Почему сложно создать искусственную клетку?

Если инженеры хотят создать что-то наноразмерное — размером с белок, антитела или вирус — имитировать поведение клетки было бы хорошим началом, поскольку они содержат огромное количество информации в крошечном пакете. Но сымитировать крошечную вещь — крайне сложная задача.

«Я привык считать клетки настоящими маленькими роботами. Биология запрограммировала природные клетки, но теперь инженеры начинают задумываться о том, как создать искусственные», — говорит Эрик Уинфри, профессор информатики, вычислений и нейтральных систем, а также биоинженер Калтеха.

«Мы хотим запрограммировать нечто размером с микрон, тоньше человеческого волоса, что сможет взаимодействовать с химической средой, а также выполнять спектр задач, подвластных биологическим вещам, но по нашим инструкциям».

Центральной проблемой биоинженеров на таких масштабах является то, что вещи просто не работают, как положено, хотя схемы вроде бы верные. Небольшие колонии молекул просто не ведут себя так же, как большие колонии таких же молекул.

Ритмичный пульс

Решением команды ученых стал генератор, состоящий из небольших синтетических молекул ДНК, которые активируются РНК-транскриптами и ферментами.

Когда молекула ДНК активируется другими компонентами, создается биологическая цепь. Эта схема работает в ритмичном пульсе в течение примерно 15 часов, пока ее химические реакции не замедлятся и в конце концов не остановятся.

Затем исследователи решили «разбить» генератор из одной большой системы в экспериментальной пробирке на много небольших генераторов.

Используя подход, разработанный Максимилианом Вайцом и его коллегами из Технического университета Мюнхена и бывшим аспирантом Калтеха Элайзой Франко, ученые смешали водный раствор ДНК, РНК и ферментов, входящих в состав биохимического генератора, с маслом и встряхивали, пока небольшие порции раствора, каждая из которых содержала крошечный генератор, не были изолированы в каплях масла.

«После добавления масла и встряхивания смесь превратилась в крем, который можно назвать эмульсией, похожей на легкий майонез, — рассказал Уинфри ресурсу Futurity.org. — Затем мы взяли этот крем, вылили на стекло и размазали, чтобы посмотреть на пульсации каждой капли под микроскопом».

Если образец крайне мал

Когда активен большой образец раствора, он флуоресцирует в регулярном пульсе. Крупные капли ведут себя так, как и весь раствор: действуют отдельно, но все еще согласованно.

Но поведение мельчайших капель менее последовательно, а их импульсы быстро выходят из фазы крупных капель.

Исследователи ожидали, что различные капли, особенно мелкие, будут вести себя по-разному из-за эффекта, известного как динамика стохастической реакции. Отдельные реакции, составляющие биохимическую схему, могут происходить в разное время в разных частях раствора.

Если образец раствора достаточно велик, эффект усредняется, но если образец очень мал, различия во времени реакции увеличиваются. Чувствительность к размеру капель может быть еще более значительной в зависимости от характера реакций. Как объяснил Уинфри, «если у вас есть две конкурирующих реакции, скажем, x преобразуется в y или x преобразуется в z, каждая протекает с одной и той же скоростью, в конечном итоге в пробирке образуется пополам y и z. Но если у вас в капле всего четыре молекулы, скорее всего, все они преобразуются в y».

Дело в шуме

В своих экспериментах на биохимическом генераторе, Уинфри с коллегами обнаружили, что этот источник шума — динамика стохастической реакции — был относительно небольшим по сравнению с источником шума, который они не предвидели: эффекты разделения.

Другими словами, молекулы, которые были захвачены в каждой капле, не были одинаковыми. Некоторые капли изначально имели больше молекул, некоторые меньше, и соотношение между различными элементами также отличалось.

Таким образом, даже до того, как разное время реакция может создать стохастическую динамику, крошечные популяции молекул начинают с разнородными особенностями. Эти различия увеличиваются по мере того, как протекает биохимическая реакция.

«Чтобы заставить работать искусственные клетки, нужно знать источники шума. Основной мыслью у нас было то, что шум, с которым мы сталкивается, связан со случайностью химических реакций на таких масштабах. Но этот опыт научил нас тому, что стохастическая динамика — это задача следующего уровня. Чтобы на него выйти, нам нужно выяснить, что делать с шумом разделения».

Для Уинфри это весьма захватывающая задача:

«Когда я программирую свой компьютер, я могу думать исключительно в терминах детерминированных процессов. Но когда я пытаюсь программировать на молекулярных масштабах, мне нужно думать в терминах вероятностей и случайных (стохастических процессов)».

Возможно, именно Уинфри станет первым создателем искусственных клеток. Но для начала ему нужно решить проблему случайностей.

Разработан новый метод печати живых клеток

blocprinting-1

Ученые из Хьюстона сообщают, что разработали малозатратный метод печати живых клеток, при этом новая технология обеспечивает почти стопроцентное их выживание. Новый метод похож на современную ксилографию, которая в свою очередь является древнейшей техникой гравирования по дереву, берущей свое начало в странах Дальнего Востока. Новый процесс производства позволяет печатать живые клетки двумерного профиля практически на любой поверхности.

Проблема нынешних принтеров для печати живых клеток заключается в их малой экономической эффективности. Во-первых, стоимость подобных принтеров может составлять десятки тысяч долларов, а во-вторых, напечатанные на этих принтерах клетки выживают только в 50 процентах случаев. Однако новая технология, по мнению ее создателей, имеет себестоимость примерно в 1 доллар.

Ученые отмечают, что так как технология клеточной блок-печати (Block-Cell-Printing) находится пока лишь в зачаточном состоянии, то она имеет ряд некоторых ограничений: например, процесс создания клеток при использовании данной технологии происходит гораздо дольше и является несколько сложнее, чем традиционные методы печати. Кроме того, технология пока не позволяет печатать трехмерные клетки. Тем не менее ученые говорят, что разработанный метод уже позволяет печать клеточные структуры высокой четкости с расстоянием в 5 микрометров между клетками, а также может быть адаптирован для производства самых разных клеток, все из которых будут показывать высокий уровень выживаемости.

«Клеточная печать используется сейчас в самых различных направлениях — начиная от разработки лекарственных препаратов и заканчивая изучением регенерации тканей, функций клеток и межклеточной коммуникации», — говорит доктор Линдон Цинь, руководитель данного проекта из Института методических исследований Хьюстона.

«Подобные исследования возможны только в том случае, если используются живые и активные клетки. При этом 50-80 процентов — это типичный уровень выживаемости напечатанных клеток при использовании струйного метода печати. Однако в случае с блок-печатью мы смогли добиться практически стопроцентной выживаемости создаваемых клеток. Мы считаем, что современные нынешние технологии не совсем подходят для подобной работы. Напечатанные струйным способом клетки показывают очень высокий уровень поврежденности и смертности».

Разработанная технология печати использует метод физики микрожидкостей, который подразумевает помещение живых клеток в J-образные силиконовые формы. Форма за формой, одна за другой, они заполняют каждую из них и таким образом создают линии клеток. Каждая из этих линий определяется производственным процессом и создает в итоге сеточную структуру. После загрузки пресс-формы начинается процесс печати, очень похожий на сборку конструктора. Отсюда и название подобной технологии печати живых клеток.

Проверку технологии блок-печати доктор Цинь провел на производстве сеточной структуры клеток мозга, а также при изучении роста раковых клеток.

«Созданные нами клеточные связи могут быть полезны при будущем изучении системы сигнальной трансдукции между нейронами, а также при изучении регенерации аксонов (основных отростков нейронов)», — заявил Цинь после успешных испытания блок-печати клеток мозга.

«Все это может быть полезным для понимания болезни Альцгеймера и других нейродегенеративных заболеваний. Кроме того, подобная технология может найти своей применение при изучении и установки стадий раковых заболеваний».

