Направленная дифференциация - Directed differentiation

Направленная дифференциация это биоинженерия методология на стыке биология стволовых клеток, биология развития и тканевая инженерия.[1] По сути, это использование потенциала стволовых клеток путем ограничения их дифференциация in vitro к конкретному тип ячейки или же ткань представляет интерес.[2] Стволовые клетки по определению плюрипотентный, способный дифференцироваться на несколько типов клеток, таких как нейроны,[3] кардиомиоциты, гепатоциты и др. Эффективный направленная дифференциация требует детального понимания происхождения и судьба клетки решение, часто обеспечиваемое биологией развития.[2][4]

Концептуальная рамка

Во время дифференциации плюрипотентный клетки принимают ряд решений, связанных с развитием, чтобы произвести первые три ростковые отростки (эктодерма, мезодерма и энтодерма ) эмбриона и промежуточных предков,[5] с последующими решениями или контрольными точками, дающими начало всем зрелым тканям тела.[4] Процесс дифференциации можно смоделировать как последовательность бинарных решений на основе вероятностный или же стохастический модели. Биология развития и эмбриология дают базовые знания о дифференциации типов клеток посредством мутация анализ, отслеживание происхождения, микроманипуляции с эмбрионом и экспрессия гена исследования. Дифференциация клеток и ткани органогенез включать ограниченный набор сигнальные пути развития.[4] Таким образом, возможно управлять судьбой клеток, контролируя решения клеток посредством внеклеточной передачи сигналов, имитируя сигналы развития.

Исходный материал

Направленная дифференциация в первую очередь применяется к плюрипотентные стволовые клетки (PSC) происхождения млекопитающих, в частности мышиных и человеческих клеток для биомедицинские исследования Приложения.[5] С момента открытия эмбриональный стебель (ES) клетки (1981) и индуцированный плюрипотентный ствол (iPS) клетки (2006), исходный материал потенциально неограничен.[1][4][6]Исторически, эмбриональная карцинома (EC) клетки также использовались.[7] Фибробласты или другие типы дифференцированных клеток использовались для прямое перепрограммирование стратегии.[1]

Методы

Дифференцировка клеток включает переход от пролиферативного режима к режиму дифференцировки. Направленная дифференциация заключается в имитации решений, касающихся развития (развития эмбриона) in vitro, с использованием стволовых клеток в качестве исходного материала.[1] С этой целью плюрипотентные стволовые клетки (PSC) культивируют в контролируемых условиях с участием определенного субстрата или внеклеточные матрицы способствует адгезии и дифференцировке клеток, а также определяет средства массовой информации композиции.[4] Ограниченное количество сигнальных факторов, таких как факторы роста или же маленькие молекулы, контролирующий дифференцировку клеток, применяется последовательно или комбинаторным способом при различных дозировка и время выдержки.[1] Правильная дифференциация интересующего типа клеток проверяется путем анализа маркеры конкретных типов клеток, экспрессия гена профиль и функциональные анализы.[1]

Ранние методы

поддерживающие клетки и матрицы обеспечивают сигналы окружающей среды, подобные развитию.[8]

  • Образование агрегатов трехмерных клеток, называемое эмбриоидные тела (EB): совокупность стремится имитировать раннее эмбриональное развитие и инструктировать дифференцировку клеток.[1][5][8]
  • культура в присутствии фетальная бычья сыворотка, устранение факторов плюрипотентности.

Текущие методологии

Направленная дифференциация

Этот метод заключается в воздействии на клетки специфических модуляторов сигнальных путей и манипулировании условиями культивирования клеток (экологическими или экзогенными) для имитации естественной последовательности решений, связанных с развитием, для получения данного типа клеток / тканей.[1][8] Недостатком этого подхода является необходимость хорошо понимать, как формируется интересующий тип клетки.[1]

Прямое перепрограммирование

Этот метод, также известный как трансдифференциация или прямая конверсия, заключается в сверхэкспрессии одного или нескольких факторов, обычно факторов транскрипции, введенных в клетки.[1] Исходным материалом могут быть плюрипотентные стволовые клетки (PSC) или любой дифференцированный тип клеток, например фибробласты. Этот принцип был впервые продемонстрирован в 1987 году с миогенными факторами MyoD.[9]Недостатком этого подхода является введение чужеродной нуклеиновой кислоты в клетки и принудительная экспрессия факторов транскрипции, эффекты которой полностью не изучены.

Отбор в зависимости от происхождения / типа клеток

Этот метод заключается в выборе интересующего типа ячейки, обычно с устойчивость к антибиотикам. С этой целью клетки исходного материала модифицируются, чтобы они содержали кассету устойчивости к антибиотикам под конкретным типом клеток-мишеней. промоутер.[10][11] Только клетки, преданные интересующей линии, выживают. отбор.

