Можно ли идентифицировать и контролировать стволовые клетки в зрелой ткани? Как наши органы справляются как с необходимостью частого обновления тканевых клеток, так и с необходимостью защиты здоровья стволовых клеток в тканях, подверженных опасностям окружающей среды?
Благодаря сотрудничеству двух исследовательских лабораторий медицинского факультета Раппапорта в Технионе, Израильском технологическом институте, недавно была опубликована пара новаторских статей, посвященных механизмам обновления и заболеваемости роговицы – прозрачной ткани, которая необходима для зрения и служит в "кожа" глаза. Подобно коже клетки роговицы постоянно отслаиваются и пополняются новыми клетками, происходящими из стволовых клеток.
В отличие от кожи, в прозрачной роговице отсутствуют пигменты, защищающие нашу кожу. Таким образом, он сильно подвержен вредному излучению. Это одна из причин того, что стволовые клетки роговицы локализуются в лимбе, узкой зоне между прозрачной роговицей и непрозрачной склерой (белой частью глаза). Многие свойства этих лимбальных стволовых клеток (LSC), такие как их распространенность, гетерогенность и молекулярная сигнатура, в значительной степени неизвестны. Этот пробел в знаниях останавливает разработку методов лечения слепоты на основе LSC. Более того, вопрос о том, как стволовые клетки справляются с различными физиологическими ограничениями, является ключевым вопросом биологии стволовых клеток, на который пока нет ответа.
В первой статье, опубликованной в Cell Stem Cell, в роговице были обнаружены две ранее неизвестные ниши стволовых клеток. Было обнаружено, что каждая ниша содержит уникальные популяции стволовых клеток, которые обеспечивают ее обновление. Во второй статье, опубликованной в eLife, представлен сложный механизм контроля, который защищает роговицу, поддерживая баланс между гибелью клеток и самообновлением в тканях. В статье обсуждается, как основные свойства стволовых клеток и дифференцированных клеток влияют на поддержание стволовых клеток в удаленной защищенной зоне и на скорость оборота клеток, их "свежесть," и старение. Эти прорывы, подчеркивающие важность междисциплинарных исследований, были достигнуты благодаря сотрудничеству между исследовательской лабораторией профессора Руби Шалом-Фейерштейн, которая специализируется на исследованиях стволовых клеток, и лабораторией профессора Йонатана Савира, специализирующегося на количественной биологии и биофизике.
Отследить и идентифицировать
Исследование, опубликованное в Cell Stem Cell, возглавил д-р. Анна Альтшулер и доктор. Ая Амитаи-Ланге, проф. Лаборатория Шалома-Фейерштейна. Они интегрировали инновационные технологии, включая секвенирование РНК на уровне одной клетки и расширенное отслеживание клональных клонов – идентификация всех "потомки" конкретной ячейки. Продукт представляет собой беспрецедентный атлас, в котором описываются генные сигнатуры лимбальных стволовых клеток и их полное происхождение.
Результаты этого атласа показывают, что в лимбе расположены две популяции стволовых клеток, расположенные в двух разных нишах, которые ранее не были описаны и которые были названы «внешним» и «внутренним» лимбом. Внутренний лимб содержит популяцию активных LSC, которые часто делятся и регулярно обновляют роговицу. Наружный лимб содержит популяцию покоящихся или спящих LSC, которые делятся реже, чья функция заключается в защите границ роговицы и которые служат в качестве аварийного резервуара стволовых клеток, возникающих при травме. Математический анализ динамики роста клонов in vivo показал, что популяции LSC представляют собой многочисленные эквипотентные клетки, которые следуют стохастическим правилам, которые соответствуют нейтральной конкуренции в нише, которая диктует их выживание или исчезновение. Наконец, исследование также обнаружило новую функцию Т-клеток иммунной системы, которые служат клетками внешней ниши лимба и контролируют частоту деления и процесс заживления внешних LSC.
По словам проф. Шалом-Фейерштейн, "традиционная догма не предполагала зональности или неоднородности лимба и рассматривала LSC как редкие клетки, окруженные многочисленными короткоживущими предшественниками. Гипотетически редкие сущности так и не были обнаружены, несмотря на десятилетия исследований. Это исследование предлагает новую догму, которая описывает две дискретные популяции LSC, широко распространенные в своей нише, и раскрывает их характерные особенности, динамику и функцию. Мы надеемся, что это проложит путь к лучшему пониманию участия LSC в патологиях слепоты роговицы. Атлас генетической сигнатуры LSC и нишевых компонентов можно преобразовать в оптимизированную очистку и рост LSC в нашей культуральной чашке, что в настоящее время довольно ограничено."
Между смертностью и обновлением
Ключевым вопросом биологии стволовых клеток является то, как стволовые клетки могут точно сбалансировать потерю клеток и идеально настроить развитие ткани, а также сохранить ее размер и целостность. Второе исследование, опубликованное в eLife под руководством студента-медика Лиора Стринковского и доктора философии.D. студент Евгений Хавкин (оба из лаборатории Савира), сосредоточился на этой теме. Исследователи разработали математическую модель, описывающую динамику обновления клеток в роговице, протестировали различные гипотезы и определили механизм контроля, который создает баланс между обновлением клеток в ткани роговицы и гибелью стареющих клеток.
Исследователи оценили различные гипотезы, с помощью которых стволовые клетки могут поддерживать гомеостаз тканей, и проверили их реализуемость. Анализ выявил внутреннюю взаимосвязь между продолжительностью жизни клетки роговицы (количество раз, которое они могут делиться) и длиной, с которой клетки влияют друг на друга в процессе репликации (делящаяся клетка превосходит только свои ближайшие соседние клетки или делает это). повлиять на более крупный район?). Одно из следствий этих отношений состоит в том, что "недолговечный" клетки-предшественники, которые, как полагают, обладают продолжительностью жизни в 3-4 деления, могут иметь продолжительность жизни в 10-20 раз больше, чем считалось ранее.
"Многие ткани нашего тела (например, роговица и кожа) находятся в постоянном состоянии клеточной смерти и обновления, и стволовые клетки играют решающую роль в способности тканей к регенерации," сказал проф. Савир. "Однако мы до сих пор не до конца понимаем, как стволовые клетки контролируют способность генерировать новые клетки, чтобы ткань оставалась нужного размера. Кроме того, продолжительность жизни обычных клеток играет важную роль в поддержании баланса между количеством генерируемых новых клеток и количеством погибающих клеток. Наша работа открывает путь к гипотезам, которые легко проверить экспериментально."
Новый взгляд на стволовые клетки
По оценкам исследователей, их результаты подтверждают понимание того, что традиционная модель редких стволовых клеток недействительна. Результаты настоящего исследования имеют большое значение для понимания основных свойств стволовых клеток в различных тканях, таких как кожа, мышцы, волосяные фолликулы и костный мозг.
Исследователи надеются, что раскрытие идентичности и генетической подписи лимбальных стволовых клеток в этом исследовании проложит путь к пониманию процессов развития заболеваний роговицы и других заболеваний, при которых стволовые клетки в различных тканях повреждаются, а также приведет к разработка инновационных методов лечения и новых технологий для восстановления поврежденных органов, таких как роговица, в том числе за счет использования лекарств, нацеленных на поврежденные генетические пути в стволовых клетках и их взаимодействия с поддерживающими их клетками ниши.