«Форму определяет функция!» – таково было убеждение архитекторов начала XX века, выбиравших вариант проекта, основываясь на его предназначении. Клеточные биологи в полной мере могут отнести это к себе. Новое исследование группы из Национального института стандартов и технологии (National Institute of Standards and Technology, NIST) подтверждает идею о том, что для направления дифференциации стволовых клеток в тот или иной специализированный тип достаточно контроля над их формой. Результаты проведенных американскими учеными экспериментов могут быть важны для разработки материалов, стимулирующих регенерацию потерянных или поврежденных тканей организма.

Тканевая инженерия ищет пути восстановления поврежденных или выращивания новых тканей, часто используя те или иные типы стволовых клеток. Стволовые клетки – основные ремонтные блоки организма, обладающие способностью трансформироваться в несколько специализированных типов клеток. Биологи из NIST проводили свои эксперименты на человеческих стромальных клетках костного мозга – взрослых стволовых клетках, способных дифференцироваться в клетки костной, жировой и хрящевой ткани в зависимости от…

В зависимости от чего? Это один из основных вопросов в тканевой инженерии. Что определяет, какому типу специализированных клеток даст начало стволовая клетка? Или, другими словами, как можно гарантировать, что она будет преобразована именно в том тип клеток, который нужен врачам или ученым?

Факторами, определяющими направление дифференциации клетки, могут быть химические сигналы, которые можно использовать в тех случаях, если ученым удалось идентифицировать надлежащие добавки. Если речь идет, например, о клетках костной ткани, такими добавками могут быть гормоны. Ряд других исследований показал, что дифференциацией клеток на плоской поверхности можно управлять структурированием этой поверхности, ограничивая пространство, к которому могут прикрепляться растущие клетки.

Эксперименты в NIST – первые, в которых в равных условиях проведено сравнение пяти популярных платформ для выращивания тканей с целью определения влияния на стволовые клетки костного мозга только их архитектуры. Ученые не применяли никаких биохимических добавок за исключением обычной питательной среды. Такие платформы из биосовместимого полимера предназначены для использования в качестве временного имплантата, обеспечивающего пролиферирующие клетки жестким каркасом для роста и, в конечном итоге, восстановления ткани.

В исследование были включены структуры, полученные выщелачиванием и вспениванием (микроскопические структуры, имеющие вид кустиков объеденного насекомыми салата), структуры произвольной формы (похожие на перекрестно расположенные микроскопические стержни) и электроспряденные нановолокна (пучки тонких нитей со случайным образом образующейся архитектурой). Выращенные на каждом из этих каркасов клетки подверглись детальному анализу: было определенно количество отложившегося в них кальция, что является показателем активности клеток костной ткани, а также изучены паттерны экспрессии их генов.

Рост человеческой стромальной клетки костного мозга (филаменты из белка актина в цитоскелете клетки
показаны оранжевым) на каркасе из нановолокон (зеленый). Структура из тонких волокон заставляет стволовые
клетки развиваться в продолговатую с разветвлениями форму, характерную для зрелых клеток костной ткани.
(Credit: Tison, Simon/NIST)

Эксперименты показали, что без гормональных добавок стволовые клетки достаточно эффективно дифференцируются только на каркасах из нановолокон. Этот результат, как представляется, можно объяснить формой. Зрелые костные клетки имеют характерную удлиненную форму с несколькими вытянутыми ответвлениями. Из пяти различных каркасов только структура из нановолокон, по сути, вынуждает клетки принимать именно такую – длинную и разветвленную – форму в процессе того, как они пытаются найти опорные точки. По мнению ученых, дальнейшая активация специфических генов, которая в конечном итоге и позволяют образовать костную ткань, определяется именно физической формой клетки.

Будущие стратегии разработки платформ для тканевой инженерии должны учитывать, какую форму нужно придать клеткам, считают биологи. Однако это трудная задача, так как очень многое пока остается неясным. Неизвестно, как морфология клетки влияет на ее поведение и как для контроля над формой может быть использована трехмерная структура. Но, несмотря на необходимость многих дополнительных исследований, возможность физически направлять дифференциацию клетки, используя для этого только ее форму, потенциально может привести к созданию более простой, дешевой и, возможно, более безопасной технологии, чем использование биохимических добавок.