Сделаны первые рентгеновские снимки процессов, происходящих внутри живых клеток

Для того, чтобы получить детализированное до уровня отдельных молекул высококачественное рентгеновское изображение живых клеток, ученые погружают эти клетки в специальные защитные химические растворы. Но, в большинстве случаев, такой метод не приводит к желаемому результату, клетки погибают, их внутренняя структура претерпевает необратимые изменения, и на полученных снимках можно увидеть все что угодно, но только не картину естественного состояния живой клетки. Но недавно, ученые из германского исследовательского центра DESY нашли способ произведения безопасной рентгеновской съемки, при помощи которого ими были сделаны первые в истории науки рентгеновские снимки процессов, протекающих внутри отдельных живых клеток.

В работе, опубликованной на пошедшей неделе в онлайн-издании Physical Review Letters, ученые описывают структуру разработанной ими системы, позволяющей произвести высококачественную рентгеновскую съемку живых клеток. Ученые использовали раковые клетки опухли надпочечной коры, которые были искусственно выращены на поверхности тончайших пластин из нитрата кремния, материала, почти полностью прозрачного для рентгеновских лучей. Пластины с клетками были погружены среду, наполненную питательными веществами, а продукты метаболизма клеток удалялись сквозь сеть крошечных отверстий, проделанных в пластине.

Поскольку длительное воздействие высокоэнергетическим рентгеновским излучением может убить или повредить внутренние структуры клетки, исследователи использовали череду коротких, 0.05-секундных импульсов излучения. Каждый из импульсов позволял получить отдельное высококачественное изображение, на котором видны отдельные элементы, размеры которых равны долям нанометра. Анализируя последовательность изображений, ученые пришли к выводу, что короткие импульсы рентгеновского излучения не нарушили жизнедеятельности клетки, на что указывало то, что разница между положениями некоторых из 30 структур в пределах клетки отличалась от снимка к снимку на 50 нанометров.

Другими словами, то, чего удалось достичь германским ученым, коренным образом отличается от технологий рентгеновской, с которой мы привыкли сталкиваться в повседневной жизни при посещении дантиста или входя в рентген-кабинет медицинского учреждения. Все более ранние методы могут продемонстрировать структуру живого организма на уровне, гораздо большем уровня отдельных клеток, а полученная возможность заглянуть при помощи рентгена внутрь клеток и возможность воочию увидеть происходящие там процессы послужат тем, что существенно расширит наши знания о строении и функционировании живых организмов.

http://gizmodo.com/these-are-the-first-x-rays-of-a-living-cell-1532737921

Раковые клетки заставили уйти из мозга

...Уйти в прямом смысле: с помощью полимерно-синтетической имитации нервов и сосудов можно заставить клетки глиобластомы «эмигрировать» из мозга.

Глиобластомы считаются самыми частыми и самыми агрессивными опухолями мозга, и одна из причин, по которой их трудно лечить, состоит в том, что глиобластомные клетки буквально расползаются по мозгу, путешествуя по нервным волокнам и кровеносным сосудам. Можно сказать, что опухолевые клетки используют нервы и сосуды как монорельс, вдоль которого они проникают в другую область мозга. В результате новая опухоль может появиться в совершенно неоперабельном месте, и даже удаление первичной опухоли тут мало чему поможет.

Исследователи из Технологического института Джорджии (США) придумали довольно неожиданный и остроумный способ, позволяющий до некоторой степени ограничить агрессивность глиобластомы. Если клетки опухоли так любят путешествовать вдоль нервов и сосудов, то почему бы не направить их по ложному пути, сымитировав эти самые нервы и сосуды? Рави Белламконда (Ravi Bellamkonda) и его коллеги так и сделали, создав искусственные волокна, по которым глиобластомные клетки можно вывести в какую-нибудь зону, более доступную для медицинского вмешательства.

Глиобластома на МРТ (фото BSIP / Corbis).

Когда опухолевые клетки начинают путешествие, они выделяют особые ферменты, которые облегчают им путь сквозь ткани. Это заставляет злокачественные клетки тратить очень много энергии, и поэтому они предпочтут такой путь, на котором энергорасходы будут минимальными. В этом-то и была задумка: создать для раковых клеток искусственный «монорельс», похожий на естественную «дорогу» в мозге, но при этом требующий меньше энергии на продвижение.

Волокна-обманки были сделаны из поликапролактонового полимера на полиуретановом носителе: снаружи их можно было принять за нервные волокна и кровеносные сосуды. Их имплантировали в мозг крысам с человеческой глиобластомой. Одним животным вводили волокна без поликапролактона, у других волокна несли полимер, но нетекстурированный, то есть с поверхностью, непохожей на естественные «проводящие пути» нервов и сосудов.

Волокна эти вели из мозга прямо в особый контейнер, наполненный гелем с циклопамином, токсичным для раковых клеток. Спустя 18 дней оказалось, что у животных, которым к опухоли подвели волокна с нерво- и сосудообразным поликапролактоном, опухоль заметно уменьшилась: клетки действительно уходили по этим волокнам в ядовитый коллектор.

Если подключить воображение, это можно сравнить с легендой о гаммельнском крысолове, который мог вести за собой крыс, играя на дудочке, и топить их в реке. Хотя этому методу можно найти и более прозаическую аналогию в виде дренирования гноя из раны, только тут у нас из больного места отводится не гной или какая-либо ещё нежелательная жидкость, а онкоклетки. Выше мы говорили, что глиобластомы часто оказываются в неоперабельных частях мозга, но в такие области можно ввести синтетические волокна, которые будут отсасывать клетки и не давать опухоли расти.

Кроме того, с помощью этого приёма можно предотвратить дальнейшее расселение раковых клеток по мозгу. И ещё одно преимущество метода состоит в том, что тут не нужно заливать мозг и весь организм ядовитыми лекарствами, истребляющими злокачественные клетки.

Впрочем, пока что эта технология продемонстрирована лишь на животных и только с одним видом мозговой опухоли. В дальнейшем авторы работы хотят проверить свои чудо-волокна на других разновидностях рака мозга. И в будущем, возможно, с помощью этого диковинного метода можно будет если и не избавляться от рака полностью, то хотя бы перегонять его в такое место, откуда его легко будет удалить.

Результаты исследования опубликованы в Nature Materials

Подготовлено по материалам Технологического института Джорджии. Изображение на заставке принадлежит Shutterstock.

Кирилл Стасевич

Гадание по митохондриям, или Как предсказать продолжительность жизни

Частота выбросов митохондриями кислородных радикалов позволяет спрогнозировать, сколько проживёт организм. Правда, такое предсказание, по-видимому, можно сделать только в определённый период жизни.

В отличие от кукушек и гадалок, врачи могут предсказать продолжительность только тогда, когда этой самой жизни угрожает смертельная опасность. Но можно ли и впрямь здоровому, ничем не болеющему человеку узнать, как долго он проживёт, опираясь не на сомнительные тесты из соцсетей («Хотите узнать, сколько вам осталось?»), а на что-то более или менее научное?

По сути, задача сводится к тому, чтобы определить скорость старения организма. Учёные давно пытаются найти какой-нибудь признак, по которому можно было бы точно определить скорость старения в любой момент жизни. Но на скорость старения и на продолжительность жизни влияет множество факторов, от экологических до генетических. И очень трудно отыскать параметр, который позволил бы загодя оценить продолжительность жизни, не обращая внимания на временные молекулярно-генетические и физиологические изменения.

Митохондрии в клетках лёгких (фото Kallista Images).

Тем не менее Мэн-Цю Дун (Meng-Qiu Dong) и её коллеги из Биологического института в Пекине (Китай) убеждены, что им это удалось. За предсказанием срока жизни исследователи обратились к митохондриям. На первый взгляд это выглядит логичным и даже банальным решением: митохондрии, добывая энергию с помощью кислорода, в качестве побочного продукта производят кислородные радикалы, которые создают в клетке окислительный стресс. Кислородные радикалы портят как сами митохондрии, так и клеточную ДНК, так что состояние клетки постепенно ухудшается. Однако, хотя многие исследователи полагают, что митохондрии действительно являются главным двигателем старения, в этой теории (выдвинутой ещё в 1972 году) до сих пор остаются противоречия и недоказанные утверждения. В некоторых случаях окислительный стресс оказывается явно ни при чём: например, голые землекопы живут необычайно долго, хотя уровень окислительного стресса у них высокий.

