Считается, что HiPSC открывают большие перспективы для медицинских исследований и лечения заболеваний. Это созданные человеком версии человеческих эмбриональных стволовых клеток (чЭСК). Биомедицинские исследователи могут генерировать HiPSC из многих соматических клеток, таких как фибробласты, из биопсии кожи, не разрушая человеческий эмбрион.
Подобно чЭСК, HiPSC обладают способностью дифференцироваться в специализированные клетки любого типа. Таким образом, они могут дифференцироваться в любой из более чем 200 различных типов клеток человека. Эти клетки являются мощными инструментами для разработки лекарств и моделирования заболеваний, а также обладают потенциалом для трансформации трансплантационной медицины путем создания индивидуальных плюрипотентных стволовых клеток для терапии замещения клеток.
Цели могут включать неврологические заболевания, сердечные заболевания, болезни крови и диабет. Но это обещание ИПСК сдерживается низкой эффективностью, менее 0,1–1 процента, при производстве этих клеток, а также многими другими серьезными препятствиями.В статье, опубликованной 7 марта в Nature Communications, Ху и другие исследователи UAB описывают свою успешную охоту за фактором перепрограммирования, который повышает эффективность и сокращает время, необходимое клетке для перепрограммирования. Фактором перепрограммирования является белок семейства киназ, называемый BRD3R, который считывает коды ацетилированных гистонов в хромосоме.
Когда лаборатория Ху изучила экспрессию генов, вызванную сверхэкспрессией BRD3R во время репрограммирования человеческих фибробластов в ИПСК, они также решили загадку, которая сохранилась полвека с 1962 года, когда лауреат Нобелевской премии Джон Гэрдон впервые клонировал лягушку, поместив ее ядро кишечной клетки в энуклеированную яйцеклетку лягушки — а именно, почему клонирование животных удается только с ооцитами, которые находятся в стадии митоза метафазы II? Ху обнаружил, что ген BRD3R при введении в фибробласты активирует 128 митотических генов, что дает молекулярное понимание митотических преимуществ репрограммирования.
«Когда мы увидели данные секвенирования мРНК, они объяснили, почему митоз так важен для перепрограммирования», — сказал Ху. «Я был взволнован, когда мы обнаружили новый фактор перепрограммирования, а также этим вторым открытием».Чтобы перепрограммировать фибробласты, лаборатория Hu использовала BRD3R, доставленный лентивирусным вектором, вместе с тремя генами, которые японский лауреат Нобелевской премии Шинья Яманака использовал в своем первом успешном перепрограммировании зрелых клеток мыши в ИПСК в 2006 году — OCT4, SOX2 и KLF4. . BRD3R не смог заменить ни один из трех основных факторов репрограммирования Яманака, что указывает на то, что BRD3R играет отличную от них роль в репрограммировании.
Ху и его коллеги перепрограммировали соматические клетки человека в среде, свободной от ксено, без использования питающих клеток мыши или сыворотки из каких-либо источников. Производство, не содержащее ксено, будет требованием надлежащей производственной практики FDA для будущего клинического использования ИПСК человека.
Ху начал поиск нового фактора репрограммирования после прибытия в Институт стволовых клеток, отделение биохимии и генетики UAB, в 2011 году. «Я считал, что новые факторы репрограммирования позволят производить более аутентичные ИПСК более эффективным и быстрым способом».
Он приобрел библиотеку из 558 генов киназ человека и начал скрининг партии из первых 89. После введения трех генов Яманака и его тестовых киназных генов в клетки фибробластов он искал повышение эффективности генерации ИПСК, о чем судили по увеличению количество колоний успешно перепрограммированных плюрипотентных клеток, экспрессирующих плюрипотентные маркеры щелочной фосфатазы и TRA-1-60. Первичный экран Ху выявил 11 кандидатов, но только BRD3R выступил в качестве нового фактора перепрограммирования на более строгом вторичном экране.
Ни один из генов подсемейства BET, подобных BRD3R — BRD2, BRD3 и BRD4 — не проявил активности репрограммирования. ИПСК, генерируемые BRD3R, оказались плюрипотентными по стандартным критериям. Хотя BRD3R входит в библиотеку киназ, еще не было продемонстрировано, что он обладает киназной активностью. Но среди генов, наиболее последовательно активируемых BRD3R на ранних стадиях репрограммирования, были те, которые кодируют четыре киназы, включая главную митотическую киназу и критическую митотическую киназу, пять генов, регулирующих активность киназ, и один ген фосфатазы.
Поэтому Ху и его коллеги пишут: «Хотя BRD3R может не обладать киназной активностью, он, по-видимому, регулирует важную сеть митотических киназ, способствуя репрограммированию».В другой статье, опубликованной в то же время в журнале Stem Cells and Development, лаборатория Ху сообщает о многообещающем решении проблемы, связанной с клиническим применением ИПСК человека.
HiPSCs обладают безудержным ростом, как раковые клетки, и заражение одной HiPSC-клетки в трансплантатах на основе HiPSC создает риск развития опухоли у пациентов-реципиентов. Кроме того, не полностью дифференцированные HiPSC также считаются онкогенными. Поскольку клеточная терапия на основе HiPSC уже входит в клинические испытания, не существует протокола безопасности, устраняющего риск развития опухоли у пациентов, получающих трансплантаты на основе HiPSC. Одна из целей исследования Ху — разработать протоколы для устранения онкогенных клеток в трансплантатах на основе HiPSC.
Его лаборатория обнаружила, что нацеливание на поверхностный белок PODXL-маркера HiPSC с использованием хорошо зарекомендовавших себя антител убивает плюрипотентные клетки.«Мы предполагаем, — пишут авторы, — что антитело можно использовать для устранения онкогенных плюрипотентных клеток в клетках, происходящих из PSC человека, для трансплантации клеток».Известно, что PODXL участвует в более чем 10 различных злокачественных новообразованиях человека и, как сообщается, играет роль в метастазировании и инвазии опухолей. Лаборатория Ху заинтересована в том, чтобы выяснить, может ли одно и то же антитело убивать другие злокачественные клетки у онкологических больных.
Ху и его коллеги обнаружили, что PODXL имеет высокую экспрессию генов в HiPSC и подавляется, когда клетки дифференцируются. Недавно они обнаружили, что остаточная PODXL-положительная популяция сохраняется даже после расширенной дифференцировки.
Ху сказал, что необходимо срочно изучить онкогенность этой остаточной популяции PODXL-положительных клеток в трансплантатах на основе HiPSC.