Клетки человеческой кожи могут быть напрямую трансформированы в функциональные нейроны за период от четырех до пяти недель путем добавления всего четырех белков. Этот метод, разработанный учеными Школы медицины Стэнфордского университета (Stanford University), имеет огромное значение, так как исключает необходимость первоначального получения индуцированных плюрипотентных стволовых клеток. Кроме того, он может значительно облегчить получение нейронов, специфических для конкретного заболевания или конкретного пациента.

На основе тех же белков, которые используются для получения плюрипотентных клеток, ученым, возможно, удастся решить и еще одну потенциальную проблему, связанную с индуцированными плюрипотентными стволовыми (induced pluripotent stem, iPS) клетками, о которой недавно сообщалось в журнале Nature, – отторжение лабораторными мышами генетически идентичных iPS клеток.

Мариус Верниг (Marius Wernig), MD,
доцент кафедры патологии, научный
сотрудник Института биологии
стволовых клеток и регенеративной медицины
(Institute for Stem Cell Biology and Regenerative
Medicine) Стэнфордского университета.
(Фото: med.stanford.edu)

В 2010 году группа доктора медицины Мариуса Вернига (Marius Wernig), доцента кафедры патологии и научного сотрудника Института биологии стволовых клеток и регенеративной медицины (Institute for Stem Cell Biology and Regenerative Medicine) Стэнфордского университета, уже доказала возможность трансформации клеток кожи (фибробластов) мышей непосредственно в нейроны с помощью аналогичной комбинация белков.

После успешных экспериментов на лабораторных мышах, результаты которых были опубликованы в прошлом году в журнале Nature, ученые применили ту же методику к клеткам человека. Сначала они показали, что можно получить нейроны из человеческих эмбриональных стволовых клеток, инфицируя их вирусом, экспрессирующим ту же комбинацию белков – транскрипционных факторов Brn2, Ascl1 и Myt1l. Для краткости они назвали свой метод ВАМ. Метод ВАМ легко трансформирует человеческие эмбриональные стволовые клетки в функциональные нейроны в пределах шести дней. Хорошо работает он и на индуцированных плюрипотентных стволовых клетках.

Однако при работе с человеческими клетками выяснилось, что преобразование клеток кожи в нейроны происходит более медленно и менее эффективно. Перейдя к экспериментам с человеческими фибробластами плодов и новорожденных, ученые обнаружили, что метод ВАМ позволял зрелым клеткам выглядеть как нейроны, однако получавшиеся в конечном итоге клетки неспособны генерировать электрические сигналы, используемые нейронами для межклеточной коммуникации.

Ученые пришли к выводу о вероятном существовании какого-то недостающего компонента. Добавление четвертого транскрипционного фактора – NeuroD – стало переломным моментом: клетки кожи трансформировались в функциональные нейроны за четыре-пять недель, демонстрируя электрическую активность и даже интеграцию и взаимодействие с выращенными в культуре нейронами мышей.

Существующие в настоящее время среды для культивирования клеток позволяют трансформировать в функциональные нейроны только 2–4 процента человеческих фибробластов, хотя на клетках мышей этот процент достигает 20. В то время как мышиные клетки проходят всю трансформацию всего за несколько дней, человеческим клеткам требуется для этого несколько недель. При этом они генерируют менее сильные электрические сигналы, чем обычные нейроны.

«Очевидно, мышь и человек значительно отличаются друг от друга», – комментирует эти особенности доктор Верниг.

Сейчас он и его коллеги работают над оптимизацией своей технологии и условий культивирования клеток с целью повысить эффективность и скорость прямой трансформации.

Прямое преобразование клеток кожи в нейроны отличается от аналогичных исследований, в которых ученые сначала переводят фибробласты в плюрипотентное, или гибкое с точки зрения развития, состояние, а затем добиваются их трансформации в нейроны или другие специализированные клетки. Другая группа стэнфордских ученых недавно использовала этот метод для получения нейронов из клеток кожи женщины с болезнью Паркинсона, то есть нейронов, специфических для конкретного пациента. Однако этот процесс крайне трудоемок и основывается на клеточных линиях, которые могут не полностью отражать клеточное разнообразие, наблюдаемое в естественной популяции.

Доктор Верниг подчеркивает важность продолжения дальнейшей разработки обоих методов.

Красные объекты – бывшие мышиные эмбриональные фибробласты
с тремя добавленными генами, побудившими их превратиться из клеток кожи в нейроны.
(Фото: med.stanford.edu)

«Подход, использующий индуцированные плюрипотентные стволовые клетки, осуществим и работает, как уже было показано», – говорит он. «Нам необходимо работать в рамках обеих стратегий».

Возможно, что выбор оптимального подхода определяется заболеванием или особенностями проводимого исследования.

«Сейчас мы гораздо ближе к возможности имитировать неврологические заболевания в лаборатории», – считает ученый. «Возможно, в один прекрасный день мы даже сможем использовать эти клетки для лечения людей».

Статья американских ученых опубликована в Nature.

Аннотация к статье

Induction of human neuronal cells by defined transcription factors