В 2008 году учёные обнаружили, что митохондрии выбрасывают кислородные радикалы не постоянно, а порциями в течение 10 секунд, и такие 10-секундные вспышки происходят каждую пару минут. Была предпринята попытка проследить за ритмом и интенсивностью этих вспышек на протяжении всей жизни организма; в качестве модели выбрали нематоду Caenorhabditis elegans. В статье, опубликованной в Nature, Мэн-Цю Дун и её коллеги сравнивают митохондриальные окислительные вспышки у двух типов червей: у тех, что живут 21 день, а также 30 дней и дольше.

Оказалось, что в жизни нематод есть два периода, когда митохондриальные вспышки у разных червей сходятся в частоте: это ранняя зрелость и старость. При этом именно первая серия вспышек соответствовала сроку жизни, то есть по частоте митохондриальных выбросов в ранней зрелости можно было достоверно предсказать, сколько проживёт нематода. Впоследствии эта корреляция подтвердилась среди 29 генетических мутантов с разным сроком жизни.

Частота митохондриальных кислородных вспышек также отражала индивидуальный опыт нематод: те черви, что перенесли тепловой шок или которых заставляли поголодать, жили дольше остальных, и митохондриальные выбросы случались у них заметно реже. Их частота могла отличаться у генетически одинаковых особей с разным сроком жизни.

Конечно, продолжительность жизни зависит не только от генов, но в данном случае примечательно то, что это «не только» отразилось на митохондриях. Если же у червей стимулировали появление кислородных радикалов, то и выбросы из митохондрий случались чаще, и жили такие черви меньше — даже если были из линии долгожителей.

С одной стороны, эти результаты явно подтверждают связь между окислительным стрессом, поведением митохондрий и продолжительностью жизни и указывают на параметр, с помощью которого эту связь можно оценить, — частоту митохондриальных выбросов кислородных отходов.

С другой стороны, этот параметр, по-видимому, имеет предсказательную силу только в определённый период жизни. (И тут, кстати, было бы интересно проверить, останется ли митохондриальный прогноз в силе, если нематода испытает какой-нибудь такой стресс уже после ранней зрелости, после «возраста предсказания».)

Ну и, наконец, не будем забывать, что для оценки продолжительности жизни есть и другие, не менее уважаемые модели со своими параметрами — например, небезызвестная теломерная. И за чем тут преимущество, за митохондриями или теломерами, и можно ли вообще так ставить вопрос, ещё только предстоит разбираться.

Подготовлено по материалам Nature News. Изображение на заставке принадлежит Shutterstock.

Живые клетки перемешали изнутри

Содержимое клетки можно превратить в гомогенный суп с помощью внутриклеточных наномешалок, управляемых ультразвуком и магнитным полем.

Исследователям из Университета штата Пенсильвания (США) удалось поместить в живую клетку... наномешалку и всё в ней перемешать. Под мешалкой в данном случае надо понимать не какое-то сложное устройство, а простую металлическую наночастицу, движением которой управляют с помощью внешнего электромагнитного поля.

Рутениево-золотые наночастицы в живой клетке HeLa (фото Mallouk lab / Penn State University).

Такие частицы, которые ещё называют наномоторами, изобрели 10 лет назад, но у самых первых «моделей» движение зависело от химической реакции, и ни с какой живой клеткой их совместить было нельзя. Но потом учёные обнаружили, что заставить наночастицы двигаться может ультразвук, причём на таких частотах, которые оставят клетки неповреждёнными.

Наностержни, состоящие из рутения и золота, вводили в клетки HeLa, после чего наномешалку начинали гонять внутри клетки с помощью ультразвука. Повышая мощность ультразвука, можно было добиться того, что внутренности клетки полностью гомогенизировались.

Впрочем, с помощью ультразвука наностержни можно было или подтолкнуть в каком-то одном направлении, или заставлять вертеться на месте. А вот магнитное поле позволяло управлять частицами точнее, с более предсказуемым результатом. С их помощью можно, к примеру, разрушить какой-нибудь внутриклеточный комплекс молекул, некую органеллу, и посмотреть, как клетка отреагирует на такой стресс. В перспективе можно будет осуществлять что-то вроде внутриклеточных операций, но для этого придётся научиться управлять такими наночастицами с прецизионной точностью.

А пока авторы работы говорят, что их внутриклеточные наномешалки-наномоторы можно направить на борьбу с раком. Порция таких частиц способна в буквальном смысле превратить раковые клетки в фарш: главное, чтобы их действие не распространялось на здоровые клетки.

Подготовлено по материалам Университета штата Пенсильвания.

Кирилл Стасевич

Учёные перепрограммировали клетки кожи в клетки поджелудочной железы, вырабатывающие инсулин

Ке Ли — PhD Глэдстоунского института.

Ведущие специалисты до сих пор не могут создать эффективное лечение сахарного диабета 1-го типа. Не потому, что они не знают, что нужно делать. Просто, инструменты, с помощью которых можно сделать то, что нужно, пока не созданы. Учёные из Глэдстоунского института решают проблему сахарного диабета, используя потенциал регенеративной медицины. Они разработали методику, которая позволяет восстановить функции, повреждённые болезнью.

Сахарный диабет 1-го типа — заболевание, которое проявляется в детстве, возникает в результате деструкции бета-клеток — клеток поджелудочной железы, в норме продуцирующих гормон под названием инсулин. При отсутствии инсулина органы испытывают трудности при поглощении сахаров, в частности глюкозы, из крови. В настоящее время болезнь контролируют, проводя регулярный мониторинг глюкозы и используя инъекции инсулина. Более оптимальным решением является замена повреждённых бета-клеток. Но где их взять? Авторы проведённого исследования решали данную проблему, используя технологии перепрограммирования клеток.

«Сила регенеративной медицины заключается в том, что она может предоставить неограниченный источник функционально активных бета-клеток, продуцирующих инсулин, которые могут быть внедрены в организм пациента. Однако предыдущие попытки получить бета-клетки в большом количестве, а так же разработать приемлемую систему доставки оказались неуспешными» — говорит доктор Шень Динь (Sheng Ding, сотрудник Калифорнийского университета).

Одной из основных трудностей, которая мешает получению большого количества бета-клеток, является ограниченная регенеративная способность самих бета-клеток. Как только они становятся зрелыми, возможность получения новых клеток существенно падает. Поэтому учёные решили вернуться на один шаг назад в жизненном цикле бета-клеток.

Для начала они получили из организма мыши клетки кожи — фибробласты. Затем специалисты обрабатывали их специальным раствором, содержащим специфические молекулы, получая таким образом энтодермоподобные клетки. Клетки энтодермы — это клетки, которые обнаруживаются у эмбриона на ранних стадиях его развития. Они, развиваясь, дают основные органы организма, включая поджелудочную железу.

«Используя другой специальный раствор, мы преобразовывали энтодермоподобные клетки в клетки, имитирующие незрелые клетки поджелудочной железы, которые мы назвали PPLC’s. Нашей первоначальной целью было выяснить, сможем ли мы превратить PPLC’s в зрелые клетки, которые, как бета-клетки, отвечают на корректные химические сигналы и, что более важно, вырабатывают инсулин. Наши начальные эксперименты, проведённые в чашках Петри, показали, что мы можем получить искомое» — утоняет Ке Ли (Ke Li, PhD из Глэдстоунского института).

После авторы исследования решили проверить, можно ли добиться эффекта, увиденного в чашке Петри, в организме животных. Они вживили PPLC’s в организм мыши, у которой выявлялась гипергликемия — ключевой индикатор сахарного диабета.

По словам доктора Ли, всего через одну неделю после трансплантации клеток уровень содержания глюкозы в организме животного стал постепенно снижаться, придя к нормальному значению. Когда учёные удалили пересаженные клетки из организма подопытного животного, произошло резкое увеличение содержания глюкозы.

