Биологи, специализирующиеся на стволовых клетках, в течение многих лет безуспешно пытались получить клетки, которые дадут начало функциональным артериям и предоставят врачам новые возможности для борьбы с сердечно-сосудистыми заболеваниями, ведущей причиной смерти в мире.
Но новые методы, разработанные в Исследовательском институте Моргриджа и Университете Висконсин-Мэдисон, впервые позволили получить функциональные артериальные клетки такого качества и масштаба, которые подходят для моделирования заболеваний и клинического применения.
В выпуске журнала Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) от 10 июля ученые из лаборатории пионера стволовых клеток Джеймса Томсона описывают методы создания и характеристики эндотелиальных клеток артерий – клеток, которые инициируют развитие артерий, – которые демонстрируют множество конкретных функций, необходимых организму.
Кроме того, эти клетки способствовали как образованию новой артерии, так и повышению выживаемости мышей, используемых в модели инфаркта миокарда. У мышей, получавших эту клеточную линию, выживаемость составила 83 процента по сравнению с 33 процентами в контрольной группе.
"Сердечно-сосудистые заболевания, от которых умирают люди, в основном поражают артерии, и раньше никто не мог эффективно вырабатывать такие клетки," говорит Цзюэ Чжан, научный сотрудник Моргриджа и ведущий автор. "Ключевым открытием здесь является способ сделать артериальные эндотелиальные клетки более функциональными и клинически полезными."
По данным Американской кардиологической ассоциации, на сердечно-сосудистые заболевания ежегодно приходится каждая третья смерть в Соединенных Штатах, и каждый год они уносят больше жизней, чем все формы рака вместе взятые. Лаборатория Томсона сделала артериальную инженерию одним из главных приоритетов своих исследований.
Проблема заключается в том, что обычные эндотелиальные клетки относительно легко создать, но им не хватает истинных артериальных свойств и, следовательно, они не имеют большого клинического значения, – говорит Чжан.
Исследовательская группа применила в проекте две новаторские технологии. Во-первых, они использовали секвенирование одноклеточной РНК для определения сигнальных путей, критических для дифференцировки артериальных эндотелиальных клеток. Они нашли около 40 генов оптимальной релевантности. Во-вторых, они использовали технологию редактирования генов CRISPR-Cas9, которая позволила им создать линии репортерных клеток для мониторинга артериальной дифференцировки в режиме реального времени.
"С помощью этой технологии вы можете проверить функцию этих генов-кандидатов и измерить, какой процент клеток генерируется в наших целевых артериальных клетках," говорит Чжан.
Исследовательская группа разработала протокол о пяти ключевых факторах роста, которые вносят наибольший вклад в развитие артериальных клеток. Они также идентифицировали некоторые очень распространенные факторы роста, используемые в науке о стволовых клетках, такие как инсулин, которые неожиданно ингибируют дифференцировку артериальных эндотелиальных клеток.
"Наша конечная цель – применить этот улучшенный процесс образования клеток для формирования функциональных артерий, которые можно использовать в сердечно-сосудистой хирургии," говорит Томсон, директор регенеративной биологии в Morgridge и UW-Madison, профессор клеточной и регенеративной биологии. "Эта работа является ценным доказательством того, что в конечном итоге мы можем получить надежный источник функциональных эндотелиальных клеток артерий и создать артерии, которые будут работать и вести себя как настоящие."
Команда Томсона вместе со многими сотрудниками UW-Madison находится на первом году семилетнего проекта, поддерживаемого Национальными институтами здравоохранения (NIH), по возможности разработки банков артерий, подходящих для использования при трансплантации человека.
Во многих случаях с сосудистыми заболеваниями пациенты не имеют подходящей ткани собственного тела для использования в хирургических вмешательствах. А выращивание артерий из стволовых клеток отдельного пациента будет непомерно дорогостоящим и займет слишком много времени, чтобы быть клинически полезным.
Задача будет заключаться не только в создании артерий, но и в поиске способов убедиться, что они совместимы и не отвергаются пациентами.
"Теперь, когда у нас есть метод создания этих клеток, мы надеемся продолжить работу, используя более универсальную линию донорских клеток," говорит Чжан. Лаборатория будет сосредоточена на клетках из уникальной популяции людей, которые являются генетически совместимыми донорами для большинства населения.