Приложения

Направленная дифференциация предоставляет потенциально неограниченный и управляемый источник клеток и тканей. незрелый фенотип типа клеток, производных плюрипотентных стволовых клеток (PSC), что ограничивает возможные физиологические и функциональные исследования.[6]Возникло несколько прикладных областей:

Модельная система для фундаментальной науки

За фундаментальная наука, особенно биология развития и клеточная биология, PSC -производные клетки позволяют изучать на молекулярном и клеточном уровнях фундаментальные вопросы in vitro,[5] которые в противном случае было бы чрезвычайно трудно или невозможно изучить in vivo по техническим и этическим причинам, таким как эмбриональное развитие человека. В частности, для количественных и качественных исследований поддаются дифференцирующиеся клетки.[8]Также in vitro можно изучать более сложные процессы и образование органоидов, включая цереброиды, оптический стакан и почка были описаны.

Открытие лекарств и токсикология

Типы клеток, дифференцированные из плюрипотентных стволовых клеток (PSC), оцениваются как доклинический in vitro модели болезней человека.[5] Типы клеток человека в чашке представляют собой альтернативу традиционным доклиническим исследованиям с использованием животных, человека. иммортализованные клетки или первичные культуры из биопсия, что их ограничения. Клинически значимые типы клеток, то есть типы клеток, пораженные болезнями, являются основным объектом исследований, в том числе: гепатоциты, Островок Лангерганса бета-клетки,[12] кардиомиоциты и нейроны. Скрининг наркотиков выполняются на миниатюрных клеточных культурах в многолуночных планшетах или на чипе.[6]

Моделирование заболеваний

Клетки, полученные от пациентов, используются in vitro для воссоздания конкретных патологий.[6] В основе модели лежит конкретный тип клеток, пораженных патологией. Например, мотонейроны используются для изучения спинальная мышечная атрофия (СМА) и кардиомиоциты[2] используются для изучения аритмия. Это может позволить лучше понять патогенез и разработка новых методов лечения через открытие лекарств.[6] Незрелые клетки, происходящие из PSC, могут созревать in vitro с помощью различных стратегий, таких как старение in vitro для моделирования связанных с возрастом заболеваний in vitro. Основными заболеваниями, моделируемыми с помощью клеток, полученных из ПСК, являются боковой амиотрофический склероз (ALS), Болезнь Альцгеймера (ОБЪЯВЛЕНИЕ), Болезнь Паркинсона (PD), синдром ломкой Х-хромосомы (FXS), Болезнь Хантингтона (HD), Синдром Дауна, Спинальная мышечная атрофия (СМА), мышечные дистрофии,[13][14] кистозный фиброз, Синдром удлиненного интервала QT, и Диабет I типа.[6]

Регенеративная медицина

Потенциально неограниченный источник клеток и тканей может иметь прямое применение для тканевая инженерия, замена клеток и трансплантация после острых травм и реконструктивная хирургия.[2][5] Эти применения ограничиваются типами клеток, которые можно эффективно и безопасно дифференцировать от человеческих ПСХ с надлежащими органогенез.[1] Децеллюляризованные органы также используются в качестве тканевого каркаса для органогенеза. Исходным материалом могут быть нормальные здоровые клетки от другого донора (гетерологичная трансплантация) или генетически скорректированные от того же пациента (аутологичные). Были высказаны опасения по поводу безопасности пациентов из-за возможности загрязнения недифференцированных клеток. Первое клиническое испытание с использованием клеток, полученных из hESC, было в 2011 году.[15] Первое клиническое испытание с использованием клеток, полученных из hiPSC, началось в 2014 году в Японии.[16]

