Войти
Направленная дифференциация - это биоинженерная методология в интерфейсе биология стволовых клеток, биология развития и тканевая инженерия. По сути, это использование потенциала стволовых клеток путем ограничения их дифференцировки in vitro в направлении конкретного типа клеток или ткани, представляющей интерес. Стволовые клетки по определению плюрипотентны, способны дифференцироваться на несколько типов клеток, таких как нейроны, кардиомиоциты, гепатоциты и т. д. Эффективная направленная дифференцировка требует детального понимания происхождения и решения клеточной судьбы, часто обеспечиваемого биологией развития.
Во время дифференцировки плюрипотентные клетки образуют ряд решений, связанных с развитием первых трех зародышевых слоев (эктодерма, мезодерма и энтодерма) эмбриона и промежуточных предшественников, с последующими решениями или контрольными точками, дающими начало всем зрелым тканям организма. Процесс дифференциации может быть смоделирован как последовательность бинарных решений на основе вероятностных или стохастических моделей. Биология развития и эмбриология предоставляют базовые знания о дифференцировке типов клеток посредством анализа мутаций, отслеживания клонов, микроманипуляций с эмбрионами и исследований экспрессии генов. Дифференциация клеток и тканевый органогенез включает ограниченный набор онтогенетических сигнальных путей. Таким образом, возможно управлять судьбой клеток, контролируя решения клеток посредством внеклеточной передачи сигналов, имитируя сигналы развития.
Направленная дифференциация в первую очередь применяется к плюрипотентным стволовым клеткам (PSC) происхождения млекопитающих, в частности клеткам мыши и человека, для биомедицинских исследований приложения. С момента открытия эмбриональных стволовых (ES) клеток (1981) и индуцированных плюрипотентных стволовых (iPS) клеток (2006) исходный материал потенциально неограничен. Исторически также использовались клетки эмбриональной карциномы (EC). Фибробласты или другие типы дифференцированных клеток использовались для стратегий прямого репрограммирования.
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. Для этой цели плюрипотентные стволовые клетки (PSC) культивируют в контролируемых условиях, включающих специфический субстрат или внеклеточные матрицы, способствующие клеточной адгезии и дифференцировке, и определяют композиции питательных сред. Ограниченное количество сигнальных факторов, таких как факторы роста или небольшие молекулы, контролирующих дифференцировку клеток, применяется последовательно или комбинаторно, при различных дозировках и воздействии. время. Правильная дифференциация интересующего типа клеток подтверждается путем анализа маркеров, специфичных для типа клеток, профиля экспрессии генов и функциональных анализов.
поддерживающие клетки и матрицы обеспечивают сигналы окружающей среды, подобные развитию.
Этот метод заключается в воздействии на клетки специфических модуляторов сигнальных путей и манипулировании условиями культивирования клеток (средовыми или экзогенными) для имитации естественной последовательности решений, связанных с развитием производить данный тип клеток / ткань. Недостатком этого подхода является необходимость хорошо понимать, как формируется интересующий тип клеток.
Этот метод, также известный как трансдифференцировка или прямая конверсия, заключается в сверхэкспрессии одного или нескольких факторов, обычно факторов транскрипции, введенных в клетки. Исходным материалом могут быть либо плюрипотентные стволовые клетки (PSC), либо дифференцированный тип клеток, например фибробласты. Этот принцип был впервые продемонстрирован в 1987 году с миогенными факторами MyoD. Недостатком этого подхода является введение чужеродной нуклеиновой кислоты в клетки и принудительная экспрессия факторов транскрипции, эффекты которой полностью не изучены.
Этот метод заключается в выборе интересующего типа клеток, обычно с устойчивостью к антибиотикам. Для этой цели клетки исходного материала модифицируют, чтобы они содержали кассету устойчивости к антибиотикам под промотором специфического типа клеток-мишеней. Только клетки, преданные интересующему клону, выживают при выборе.
Направленная дифференцировка обеспечивает потенциально неограниченный и управляемый источник клеток и тканей. Некоторым применениям препятствует незрелый фенотип типа клеток, производных от плюрипотентных стволовых клеток (PSC), что ограничивает возможные физиологические и функциональные исследования. Появилось несколько прикладных областей:
Для фундаментальной науки, в частности биологии развития и клеточной биологии Клетки, производные от PSC, позволяют изучать на молекулярном и клеточном уровнях фундаментальные вопросы in vitro, которые в противном случае было бы чрезвычайно сложно или невозможно изучить по техническим и этическим причинам in vivo, например, эмбриональное развитие человека. В частности, для количественных и качественных исследований поддаются дифференцирующиеся клетки. Более сложные процессы также могут быть изучены in vitro, и описано образование органоидов, включая цереброиды, глазной бокал и почки.
Типы клеток, дифференцированные из плюрипотентных стволовых клеток (PSC), оцениваются как доклинические модели болезней человека in vitro. Типы клеток человека в чашке представляют собой альтернативу традиционным доклиническим исследованиям с использованием животных, иммортализованных клеток человека или первичных культур из биопсий, что их ограничивает. Клинически значимые типы клеток, то есть типы клеток, пораженные болезнями, являются основным объектом исследований, в том числе гепатоциты, островок Лангерганса бета-клетки, кардиомиоциты и нейроны. Лекарственный скрининг выполняется на миниатюрной клеточной культуре в многолуночных планшетах или на чипе.
Клетки, полученные от пациентов, используются in vitro для воссоздания специфических патологии. В основе модели лежит конкретный тип клеток, пораженный патологией. Например, мотонейроны используются для изучения спинальной мышечной атрофии (SMA), а кардиомиоциты используются для изучения аритмии. Это может позволить лучше понять патогенез и разработать новые методы лечения через открытие лекарств. Незрелые клетки, происходящие из PSC, могут созревать in vitro с помощью различных стратегий, таких как моделирование возрастного заболевания in vitro. Основными заболеваниями, моделируемыми с помощью клеток, полученных из PSC, являются боковой амиотрофический склероз (ALS), болезнь Альцгеймера (AD), болезнь Паркинсона (PD), ломкая X синдром (FXS), болезнь Хантингтона (HD), синдром Дауна, спинальная мышечная атрофия (SMA), мышечные дистрофии, кистозный фиброз, Синдром удлиненного интервала QT и диабет I типа.
Потенциально неограниченный источник клеток и тканей может иметь прямое применение для тканевой инженерии, замещение клеток и трансплантацию после острых травм и реконструктивной хирургии. Эти применения ограничиваются типами клеток, которые могут быть эффективно и безопасно дифференцированы от человеческих ПСК с надлежащим органогенезом. Децеллюляризованные органы также используются в качестве тканевого каркаса для органогенеза. Исходным материалом могут быть нормальные здоровые клетки от другого донора (гетерологичная трансплантация) или генетически исправленные от того же пациента (аутологичные). Были высказаны опасения по поводу безопасности пациентов из-за возможности загрязнения недифференцированных клеток. Первое клиническое испытание с использованием клеток, полученных из hESC, было проведено в 2011 году. Первое клиническое испытание с использованием клеток, полученных из hiPSC, началось в 2014 году в Японии.
