Зрелые выращенные в лаборатории нейроны обещают вылечить нейродегенеративное заболевание
Исследователи увеличили возраст человеческих нейронов сверх того предела, что было возможно ранее.
Флуоресцентные изображения человеческих нейронов (окрашенных в красный, зеленый и синий цвета), растущих на покрытиях с быстро движущимися молекулами (слева) или обычным ламинином (справа) в течение 60 дней. Нейроны распространяются однородно и демонстрируют более сложное ветвление на высокомобильных участках.
Исследователи под руководством Северо-Западного университета создали первые высокозрелые нейроны из индуцированных плюрипотентных стволовых клеток человека (ИПСК), что открывает новые возможности для медицинских исследований и потенциальных методов трансплантационной терапии нейродегенеративных заболеваний и травматических повреждений.
[Spoiler (click to open)]Хотя предыдущие исследователи дифференцировали стволовые клетки в нейроны, эти нейроны были функционально незрелыми - напоминающими нейроны на эмбриональной или ранней постнатальной стадиях. Ограниченное созревание, полученное с помощью современных методов культивирования стволовых клеток, снижает их потенциал для исследований нейродегенерации.
Исследование было опубликовано сегодня (12 января) в журнале Cell Stem Cell.
Для создания зрелых нейронов команда использовала ”танцующие молекулы", прорывную технику, представленную в конце 2021 года профессором Северо-Западного университета Сэмюэлем И. Ступпом. Команда сначала дифференцировала ИПСК человека на моторные и кортикальные нейроны, а затем поместила их на покрытия из синтетических нановолокон, содержащих быстро движущиеся танцующие молекулы.
Обогащенные нейроны были не только более зрелыми, они также продемонстрировали улучшенные возможности передачи сигналов и большую способность к ветвлению, что требуется нейронам для установления синаптического контакта друг с другом. И, в отличие от типичных нейронов, полученных из стволовых клеток, которые имеют тенденцию собираться вместе, эти нейроны не агрегировались, что делает их менее сложными в обслуживании.
Исследователи полагают, что при дальнейшем развитии эти зрелые нейроны могут быть пересажены пациентам в качестве перспективного метода лечения повреждений спинного мозга, а также нейродегенеративных заболеваний, включая боковой амиотрофический склероз (БАС), болезнь Паркинсона, болезнь Альцгеймера или рассеянный склероз.
Когда у вас есть iPSC, который вам удается превратить в нейрон, это будет молодой нейрон. Но для того, чтобы это было полезно в терапевтическом смысле, вам нужен зрелый нейрон. В противном случае это все равно, что просить ребенка выполнять функцию, требующую взрослого человека ”.
Сэмюэль И. Ступп, ученый-материаловед
Зрелые нейроны также открывают новые возможности для изучения нейродегенеративных заболеваний, таких как БАС и другие возрастные заболевания, в моделях in vitro на основе культивируемых блюд. Увеличивая возраст нейронов в клеточных культурах, исследователи могут улучшить эксперименты, чтобы лучше понять заболевания с поздним началом.
”Впервые мы смогли вызвать ускоренное функциональное созревание нейронов, полученных из iPSC, путем нанесения на них синтетического матрикса", - сказал Евангелос Кискинис из Northwestern, соавтор исследования. "Это важно, потому что существует множество приложений, требующих от исследователей использования очищенных популяций нейронов. В большинстве лабораторий на основе стволовых клеток используются нейроны мыши или крысы, совместно выращенные с нейронами, полученными из стволовых клеток человека. Но это не позволяет ученым исследовать, что происходит в человеческих нейронах, потому что в конечном итоге вы работаете со смесью мышиных и человеческих клеток ".
