В настоящее время исследователи сообщают об успехах в этих областях за счет использования микрочастиц на основе желатина для доставки факторов роста в определенные области эмбриоидных тел, скопления дифференцирующихся стволовых клеток. Метод локализованной доставки обеспечивает пространственный контроль дифференцировки клеток в культурах, потенциально позволяя создавать сложные трехмерные ткани. Местный контроль также значительно снижает количество необходимого фактора роста, что является важным соображением относительно стоимости производства стволовых клеток для терапевтического применения.
Метод микрочастиц, который был продемонстрирован на плюрипотентных эмбриональных клетках мыши, также предлагает лучший контроль над кинетикой дифференцировки клеток за счет доставки молекул, которые могут либо стимулировать, либо ингибировать процесс. Основываясь на исследовании, спонсируемом Национальными институтами здравоохранения и Национальным научным фондом, разработки были опубликованы в Интернете 1 июля в журнале Biomaterials и были представлены на 11-м ежегодном собрании Международного общества исследований стволовых клеток, которое проходило в Бостоне 12-15 июня 2013 г. .«Сначала улавливая эти факторы роста в материалах микрочастиц, мы концентрируем сигнал, который они подают стволовым клеткам», — сказал Тодд МакДевитт, доцент кафедры биомедицинской инженерии Уоллеса Х. Култера Технологического института Джорджии и Университета Эмори. «Затем мы можем физически поместить материалы микрочастиц внутрь многоклеточной агрегатной системы, которую мы используем для дифференциации стволовых клеток. У нас есть веские доказательства того, что этот метод может работать, и что мы можем использовать его для получения преимуществ в нескольких различных областях».
Дифференцировка стволовых клеток в значительной степени контролируется внешними сигналами, включая морфогенные факторы роста, в трехмерной среде, окружающей клетки. Большинство исследователей стволовых клеток в настоящее время доставляют факторы роста в жидкие растворы, окружающие культуры стволовых клеток, с целью создания гомогенных культур клеток.
Однако доставка факторов роста из микрочастиц обеспечивает лучший контроль пространственного и временного представления молекул, которые управляют ростом и дифференцировкой стволовых клеток, потенциально позволяя формировать гетерогенные структуры, сформированные из разных клеток.Группы стволовых клеток слипаются по мере развития, образуя многоклеточные агрегаты, которые по мере роста образуют сфероиды. Исследователи воспользовались этим, поместив микрочастицы, содержащие фактор роста BMP4 или ноггин, который ингибирует передачу сигналов BMP4, в слои стволовых клеток с помощью центрифугирования. Когда образовались клеточные агрегаты, микрочастицы оказались захваченными внутри.
Исследователи использовали конфокальную визуализацию и проточную цитометрию для наблюдения за процессом дифференцировки и обнаружили, что факторы роста в микрочастицах направляют клетки к тканям мезодермы и эктодермы так же, как они это делают в методах на основе растворов.
Но поскольку молекулы BMP4 и noggin непосредственно контактировали с клетками, для стимулирования дифференцировки требовалось гораздо меньше фактора роста — примерно в 12 раз меньше, чем требуется при использовании традиционных методов, основанных на растворах.«Одним из основных преимуществ в практическом смысле является то, что мы используем гораздо меньше факторов роста», — сказал МакДевитт, который также является директором Центра разработки стволовых клеток в Технологическом институте Джорджии. «С точки зрения биотехнологии, большая часть затрат на производство продуктов стволовых клеток связана со стоимостью молекул, которые необходимо добавить, чтобы стволовые клетки дифференцировались».Помимо более сфокусированной передачи сигналов, микрочастицы также обеспечивали локализованный контроль, недоступный с помощью каких-либо других методов. Это позволило исследователям создать пространственные различия в агрегатах — возможный первый шаг к формированию более сложных структур с различными типами тканей, такими как сосудистая сеть и стромальные клетки.
«Чтобы построить ткани, мы должны иметь возможность брать стволовые клетки и использовать их для создания множества различных типов клеток, которые сгруппированы вместе в определенных пространственных структурах», — пояснил Андрес М. Братт-Лил, первый автор статьи и бывший аспирант. в лаборатории Макдевитта. «Это пространственное формирование паттернов дает тканям способность выполнять функции более высокого порядка».После создания агрегатов стволовых клеток с микрочастицами, содержащими различные факторы роста, исследователи наблюдали полусферическую организацию клеток в течение нескольких дней, при этом разные клетки оставались пространственно разделенными.«Мы видим, что микрочастицы оказали влияние на одну популяцию, отличную от той, в которой частицы не были», — сказал МакДевитт. «Это может позволить нам имитировать аспекты того, как происходит развитие.
Мы можем задавать вопросы о том, как ткани имеют естественный паттерн. Благодаря включению этого материала у нас есть возможность лучше контролировать среду, в которой эти клетки развиваются».
Микрочастицы также могут обеспечить лучший контроль над кинетикой дифференцировки клеток. Включение разного количества молекул — одного фактора роста, а другого его антагониста — может изменять скорость, с которой происходит дифференцировка стволовых клеток.
В то время как исследование, описанное в этой статье, касалось плюрипотентных клеток мыши, исследователи продвинулись вперед в проведении аналогичных исследований с человеческими стволовыми клетками и достигли сопоставимых типов результатов с подходами к доставке микрочастиц.Эти разработки не только помогают приблизить технологии стволовых клеток к клинике, но и предоставляют новый инструмент для исследований.
«Наши результаты станут важным новым инструментом для тканевой инженерии, биопереработки стволовых клеток, а также для лучшего изучения процессов раннего развития, таких как формирование оси у эмбрионов», — сказал Братт-Лил. «Во время развития определенные ткани образуются градиентами сигнальных молекул. Теперь мы можем лучше имитировать эти сигнальные градиенты с помощью нашей системы».
В дополнение к уже упомянутым, в исследовательскую группу также входили Анх Х. Нгуен, Кэти А. Хаммерсмит и Анкур Сингх, все они были связаны с Технологическим институтом Джорджии и Университетом Эмори на момент проведения исследования.Это исследование было поддержано Национальными институтами здравоохранения (NIH) в рамках премии GM088291 и Национальным научным фондом (NSF) в рамках премии CBET 0651739.