Рекомендации

  1. ^ а б c d е ж грамм час я j k Коэн Д.Е., Мелтон Д. (2011). «Превращение соломы в золото: определение судьбы клеток для регенеративной медицины». Природа Обзоры Генетика. 12 (4): 243–252. Дои:10.1038 / nrg2938. PMID  21386864.
  2. ^ а б c d Мерри CE, Келлер G (2008). «Дифференциация эмбриональных стволовых клеток в клинически значимые популяции: уроки эмбрионального развития». Клетка. 132 (4): 661–680. Дои:10.1016 / j.cell.2008.02.008. PMID  18295582. Получено 2014-11-06.
  3. ^ Wichterle H, Lieberam I, Porter JA, Jessell TM (2002). «Направленная дифференцировка эмбриональных стволовых клеток в двигательные нейроны». Клетка. 110 (3): 385–397. Дои:10.1016 / S0092-8674 (02) 00835-8. PMID  12176325.
  4. ^ а б c d е Spagnoli FM, Хеммати-Бриванлу А (2006). «Направляя эмбриональные стволовые клетки к дифференцировке: уроки молекулярной эмбриологии». Текущее мнение в области генетики и развития. 16 (5): 469–475. Дои:10.1016 / j.gde.2006.08.004. PMID  16919445.
  5. ^ а б c d е ж Келлер Г. «Дифференциация эмбриональных стволовых клеток: наступление новой эры в биологии и медицине». genesdev.cshlp.org. PMID  15905405. Получено 2014-11-06. Цитировать журнал требует | журнал = (помощь)
  6. ^ а б c d е ж Стернекерт JL, Рейнхардт P, Schöler HR (2014). «Изучение болезней человека с использованием моделей стволовых клеток». Природа Обзоры Генетика. 15 (9): 625–639. Дои:10.1038 / nrg3764. PMID  25069490.
  7. ^ Джонс-Вильнев Э.М., Макберни М.В., Роджерс К.А., Калнинс В.И. (1982). «Ретиноевая кислота заставляет клетки эмбриональной карциномы дифференцироваться в нейроны и глиальные клетки». Журнал клеточной биологии. Издательство Рокфеллерского университета. 94 (2): 253–262. Дои:10.1083 / jcb.94.2.253. ЧВК  2112882. PMID  7107698.
  8. ^ а б c d Нисикава С., Якт Л. М., Эра Т (2007). «Культура эмбриональных стволовых клеток как инструмент онтогенетической клеточной биологии». Обзоры природы Молекулярная клеточная биология. 8 (6): 502–507. Дои:10.1038 / nrm2189. PMID  17522593.
  9. ^ Дэвис Р.Л., Вайнтрауб Х., Лассар А.Б. (1987). «Экспрессия одной трансфицированной кДНК превращает фибробласты в миобласты». Клетка. 51 (6): 987–1000. Дои:10.1016 / 0092-8674 (87) 90585-Х. PMID  3690668.
  10. ^ Маркетти С., Жимонд С., Ильин К., Бурсье С., Алитало К., Пуиссегюр Дж., Паж Г. (2002). «Эндотелиальные клетки, генетически отобранные из дифференцирующихся эмбриональных стволовых клеток мыши, включаются в участки неоваскуляризации in vivo». Журнал клеточной науки. 115 (Pt 10): 2075–2085. PMID  11973349.
  11. ^ Клуг М.Г., Сунпаа М.Х., Кох Г.Й., Филд Ж.Д. (1996). «Генетически отобранные кардиомиоциты из дифференцирующихся эмбронных стволовых клеток образуют стабильные внутрисердечные трансплантаты». Журнал клинических исследований. 98 (1): 216–224. Дои:10.1172 / JCI118769. ЧВК  507419. PMID  8690796.
  12. ^ Люмельски Н., Блондель О., Лаенг П., Веласко И., Равин Р., Маккей Р. (2001). «Дифференциация эмбриональных стволовых клеток в инсулин-секретирующие структуры, подобные островкам поджелудочной железы». Наука. 292 (5520): 1389–1394. Дои:10.1126 / science.1058866. PMID  11326082. S2CID  13025470.
  13. ^ Чал Дж., Огинума М., Аль Танури З., Гоберт Б., Сумара О, Хик А., Буссон Ф., Зидуни И., Мурш К., Монкуке П., Тасси О, Винсент С., Миянари А., Бера А., Гарнье Дж. М., Гевара Дж., Хестин М., Кеннеди Л., Хаяши С., Дрейтон Б., Шерье Т., Гайро-Морель Б., Гуссони Е., Релеикс Ф, Таджбахш С., Пурке О. (август 2015 г.). «Дифференциация плюрипотентных стволовых клеток в мышечные волокна для моделирования мышечной дистрофии Дюшенна» (PDF). Природа Биотехнологии. 33 (9): 962–9. Дои:10.1038 / nbt.3297. PMID  26237517. закрытый доступ
  14. ^ Шелтон М., Кочарян А., Лю Дж., Скерянц И.С., Стэнфордский WL (2016). «Надежное создание и распространение предшественников скелетных мышц и миоцитов из плюрипотентных стволовых клеток человека». Методы. 101: 73–84. Дои:10.1016 / j.ymeth.2015.09.019. PMID  26404920.закрытый доступ
  15. ^ "Первый тест терапии человеческими эмбриональными стволовыми клетками на людях прекращен - The Washington Post". Washingtonpost.com. Получено 2014-11-06.
  16. ^ «Японская команда первой использовала iPS-клетки для восстановления зрения человека | The Japan Times». japantimes.co.jp. Получено 2014-11-06.