”Когда у вас есть iPSC, который вам удается превратить в нейрон, это будет молодой нейрон", - сказал Ступп, соавтор исследования. "Но для того, чтобы это было полезно в терапевтическом смысле, вам нужен зрелый нейрон. В противном случае это все равно, что просить ребенка выполнять функцию, требующую взрослого человека. Мы подтвердили, что нейроны, покрытые нашими нановолокнами, достигают большей зрелости, чем другие методы, а зрелые нейроны лучше способны устанавливать синаптические связи, которые являются фундаментальными для функционирования нейронов ”.
Кискинис - доцент кафедры неврологии и неврологии в Медицинской школе Фейнберга Северо-Западного университета, исследователь Фонда стволовых клеток Нью-Йорка-Робертсон и член основного преподавательского состава Центра Les Turner ALS.
Ступп является профессором попечительского совета материаловедения и инженерии, химии, медицины и биомедицинской инженерии в Northwestern, где он является директором-основателем Института бионанотехнологий Симпсона Куэрри (SQI) и его дочернего исследовательского центра, Центра регенеративной наномедицины. У Ступпа назначены встречи в Инженерной школе Маккормика, Колледже искусств и наук Вайнберга и Медицинской школе Фейнберга.
Синхронизированные ‘танцевальные’ способности
Для создания зрелых нейронов исследователи использовали нановолокна, состоящие из ”танцующих молекул", материала, который лаборатория Stupp разработала как потенциальное средство для лечения острых повреждений спинного мозга. В предыдущем исследовании, опубликованном в журнале Science, Ступп обнаружил, как настроить движение молекул, чтобы они могли находить и должным образом взаимодействовать с постоянно движущимися клеточными рецепторами. Имитируя движение биологических молекул, синтетические материалы могут взаимодействовать с клетками.
Ключевым нововведением в исследованиях Ступпа стало открытие того, как управлять коллективным движением более 100 000 молекул внутри нановолокон. Поскольку клеточные рецепторы в организме человека могут перемещаться с высокой скоростью - иногда с временными интервалами в миллисекунды - они становятся трудно поражаемыми движущимися целями.
100,000 движущиеся молекулы в каждом нановолокне
”Представьте, что разделите секунду на 1000 периодов времени", - сказал Ступп. “Вот как быстро могут двигаться рецепторы. Эти временные рамки настолько быстры, что их трудно понять ”.
В новом исследовании Ступп и Кискинис обнаружили, что нановолокна, настроенные так, чтобы содержать молекулы с наибольшим движением, привели к наиболее активному развитию нейронов. Другими словами, нейроны, выращенные на более динамичных покрытиях - по сути, каркасах, состоящих из множества нановолокон, - также были нейронами, которые стали наиболее зрелыми, с наименьшей вероятностью агрегации и обладали более интенсивными возможностями передачи сигналов.
”Причина, по которой мы думаем, что это работает, заключается в том, что рецепторы на клеточной мембране движутся очень быстро, и сигнальные молекулы наших каркасов также движутся очень быстро", - сказал Ступп. “Они, скорее всего, будут синхронизированы. Если два танцора не синхронизированы, то спаривание не работает. Рецепторы активируются сигналами через очень специфические пространственные взаимодействия. Также возможно, что наши быстро движущиеся молекулы усиливают движение рецепторов, что, в свою очередь, помогает их группировать для передачи сигналов ”.
Нейроны с признаками ALS открывают новое окно в болезнь
Ступп и Кискинис считают, что их зрелые нейроны помогут понять болезни, связанные со старением, и станут лучшими кандидатами для тестирования различных лекарственных препаратов в клеточных культурах. Используя танцующие молекулы, исследователи смогли продвинуть человеческие нейроны до гораздо более старшего возраста, чем это было возможно ранее, что позволило ученым изучить возникновение нейродегенеративных заболеваний.
В рамках исследования Кискинис и его команда взяли клетки кожи у пациента с БАС и преобразовали их в специфические для пациента ИПСК. Затем они дифференцировали эти стволовые клетки в двигательные нейроны, которые являются типом клеток, пораженных этим нейродегенеративным заболеванием. Наконец, исследователи культивировали нейроны на новых синтетических материалах для покрытия для дальнейшего развития признаков БАС. Это не только дало Кискинису новое окно в БАС, эти ”нейроны БАС" также могут быть использованы для тестирования потенциальных методов лечения.
