Функционирующие мышцы впервые вырастили из стволовых клеток

Биомедицинские инженеры создали из индуцированных стволовых клеток первую функционирующую человеческую скелетную мышцу.

Эта работа учёных из Университета Дьюка (США) стала продолжением исследования 2015 года. Тогда специалисты впервые научились выращивать функционирующую мышечную ткань из клеток, полученных благодаря биопсии мышечной ткани.

По словам авторов, новое достижение открывает огромные перспективы для биоинженерии и регенеративной медицины. Используя немышечные ткани, можно вырастить гораздо больше клеток, усовершенствовать методы клеточной терапии, а также создать модели редких мышечных заболеваний, что поможет в создании новых лекарств.

Автор исследования профессор Ненад Бурсак (Nenad Bursac) отмечает, что плюрипотентные стволовые клетки имеют практически безграничные возможности. Напомним, что эти клетки могут дифференцироваться во все типы клеток нашего организма.

"Начиная с плюрипотентных стволовых клеток, которые не являются мышечными, но могут стать любыми клетками в нашем организме, мы можем выращивать неограниченное количество миогенных клеток-предшественников. Эти клетки-предшественники напоминают взрослые мышечные стволовые клетки, называемые сателлитами, которые теоретически могут вырасти в целую мышцу, начиная с одной клетки", – рассказывает профессор Бурсак.

В предыдущей работе его команда начала с небольших образцов человеческих клеток, полученных при биопсии мышечной ткани. Специалистов интересовали миобласты. Эти клетки уже продвинулись в развитии дальше стадии стволовых, но ещё не стали частью зрелых мышечных волокон, то есть являются предшественниками миоцитов – полноценных мышечных клеток.

Исследователи множили миобласты в несколько подходов, а затем помещали их в поддерживающие трёхмерные конструкции – скаффолды (они напоминают строительные леса). Скаффолды заполняли питательным гелем, который позволяет формировать ровные и функционирующие человеческие мышечные волокна.

В новом исследовании учёные слегка изменили подход. Они начали с индуцированных плюрипотентных стволовых клеток. Это клетки, взятые из взрослых немышечных тканей (например, из кожи), перепрограммировали, чтобы вернуть их к первозданному состоянию. Затем плюрипотентные стволовые клетки выращивали, добавляя к ним молекулы под названием Pax7. Это белок, который "сообщает" клеткам о том, что им следует превращаться именно в мышечную ткань.

По мере того как клетки размножались, они всё больше начинали напоминать мышечные. На этом этапе "превращения" авторы перестали подавать клеткам сигнальные молекулы Pax7, а вместо этого начали, как в первом эксперименте, помещать их в "строительные леса" с питательной "подкормкой".

В результате после двух-четырёх недель клетки сформировали мышечные волокна, которые сжимаются и реагируют на внешние раздражители (такие как электрические импульсы и биохимические сигналы, имитирующие сигналы нейронов).

Чтобы протестировать новые ткани, их пересадили взрослым мышам. Мышцы прижились и постепенно интегрировались с нативными (родными) тканями, благодаря васкуляризации – формированию и разрастанию новых кровеносных сосудов. Выращенные учёными ткани функционировали как естественные в течение как минимум трёх недель.

Правда, созданные из стволовых клеток мышцы оказались не такими сильными, как естественные, и немного отставали по скорости роста от тканей, выращенных при помощи биопсии. Но, несмотря на это, авторы работы отмечают, что новая технология представляется более многообещающей.

Дело в том, что мышечные волокна, полученные из плюрипотентных стволовых клеток, имеют много "клеток-сателлитов", которые необходимы нормальным взрослым мышцам для восстановления после повреждений. Мышцы, выращенные с использованием биопсии, имеют значительно меньше таких клеток, а значит, они будут дольше восстанавливаться в случае травмы.

Кроме того, "метод стволовых клеток" позволяет выращивать намного больше клеточных культур, используя минимальную начальную партию.

Оба этих преимущества важны для регенеративной медицины, для создания моделей редких заболеваний и для персонализированного медицинского обслуживания.

"Перспектива изучения редких заболеваний особенно интересна для нас. Когда мышцы ребёнка уже отмирают из-за болезни вроде миодистрофии Дюшенна, было бы неэтично брать у него же образцы мышц и тем самым наносить дополнительный урон, – рассуждает Ненад Бурсак. – Но с помощью этой технологии мы можем просто взять небольшой образец немышечной ткани, такой как как кожа или кровь, вернуть полученные клетки в плюрипотентное состояние и в итоге вырастить бесконечное количество функционирующих мышечных волокон".

Не менее перспективной выглядит идея использовать новые методы для генной терапии. Учёные смогут исправлять генетические нарушения в индуцированных плюрипотентных стволовых клетках, полученных от пациента, а затем выращивать небольшие фрагменты здоровых мышц.

Авторы работы, опубликованной в журнале Nature Communications, добавляют, что теперь им предстоит усовершенствовать свою технологию, чтобы сделать выращенные мышцы более сильными. Затем начнётся разработка новых моделей редких мышечных заболеваний.

Кстати, ранее лечение при помощи индуцированных плюрипотентных стволовых клеток спасло зрение пожилой женщины. Этот тип клеток также помогает побороть облысение. А редактирование генома индуцированных плюрипотентных стволовых клеток поможет излечить ВИЧ.