Исследователи выращивали клетки фибробластов, взятые из кожи человека и ушей мыши, на поверхностях с параллельными канавками шириной 10 микрометров и высотой 3 микрометра. После двух недель культивирования в специальном коктейле, используемом для перепрограммирования зрелых клеток, исследователи обнаружили четырехкратное увеличение количества клеток, которые вернулись в эмбрионоподобное состояние по сравнению с клетками, выращенными на плоской поверхности. Растущие клетки в каркасах из нановолокон, выровненных параллельно, имели аналогичные эффекты.
Исследование, опубликованное в воскресенье, 20 октября, в журнале Nature Materials, может значительно улучшить процесс перепрограммирования взрослых клеток в эмбрионоподобные стволовые клетки, которые могут дифференцироваться или развиваться в любой тип ткани, из которой состоит наше тело.Нобелевская премия по физиологии и медицине 2012 года была присуждена ученым, которые обнаружили, что можно перепрограммировать клетки, используя биохимические соединения и белки, которые регулируют экспрессию генов.
Эти индуцированные плюрипотентные стволовые клетки с тех пор стали основой исследований в регенеративной медицине, моделировании заболеваний и скрининге лекарств.«Наше исследование впервые демонстрирует, что физические свойства биоматериалов могут заменять некоторые из этих биохимических факторов и регулировать память о личности клетки», — сказал главный исследователь исследования Сон Ли, профессор биоинженерии Калифорнийского университета в Беркли. «Мы показываем, что биофизические сигналы могут быть преобразованы во внутриклеточные химические сигналы, которые заставляют клетки изменяться».Текущий процесс перепрограммирования клеток основан на формуле, в которой вирус используется для введения белков, изменяющих ген, в зрелые клетки. Некоторые химические соединения, в том числе вальпроевая кислота, которые могут резко повлиять на глобальную структуру и экспрессию ДНК, также используются для повышения эффективности процесса перепрограммирования.
«Проблема современных методов заключается в низкой эффективности, с которой клетки на самом деле перепрограммируются, и в непредсказуемых долгосрочных эффектах определенных навязанных генетических или химических манипуляций», — сказал ведущий автор исследования Тимоти Даунинг, который проводил это исследование в качестве аспиранта в Калифорнийском университете в Беркли. -UC Сан-Франциско Совместная программа для аспирантов по биоинженерии. «Например, вальпроевая кислота — это сильнодействующее химическое вещество, которое резко изменяет эпигенетическое состояние клетки и может вызвать непреднамеренные изменения внутри клетки. Учитывая это, многие люди искали различные способы улучшить различные аспекты процесса перепрограммирования».Предыдущие исследования показали, что физические и механические силы могут влиять на судьбу клеток, но влияние на эпигенетическое состояние и перепрограммирование клеток не было ясно.Новое исследование показало, что культивирование клеток на биоматериалах с микророздками улучшило качество и согласованность процесса репрограммирования и было столь же эффективным, как и вальпроевая кислота.
«Клетки удлиняются, например, когда они мигрируют по телу», — сказал Даунинг, который сейчас работает научным сотрудником в лаборатории Ли. «В случае топографии, когда мы контролируем удлинение клетки, контролируя физическую микросреду, мы можем более точно имитировать то, что клетка будет испытывать в своей естественной физиологической среде. В этом отношении эти физические сигналы менее инвазивны и искусственно воздействует на клетку и, следовательно, с меньшей вероятностью вызовет непредвиденные побочные эффекты ».Исследователи изучают, могут ли растущие клетки на поверхности с бороздками в конечном итоге заменить вальпроевую кислоту и, возможно, другие химические соединения в процессе перепрограммирования.
«Мы также изучаем, могут ли биофизические факторы помочь перепрограммировать клетки в определенные типы клеток, такие как нейроны», — сказала Дженнифер Сото, аспирантка Калифорнийского университета в Беркли по биоинженерии и еще один соавтор исследования.