"Впервые мы смогли увидеть агрегацию неврологических белков у взрослых в моторных нейронах пациентов с БАС, полученных из стволовых клеток. Это представляет собой прорыв для нас ", - сказал Кискинис. “Неясно, как агрегация вызывает заболевание. Это то, что мы надеемся выяснить впервые ”.
Надежды на будущее лечение травм спинного мозга, нейродегенеративных заболеваний
В дальнейшем зрелые, улучшенные нейроны, полученные из iPSC, также могут быть пересажены пациентам с повреждениями спинного мозга или нейродегенеративными заболеваниями. Например, врачи могут взять клетки кожи у пациента с БАС или болезнью Паркинсона, преобразовать их в ИПСК, а затем культивировать эти клетки на покрытии для создания здоровых, высокофункциональных нейронов.
Пересадка здоровых нейронов пациенту может заменить поврежденные или потерянные нейроны, потенциально восстанавливая утраченные когнитивные способности или ощущения. И, поскольку исходные клетки были получены от пациента, новые нейроны, полученные из iPSC, будут генетически соответствовать пациенту, исключая возможность отторжения.
”Клеточная заместительная терапия может быть очень сложной при таком заболевании, как БАС, поскольку пересаженные двигательные нейроны в спинном мозге должны будут проецировать свои длинные аксоны в соответствующие участки мышц на периферии, но может быть более простой при болезни Паркинсона", - сказал Кискинис. "В любом случае эта технология будет трансформирующей”.
”Можно взять клетки у пациента, преобразовать их в стволовые клетки, а затем дифференцировать их в различные типы клеток", - сказал Ступп. “Но выход этих клеток, как правило, низкий, и достижение надлежащего созревания является большой проблемой. Мы могли бы интегрировать наше покрытие в крупномасштабное производство нейронов, полученных от пациентов, для терапии трансплантации клеток без иммунного отторжения ”.
ссылка на источник
Флуоресцентные изображения человеческих нейронов (окрашенных в красный, зеленый и синий цвета), растущих на покрытиях с быстро движущимися молекулами (слева) или обычным ламинином (справа) в течение 60 дней. Нейроны распространяются однородно и демонстрируют более сложное ветвление на высокомобильных участках.
Исследователи под руководством Северо-Западного университета создали первые высокозрелые нейроны из индуцированных плюрипотентных стволовых клеток человека (ИПСК), что открывает новые возможности для медицинских исследований и потенциальных методов трансплантационной терапии нейродегенеративных заболеваний и травматических повреждений.
[Spoiler (click to open)]Хотя предыдущие исследователи дифференцировали стволовые клетки в нейроны, эти нейроны были функционально незрелыми - напоминающими нейроны на эмбриональной или ранней постнатальной стадиях. Ограниченное созревание, полученное с помощью современных методов культивирования стволовых клеток, снижает их потенциал для исследований нейродегенерации.
Исследование было опубликовано сегодня (12 января) в журнале Cell Stem Cell.
Для создания зрелых нейронов команда использовала ”танцующие молекулы", прорывную технику, представленную в конце 2021 года профессором Северо-Западного университета Сэмюэлем И. Ступпом. Команда сначала дифференцировала ИПСК человека на моторные и кортикальные нейроны, а затем поместила их на покрытия из синтетических нановолокон, содержащих быстро движущиеся танцующие молекулы.
Обогащенные нейроны были не только более зрелыми, они также продемонстрировали улучшенные возможности передачи сигналов и большую способность к ветвлению, что требуется нейронам для установления синаптического контакта друг с другом. И, в отличие от типичных нейронов, полученных из стволовых клеток, которые имеют тенденцию собираться вместе, эти нейроны не агрегировались, что делает их менее сложными в обслуживании.
