Создан искусственный костный мозг

Группа немецких исследователей создала искусственный костный мозг, который можно использовать для продукции гемопоэтических стволовых клеток (ГСК) в лаборатории. В проекте участвуют исследователи Технологического Института Карлсруэ (Karlsruhe Institute of Technology, KIT), Института Интеллектуальных Систем имени Макса Планка (Max Planck Institute for Intelligent Systems), Университетов Штутгарта (University of Stuttgart) и Тюбингена (University of Tübingen) (Германия).

Такие клетки костного мозга, как эритроциты или иммунные клетки, постоянно замещаются новыми, образующимися из гемопоэтических стволовых клеток, находящихся в специализированных нишах костного мозга. В клинике необходимость в получении достаточного количества гемопоэтических стволовых клеток может возникнуть при лечении таких заболеваний крови, как лейкозы, когда пораженные клетки пациента замещаются здоровыми, полученными от подходящего донора.

Однако далеко не каждого пациента, больного лейкозом, можно вылечить таким способом, поскольку зачастую количества подходящих трансплантатов оказывается недостаточно. Решить эту проблему поможет воспроизведение гемопоэтических стволовых клеток. Совсем недавно это было невозможно, поскольку ГСК сохраняют свои свойства «стволовости» только в естественном окружении, то есть в нише костного мозга. Вне этой ниши свойства изменяются, поэтому воспроизведение стволовых клеток требует наличия сходной с естественной нишей костного мозга окружающей среды.

Ниша стволовых клеток представляет собой сложное микроскопическое окружение, обладающее специфическими свойствами. Относящаяся к нише область кости обладает поровой структурой и схожа с губкой. Такое трехмерное окружение не только содержит клетки костной ткани и гемопоэтические стволовые клетки, но и другие типы клеток, обменивающиеся сигнальными веществами. Более того, пространство между клетками имеет матрикс, который обеспечивает определенную стабильность и предоставляет клеткам точки для закрепления. В нише стволовых клеток ГСК также снабжаются питательными веществами и кислородом.

Группа молодых исследователей, изучающая взаимодействия стволовых клеток и материала (Stem Cell–Material Interactions), возглавляемая доктором Корнелией Ли-Тедик (Cornelia Lee-Thedieck), состоит из исследователей Института Функциональных Интерфейсов (Institute of Functional Interfaces, IFG) при KIT, Института Интеллектуальных Систем им.Макса Планка, Университетов Тюбингена и Штутгарта. В ходе работы исследователи искусственно воссоздали основные свойства естественного костного мозга в лаборатории. С помощью синтетических полимеров ученые создали поровую структуру, симулирующую губкообразную структуру области костного мозга, где формируются клетки крови. Кроме того, они добавили белковые строительные блоки, сходные с теми, что существуют в матриксе костного мозга, для обеспечения закрепления клеток, а также внедрили в структуру другие типы клеток, характерные для ниши, для обеспечения необходимого обмена сигналами.

Далее в полученное искусственное окружение исследователи ввели гемопоэтические стволовые клетки, выделенные из пуповинной крови, и культивировали их в течение нескольких дней. Анализ с помощью различных методов показал, что клетки действительно размножаются в искусственно созданном костном мозге. По сравнению со стандартными методами культивирования клеток, большее число стволовых клеток, полученных в костном мозге, обладало специфическими свойствами.

Новый искусственный костный мозг, обладающий большинством функций настоящего костного мозга, теперь можно использовать для исследования деталей взаимодействий между материалами и стволовыми клетками в лаборатории. Это поможет установить, как можно влиять на поведение стволовых клеток и контролировать его искусственными материалами. Полученные сведения могут внести вклад в создание искусственной ниши стволовых клеток для специфического воспроизведения ГСК и лечения с их помощью лейкозов в ближайшие 10-15 лет.

Сканирующая электронная микроскопия стволовых клеток (желто-зеленого цвета) в опорной структуре (синего цвета), служащей основой для искусственного костного мозга. (фото: C. Lee-Thedieck/KIT)

По материалам Karlsruhe Institute of Technology

Оригинальная статья:
Annamarija Raic, Lisa Rödling, Hubert Kalbacher, Cornelia Lee-Thedieck. Biomimetic macroporous PEG hydrogels as 3D scaffolds for the multiplication of human hematopoietic stem and progenitor cells. Biomaterials, 2014; 35 (3): 929 DOI: 10.1016/j.biomaterials.2013.10.038