инструктировать дифференцировку клеток. [1] [5] [8]
  • посев в присутствии фетальной бычьей сыворотки , удаление факторов плюрипотентности.

Текущие методологии [ править ]

Направленная дифференциация [ править ]

Этот метод заключается в воздействии на клетки специфических модуляторов сигнальных путей и манипулировании условиями культивирования клеток (экологическими или экзогенными) для имитации естественной последовательности решений, связанных с развитием, для получения данного типа клеток / тканей. [1] [8] Недостатком этого подхода является необходимость хорошо понимать, как формируется интересующий тип клеток. [1]

Прямое перепрограммирование [ править ]

Этот метод, также известный как трансдифференцировка или прямое преобразование, заключается в сверхэкспрессии одного или нескольких факторов, обычно факторов транскрипции, введенных в клетки. [1] Исходным материалом могут быть плюрипотентные стволовые клетки (PSC) или дифференцированный тип клеток, например фибробласты. Этот принцип был впервые продемонстрирован в 1987 году с миогенными факторами MyoD. [9] Недостатком этого подхода является введение чужеродной нуклеиновой кислоты в клетки и принудительная экспрессия факторов транскрипции, эффекты которой полностью не изучены.

Выбор по происхождению / типу ячейки [ править ]

Этот метод заключается в выборе интересующего типа клеток, обычно с устойчивостью к антибиотикам . С этой целью клетки исходного материала модифицируют, чтобы они содержали кассету устойчивости к антибиотикам под промотором, специфичным для определенного типа клеток-мишеней . [10] [11] Отбор выживают только клетки, преданные интересующей линии .

Приложения [ править ]

Направленная дифференцировка обеспечивает потенциально неограниченный и управляемый источник клеток и тканей. Некоторым применениям мешает незрелый фенотип типа клеток, производных от плюрипотентных стволовых клеток (PSC), что ограничивает возможные физиологические и функциональные исследования. [6] Появилось несколько доменов приложений:

Модельная система для фундаментальной науки [ править ]

Для фундаментальной науки , особенно биологии развития и клеточной биологии , клетки , полученные из PSC, позволяют изучать на молекулярном и клеточном уровнях фундаментальные вопросы in vitro [5] , которые в противном случае было бы чрезвычайно трудно или невозможно изучить по техническим и этическим причинам in vivo. такие как эмбриональное развитие человека. В частности, дифференцирующиеся клетки поддаются количественным и качественным исследованиям. [8] Более сложные процессы также могут быть изучены in vitro, и описано образование органоидов, включая цереброиды, глазной бокал и почки .

Открытие лекарств и токсикология [ править ]

Типы клеток, дифференцированные из плюрипотентных стволовых клеток (PSC), оцениваются в качестве доклинических моделей заболеваний человека in vitro. [5] Типы клеток человека в чашке представляют собой альтернативу традиционным доклиническим исследованиям с использованием иммортализованных клеток животных, человека или первичных культур из биопсий , которые имеют свои ограничения. Клинически значимые типы клеток, то есть типы клеток, пораженные болезнями, являются основным объектом исследований, включая гепатоциты , бета-клетки островков Лангерганса , [12] кардиомиоциты и нейроны . Скрининг на наркотики выполняются на миниатюрных клеточных культурах в многолуночных планшетах или на чипе. [6]

Моделирование болезней [ править ]

Клетки, полученные от пациентов, используются in vitro для воссоздания конкретных патологий. [6] Конкретный тип клеток, пораженных патологией, лежит в основе модели. Например, мотонейроны используются для изучения спинальной мышечной атрофии (СМА), а кардиомиоциты [2] используются для изучения аритмии . Это может позволить лучше понять патогенез и разработку новых методов лечения через открытие лекарств. [6] Незрелые клетки, происходящие из PSC, могут созревать in vitro с помощью различных стратегий, таких как старение in vitro , для моделирования связанных с возрастом заболеваний in vitro. Основными заболеваниями, моделируемыми клетками, производными от PSC, являются боковой амиотрофический склероз.(БАС), болезнь Альцгеймера (AD), болезнь Паркинсона (PD), синдром ломкой Х-хромосомы (FXS), болезнь Хантингтона (HD), синдром Дауна , спинальная мышечная атрофия (SMA), мышечные дистрофии , [13] [14] кистозный фиброз , длительный Синдром QT и диабет I типа . [6]

Регенеративная медицина [ править ]

Потенциально неограниченный источник клеток и тканей может иметь прямое применение для тканевой инженерии , замены клеток и трансплантации после острых травм и реконструктивных операций . [2] [5] Эти применения ограничены типами клеток, которые можно эффективно и безопасно дифференцировать от человеческих ПСХ с надлежащим органогенезом . [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). Были высказаны опасения по поводу безопасности пациентов из-за возможности заражения недифференцированных клеток. Первое клиническое испытание с использованием клеток, полученных из hESC, было проведено в 2011 году. [15] Первое клиническое испытание с использованием клеток, полученных из hiPSC, началось в 2014 году в Японии. [16]

Ссылки [ править ]

