Создан искусственный костный мозг для культивирования стволовых клеток

Для выращивания гемопоэтических стволовых клеток можно использовать искусственный костный мозг, и его прототип только что разработан учеными Технологического института Карлсруэ (Karlsruher Institut für Technologie, KIT), Института интеллектуальных систем Макса Планка (Max Planck Institute for Intelligent Systems), Штутгарт, и Тюбингенского университета (Eberhard Karls Universität Tübingen). Созданная ими пористая структура обладает ключевыми свойствами природного костного мозга и может быть использована для размножения стволовых клеток в лабораторных условиях. В перспективе эта разработка поможет спасти жизнь и вернуть здоровье сотням тысяч больных лейкемией.

О результатах своего исследования ученые сообщают в журнале Biomaterials.

Клетки крови, такие как эритроциты или лейкоциты, постоянно заменяются новыми, образуемыми гемопоэтическими стволовыми клетками (ГСК), находящимися в специализированных нишах в костном мозге. Гемопоэтические стволовые клетки используются для лечения заболеваний крови, таких как лейкоз. Этот метод лечения лейкоза состоит в замене пораженных клеток пациента здоровыми кроветворными стволовыми клетками подходящего донора.

Стволовые клетки (желто-зеленые) в структуре подложки (синяя), служащей основой искусственного костного мозга. (СЭМ). (Фото: С. Lee-Thedieck/KIT)

Однако из-за недостатка иммунологически совместимых доноров и, следовательно, трансплантационного материала этот метод не позволяет вылечить всех больных лейкемией. И хотя проблема может быть решена путем репродукции гемопоэтических стволовых клеток, до сих пор это оставалось невозможным, так как клетки этого типа сохраняют стволовые свойства только в естественной среде, то есть в своей родной нише в костном мозге. Вне этой ниши их свойства изменяются. Следовательно, для репродукции стволовых клеток требуется среда, близкая к нише стволовых клеток в костном мозге.

Ниша стволовых клеток – сложная микросреда со специфическими свойствами. Области кости, в которых находятся такие ниши, очень пористы и напоминают губку. В этой трехмерной среде находятся не только костные и гемопоэтические стволовые клетки, но и клетки других типов, обменивающиеся с ГСК сигнальными веществами. Кроме того, пространство между клетками заполнено матриксом, гарантирующим определенную стабильность и обеспечивающим клетки якорными точками. Находясь в нише стволовых клеток, эти клетки также снабжаются питательными веществами и кислородом.

Доктор Корнелия Ли-Тедик (Cornelia Lee-Thedieck) и ее коллеги из нескольких ведущих научных центров Германии искусственно воспроизвели основные свойства природного костного мозга в лаборатории. С помощью синтетических полимеров ученые создали пористую структуру, имитирующую губчатое вещество кости в области кроветворного костного мозга. Кроме того, они добавили белковые строительные блоки, подобные существующим в матриксе костного мозга, чтобы у клеток были якорные точки, а для обеспечения обмена веществ внедрили в структуру клетки других типов из ниши стволовых клеток.

Имитирующая костный мозг синтетическая структура помещается пинцетом в сосуд для выращивания стволовых клеток. (Фото: С. Lee-Thedieck/KIT)

Затем в этот искусственный костный мозг исследователи ввели гемопоэтические стволовые клетки, выделенные из пуповинной крови. На последующее размножение этих клеток потребовалось несколько дней. Анализы, проведенные различными методами, показали, что ГСК действительно воспроизводятся в искусственно созданной среде. По сравнению со стандартными методами культивирования в искусственном костном мозге свои специфические свойства сохраняет большее количество стволовых клеток.

Пока искусственный костный мозг, обладающий основными свойствами природного, будет использоваться для детального изучения взаимодействия материалов и стволовых клеток. Эта информация поможет выяснить, как можно влиять на поведение стволовых клеток с помощью синтетических полимеров. Что касается создания искусственной ниши стволовых клеток для культивирования гемопоэтических стволовых клеток для лечения лейкемии, то, по мнению немецких ученых, на это потребуется десять-пятнадцать лет.

Оригинальная статья: Biomimetic macroporous PEG hydrogels as 3D scaffolds for the multiplication of human hematopoietic stem and progenitor cells