Ученые всего мира занимаются культивированием плюрипотентных стволовых клеток (способных формировать все ткани организма) и преобразованием их в специализированные типы клеток для использования в исследованиях и регенеративной медицине. CellNet, доступный в качестве Интернет-ресурса для использования любым ученым, обеспечивает столь необходимую меру «гарантии качества» для этой работы.
Эти две статьи также проясняют неопределенность в отношении того, какие методы лучше всего подходят для инженерии стволовых клеток, и должны способствовать использованию клеток, полученных из тканей пациента, для моделирования болезни, тестирования потенциальных лекарств и использования в качестве лечения. Например, с помощью CellNet в одном из исследований неожиданно было обнаружено, что клетки кожи могут быть преобразованы в клетки кишечника, которые способны обратить вспять колит на модели мыши.«На сегодняшний день не существует систематических средств оценки точности клеточной инженерии — чтобы определить, насколько близко клетки, созданные в чашке Петри, соответствуют естественным тканям организма», — говорит Джордж К. Дейли, доктор медицины, доктор философии, директор Программа трансплантации стволовых клеток Детского отделения Бостона и старший научный сотрудник обоих исследований. «Сеть CellNet была разработана для оценки качества сконструированных ячеек и определения способов повышения их производительности».
Сигнатуры геновCellNet применяет сетевую биологию для обнаружения сложной сети генов, которые включаются или выключаются в сконструированной клетке, известной как сеть регулирования генов клетки или GRN. Затем он сравнивает эту сеть с реальным аналогом клетки в организме, как это определено из общедоступных баз данных генома. С помощью этого сравнения исследователи могут строго и надежно оценить:
Качество индуцированных плюрипотентных стволовых клеток (iPS-клеток), полученных путем перепрограммирования клеток крови или клеток кожи.Качество специализированных клеток, таких как клетки печени, сердца, мышц, мозга или крови, изготовленных из iPS-клеток или эмбриональных стволовых клеток.Качество специализированных клеток, сделанных из других специализированных клеток (например, клеток печени, сделанных непосредственно из клеток кожи).Какие конкретные улучшения необходимо внести в процесс проектирования«CellNet также станет мощным инструментом для развития синтетической биологии — для разработки клеток для конкретных медицинских применений», — говорит Джеймс Коллинз, доктор философии, член основного факультета Института Висса и заслуженный профессор Бостонского университета Уильям Ф. Уоррен, соавторы. старший научный сотрудник по одному из исследований.
Тестирование CellNet
Исследователи, в том числе соавторы Патрик Кахан, доктор философии, и Саманта Моррис, доктор философии, Boston Children’s, и Ху Ли, доктор философии, клиники Майо, впервые использовали CellNet для оценки качества восьми видов клеток, созданных в 56 опубликованных публикациях. исследования.Во втором исследовании они применили учение CellNet к повторяющемуся вопросу биологии стволовых клеток: возможно ли напрямую преобразовать один специализированный тип клеток в другой, минуя трудоемкий процесс первого создания iPS-клетки? В этом исследовании изучались два типа непосредственно преобразованных клеток: клетки печени, сделанные из клеток кожи, и макрофаги, сделанные из B-клеток.«Большинство попыток напрямую преобразовать один специализированный тип клеток в другой были основаны на методе проб и ошибок», — отмечает Кахан, главный архитектор CellNet и научный сотрудник лаборатории Дейли. «До сих пор показатели контроля качества для сконструированных ячеек не доходили до основных характеристик, определяющих тип ячейки».
В обоих тестовых случаях CellNet показала, что сконструированные клетки не полностью преобразовались, сохранив некоторые характеристики своих исходных клеток, но указала на конкретные генетические изменения, которые можно было бы сделать в лаборатории для решения проблемы.CellNet также указал на некоторые полезные свойства, которые раньше не были очевидны. «Мы обнаружили, что подобные печени клетки, сделанные из кожи мыши, на самом деле больше похожи на клетки кишечника», — говорит Моррис. «Фактически, преобразованные клетки кожи могут прижиться у мышей с воспалительным заболеванием кишечника — болезнью Крона или язвенным колитом. Через короткое время эти клетки стали очень похожи на нативные клетки толстой кишки и способствовали заживлению поврежденной ткани — открытие, которое удивило и взволновали нас ".
Руководство по инженерии стволовых клетокВместе эти два исследования устанавливают некоторые общие принципы науки о стволовых клетках:GRN iPS-клеток, созданных путем перепрограммирования зрелой клетки, почти идентичен GRN стволовых клеток, полученных из эмбрионов, что подтверждает, что iPS-клетки являются хорошим сырьем для создания специализированных клеток.После того, как сконструированные клетки прививаются лабораторным мышам, их GRN становится еще ближе к GRN истинной ткани-мишени, что указывает на то, что собственные ткани организма вносят сигналы для повышения производительности трансплантированных клеток.
Дифференциация плюрипотентных стволовых клеток в определенные ткани в настоящее время более эффективна, чем попытки напрямую преобразовать одну специализированную клетку в другую, создавая клетки, чьи GRN очень похожи на GRN клеток в организме.Большинство специализированных клеток, созданных из других специализированных клеток, сохраняют некоторую «память» о своей клетке происхождения, что делает их менее идеальными для определенных применений, но лучше для других.