Светящийся биосенсор позволит контролировать качество стволовых клеток для регенеративной медицины

Российские ученые создали флуоресцентный (светящийся) биосенсор, который в реальном времени отслеживает изменения в ядрах стволовых клеток по мере их превращения в костную и жировую ткани. Разработка открывает новые возможности для регенеративной медицины — она позволяет точно оценивать стадию развития клеток перед их трансплантацией, что критически важно для безопасного восстановления тканей. Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Frontiers in Cell and Developmental Biology.

Костная и жировая ткани происходят из одного источника — мультипотентных стволовых клеток. Изначально такие клетки не имеют специфических функций, но в определенный момент под влиянием окружающей среды и внутренних генетических программ они превращаются в зрелые клетки того или иного типа. Исследования показали, что «судьба» стволовой клетки зависит от того, как в ее ядре считывается генетическая информация. Дело в том, что существуют специальные молекулярные метки, которые включают одни гены и выключают другие, определяя, станет стволовая клетка клеткой жировой или костной ткани.

Баланс между образованием костной и жировой ткани имеет огромное клиническое значение. Например, по мере старения и при некоторых заболеваниях у человека в костном мозге начинает накапливаться жировая ткань, что ведет к снижению костной массы и развитию остеопороза. Это связано с тем, что из стволовых клеток формируется больше жировой ткани, чем костной. Чтобы управлять этим процессом, необходимо понимать, как именно молекулярные метки направляют дифференцировку стволовых клеток. Однако до сих пор это было трудно сделать: существующие методы не позволяли наблюдать за перестройкой генетического материала в живых клетках в реальном времени.

Ученые из Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова (Москва) разработали биосенсор K9-MILo для наблюдения за молекулярными метками на ДНК в живых стволовых клетках. K9-MILo — это искусственный белок, состоящий из двух ключевых частей: светящегося флуоресцентного белка и распознающего «якоря», который специфически связывается с эпигенетической меткой H3K9me3 — маркером «молчащих» участков ДНК. После введения в клетку зонд обнаруживает эту метку на ДНК и делает ее видимой под микроскопом, позволяя судить об активности генов в конкретных участках генома.

«После введения такой конструкции в человеческие стволовые клетки мы не увидели никаких негативных эффектов, тогда как стандартные красители для визуализации белков и ДНК часто очень токсичны, из-за чего их не удается использовать для длительного наблюдения за культурой», — рассказывает участник проекта, поддержанного грантом РНФ, Лидия Путляева, кандидат биологических наук, старший научный сотрудник лаборатории молекулярной эндокринологии Центра регенеративной медицины Медицинского научно-образовательного института МГУ имени М.В. Ломоносова.

В ходе эксперимента исследователи в течение 13 дней регистрировали свечение биосенсора K9-MILo в ядрах дифференцирующихся клеток. Более 15 тысяч изображений были обработаны алгоритмами машинного обучения, что позволило найти даже самые слабые различия в расположении молекулярных меток на ДНК в разных клетках.

Уже на второй день эксперимента авторам удалось четко разделить клетки на две группы — «будущие клетки костной ткани» и «будущие клетки жировой ткани». Это означает, что эпигенетическая «разметка» генома возникает на самых ранних этапах дифференцировки.

«В перспективе технология позволит оценивать стадию созревания и однородность клеток, используемых в регенеративной медицине — например, для лечения переломов и восстановления сердечной ткани, — непосредственно перед их введением пациенту. Это позволит избежать побочных эффектов, в частности образования опухолей, и обеспечит предсказуемый терапевтический результат. Сейчас наш сенсор позволяет визулизировать лишь метки “молчащего” хроматина. В дальнейшем мы планируем создать многофункциональную конструкцию, которая сможет одновременно выявлять и активно считываемые участки ДНК, что позволит в реальном времени оценивать соотношение между активным и неактивным хроматином в клетках», — рассказывает Лидия Путляева.