Все стволовые клетки – независимо от их источника – обладают замечательной способностью самовосстанавливаться за счет самообновления. Тем не менее, до сих пор усилия по выращиванию и расширению дефицитных гемопоэтических (или кроветворных) стволовых клеток в культуре для терапевтического применения имели ограниченный успех.
Теперь исследователи из Института медицинских исследований Стоуэрса разобрали молекулярные механизмы, обеспечивающие обновление стволовых клеток в гемопоэтических стволовых клетках, выделенных от мышей, и успешно применили свои идеи для стократного увеличения культивируемых гемопоэтических стволовых клеток.
Их выводы, которые будут опубликованы в сентябре. 15 ноября 2011 г., издание Genes & Развитие, продемонстрировать, что самообновление требует трех дополнительных событий: пролиферации, активного подавления дифференцировки и запрограммированной гибели клеток во время пролиферации.
"Предыдущие усилия по выращиванию и увеличению дефицитных гемопоэтических стволовых клеток в культуре для терапевтических целей имели ограниченный успех", говорит исследователь Стоуэрса Линьхэн Ли, доктор философии.D., кто руководил исследованием. "Возможность использовать врожденный потенциал стволовых клеток к самообновлению может превратить ограниченные источники гемопоэтических стволовых клеток, такие как пуповинная кровь, в более широко доступные ресурсы для гемопоэтических стволовых клеток," он добавляет, предупреждая, что их результаты еще не были воспроизведены в клетках человека.
Трансплантация гемопоэтических стволовых клеток человека, выделенных из костного мозга, используется при лечении анемии, иммунодефицита и других заболеваний, включая рак. Однако, поскольку для трансплантации костного мозга требуется подходящая ткань донора и реципиента, количество потенциальных доноров ограничено.
Гемопоэтические стволовые клетки, выделенные из пуповинной крови, могут быть хорошим альтернативным источником: легко доступные и иммунологически незрелые, они позволяют совпадению донор-реципиент быть не идеальным без риска иммунного отторжения трансплантата. К сожалению, их терапевтическое применение ограничено, поскольку пуповинная кровь содержит лишь небольшое количество стволовых клеток.
Хотя самообновление обычно считается единственным признаком стволовых клеток, Ли и его команда задались вопросом, можно ли разделить его на три отдельных требования: пролиферацию, поддержание недифференцированного состояния и подавление запрограммированной гибели клеток или апоптоза. "По умолчанию стволовые клетки дифференцируются на специализированные типы клеток," объясняет постдокторантский исследователь и первый автор Джон Перри, доктор философии.D. "Чтобы стволовые клетки могли самообновляться, необходимо заблокировать дифференцировку."
Однако пролиферация стволовых клеток в недифференцированном состоянии вызывает в действие гены-супрессоры опухоли. Эти гены помогают предотвратить рак, вызывая процесс гибели клеток, известный как апоптоз. "Следовательно, самообновление взрослых стволовых клеток должно также включать третье событие, активное подавление апоптоза," говорит Перри.
Чтобы проверить свою гипотезу, Перри и его коллеги выделили гемопоэтические стволовые клетки у мышей и проанализировали два ключевых генетических пути – пути Wnt / β-катенин и PI3K / Akt. Белки Wnt были идентифицированы как "факторы самообновления," в то время как активация PI3K / Akt, как было показано, вызывает пролиферацию и способствует выживанию за счет ингибирования апоптоза.
Удивительно, но активация только пути Wnt / β-катенина блокировала дифференцировку, но в конечном итоге приводила к гибели клеток, тогда как активация только пути PI3K / Akt увеличивала дифференцировку, но способствовала выживанию клеток. Только когда оба пути были активированы, пул гемопоэтических стволовых клеток начал увеличиваться. "Это продемонстрировало, что оба пути должны сотрудничать, чтобы способствовать самообновлению," говорит Перри.
Хотя изменение обоих путей приводит к самообновлению гемопоэтических стволовых клеток, оно также навсегда блокирует их способность превращаться в полностью функциональные клетки крови. Чтобы обойти блокировку дифференцировки и создать нормальные, функционирующие гемопоэтические стволовые клетки, пригодные для терапии, ученые Стоуэрса использовали небольшие молекулы для обратимой активации путей Wnt / β-катенина и PI3K / Akt в культуре.
"Мы смогли расширить самые примитивные гемопоэтические стволовые клетки, которые при повторной трансплантации мышам дали начало всем типам клеток крови в течение трех последовательных экспериментов по трансплантации," говорит Ли. "Если аналогичные результаты могут быть достигнуты с использованием человеческих гемопоэтических стволовых клеток из таких источников, как пуповинная кровь, ожидается, что эта работа окажет существенное клиническое воздействие."