Но, по словам Сяоцзюня «Лэнса» Лиана, доцента биомедицинской инженерии и биологии Университета Пенсильвании, на горизонте может появиться и другой персонализированный вариант. Впервые Лиан и его команда преобразовали стволовые клетки человека в бета-клетки, способные производить инсулин, используя только небольшие молекулы в лаборатории, что сделало процесс более эффективным и рентабельным.
Стволовые клетки могут превращаться в клетки других типов посредством сигналов в окружающей их среде, а некоторые зрелые клетки могут возвращаться в индуцированную стволовыми клетками плюрипотентность.
Исследователи обнаружили, что их подход работает как для эмбриональных, так и для индуцированных плюрипотентных стволовых клеток человека, полученных из линий стволовых клеток, одобренных на федеральном уровне. По словам Лиана, эффективность их подхода может снизить или полностью исключить потребность в эмбриональных стволовых клетках человека в будущей работе.Они опубликовали свои результаты сегодня (авг. 26) в отчетах о стволовых клетках.
«Диабет – серьезное заболевание в Соединенных Штатах и во всем мире», – сказал Лиан. "Собственные иммунные клетки пациента убивают их способность вырабатывать инсулин и регулировать уровень глюкозы. Мы думали, что стволовые клетки потенциально могут решить проблему и позволить человеку снова правильно регулировать уровень инсулина и глюкозы."
Стволовые клетки могут стать клетками любого типа из-за условий окружающей среды или лабораторного вмешательства. По словам Лиана, хитрость заключается в том, чтобы определить точные условия, при которых стволовая клетка может стать функциональной версией желаемого типа клеток.
«Если бы мы могли преобразовать стволовые клетки в бета-клетки поджелудочной железы и передать их пациенту, то можно было бы вылечить диабет», – сказал Лиан. "Это трудный вопрос. Ученые пытались найти решение более 20 лет. Наша лаборатория поняла, что нам нужно использовать другой подход."
В предыдущих попытках, по словам Лиана, исследователи использовали факторы роста или группы белков, чтобы преобразовать стволовые клетки в различные типы клеток. Однако факторы роста дороги и нестабильны, что приводит к дорогостоящему и неэффективному производственному процессу.
«В 2012 году наша команда обнаружила совершенно новый молекулярный медиатор, который может дифференцировать стволовые клетки до стадии мезодермы или энтодермы, которые являются точками развития на пути к зрелым клеткам», – сказал Лиан, отметив, что в процессе использовались небольшие органические молекулы, а чем большие факторы роста. «Эти небольшие молекулы намного дешевле и намного более стабильны, чем факторы роста, и мы все еще можем имитировать эффект факторов роста, чтобы дифференцировать стволовые клетки до промежуточной стадии."
Небольшие молекулы содержат химическое соединение под названием CHIR99021 (CHIR) и активируют сигнальный путь, называемый Wnt, который направляет клетку к одному из промежуточных типов.
Когда Wnt полностью активируется, клетка становится мезодермой и, в конечном итоге, зрелой клеткой сердца. Но меньшая доза CHIR только частично активирует путь Wnt, в результате чего клетка энтодермы может быть уговорена в зрелую бета-клетку поджелудочной железы или клетку печени.
«Никто другой не обнаружил этого, потому что вы должны точно и тщательно оптимизировать концентрацию CHIR», – сказал первый автор Юйцянь Цзян, докторант биомедицинской инженерии в лаборатории Лиана. «Мы знаем, что CHIR важен для дифференциации стволовых клеток, но другие могут проверить только одну нецелевую концентрацию этого химического вещества и подумать, что он вообще не работает. Мы проверили все возможные концентрации и нашли точную для дифференциации стволовых клеток в клетки энтодермы."
Исследователи дозировали клетки с увеличивающимися концентрациями CHIR.
Они обнаружили, что самой низкой дозы было недостаточно для преобразования клеток, в то время как более высокие дозы полностью уничтожили клетки. При второй и третьей наименьших дозах до 87% стволовых клеток превратились в клетки энтодермы, которые в дальнейшем можно было бы направлять в бета-клетки поджелудочной железы.
«Дифференцировка бета-клеток занимает около месяца с добавлением различных химических коктейлей, установленных в ходе предыдущих исследований на разных этапах», – сказал Цзян. "Но в предыдущих протоколах для продвижения стволовых клеток к клеткам энтодермы использовались факторы роста.
Наш протокол устраняет эту необходимость, экономя на затратах, при этом создавая приличное количество ячеек."
Исследователи также протестировали разработанные бета-клетки поджелудочной железы с глюкозой.
По словам Лиана, клетки производили инсулин на основе глюкозы, присутствующей в их среде, что демонстрирует их функциональность. Чтобы не дать телам пациентов убивать эти клетки – изначальная проблема для людей с диабетом 1 типа – исследователи планируют инкапсулировать бета-клетки, полученные из модифицированных стволовых клеток, с полимерами биоматериалов перед их трансплантацией.
По словам Лиана, это защитит клетки, в то же время позволяя им чувствовать окружающую среду и вырабатывать соответствующий уровень инсулина.
«Наш подход позволяет нам использовать одно и то же дешевое химическое вещество в разных дозах для создания различных промежуточных типов клеток, один из которых может стать бета-клетками поджелудочной железы», – сказал Лиан. «Сейчас мы работаем над оптимизацией этого подхода и переводом его на клинические испытания, но мы проделали тяжелую работу по значительному снижению затрат. Клеточная терапия – это потрясающе, но не все могут себе это позволить.
Наша цель – сделать его доступным для всех, кому это нужно."
Лиан также является членом Института естественных наук им.
Гака.
«Когда я впервые услышал, как Лэнс говорил о том, что он пытался сделать, я был поражен его смелостью», – сказал Эндрю Рид, директор Института естественных наук им. Хака. "Его работа олицетворяет науку, стремящуюся полностью изменить правила игры.
Я очень рад, что он достиг этой важной вехи."
Среди других участников – сотрудники лаборатории Лиана Чуансин Чен, который закончил университет в 2018 году и сейчас работает в лаборатории Bioland в Китае, и Лорен Н. Рэндольф, научный сотрудник отдела биомедицинской инженерии и Института естественных наук им. Хака.
Синь Чжан и Сонгтао Е с химического факультета Научного колледжа Эберли; и Сяопин Бао из Школы химического машиностроения Дэвидсона в Университете Пердью также внесли свой вклад.
Эту работу поддержали Национальный институт биомедицинской визуализации и биоинженерии Национальных институтов здравоохранения, Национальный научный фонд и Государственный университет Пенсильвании.