  1. ^ Б с д е е г ч я J K Коэна , DE, Мелтон D (2011). «Превращение соломы в золото: управление судьбой клеток для регенеративной медицины». Природа Обзоры Генетики . 12 (4): 243–252. DOI : 10.1038 / nrg2938 . PMID  21386864 .
  2. ^ а б в г Мерри CE, Келлер G (2008). «Дифференциация эмбриональных стволовых клеток для клинически значимых популяций: уроки эмбрионального развития» . Cell . 132 (4): 661–680. DOI : 10.1016 / j.cell.2008.02.008 . PMID 18295582 . Проверено 6 ноября 2014 . 
  3. ^ Вихтерле H, Lieberam I, Porter JA, Джесселл TM (2002). «Направленная дифференцировка эмбриональных стволовых клеток в двигательные нейроны». Cell . 110 (3): 385–397. DOI : 10.1016 / S0092-8674 (02) 00835-8 . PMID 12176325 . 
  4. ^ a b c d e Spagnoli FM, Hemmati-Brivanlou A (2006). «Направляя эмбриональные стволовые клетки к дифференцировке: уроки молекулярной эмбриологии». Текущее мнение в области генетики и развития . 16 (5): 469–475. DOI : 10.1016 / j.gde.2006.08.004 . PMID 16919445 . 
  5. ^ a b c d e f Келлер Г. "Дифференциация эмбриональных стволовых клеток: наступление новой эры в биологии и медицине" . genesdev.cshlp.org. PMID 15905405 . Проверено 6 ноября 2014 .  Cite journal requires |journal= (help)
  6. ^ Б с д е е Sterneckert JL, Reinhardt P, Шёлер HR (2014). «Изучение болезней человека с использованием моделей стволовых клеток». Природа Обзоры Генетики . 15 (9): 625–639. DOI : 10.1038 / nrg3764 . PMID 25069490 . 
  7. Перейти ↑ Jones-Villeneuve EM, McBurney MW, Rogers KA, Kalnins VI (1982). «Ретиноевая кислота побуждает клетки эмбриональной карциномы дифференцироваться в нейроны и глиальные клетки» . Журнал клеточной биологии . Издательство Рокфеллерского университета. 94 (2): 253–262. DOI : 10,1083 / jcb.94.2.253 . PMC 2112882 . PMID 7107698 .  
  8. ^ а б в г Нисикава С., Якт Л. М., Эра Т (2007). «Культура эмбриональных стволовых клеток как инструмент онтогенетической клеточной биологии». Обзоры природы Молекулярная клеточная биология . 8 (6): 502–507. DOI : 10.1038 / nrm2189 . PMID 17522593 . 
  9. ^ Дэвис RL, Веинтроб Н, Lassar А. Б. (1987). «Экспрессия одной трансфицированной кДНК превращает фибробласты в миобласты». Cell . 51 (6): 987–1000. DOI : 10.1016 / 0092-8674 (87) 90585-X . PMID 3690668 . 
  10. ^ Marchetti S, Gimond С, Iljin К, Bourcier С, Alitalo К, Pouyssegur Дж, Пажес G (2002). «Эндотелиальные клетки, генетически отобранные из дифференцирующихся эмбриональных стволовых клеток мыши, включаются в участки неоваскуляризации in vivo». Журнал клеточной науки . 115 (Pt 10): 2075–2085. PMID 11973349 . 
  11. ^ Клаг MG, Soonpaa MH, Ко GY, поле LJ (1996). «Генетически отобранные кардиомиоциты из дифференцирующихся эмбронных стволовых клеток образуют стабильные внутрисердечные трансплантаты» . Журнал клинических исследований . 98 (1): 216–224. DOI : 10.1172 / JCI118769 . PMC 507419 . PMID 8690796 .  
  12. ^ Lumelsky Н, Блондель О, Laeng Р, ВЕЛАСКО I, Равин R, R Маккей (2001). «Дифференциация эмбриональных стволовых клеток в секретирующие инсулин структуры, подобные островкам поджелудочной железы». Наука . 292 (5520): 1389–1394. DOI : 10.1126 / science.1058866 . PMID 11326082 . S2CID 13025470 .  
  13. ^ Чал Дж, Oginuma М, Аль Tanoury Z, Гобер В, Кратком О, Хике А, Bousson Ж, Zidouni Y, Mursch С, Moncuquet Р, Tassy О, Винсент S, Miyanari А, Бер А, Garnier JM, Гевар G, Hestin M, Kennedy L, Hayashi S, Drayton B, Cherrier T., Gayraud-Morel B, Gussoni E, Relaix F, Tajbakhsh S, Pourquié O (август 2015 г.). «Дифференциация плюрипотентных стволовых клеток в мышечные волокна для моделирования мышечной дистрофии Дюшенна» (PDF) . Природа Биотехнологии . 33 (9): 962–9. DOI : 10.1038 / nbt.3297 . PMID 26237517 .  
  14. ^ Шелтон М, Кочарян А, Лю Дж, Skerjanc IS, Стэнфорд WL (2016). «Устойчивое создание и распространение предшественников скелетных мышц и миоцитов из плюрипотентных стволовых клеток человека» . Методы . 101 : 73–84. DOI : 10.1016 / j.ymeth.2015.09.019 . PMID 26404920 . 
  15. ^ "Первый тест терапии человеческими эмбриональными стволовыми клетками на людях прекращен - The Washington Post" . Washingtonpost.com . Проверено 6 ноября 2014 .
  16. ^ "Японская команда первой использовала iPS-клетки для восстановления зрения человека | The Japan Times" . japantimes.co.jp . Проверено 6 ноября 2014 .