Когда учёные проверили состояние здоровья мыши, которой за 8 недель до проверки пересадили PPLC’s, то оказалось, что пересаженные клетки породили полностью функциональные, секретирующие инсулин бета-клетки.

По словам учёных, полученные результаты не только проливают свет на роль ряда веществ в перепрограммировании клеток, но так же могут быть использованы в будущем для борьбы с сахарным диабетом.

Более подробное описание результатов проведённого исследования можно найти на страницах журнала Cell Stem Cell.

Почему умирают бета-клетки и как восполнить их потерю

Два недавно опубликованных исследования, проведенные учеными Калифорнийского университета в Сан-Франциско (University of California, San Francisco, UCSF), проливают новый свет на природу бета-клеток – инсулин-продуцирующих клеток поджелудочной железы, страдающих при диабете.

Авторы первого исследования предполагают, что некоторые случаи диабета могут быть обусловлены тем, что бета-клетки лишаются кислорода, что побуждает их вернуться в менее зрелое состояние с вытекающим отсюда последствием – потерей способности вырабатывать инсулин. Второе исследование показывает, что не вырабатывающие инсулина клетки поджелудочной железы – ациноциты – можно трансформировать в функциональные бета-клетки – потенциально новая стратегия лечения диабета.

(Фото: livescience.com)

В первом исследовании, опубликованном в журнале Genes & Development, директор Центра диабета UCSF Маттиас Хеброк (Matthias Hebrok), PhD, и научный сотрудник его лаборатории Сапна Пури (Sapna Puri), PhD, удалили из бета-клеток мышей ген VHL. Синтез инсулина в этих клеток резко сократился, и со временем у мышей развился физиологический эквивалент сахарного диабета 2 типа. Вместе с Пури и Хеброком в этом исследовании принимал участие Харухико Акияма (Haruhiko Akiyama), MD, PhD, из Университета Киото (Kyoto University), который предоставил для экспериментов мышей с моделью диабета, развивающегося у худощавых людей.

Считается, что сахарный диабет 2 типа, развивающийся, как правило, в зрелом возрасте, (но все чаще встречающийся и у детей), является результатом резистентности тканей к действию инсулина, вследствие чего у больных повышается уровень сахара в крови. В отличие от диабета 2 типа диагностируемый в детстве диабет 1 типа – аутоиммунное заболевание, при котором бета-клетки поджелудочной железы атакуются и повреждаются собственной иммунной системой больного.

Большинство научных работ, посвященных диабету 2 типа, сфокусировано на резистентности к инсулину, но доктор Хеброк и его коллеги считают, что во многих случаях, например, в подгруппе худощавых взрослых пациентов, одним из факторов возникновения заболевания может быть постепенное, развивающееся в течение длительного периода времени ослабление функции бета-клеток.

«У некоторых людей с высоким индексом массы тела бета-клетки хорошо справляются со своей функцией, в то время как у некоторых стройных – бета-клетки неэффективны», – поясняет доктор Хеброк.

В период развития поджелудочной железы изменения в экспрессии генов вызывают дифференциацию некоторых клеток в бета-клетки, но изученные исследователями лишенные гена VHL бета-клетки дедифференцировались. В них не было важнейших белков, всегда присутствующих в зрелых функциональных бета-клетках, и, наоборот, в этих клетках активно экспрессировался белок Sox9, вырабатывающийся в бета-клетках только до их полного созревания.

«Уровни маркеров зрелых клеток в этих клетках были понижены, а уровни маркеров, которых не должно было быть, повышены», – комментирует Хеброк.

Белок VHL – один из важнейших клеточных сенсоров кислорода. В условиях с низким содержанием кислорода VHL активирует внутриклеточные молекулярные пути, вызывающие компенсаторные метаболические изменения, направленные на защиту клетки. Если эти метаболические корректировки не достигают успеха, альтернативные пути подталкивают клетку к самоуничтожению.

Избирательно удалив VHL из бета-клеток, ученые имитировали условия недостатка кислорода только в одном типе клеток.

«Мы заставили бета-клетки «поверить», что они находятся в состоянии гипоксии, фактически не уменьшая количества кислорода», – продолжает Хеброк.

Даже незначительное увеличение массы тела у лиц с некоторым нарушением функции бета-клеток может повысить требования по выработке инсулина до точки, в которой эти требования начинают превышать возможности клеток.

«Бета-клетка – очень сложная клетка, вырабатывающая огромное количество инсулина жестко регулируемым образом. Лишение ее кислорода превращает «Порше» в «Вольксваген Жук» – высокооктановый гоночный автомобиль в автомобиль, который вы теперь должны заправлять бензином с низким октановым числом. Он все еще сможет доехать из пункта А в пункт Б, но не сможет сделать это так, как надо», – проводит аналогию доктор Хеброк.

Он считает, что многие случаи диабета являются результатом неуклонного, развивающегося в течение длительного времени ослабления функции уже поврежденных бета-клеток, вынужденных справляться с повышающейся потребностью в инсулине.

«То, что мы здесь показываем, – другой взгляд на процесс развития диабета», – поясняет ученый.

По его мнению, цепочку событий нельзя представить следующим образом: вы здоровы – затем у вас предиабет – затем у вас диабет – затем ваши бета-клетки погибают. Скорее это плавное снижение, где функция бета-клеток сходит на нет с течением времени.

Между тем, ученым, опубликовавшим свою статью в журнале Nature Biotechnology, удалось восстановить нормальные уровни инсулина и глюкозы у мышей, не имевших функциональных бета-клеток, путем трансформации других клеток поджелудочной железы в клетки, близкие к бета-клеткам.

Сначала исследователи ввели мышам токсин, специфически поражающий бета-клетки, что вызвало у них симптомы диабета. Спустя пять недель этим мышам имплантировали миниатюрные помпы, непрерывно в течение семи дней вводившие животным две сигнальные молекулы, известные как цитокины.

Введение этих двух цитокинов – эпидермального фактора роста и цилиарного нейротрофического фактора – восстановило у мышей нормальные уровни глюкозы и инсулина. Адекватный контроль над сахаром в крови сохранялся у животных в течение восьми месяцев – до момента завершения исследования.

Дальнейшие эксперименты показали, что введение цитокинов оказывало действие за счет «перепрограммирования» ациноцитов – клеток поджелудочной железы, которые в норме секретируют пищеварительные ферменты, а не инсулин, – заставляя их приобретать свойства бета-клеток, включая чувствительность к глюкозе и способность секретировать гормон для ее усвоения.

В предыдущих работах уже было показано, что определенные факторы транскрипции, доставляемые вирусами, могут перепрограммировать ацинарные клетки мышей, но это исследование представляет первое доказательство того, что перепрограммирование ациноцитов в бета-клетки возможно провести в организме живого животного фармакологическим путем. Поскольку вирусная доставка сложна и рискованна, новый подход представляет собой перспективную стратегию терапии диабета 1 типа и диабета 2 типа с дисфункцией бета-клеток.

«Фармакотерапия, создающая новые бета-клетки, очень помогла бы пациентам с диабетом 1 типа при условии, что сегодняшние открытия, сделанные на мышиных моделях, могут быть использованы для выявления поддающихся воздействию лекарственных препаратов мишеней в поджелудочной железе человека, и при условии, что нам удастся остановить постоянно идущее аутоиммунное разрушение бета-клеток», – говорит первый автор статьи Люк Байенс (Luc Baeyens), постдокторант лаборатории Майкла Джёмана (Michael German), MD, заместителя директора Центра диабета UCSF. «В краткосрочной перспективе эта модель может служить платформой для выявления и изучения новых соединений с терапевтическим потенциалом. В долгосрочной перспективе, несмотря на эти обнадеживающие результаты, мы пока еще очень далеки от использования выводов нашей работы в клинической практике».