Исследователи полагают, что при дальнейшем развитии эти зрелые нейроны могут быть пересажены пациентам в качестве перспективного метода лечения повреждений спинного мозга, а также нейродегенеративных заболеваний, включая боковой амиотрофический склероз (БАС), болезнь Паркинсона, болезнь Альцгеймера или рассеянный склероз.
Когда у вас есть iPSC, который вам удается превратить в нейрон, это будет молодой нейрон. Но для того, чтобы это было полезно в терапевтическом смысле, вам нужен зрелый нейрон. В противном случае это все равно, что просить ребенка выполнять функцию, требующую взрослого человека ”.
Сэмюэль И. Ступп, ученый-материаловед
Зрелые нейроны также открывают новые возможности для изучения нейродегенеративных заболеваний, таких как БАС и другие возрастные заболевания, в моделях in vitro на основе культивируемых блюд. Увеличивая возраст нейронов в клеточных культурах, исследователи могут улучшить эксперименты, чтобы лучше понять заболевания с поздним началом.
”Впервые мы смогли вызвать ускоренное функциональное созревание нейронов, полученных из iPSC, путем нанесения на них синтетического матрикса", - сказал Евангелос Кискинис из Northwestern, соавтор исследования. "Это важно, потому что существует множество приложений, требующих от исследователей использования очищенных популяций нейронов. В большинстве лабораторий на основе стволовых клеток используются нейроны мыши или крысы, совместно выращенные с нейронами, полученными из стволовых клеток человека. Но это не позволяет ученым исследовать, что происходит в человеческих нейронах, потому что в конечном итоге вы работаете со смесью мышиных и человеческих клеток ".
”Когда у вас есть iPSC, который вам удается превратить в нейрон, это будет молодой нейрон", - сказал Ступп, соавтор исследования. "Но для того, чтобы это было полезно в терапевтическом смысле, вам нужен зрелый нейрон. В противном случае это все равно, что просить ребенка выполнять функцию, требующую взрослого человека. Мы подтвердили, что нейроны, покрытые нашими нановолокнами, достигают большей зрелости, чем другие методы, а зрелые нейроны лучше способны устанавливать синаптические связи, которые являются фундаментальными для функционирования нейронов ”.
Кискинис - доцент кафедры неврологии и неврологии в Медицинской школе Фейнберга Северо-Западного университета, исследователь Фонда стволовых клеток Нью-Йорка-Робертсон и член основного преподавательского состава Центра Les Turner ALS.
Ступп является профессором попечительского совета материаловедения и инженерии, химии, медицины и биомедицинской инженерии в Northwestern, где он является директором-основателем Института бионанотехнологий Симпсона Куэрри (SQI) и его дочернего исследовательского центра, Центра регенеративной наномедицины. У Ступпа назначены встречи в Инженерной школе Маккормика, Колледже искусств и наук Вайнберга и Медицинской школе Фейнберга.
Синхронизированные ‘танцевальные’ способности
Для создания зрелых нейронов исследователи использовали нановолокна, состоящие из ”танцующих молекул", материала, который лаборатория Stupp разработала как потенциальное средство для лечения острых повреждений спинного мозга. В предыдущем исследовании, опубликованном в журнале Science, Ступп обнаружил, как настроить движение молекул, чтобы они могли находить и должным образом взаимодействовать с постоянно движущимися клеточными рецепторами. Имитируя движение биологических молекул, синтетические материалы могут взаимодействовать с клетками.
Ключевым нововведением в исследованиях Ступпа стало открытие того, как управлять коллективным движением более 100 000 молекул внутри нановолокон. Поскольку клеточные рецепторы в организме человека могут перемещаться с высокой скоростью - иногда с временными интервалами в миллисекунды - они становятся трудно поражаемыми движущимися целями.
100,000 движущиеся молекулы в каждом нановолокне
”Представьте, что разделите секунду на 1000 периодов времени", - сказал Ступп. “Вот как быстро могут двигаться рецепторы. Эти временные рамки настолько быстры, что их трудно понять ”.
