Стволовые клетки человека можно превратить в бета-клетки с помощью малых молекул

При диабете 1 типа иммунная система человека уничтожает бета-клетки поджелудочной железы, производящие инсулин. PCR.NEWS не раз писал о клеточной терапии этого заболевания — имплантации больному бета-клеток, полученных из индуцированных плюрипотентных стволовых клеток человека (ИПСКч).

Ученые из университета штата Пенсильвания с коллегами разработали эффективный и бюджетный способ получения бета-клеток из плюрипотентных стволовых клеток. Они использовали для этого только малую молекулу CHIR99021 (CHIR), которая активирует сигнальный путь Wnt. Подход работает как для ИПСКч, так и для эмбриональных стволовых клеток человека (ЭСКч).

Новые горизонты клеточной терапии открыло получение ИПСК из дифференцированных клеток взрослого организма. Однако чтобы направить развитие ИПСК в нужную сторону, казалось неизбежным использование ростовых факторов, дорогих и нестабильных молекул.

В 2012 году Сяоцзюнь Лэнс Лянь с коллегами обнаружил небольшие органические молекулы, намного более дешевые, чем факторы роста, но способные имитировать их эффект. CHIR, ингибитор киназы GSK-3, активирует сигнальный путь Wnt. Когда Wnt активирован максимально, клетка развивается по пути мезодермальной и в итоге становится зрелой клеткой сердца. Меньшая доза CHIR только частично активирует Wnt, в результате образуется клетка энтодермы, которую можно превратить в зрелую бета-клетку поджелудочной железы или клетку печени. Таким образом, ключевой шаг для получения необходимого типа клеток — концентрация CHIR.

«Никто другой не обнаружил этого, потому что нужно точно и тщательно оптимизировать концентрацию CHIR, — говорит первый автор Юйцянь Цзян, докторант в лаборатории Ляня. — (…) 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».

Действие разных концентраций CHIR проверяли на клеточной линии эмбриональных стволовых клеток H9, которая содержала флуоресцентно меченный белок SOX17 — транскрипционный фактор, работающий в энтодерме. Более высокая концентрация CHIR «смещала» ЭСКч к мезодерме, более низкая — к энтодерме. Данные цитофлуориметрии показали, что наибольший процент SOX17+ клеток наблюдается при использовании 3 мМ CHIR. Аналогичные данные были получены на других клеточных линиях.

Таким образом, ЭСКч дифференцировались в энтодерму под действием одного CHIR. Этот результат противоречил данным, полученным в 2019 году другими учеными: ЭСКч дифференцировались в энтодерму только в том случае, если в среде помимо CHIR присутствовал фактор роста активин А. Возможно, причиной было присутствие инсулина в среде, на которой росли клетки: в новом исследовании использовалась среда без инсулина, а его добавление перекрывало клеткам выход из плюрипотентности.

Исследователи также показали, что ингибирование сигнального пути BMP дорзоморфином усиливает дифференцировку ЭСКч в энтодерму, индуцированную CHIR.

Профилирование экспрессии методом количественной ПЦР в разных временных точках эксперимента подтвердило, что экспрессия генов, связанных с плюрипотентностью (Nanog, Sox2, Oct4), постепенно пропадает, а экспрессия транскрипционных факторов, характерных для дефинитивной энтодермы (Foxa2, Sox17) повышается. Полученные учеными клетки энтодермы имели признаки мультипотентости: было отмечено повышение экспрессии как маркеров, характерных для печени, так и маркеров предшественников клеток поджелудочной железы. При продолжении дифференцировки появлялись NKX6.1+ клеток, способные дифференцироваться в бета-клетки.

Наконец, главный результат работы: полученные «дешевым» способом бета-клетки являются функциональными. Авторы убедились, что они не только реагируют на высокие концентрации глюкозы, но и выделяют пропорциональные количества инсулина.

Малые молекулы — дешевые и стабильные соединения. По подсчетам авторов исследования, стоимость производства количества CHIR, эквивалентного по эффективности используемому в данный момент активину А, составляет 1% от стоимости производства этого ростового фактора. Возможно, это сделает клеточную терапию диабета 1 типа более доступной.

В дальнейшем ученые планируют провести эксперименты по трансплантации полученных ими бета-клеток, заключенных в полимерные капсулы.