Оригинальные статьи

VHL-mediated disruption of Sox9 activity compromises β-cell identity and results in diabetes mellitus

Transient cytokine treatment induces acinar cell reprogramming and regenerates functional beta cell mass in diabetic mice

http://www.ucsf.edu/…and-how-they

Ученые обратили внимание на физику полимеров кожи

Компьютерная модель упаковки кератиновых
нитей в клетках верхнего слоя кожи.
M. Evans/Univ. of Erlangen

Если долгое время находиться в ванной, кожа становится морщинистой. Частично это объясняется тем, что она отлично впитывает воду. Ранее ученые уже высказывали предположение, что столь высокая адсорбционная способность может быть связана с уникальной упаковкой белковых нитей в клетках кожи. Но теперь в своей последней работе ученые из Германии разработали полную термодинамическую модель процесса гидратации и расширения кожи. Как оказалось, этот обратимый процесс основан на балансе между расширением нитей (вызванным избытком воды) и пружиноподобным сжатием, обнаруженном учеными. Созданная ими модель полностью согласуется с экспериментальными данными, а результаты работы исследователей в перспективе помогут лучше понять, как работают кожные заболевания. Кроме того, знание свойств кожи в перспективе даст возможность разработать прочные и гигроскопичные материалы.

Кожа имеет замечательную способность поглощать воду, существенно увеличиваясь в объеме, а затем высыхать, обращая процесс вспять, без каких-либо побочных эффектов. Это свойство выполняет несколько функций, одна из которых заключается в регулировании уровня гидратации внутри тела. Распухание и поглощение воды происходит во внешнем слое кожи, который состоит из мертвых клеток, называемых корнеоцитами (эти клетки уложен, как кирпичи). Корнеоциты в свою очередь заполнены сетью жестких нитей, представляющих собой формы белка кератина. Еще в 2011 году ученые из Australian National University (Австралия) предложили геометрическую модель структуры этих нитей (так называемую сигма-стержневую упаковку). В этой модели каждая нить представляет собой длинную спираль. Проникая друг в друга, нити, направленные в четыре различные стороны в пространстве, формируют упорядоченную трехмерную решетку. При растяжении спиралей эта структура может увеличивать объем в пять раз, не теряя упаковку.

Теперь же коллеги ученых из University of Tübingen (Германия) сделали следующий шаг в попытках показать, как эта структура помогает клеткам кожи набухать и сокращаться. Они разработали полную термодинамическую модель, которая описывает, как энергия системы изменяется, в зависимости от расстояния между элементами сети и размеров спирали.

Энергетические расчеты для данной упаковки показали, что структура на самом деле склонна поглощать воду и расширяться. Однако существуют и другие процессы, которые, в конечном счете, обращают вспять расширение системы. Предшествовавшие измерения упругости нитей, формирующих структуру кожи, убедительно доказывают, что напряжение в растянутом состоянии как раз и обеспечивает противодействующую силу. Чем больше растянута нить – тем больше упругая энергия. Добавление этой энергии к полученной ранее модели позволило получить полное описание механизма расширения и сжатия кожи.

Для лучшего понимания полученных результатов научная группа использовала трехмерный график, где высота отражала энергию системы, а две горизонтальные координаты – расстояние между спиралями и радиус отдельной спирали в структуре (упомянутой выше упаковке). С помощью численного моделирования они определили диапазон параметров решетки и спиралей, при которых энергия оказывалась вблизи минимума. Результаты убедительно доказывали, что геометрия нитей кератина имеет решающее значение с точки зрения отклика кожи на воду. Кстати, в рамках своего эксперимента ученые определили, что расширение кожи должно происходить на 11 – 38% (что вполне согласуется с измеренным ранее из эксперимента диапазоном 15 – 35%).

Подробные результаты работы опубликованы в журнале Physical Review Letters. Как считают коллеги ученых, опубликованная работа дает ценную информацию о функциях кожи на промежуточных масштабах (между макро- и молекулярной структурой). Эта информация необходима для понимания процессов, разработки новых методов лечения дерматита и других кожных заболеваний, включая аномальную влажность кожи. Кроме того, исследователи считают, что на основе полученных данных можно создавать ткани или строительные материалы, которые основаны на способности кожи изменять свой объем под действием влаги

http://physics.aps.org/articles/v7/8

Новая технология позволяет получать высококачественные трехмерные изображения процессов, происходящих внутри живых клеток

Группа исследователей из университета штата Иллинойс (University of Illinois) разработала новый метод микросъемки, который позволяет получить трехмерные изображения с высокой разрешающей способностью внутренних структур живых клеток, что позволяет отслеживать ход происходящих в них процессов. Самой главной особенностью нового метода является то, что для проведения съемки не требуется использования флуоресцентных красителей или других химических соединений, эта технология, получившая название томографии на основе дифракции белого света (White-light Diffraction Tomography, WDT), реализуется при помощи обычного микроскопа, специализированной приставки к микроскопу источника белого света.

Разработка новой технологии съемки, описание которой было опубликовано в одном из последних выпусков журнала Nature Photonics, была выполнена группой исследователей, возглавляемой профессором электротехники и биоинженерии Габриэлем Попеску (Gabriel Popescu).

Вот что рассказывает по этому поводу профессор Попеску: "Съемка внутренностей живых клеток является одним из самых основных научных инструментов при проведении исследований функционирования клеток, при определении результатов воздействия лекарственных препаратов, к примеру, при лечении онкологических заболеваний. Раньше мы должны были вводить внутрь клеток специальные красители и специальные химические агенты, которые в большинстве случаев затрагивали функционирование этих клеток. Благодаря разработанной нами технологии мы можем видеть во всех подробностях все процессы в живых клетках, абсолютно не вмешиваясь в их естественное поведение".

Технология WDT использует компонент, являющийся приставкой к обычному фазово-контрастному микроскопу (phase contrast microscope), при этом совершенно не требуется вмешательство и проведение изменений конструкции самого микроскопа. В настоящее время профессор Попеску организовал новую компанию, Phi Optics, специалисты которой займутся адаптацией технологии WDT под все наиболее популярные модели микроскопов, используемых учеными в настоящее время. А на приведенном ниже видеоролике можно ознакомиться с трехмерными изображениями клеток, полученными при помощи технологии WDT.

http://www.nature.com/nphoton/journal/vaop/ncurrent/full/nphoton.2013.349.html

Ученые нашли способ усовершенствовать техники фотоакустического медицинского отображения

Фотоакустическая методика отображения напоминает ультразвуковую визуализацию. Она использует импульсы света для генерации звуковых волн внутри тканей, которые позволяют сформировать образ, к примеру, кровеносных сосудов или опухолей. Новая фотоакустическая техника, предложенная учеными из США, позволяет преодолеть обычное ограничение – дифракционный предел методики, позволяя исследователям различать отдельные клетки и даже структуры внутри этих клеток. Разработанная методика в будущем позволит реализовать внутриклеточную визуализацию биологических тканей без необходимости добавления флуоресцентных красителей и других контрастных агентов.

Принцип фотоакустической микроскопии (ФАМ) основан на фотоакустическом эффекте. Когда короткий импульс света попадает на материал, он нагревается и незначительно расширяется, что производит звуковые волны, которые вполне можно обнаружить при помощи датчика. Чем сильнее поглощения света в определенной области – тем громче излучаемый звук. Чтобы создать визуальный образ биологической ткани, исследователи последовательно фокусируют лазер в различных точках внутри образца и записывают громкость звука от каждого такого «пикселя». Некоторые биомолекулы, такие как гемоглобин в крови или меланин в коже, обеспечивают очень сильный фотоакустический сигнал, так что в их присутствии не требуется независимый искусственный краситель или контрастный агент, необходимый для других исследовательских методик (в частности, флуоресцентной микроскопии).

Основным преимуществом фотоакустической микроскопии на фоне других исследовательских методик является тот факт, что ФАМ позволяет получить более глубокие изображения живых тканей (по сравнению, к примеру, с флуоресцентной микроскопией), поскольку звуковые волны в этих тканях распространяются на гораздо большие расстояния. Эта особенность позволяет использовать фотоакустическую микроскопию, к примеру, для отображения кровеносных сосудов в руке человека. Кроме того, ученые надеются адаптировать методику и к общему сканированию тела пациентов.

