Направление дифференциации стволовых клеток, очевидно, вопрос не столько жесткости подложки, на которой они растут, сколько механического прикрепления клеток к ее поверхности. Это доказано исследованием, проведенным учеными из нескольких европейских университетов, в том числе ETH Zurich, и недавно опубликованным в журнале Nature Materials.

С 2006 года научное сообщество считает доказанным факт, что стволовые клетки могут «чувствовать» мягкость, или эластичность, материалов, на которых они растут. Ученые пришли к такому заключению, в основном, исходя из корреляции между мягкостью подложки и поведением клеток.

Однако новый исследовательский проект, значительный вклад в который внесла профессор ETH-Zurich Виола Фогель (Viola Vogel), привел ученых к другому выводу. Эксперименты показали, что свойства сетевой структуры полимеров играют важную роль в регулировании образования своего рода «якорей», то есть в адгезии коллагеновых белков, к которым, в конечном итоге, прикрепляются клетки. И именно эти якоря оказывают решающее влияние на дифференциацию стволовых клеток.

В серии экспериментов стволовые клетки выращивались на двух различных полимерах с одинаковой эластичностью. Однако с точки зрения структуры поверхности полимеры отличались друг от друга, что влияло на количество прочно закрепившихся на их поверхности коллагеновых белков.

Степень эластичности подложки не оказывала никакого воздействия на клетки: как на твердой, так и на мягкой поверхности на них одинаково влияло сокращение количества якорей. Если якоря находились близко друг к другу, стволовые клетки дифференцировались в клетки костной ткани. Если расстояние между якорями увеличивалось, они становились жировыми клетками.

Человеческие мезенхимальные стволовые клетки (hMSCs), в течение 7 дней выращиваемые на полиакриламидном геле: клетки, окрашенные синим,
ALP-позитивны, что является признаком остеогенной дифференциации; клетки, содержащие красные масляные капли, прошли адипогенную дифференциацию.
(Фото: Bojun Li and Prof. Viola Vogel/ETH Zurich)

«Простая корреляция между жесткостью, или эластичностью, материала и направлением дифференциации стволовых клеток корректна далеко не всегда», – убеждена профессор Фогель.

Своим экспериментом исследователи нанесли удар по существующей парадигме. В исследовании, проведенном в 2006 году, ученые выявили связь между жесткостью полимера и степенью дифференциации клеток. Однако в последнем проекте жесткость полимера была изменена путем варьирования его сетевой структуры. И новое исследование показало: то, как белки внеклеточного матрикса закрепляются на полимере, регулируется не его жесткостью, а именно сетевой структурой. Кроме того, полученные данные говорят о том, что ключевую роль в дифференцировке клеток играет механическая обратная связь, осуществляемая через внеклеточный коллагеновый матрикс.

Полимерные опорные среды необходимы в лабораториях и больницах для получения биомедицинских имплантатов и в качестве тканевых подложек для культивирования стволовых клеток.

«Полученные данные окажут большое влияние на разработку материалов для выращивания стволовых клеток», – уверена профессор Фогель.

По ее мнению, на различных подложках механические свойства интерфейса между клетками и внеклеточным матриксом имеют очевидные различия.

«До сих пор этому не уделялось достаточного внимания», – подчеркивает ученый. «Теперь мы будем по-другому смотреть на то, как оптимизировать свойства опорной среды».

Аннотация к статье

Extracellular-matrix tethering regulates stem-cell fate