Медицина
Медицина

Звукові хвилі спонукали стовбурові клітини формувати кісткову тканину

Австралійські вчені запустили процес диференціації стовбурових клітин людини в клітини кісткової тканини, обробивши їх високочастотними звуковими хвилями. Така стимуляція протягом 10 хвилин на добу посприяла швидкій ініціації експресії генів, пов'язаних із процесом формування кісткової тканини, зазначається у журналі Small. Технологія може посприяти оптимізації отримання клітин для подальшої трансплантації в рамках регенеративної медицини.

Стовбурові клітини під час перетворення на клітини кісткової тканини. Червоним позначено актинові філаменти цитоскелету, зеленим - колаген. RMIT

Стовбурові клітини під час перетворення на клітини кісткової тканини. Червоним позначено актинові філаменти цитоскелету, зеленим - колаген. RMIT

Над чим працювали автори?

Стовбурові клітини володіють унікальною здатністю розвиватися у клітини різних типів. Це робить їх зручним матеріалом для вирощування бажаних тканин для трансплантації, як-от кісткової, а також органоїдів та навіть ембріонів. Щоб змусити стовбурові клітини розвиватися у правильному напрямку, зазвичай використовують коктейлі із хімічних речовин, які посилають клітинам відповідні сигнали, що спонукають їх стати на певних шлях розвитку. Між тим, клітини здатні реагувати та підлаштовуватися й до фізичних стимулів. Зокрема, механічний вплив визначає долю стовбурових клітин при ембріональному розвитку. Використання зовнішнього фізичного впливу може бути зручнішим та доступнішим за хімічний способом диференціації стовбурових клітин в лабораторії, чим посприяти розвитку регенеративної медицини. Тому троє науковців із Мельбурнського королівського технологічного інституту взялися перевірити, наскільки цей підхід доцільний.

Як вирішували долю стовбурових клітин?

Вчені зосередилися на вивченні впливу акустичних хвиль. Досліди провели на культурі людських мезенхімальних стовбурових клітин, яких обробили звуковими хвилями із частотою 10 мегагерців. Попередні дослідження вказували, що вібрації частотою близько одного кілогерца можуть злегка сприяти остеогенезу, тобто диференціації стовбурових клітин у клітини кісткової тканини, тож автори захотіли перевірити, чи вдасться їм добитися кращого результату з вищою частотою.

У дослідах використали мікрочіпи, які продукували високочастотні звукові хвилі, що направлялися до камери із культурою стовбурових клітин. При цьому, одні клітини перебували в остеогенному середовищі, яке й саме сприяє утворенню кісткової тканини, а інші — у нейтральному, або базальному поживному середовищі. Додатково для контролю було використано клітини в остеогенному та базальному середовищах, які впливу звукових хвиль взагалі не піддавалися. Звукове оброблення проводили один раз на добу або тричі протягом 10 хвилин.

Схематичне зображення мікрочіпу. RMIT

Схематичне зображення мікрочіпу. RMIT

Який ефект справили на стовбурові клітини звукові хвилі?

Понад 90 відсотків клітин, стимульованих звуком, залишалися живими та розросталися навіть після п'яти днів оброблення тричі на день. Фарбування клітин показало, що в оброблених звуком клітин у базальному середовищі мінералізація кальцієм вшестеро вища, а в остеогенному — вдвічі, у порівнянні з контрольними зразками.

Далі вчені перевірили, які ще маркери остеогенезу спостерігатимуться в культурах стовбурових клітин, проаналізувавши в них експресію генів. Зокрема, її порівнювали з експресією стовбурових клітин в остеогенному середовищі, остеогенез яких оптимізували ще й хімічною стимуляцією. З'ясувалося, що маркер ранньої остеогенної диференціації, RUNX2, у звичайному середовищі в оброблених звуком клітин сягав піку вже на третій день, тоді як у контрольних в тих же умовах — після сьомого дня. Відмінності в експресії RUNX2 між клітинами в остеогенному середовищі, стимульованими звуком та хімічно, були незначними. Водночас експресія іншого маркера, COL1A1, хоч і зберігалася в усіх стимульованих клітин на високому рівні протягом 21 дня, але була суттєво сильнішою у культурі з базальним середовищем, яку обробили звуковими хвилями. Експресія маркеру BMP-2 вчетверо перевищувала показник необроблених звуком клітин в базальному середовищі на третій день у порівнянні з необробленими клітинами в остеогенному середовищі; маркерів OCN та OPN — у 2-4 рази на 14-21 день; а ALP — приблизно в чотири рази після сьомого дня.

Кратність зміни експресії маркерів остеогенезу в оброблених звуком клітин відносно до необроблених в остеогенному середовищі. ОМ - остеогенне середовище, ВМ - базальне середовище. Lizebona August Ambattu / Small, 2022

Кратність зміни експресії маркерів остеогенезу в оброблених звуком клітин відносно до необроблених в остеогенному середовищі. ОМ - остеогенне середовище, ВМ - базальне середовище. Lizebona August Ambattu / Small, 2022

Тож науковці підсумовують, що механостимуляція частотою 10 мегагерців здатна успішно запустити процес диференціації мезенхімальних стовбурових клітин людини в клітини кісткової тканини. Звукова стимуляція дозволяє добитися цього за п'ять днів короткотривалої стимуляції, тобто в коротші строки, ніж при стимуляції слабкою амплітудною вібрацією клітин, яку здійснюють безперервно щонайменше протягом семи днів. Іншою важливою перевагою є те, що вартість подібного до використаного в дослідженнях чіпу складає близько одного долару, а усунення потреби хімічних стимуляторів додатково здешевлює технологію для масового використання. Автори сподіваються, що це допоможе оптимізувати отримання клітин для подальшої їх трансплантації для сприяння утворенню нової кісткової тканини.

Нещодавно стовбурові клітини пуповинної крові допомогли позбутися ВІЛ-інфекції пацієнтці з раком. Але вони мають набагато більший потенціал. Про те, де їх використовують і звідки добувають, читайте в нашому розборі «Що таке стовбурові клітини?».