Пространственное разрешение ФАМ определяется шириной фокусной области применяемого лазера, которая не может быть сокращена более чем до 200 нм (таков дифракционный предел лазерного излучения). Флуоресцентная микроскопия, как и другие методики, позволяет применять различные «трюки» для преодоления дифракционного предела, и теперь аналогичные подходы группа ученых из Washington
University (США) предложила использовать для ФАМ.

Как и некоторые методы флуоресцентного отображения высокого разрешения, предложенная учеными модификация ФАМ использует технику фотообесцвечивания – эффект, при котором некоторые молекулы теряют способность поглощать свет определенной длины волны сразу после облучения импульсом этой длины волны. Исследователи предложили использовать два последовательных лазерных импульса, направленных в одну и ту же точку. Первый импульс «обесцвечивает» молекулы в центре фокального пятна (где интенсивность излучения максимальна), оставляя без изменений периферийные молекулы. Второй импульс, таким образом, в состоянии генерировать звуковые волны только от «оболочки» вокруг центральной фокальной области. Вычитание второго звукового сигнала из первого позволяет избавиться от размытых очертаний, получив резкий «пиксель» изображения.

Эксперименты показали, что методика позволяет в 1,7 раза улучшить разрешение при исследовании красных кровяных клеток и в 2 раза улучшить детализацию при исследовании раковых клеток кожи (меланомы). Как считают ученые, именно в изучении меланомы, где биологи заинтересованы в субклеточных особенностях, меньших, чем дифракционный предел стандартных методик наблюдения, предложенная техника может дать наибольший эффект.

Подробные результаты работы описаны в журнале Physical Review Letters.

http://physics.aps.org/articles/v7/3

Новый подход: грипп можно сделать безобидным

Ученые обнаружили фермент, который играет ключевую роль в устойчивости организма к гриппу.

Возможно, уже в ближайшие годы появится лекарственный препарат, который не борется с вирусом гриппа, а делает человеческий организм более устойчивым к инфекции. Этот новый подход позволит избежать серьезных осложнений, которыми опасен грипп, в том числе тяжелой пневмонии, которая приводит к высокой летальности некоторых штаммов гриппа.

Ученые из канадского Университета Макгилла обнаружили энзим cIAP2, который помогает легочной ткани защитить себя от гриппа. Это открытие дает возможность разработать новые лекарственные препараты, способные бороться с вирусной инфекцией. Это очень важное и своевременное исследование, так как обилие штаммов гриппа делает борьбу с эпидемиями очень непростым делом.

«Результаты нашего исследования показывают, что в настоящее время одним из самых эффективных способов борьбы с гриппом может быть повышение сопротивляемости организма к вирусу», - говорит один из авторов исследования доктор Майя Салех (Maya Saleh).

Борьба с гриппом является комбинацией различных процессов. С одной, стороны наша иммунная система пытается предотвратить размножение вируса внутри наших клеток. С другой стороны, наши органы должны активно противостоять разрушению и гибели клеток, пораженных вирусом.

Фермент cIAP2 регулирует процесс смерти клетки: будет она естественной (апоптоз) или вызванной внешними факторами (некроз). Управление ферментом cIAP2 позволяет существенно снизить тяжесть течения гриппа и предотвратить тяжелые осложнения и летальный исход. На фото: справа мышь с низким уровнем или отсутствием cIAP2, слева – мышь с высоким уровнем cIAP2

Исследуя роль cIAP2 у мышей с гриппом H1N1, ученые обнаружили, что фермент способен контролировать естественную клеточную смерть в ходе инфекции гриппа. Оказалось, что cIAP2 контролирует выживание клетки и регулирует реакцию организма на инфекцию: от воспаления до некроза. Некроз является процессом отмирания клетки, вызванным внешними факторами. Обычно, он помогает регенерации ткани, в ходе которой поврежденные клетки отмирают, освобождая место новой, здоровой ткани. В ходе тяжелой инфекции, некроз может оказаться обширным и привести к летальному исходу.

Выработка большого количества фермента cIAP2 приводит к снижению смертности клеток. В то же время, в отсутствие фермента cIAP2, те же самые факторы вызывают разрушительную гибель клеток, которая с высокой вероятностью приводила к гибели подопытных мышей.

Таким образом, cIAP2 не только защищает инфицированные клетки от смерти, но и защищает неинфицированные соседние клетки, которые наверняка пострадали бы в случае гибели соседних клеток. Получается, что фермент повышает устойчивость тканей легких к инфекции гриппа и снижает вероятность опасных осложнений.

Исследователи полагают, что обнаружение роли cIAP2 открывает новые возможности для лечения гриппа. Перспективные препараты, повышающие уровень фермента cIAP2, могли бы существенно снизить тяжесть течения болезни.

Первая полимерная клетка с рабочими органеллами

Полимерная клетка с органеллами крупным планом.
(Фото: Radboud University Nijmegen)

Химики из Института молекул и материалов (Institute for Molecules and Materials) Университета Неймегена имени святого Радбода Утрехтского (Radboud University Nijmegen) впервые создали искусственную клетку, содержащую органеллы, способные осуществлять каскад химических реакций. Подробную информацию об этой разработке можно найти в статьях в журналах Angewandte Chemie и Nature Chemistry.

Воспроизвести в лаборатории химию живой клетки – труднейшая задача. В клетке – в небольшом переполненном молекулами контейнере – одновременно идет множество самых разных сложных реакций, в различных ее компартментах и при этом невероятно эффективно. Химики пытаются разными способами имитировать живую клетку и больше узнать о происхождении жизни и переходе от химии к биологии.

Ян ван Гест (Jan van Hest) и его аспирант Рууд Петерс (Ruud Peters) создали свои органеллы, заполнив мельчайшие сферы химическими веществами и поместив их в каплю воды, которую хитро покрыли полимерным слоем, имитирующим клеточную стенку. Используя флуоресценцию, они доказали, что запланированные реакции – целый каскад – действительно произошли. Таким образом, они стали первыми химиками, создавшими полимерную клетку с рабочими органеллами. В новой модели, как и в клетках нашего организма, после реакции в органеллах химические вещества могут проникать в клеточную плазму, чтобы вступить в реакции в других местах.

Слева направо: химические вещества помещаются в мельчайшие сферы (органеллы) и смешиваются с реагентами и ферментами.
Затем все эти компоненты заключаются в клетки с полимерной клеточной стенкой. (Фото: Radboud University Nijmegen)

Сегодня в химии создание имитирующих клетку структур очень популярно. Различными методами это делается, в том числе, и в Институте молекул и материалов. Например, профессор Вильгельм Гук (Wilhelm Huck) делает клетки от мельчайших капелек растворов очень похожих на цитоплазму, а группа ван Геста создает клетки с использованием полимеров.

Конкурирующие группы работают ближе к биологии, делая клетки, например, из жирных кислот. Следующим шагом будет создание моделей, производящих собственный источник энергии. Кроме того, ученые работают над способами контроля над перемещением химических веществ по клетке, в частности, к органеллам. Такие модели помогают лучше понять живые клетки.

Оригинальные статьи

Cascade Reactions in Multicompartmentalized Polymersomes

Nanoreactors: Catalysis in compartments

Обувь будущего: живые протоклеточные кроссовки с возможностью самовосстановления

Protocell-Trainers

Лондонский дизайнер и экспериментатор Шеймис Эйден разрабатывает концепт кроссовок будущего, которые будут производиться на 3D-принтере из синтетически-биологического материала, обладающего свойствами самовосстановления. Эйден говорит, что Protocells, так называются кроссовки, будут изготавливаться с учетом точного размера стопы человека и будут ощущаться на ногах как вторая кожа. Кроме того, материал будет реагировать на давление и движение и при необходимости увеличиваться в объеме, создавая тем самым дополнительную амортизацию.