В новом исследовании Ступп и Кискинис обнаружили, что нановолокна, настроенные так, чтобы содержать молекулы с наибольшим движением, привели к наиболее активному развитию нейронов. Другими словами, нейроны, выращенные на более динамичных покрытиях - по сути, каркасах, состоящих из множества нановолокон, - также были нейронами, которые стали наиболее зрелыми, с наименьшей вероятностью агрегации и обладали более интенсивными возможностями передачи сигналов.
”Причина, по которой мы думаем, что это работает, заключается в том, что рецепторы на клеточной мембране движутся очень быстро, и сигнальные молекулы наших каркасов также движутся очень быстро", - сказал Ступп. “Они, скорее всего, будут синхронизированы. Если два танцора не синхронизированы, то спаривание не работает. Рецепторы активируются сигналами через очень специфические пространственные взаимодействия. Также возможно, что наши быстро движущиеся молекулы усиливают движение рецепторов, что, в свою очередь, помогает их группировать для передачи сигналов ”.
Нейроны с признаками ALS открывают новое окно в болезнь
Ступп и Кискинис считают, что их зрелые нейроны помогут понять болезни, связанные со старением, и станут лучшими кандидатами для тестирования различных лекарственных препаратов в клеточных культурах. Используя танцующие молекулы, исследователи смогли продвинуть человеческие нейроны до гораздо более старшего возраста, чем это было возможно ранее, что позволило ученым изучить возникновение нейродегенеративных заболеваний.
В рамках исследования Кискинис и его команда взяли клетки кожи у пациента с БАС и преобразовали их в специфические для пациента ИПСК. Затем они дифференцировали эти стволовые клетки в двигательные нейроны, которые являются типом клеток, пораженных этим нейродегенеративным заболеванием. Наконец, исследователи культивировали нейроны на новых синтетических материалах для покрытия для дальнейшего развития признаков БАС. Это не только дало Кискинису новое окно в БАС, эти ”нейроны БАС" также могут быть использованы для тестирования потенциальных методов лечения.
"Впервые мы смогли увидеть агрегацию неврологических белков у взрослых в моторных нейронах пациентов с БАС, полученных из стволовых клеток. Это представляет собой прорыв для нас ", - сказал Кискинис. “Неясно, как агрегация вызывает заболевание. Это то, что мы надеемся выяснить впервые ”.
Надежды на будущее лечение травм спинного мозга, нейродегенеративных заболеваний
В дальнейшем зрелые, улучшенные нейроны, полученные из iPSC, также могут быть пересажены пациентам с повреждениями спинного мозга или нейродегенеративными заболеваниями. Например, врачи могут взять клетки кожи у пациента с БАС или болезнью Паркинсона, преобразовать их в ИПСК, а затем культивировать эти клетки на покрытии для создания здоровых, высокофункциональных нейронов.
Пересадка здоровых нейронов пациенту может заменить поврежденные или потерянные нейроны, потенциально восстанавливая утраченные когнитивные способности или ощущения. И, поскольку исходные клетки были получены от пациента, новые нейроны, полученные из iPSC, будут генетически соответствовать пациенту, исключая возможность отторжения.
”Клеточная заместительная терапия может быть очень сложной при таком заболевании, как БАС, поскольку пересаженные двигательные нейроны в спинном мозге должны будут проецировать свои длинные аксоны в соответствующие участки мышц на периферии, но может быть более простой при болезни Паркинсона", - сказал Кискинис. "В любом случае эта технология будет трансформирующей”.
”Можно взять клетки у пациента, преобразовать их в стволовые клетки, а затем дифференцировать их в различные типы клеток", - сказал Ступп. “Но выход этих клеток, как правило, низкий, и достижение надлежащего созревания является большой проблемой. Мы могли бы интегрировать наше покрытие в крупномасштабное производство нейронов, полученных от пациентов, для терапии трансплантации клеток без иммунного отторжения ”.
ссылка на источник