Российские ученые исследовали процесс появления стволовых клеток крови у эмбрионов рыб данио-рерио и показали, что для этого необходимы механические воздействия со стороны окружающих тканей и крови. Это открытие позволит искусственно создавать оптимальные условия для выращивания стволовых клеток крови in vitro. Такие клетки очень перспективны в медицине, так как могут использоваться для лечения людей с раком крови и анемией.
Danio rerio — модельный объект для изучения процессов развития / ©Tohru Murakami
Результаты исследования опубликованы в журнале Scientific Reports. Исследование поддержано грантом Российского научного фонда (РНФ). Стволовые клетки человека были открыты еще в начале прошлого века и практически сразу привлекли внимание ученых благодаря способности превращаться в клетки самых разных тканей и органов: хряща, кости, печени и других.
Первыми из них ученые описали стволовые клетки, которые дают начало всем клеткам крови. У позвоночных (в том числе и у человека) они находятся в красном костном мозге, но у эмбрионов изначально образуются в аорте из эндотелиальных клеток ее стенок.
Процесс формирования универсален для всех позвоночных, но протекает с некоторыми различиями. У рыбок данио-рерио часть эндотелиальных клеток покидает сосуд с брюшной стороны и выходит в полость тела. Далее мигрирующие клетки попадают в вену, которая лежит рядом, параллельно аорте, а оттуда по кровотоку — в печень плода.
Процесс развития эмбриональной аорты и выхода клеток представляет особый интерес, ведь изучив его, можно искусственно получать из эпителия стволовые клетки крови, способные к неограниченному числу делений. В медицине их используют для пересадки людям с раком крови и анемией, чтобы компенсировать нарушенное кроветворение и недостаток эритроцитов. Кроме того, при иммунодефицитах стволовые клетки крови помогают восполнить количество лейкоцитов, которые обеспечивают защиту организма от различных инфекций.
Чтобы изучить процессы, которые обеспечивают образование стволовых клеток, исследователи из Донского государственного технического университета (Ростов-на-Дону) создали математическую модель развития аорты эмбрионов рыб. При этом аорту рассматривали в виде эластичного цилиндра, на который действуют механические силы, подобные тем, что есть в теле зародышей данио-рерио.
Эти рыбки представляют собой удобный модельный объект для изучения развития позвоночных животных, поскольку они дают большое потомство, неприхотливы, и самое главное — их эмбрионы прозрачны и развитие происходит вне материнского организма. Кроме того, геномы данио-рерио и человека содержат около 70 процентов общих генов, а их зародыши на ранних стадиях очень похожи, что позволяет изучать на этих рыбах различные патологии развития и тестировать лекарственные препараты для людей.
Оказалось, что для превращения эндотелиальных клеток в стволовые и их выхода из аорты необходимы определенное кровяное давление, а также механические силы, сжимающие аорту вдоль ее оси. Ученые показали, что продольное сжатие возникает из-за того, что окружающие аорту ткани растут медленнее, чем сама аорта. Сжатие изменяет форму сосуда: возникает неравномерность ее диаметра, одновременно с этим появляются первые стволовые клетки.
Установлено, что механическое сжатие служит своего рода сигналом для клеток, в ответ на который они изменяют форму, размер и положение. Изначально плоские клетки эпителия перемещаются в нижнюю (брюшную) часть аорты, под которой параллельно лежит вена, становятся округлыми, а затем и совсем теряют связь с соседями и покидают сосуд, не нарушая его целостности.
Предложенную модель ученые подтвердили, проанализировав рост зародышей данио-рерио с нарушениями развития. Так, у эмбрионов, имеющих очень слабый кровоток, клетки аорты не подвергаются необходимым напряжениям, что приводит к аномальной форме аорты и нарушает формирование стволовых клеток: они имеют неправильную яйцевидную форму и часто лопаются при выходе из сосуда. Подобный эффект наблюдался и у рыб, аорта которых из-за мутаций была нечувствительна к механическим сигналам от соседних тканей.
«Мне всегда нравилось работать с биологическими системами, рассматривая их через призму физики. С данио-рерио я “познакомился” еще во время работы над своей Ph.D. диссертацией в университете Монпелье под руководством профессоров Пармеджани и Рошаля. Сейчас благодаря поддержке РНФ я уже сам руковожу исследовательским проектом.
Он направлен на получение фундаментальных знаний о роли напряжений в превращении эпителиальных клеток в стволовые, но наши результаты несомненно имеют прикладное значение и будут способствовать совершенствованию методов производства стволовых клеток in vitro для медицинских целей.
Эффективный метод искусственного выращивания стволовых клеток крови, в том числе из тканей самого пациента, решил бы проблемы поиска донорского материала и его отторжения у пациентов и помог бы спасти множество жизней», — рассказывает руководитель проекта по гранту РНФ Иван Голушко, кандидат физико-математических наук, научный сотрудник лаборатории функционально-градиентных и композиционных материалов ДГТУ.