Проектом Шеймис занимается совместно с доктором Мартином Ханчиком, профессором Университета Южной Дании и специализирующимся на технологиях протоклеток (пробионтов). Протоклетки (или пробионты) являются базовыми молекулярными структурами, сами по себе не являющиеся живыми, но при объединении способны создавать живые организмы.

Protocell-Trainers3

Путем смешивания различных типов этих неживых молекул ученые предпринимают попытки искусственного создания живых систем, которые впоследствии могут быть запрограммированы на различное поведение, например, особым образом реагировать на давление, а также свет и тепло.

«Клетки способны реагировать на давление и соответствующим образом на него отвечать», — поделилась Эйден с журналистами портала Dezeen на конференции Wearable Futures, проходившей в Лондоне.

Proto

«Когда вы бежите по разной поверхности, текстура способна надуваться или наоборот сжиматься в зависимости от того, какое давление подается на обувь. Такая возможность придаст вам дополнительную поддержку при беге».

Protocell-Trainers4

После бега протоклетки в материале будут терять свою энергию, поэтому для ее восстановления обувь будет помещаться в специальную емкость, заполненную протоклеточной жидкостью. Эта жидкость позволит живым организмам в материале «отдохнуть и восстановить свои силы». Кроме того, жидкость может быть любого цвета, и в момент восстановления клетки обуви обретут цвет находящейся в емкости жидкости.

Protocell-Trainers5

«Такие кроссовки придется брать домой и заботиться о них так же, как если бы они были, скажем, растением. Каждый раз убеждаться в том, что материал получил необходимые питательные свойства и восстановил свои силы», — говорит дизайнер.

Эйден добавляет, что ее проект направлен на демонстрацию более широкой аудитории потенциала использования протоклеточной технологии. Изобретатель мечтает, что полноценная возможность ее использования вполне возможно появится в относительно недалеком будущем, к году 2050-му.

Легкие для трансплантации можно будет получать из собственных клеток пациента

Фотография: zipheal.com

Сделан первый шаг для получения искусственного легкого из собственных клеток пациента: ученым удалось получить функциональные клетки легких и дыхательных путей из фибробластов кожи человека. Проблема, которая состоит в том, что легкие плохо приживаются при трансплантации, может быть решена.

Соответствующая работа опубликована в журнале Nature Biotechnology специалистами Медицинского центра Колумбийского университета .

Исследователи подобрали условия и факторы, которые превращают плюрипотентные, то есть малоспециализированные, клетки в клетки — предшественники легких и дыхательных путей. А плюрипотентные клетки, в свою очередь, получили из клеток фибробластов кожи. Судя по биохимическим маркерам, исследователям удалось получить из клеток-предшественников функциональные клетки легких и дыхательных путей шести типов, в том числе базальные, бокальчики, клетки мерцательного эпителия, альвеолярные клетки первого типа, участвующие в газообмене, и альвеолярные клетки второго типа (АКII), которые синтезируют и выделяют сурфактант — субстанцию, которая смазывает поверхность легочных альвеол и не позволяет им слипаться. Эти же клетки участвуют в восстановлении механических повреждений легочной ткани.

Полученные результаты исследователи планируют использовать для получения клеточных моделей легочных заболеваний, связанных с дефицитом сурфактанта, аденокарциномы легких и идиопатического легочного фиброза, в развитии которого предположительно большую роль играют АКII.

Это тяжелейшее заболевание, связанное с повреждением и утолщением стенок легочных альвеол, приводящее к необратимому прогрессирующему снижению функции легких.

Настоящих причин развития этой болезни никто не знает, и лечить ее не умеют. В тяжелых случаях пациенту может помочь только пересадка легких. Ученые планируют исследовать молекулярные механизмы возникновения идиопатического легочного фиброза и других заболеваний дыхательной системы и подобрать для них эффективные лекарства. Еще одно возможное использование новой технологии — исследование развития легких человека.

Поскольку методика позволяет получить из клеток кожи клетки большинства типов дыхательной системы, ученые надеются с ее помощью решить коренную проблему трансплантации: получение искусственного легкого из собственных клеток — предшественников пациента.

Эту технологию исследователи разрабатывают совместно со специалистами кафедры биомедицинской инженерии Колумбийского университета.

Первые эксперименты ученые провели на фрагментах легкого человека толщиной всего 2 мм. Их обработали ферментами, которые удаляют все клетки, оставляя только каркас легкого, не поврежденный механическими воздействиями. Этот каркас, помещенный в питательную среду, заселили клетками — предшественниками легких, которые успешно там делились, дифференцировались и синтезировали необходимые функциональные белки.

В дальнейшем исследователи планируют выращивать по этой технологии целое легкое из собственных клеток пациента, что решит проблему отторжения трансплантата, но это дело далекого будущего.

К настоящему времени наука добилась успеха в превращении стволовых клеток человека в клетки разных органов и тканей. Из стволовых клеток сделали клетки печени, мышцы, кровеносные сосуды, слезные и слюнные железы и даже нейроны и клетки внутреннего уха. Получение клеток легких и дыхательный путей — последний штрих, дополняющий картину потенциальных возможностей регенеративной медицины.

Ученые впервые получили клетки внутреннего уха мыши из стволовых клеток

Лауреат Нобелевской премии "оживил" искусственную протоклетку

Лауреат Нобелевской премии Джек Шостак «оживил» созданную им ранее искусственную «протоклетку», добавив в нее соль лимонной кислоты; теперь она может самостоятельно воспроизводить молекулу РНК, и ее мембрана при этом не разрушается, говорится в статье, опубликованной в журнале Science.

Шостак, получивший Нобелевскую премию по физиологии и медицине 2009 года за открытие механизмов защиты хромосом теломерами, и Катаржина Адамала (Katarzyna Adamala) из Общеклинической больницы штата Массачусетс более десяти лет пытались понять, как протоклетки развивались от «первичного супа» из химических соединений до живых организмов, способных к репликации — «копированию» генетического материала и его воспроизведению.

Джек У. Шостак (США) Лауреат Нобелевской премии по физиологии и медицине 2009 года.

Гарвардская медицинская школа, Бостон, Массачусетс, США; Массачусетс, США; Медицинский институт Говарда Хьюза Мотивация Нобелевского комитета: «за открытие механизмов защиты хромосом теломерами и фермента теломеразы»

Часть этой работы заключалась в создании модели «протоклетки»: ее мембрана состояла не из «современных» молекул, а из простых жирных кислот, которые могли быть в окружающей среде молодой Земли. Однако эту модель искусственной протоклетки следовало доработать: она не могла синтезировать молекулу РНК — ее мембрана разрушалась.

Чтобы «оживить» искусственную протоклетку, ученым требовалось добавить ионы магния, которые связаны с работой РНК-полимеразы — фермента, осуществляющего синтез молекул РНК. Препятствием служило то, что эти ионы разрушали мембрану протоклетки. Шостак и Адамала попытались защитить ее с помощью различных хелаторов — эти молекулы «связывают» между собой ионы металла.

Наиболее эффективными хелатором оказалась соль лимонной кислоты: она «выключала» разрушительное действие ионов магния, однако они по-прежнему способствовали репликации РНК.

«Мы показали, что есть по крайней мере один способ запустить процесс репликации РНК в клетке с простой оболочкой из жирных кислот. Сейчас мы считаем, что (на молодой Земле) должны были существовать простые пептиды, которые действовали подобно соли лимонной кислоты, и сейчас пытаемся их найти», — сказал Шостак, слова которого цитируются в сообщении Общеклинической больницы.

Оригинал взят у

vert_dider в Дрю Берри — Анимация невидимой биологии

"" (Watch on YouTube)

Наши ресурсы

Ученым наконец удалось создать «обнуленные» стволовые клетки

Одна из преград на пути использования эмбриональных стволовых клеток в медицине связана с самой их природой: они «рождаются» для быстрой эволюции в клетки других типов. До последнего времени ученым не удавалось сохранить эмбриональные клетки в первозданном виде. Поэтому им нашли замену– перепрограммированные взрослые клетки, так называемые индуцированные плюрипотентные стволовые клетки (ИПСК). Но и тут все не гладко: ИПСК сохраняют следы своего происхождения – предрасположенность к развитию в определенные типы клеток.

