Naukowcy opracowali nową metodę wytwarzania ludzkich komórek macierzystych. Dzięki niej udało im się wygenerować miliony dojrzałych ludzkich komórek w zarodku myszy, torując tym samym drogę do opracowania nowych terapii komórkami macierzystymi, dzięki którym można by leczyć wiele chorób, poprzez zastąpienie uszkodzonych komórek zdrowymi komórkami, tkankami, a nawet całymi narządami.
Przez dekady ogromny potencjał do leczenia wielu chorób za pomocą ludzkich komórek macierzystych był hamowany przez niezdolność do wytwarzania wystarczającej ilości dojrzałych ludzkich komórek in vivo, czyli w żywym organizmie. Komórki macierzyste rozwijane in vitro, czyli w warunkach laboratoryjnych, poza organizmem, często nie zachowują się tak, jak komórki w organizmie. Ich hodowla in vitro jest trudna ze względu na różne właściwości i prędkości rozwoju między mysimi a ludzkimi komórkami.
Teraz zespół kierowany przez naukowców z University at Buffalo opracował metodę, która radykalnie przyspiesza produkcję dojrzałych ludzkich komórek w embrionach myszy. Wytwarzanie ludzkich komórek in vivo ma kluczowe znaczenie dla opracowania szybkiej hodowli nie tylko komórek, ale także tkanek, a nawet całych narządów. Wyniki badań ukazały się na łamach pisma „Science Advances”.
- To fundamentalne badania, które pozwalają nam wykorzystać embrion myszy do lepszego zrozumienia rozwoju człowieka - powiedział dr Jian Feng z University at Buffalo, jeden z autorów badań. - Dalszy rozwój naszej technologii może umożliwić generowanie jeszcze większych ilości określonego rodzaju dojrzałych komórek ludzkich, co pozwoli nam tworzyć bardziej skuteczne modele do badania chorób, które dotykają ludzi, takich jak malaria lub COVID-19 - dodał Feng.
Naukowiec zaznaczył, że dzięki nowej metodzie można wytwarzać tak dużo dojrzałych komórek ludzkich, że być może uda się znaleźć sposób na leczenie chorób przewlekłych, takich jak cukrzyca lub niewydolność nerek, poprzez zastąpienie uszkodzonych komórek pacjenta zdrowymi komórkami lub tkankami.
Feng wyjaśnił, że dzięki ich badaniom można spróbować stworzyć znacznie lepszy mysi model ludzkiego układu odpornościowego lub elementów ludzkiego układu oddechowego w celu zbadania COVID-19, choroby, która obecnie sieje spustoszenie na całym świecie u ludzi, ale prawie nie dotyka myszy.
- Musimy odpowiedzieć na wiele pytań, zanim technologia będzie użyteczna, ale po raz pierwszy udało się wygenerował tak wiele dojrzałych ludzkich komórek w embrionie myszy - powiedział Feng.
Wcześniejsze wysiłki w celu wytworzenia ludzkich komórek w embrionach myszy generowały niewielkie ilości niedojrzałych komórek, które na dodatek trudno było ocenić, jak się rozwiną. Nowa metoda zaowocowała uzyskaniem milionów dojrzałych komórek ludzkich w zarodku myszy w ciągu zaledwie 17 dni. Po tym czasie eksperyment został przerwany, a zarodki zniszczone.
Technika zespołu wymagała przekształcenia ludzkich pluripotencjalnych komórek macierzystych, które mogą różnicować się we wszystkie typy komórek. Ludzkie komórki macierzyste pozyskiwane są w tzw. stanie pierwotnym, ale żeby skutecznie rozwijały się w mysim zarodku, naukowcy musieli je cofnąć do tzw. stanu naiwnego.
- Gdy komórki ludzkie w stanie pierwotnym zostaną wprowadzone do blastocysty myszy (zarodek na bardzo wczesnym etapie rozwoju – przyp. red.), nie rozwijają się - zaznaczył Feng, zauważając, że przyczyną jest niedopasowanie między różnymi stadiami rozwojowymi komórek. - Chcieliśmy sprawdzić, czy ludzkie komórki mogą wrócić do stanu naiwnego, podobnie jak pluripotencjalne komórki macierzyste wewnątrz mysiej blastocysty. I to właśnie zrobiliśmy – dodał Feng.
W swoich badaniach naukowcy wstrzyknęli 10-12 ludzkich komórek macierzystych do mysiej blastocysty, gdy ta miała 3,5 dnia. Zarodek myszy wygenerował następnie miliony wyspecjalizowanych komórek ludzkich, w tym komórek siatkówki oka, wątroby czy czerwonych krwinek.
- Nasza metoda polega na tymczasowym hamowaniu kinazy mTOR, przez trzy godziny, aby przekształcić ludzkie komórki pierwotne do stanu naiwnego - powiedział Feng. Funkcją kinazy mTOR jest regulacja wzrostu oraz namnażania się komórek. Odpowiada też za procesy translacji i transkrypcji. - Blokowanie kinazy mTOR wywołuje szereg zdarzeń, które zmieniają ekspresję genów i metabolizm komórkowy, co pozwala cofnąć komórki macierzyste ze stanu pierwotnego do naiwnego - dodał.
Przekształcenie ludzkich komórek macierzystych na późniejszym etapie z powrotem do wcześniejszego, mniej rozwiniętego stanu naiwnego, pozwoliło ludzkim komórkom macierzystym rozwijać się w tym samym tempie, co mysie komórki. - Tak przygotowane ludzkie komórki macierzyste wstrzyknięte do zarodków myszy rozwijały się w znacznie szybszym tempie, umożliwiając generację milionów dojrzałych ludzkich komórek w ciągu 17 dni - powiedział Feng.
Tworzenie takich chimer może w przyszłości umożliwić hodowanie ludzkich tkanek czy nawet całych narządów potrzebnych do przeszczepów w organizmach zwierząt. W swoich badaniach uczeni stworzyli łącznie 14 hybrydowych zarodków. W jednym z nich około 4 procent wszystkich komórek było komórkami ludzkimi.
Jak zaznaczył Feng, jednym z powodów ich sukcesu było to, że komisja etyczna pozwoliła zespołowi na rozwój embrionów przez 17 dni, tydzień dłużej niż w większości podobnych badań.
Następnym krokiem badaczy jest wypróbowanie tego podejścia u dużego zwierzęcia, takiego jak świnia lub owca, którego narządy są podobnej wielkości do naszych. Ale nawet jeśli uda się hodować ludzkie organy u chimerycznych zwierząt, mogą one być zbyt dużą mieszanką, aby nadawały się do przeszczepu, podejrzewa Feng. Uważa jednak, że hodowanie narządów ludzkich u zwierząt może być niezbędnym krokiem w kierunku znalezienia sposobów hodowli narządów poza ciałem, chociażby w jakimś specjalnym inkubatorze. - Należy też omawiać kwestie etyczne i potencjalne korzyści z tego typu zastosowań oraz decydować o tym, co można, a czego nie można zrobić w tej dziedzinie - dodał Feng.
Źródło: University at Buffalo, fot. Zhixing Hu. Na zdjęciu widać ludzkie komórki (na zielono) w 17-dniowym zarodku myszy (mysie komórki oznaczono na niebiesko). Większość ludzkich komórek widocznych na zdjęciu to czerwone krwinki, które gromadzą się w wątrobie.
