Будущее стволовых клеток теперь можно предсказывать задолго до их дифференциации. Новый биосенсор способен изменить подход к регенеративной медицине.
Российские ученые создали флуоресцентный биосенсор K9-MILo, который дает возможность в реальном времени отслеживать, в каком направлении будут развиваться живые стволовые клетки. Уже на второй день эксперимента система с высокой степенью точности определяла, преобразится ли клетка в костную или жировую ткань. Эта разработка может значительно повысить безопасность клеточной терапии и регенеративной медицины. Исследование проведено при поддержке Российского научного фонда и опубликовано в журнале Frontiers in Cell and Developmental Biology.
Светящийся белок заглянул в будущее клетки
Стволовые клетки костного мозга способны трансформироваться в различные типы тканей. Их дальнейшая «судьба» определяется эпигенетическими механизмами — специфическими молекулярными метками, которые активируют одни гены и подавляют другие. Одной из таких меток является H3K9me3, ассоциированная с неактивными участками ДНК. Ранее ученым не удавалось наблюдать перераспределение этих меток непосредственно в живых клетках, не повреждая их.
Специалисты Московского государственного университета имени Ломоносова нашли решение этой проблемы, разработав искусственный белок K9-MILo. Он сочетает в себе флуоресцентный белок и молекулярный «якорь», который распознает именно метку H3K9me3. Это позволило исследователям отслеживать изменения внутри клеточного ядра на протяжении 13 дней.
Нейросеть обработала более 15 тысяч снимков
Во время эксперимента ученые получили свыше 15 тысяч изображений клеточных ядер. Эти данные были проанализированы алгоритмами машинного обучения, способными выявлять едва заметные различия в распределении эпигенетических меток.
Результат удивил своей скоростью: уже через два дня после начала дифференцировки клетки четко разделились на две группы — будущие клетки костной ткани и жировой ткани. Это произошло задолго до возникновения привычных биологических признаков специализации. По мнению авторов, такой подход позволит заранее контролировать качество клеточного материала перед трансплантацией и выбирать наиболее подходящие клетки для восстановления поврежденных тканей. Это особенно важно в борьбе с возрастной потерей костной массы и остеопорозом, когда стволовые клетки часто превращаются не в костные, а в жировые клетки.
После введения «маяка» в человеческие стволовые клетки мы не заметили никаких негативных эффектов, тогда как стандартные красители для визуализации белков и ДНК часто очень токсичны, из-за чего их невозможно использовать для длительного наблюдения за культурой. В будущем технология позволит оценивать стадию созревания и однородность клеток, используемых в регенеративной медицине — например, для лечения переломов и восстановления сердечной ткани, — непосредственно перед их введением пациенту. Это поможет избежать побочных эффектов, в частности образования опухолей, и обеспечит предсказуемый терапевтический результат.
Фото: hi-tech.mail.ru