Ученым наконец удалось создать «обнуленные» стволовые клетки Теперь ученым из Вейцмановского научного института (Израиль) удалось ликвидировать это препятствие. Созданные ими ИПСК «перезагружены» до максимально «юного» состояния и в этом состоянии поддерживаются.

Сразу после первых успешных опытов в 2006 году, ИПСК были провозглашены наилучшей – как с этической, так и практической точек зрения – альтернативой эмбриональным стволовым клеткам. Получают ИПСК путем введения четырех генов в геномы, например, кожных клеток взрослого человека. Это процесс отодвигает стрелки «часов развития» почти к исходной точке (эмбриональному состоянию) – но не совсем. Доктор Якоб Ханна (Jacob Hanna) и его коллеги поняли, что одного впрыскивания генов будет недостаточно – нужно будет также затормозить дифференцирующий «порыв» клетки.

О том, что это в принципе возможно, говорят эмбриональные стволовые клетки мыши, применяемые во многих лабораторных экспериментах – они легко поддерживаются в первозданном, «ненастроенном» состоянии. Если понять, почему мышиные ЭСК не начинают дифференциацию «в пробирке», можно будет «научить» этому и человеческие клетки, решил Ханна. Проведя серию опытов и генетический анализ, израильские ученые разработали препарат, «заглушающий» в ИПСК генетический путь, отвечающий за дифференциацию.

Потом они ввели обработанные ИПСК в мышиные бластоциты – эмбрионы на начальной стадии развития, содержащие лишь несколько клеток. Если модифицированные ИПСК и вправду окажутся «первоначальными» и жизнеспособными, они будут расти вместе с мышиными клетками, решили ученые. ИПСК были помечены флуоресцентным маркером, чтобы облегчить отслеживание их судьбы в мышином эмбрионе. И вправду – через десять дней исследователи обнаружили, что плод содержит как мышиные, так и человеческие ткани.

«Нам удалось “заморозить” клетки в состоянии, которое на самом деле является в высшей степени мимолетным», - утверждает Ханна.

Открытие израильских ученых принесет пользу биомедицинским исследованиям, прежде всего генной терапии и генной инженерии. Ханна и его группа планируют о дальше изучать «очеловеченные» эмбрионы мышей – там они хотят найти новые способы направлять развитие человеческой ткани в функциональные органы.

По материалам пресс-релиза института.

Водоросли делают эволюционный скачок к многоклеточности - прямо в лаборатории

Много десятилетий ученые бьются над вопросом – как и почему в процессе эволюции многоклеточные организмы выработали воистину универсальную черту: воcпроизводство с помощью единичных клеток (таких, как яйцеклетки и сперматозоиды)? Уильям Рэтклифф (William Ratcliff) и МайклТравизано (Michael Travisano) из Университета Миннесоты в одном лабораторном эксперименте успешно превратили одноклеточную водоросль Chlamydomonas reinhardtii. в многоклеточную, размножающуюся единичными клетками.

Водоросли делают эволюционный скачок к многоклеточности - прямо в лаборатории «Биологи предполагали, что одноклеточное “бутылочное горлышко” развилось значительно позже многоклеточности – как механизм, смягчающий конфликты интересов между клетками, составляющими организм. А мы выяснили, что этот механизм появляется одновременно с многоклеточностью», - рассказывает Рэтклифф. Этот вывод имеет важное значение для понимания того, как в природе развились сложные многоклеточные организмы.

Исследователи получили многоклеточный штамм, отбирая и культивируя водоросли, которые быстро оседали на дне наполненной жидкостью пробирки. По прошествии 73 циклов водоросли в одной из пробирок стали многоклеточными.

Наблюдая за новой формой, Рэтклифф и Травизано обнаружили, что она воспроизводится, «разламываясь» - отделяя от себя одиночные мотильные клетки, которые вырастают в новые многоклеточные скопления. Ученые создали математическую модель, объясняющую преимущество именно этой стратегии для размножения – по сравнению с выделением крупных «ростков» (пропагул). Хотя шансов выжить у единичных клеток меньше, чем у массивных пропагул, этот недостаток с лихвой компенсируется их многочисленностью.

Сейчас ученые объединились с коллегами из Университета Монтаны для выяснения генетической основы многоклеточности и экспериментального получения еще более сложных организмов. В частности, они хотели бы прояснить происхождение взросления (как организмы становятся взрослыми).

Данные исследования представлены в журнале Nature Communications.

По материалам пресс-релиза университета и New Scientist.

На основе анализа генов можно отбирать стволовые клетки для создания кровеносных сосудов

Чикагским учёным, которые проводят исследования на базе Университета Иллинойса, удалось определить белок, синтезируемый стволовыми клетками костного мозга. Основная функция этого белка – образование кровеносных артерий и стимулирование их роста.

Джаллес Рехман, занимающийся вопросами кардиологии и фармакологии в медицинском колледже, который работает при университете, отмечает, что существуют стволовые клетки, действующие разнонаправлено. Так, уникальными возможностями обладает костный мозг и его стволовые клетки, способные дифференцировать костные и хрящевые ткани, а также помогающие поддерживать в здоровом состоянии другие клеточные структуры организма.

Группа учёных во главе с Джаллесом Рехманом занимается разработкой методов инженерии клеточных тканей, которые можно использовать в лечении заболеваний сердечно-сосудистой системы. Они заметили широкие возможности расположенных в костном мозгу клеток, которые называют мезенхимальными. Оказалось, что именно они имеют большое значение в формировании клеток, имеющих решающее значение для сосудов.

В ходе экспериментов учёные доказали и продемонстрировали, каким образом происходит смешивание мезенхимальных и эндотелиальных клеток, выстилающих сосуды, доставляющие кровь к органам. Смешав два типа клеток, экспериментаторы обнаружили, что клетки костного мозга вытянулись и стали основой, вокруг которой расположились эндотелиальные трубчатые клетки.

В итоге учёные пришли к выводу о том, что данный процесс, в ходе которого происходит организация клеток сосудов, напрямую зависит от действия стволовых клеток.

На следующем этапе исследования смеси клеток имплантировали мышам. В ходе наблюдения выяснилось, что эндотелиоциты смогли образовать нормально функционирующие сосуды.

Чтобы выяснить, как стволовые клетки действуют, когда проходит этот процесс, исследователи проанализировали гены. Они провели сравнительный анализ в предварительно смешанных наборах клеток. При этом сравнивались две группы смесей: первая могла образовывать сосуды, а вторая – не могла. В первом случае учёные обнаружили ген, который называется SLIT3.

Вывод учёных был следующим: не все типы стволовых клеток обладают способностью формировать сосуды. Всё зависит от того, какую активность в них проявляет обнаруженный ген. Чтобы лечить заболевания сердца, необходимо тестировать клетки больного на возможность активизировать SLIT3. Данная процедура в будущем станет вариантом проведения индивидуальной терапии.

Сегодня в клинических испытаниях проводятся процедуры инъекций стволовых клеток, в том числе мезенхимальных. Затем их действие оценивается в зависимости от того, насколько они способны вызывать рост кровеносных сосудов у человека в постинфарктном состоянии. До настоящего времени данная процедура получала скромные оценки, но проведённое исследование изменит ситуацию кардинальным образом.

Учёные уверены, что с помощью анализа генов и их возможностей каждый пациент получит индивидуальный способ лечения, так как клетки костного мозга будут полностью соответствовать особенностям организма и улучшат деятельность сердечной мышцы за счёт роста сосудов.

В настоящее время исследования и эксперименты Клемсонского университета продолжаются. Учёные намерены выявить белки, синтезирующиеся таким же способом во время неврологических расстройств. А пока данные исследований учёные опубликовали в научном журнале Cell Reports.
http://www.ntpo.com/obzor-sovremennyh-tehnologii/sovremennye-tehnologii-v-medicine/38142-uchjonye-nashli-sposob-lechenija-nevrologicheskikh-rasstrojjstv.html