Search

Індуковані плюрипотентні стовбурові клітини

Індуковані плюрипотентні стовбурові клітини (іПСК) — тип стовбурових клітин, отриманих штучно в лабораторних умовах зі зрілих диференційованих клітин організму ссавців, зокрема людини.[1]

Схематичне зображення методик перетворення соматичних клітин в іПСК, та подальше їх диференціювання у широкий спектр диференційованих клітин[2]

ІПСК отримують завдяки епігенетичному перепрограмуванню — штучному введенню у клітину білків транскрипційних факторів (часто методом вірусної трансдукції[1][3][4]), внаслідок чого активується програма перетворення клітини на недиференційовану стовбурову.[1][2][3][4] Також існують методики перепрограмування клітин в іПСК завдяки трансфекції мРНК[5][6][7][8], хімічному перепрограмуванню малими молекулам[9][10][11], епісомальним векторам[12][13][14] та деякі інші[15][16].

Для утворення іПСК клітин спочатку використовувались фібробласти шкіри[17], але пізніше було виявлено, що кератиноцити, клітини сечі та мононуклеарні клітини крові мають клінічні та етичні переваги, як попередники іПСК.[18] Отримані ІПСК диференціюються за допомогою інших транскрипційних факторів у різні типи клітин[19], зокрема нейрони[20][21] та кардіоміоцити[22][23].

ІПСК використовують як універсальне й етично прийнятне джерело плюрипотентних стовбурових клітин для регенеративної медицини, та для дослідження клітин конкретної людини, які не можна отримати за допомогою біопсії, зокрема клітин мозку. Спеціальні методи культивування дозволяють досліджувати також складні багатоклітинні структури — органоїди, утворені з ІПСК клітин. ІПСК та органоїди служать універсальним інструментом із застосуванням, що охоплює лікування стовбуровими клітинами, моделювання захворювань[24], персоналізований скринінг ліків, тканинну інженерію, персоналізовану медицину, та біологічні й біомедичні дослідження в біології розвитку. Вони дозволяють моделювати тканини й органи, відтворювати захворювання in vitro, і допомагають у розробці персоналізованих ліків та лікування на основі індивідуальних профілів геному.

Історія

Передумови

Хронологія основних наукових досягнень в історії дослідження стовбурових клітин, включно з іПСК.[25]

Історично багато ключових віх спонукали до прогресу в галузі дослідження стовбурових клітин, включно з іПСК. Понад півстоліття тому, у 1961 році, перші стовбурові клітини були описані біофізиком Джеймсом Тіллем та клітинним біологом Ернестом Маккалохом в Торонтському університеті в Канаді.[26] Вони виявили, що стовбурові клітини, отримані з клітин кісткового мозку миші, мали здатність диференціюватися в різні типи клітин, і тому були названі плюрипотентними стовбуровими клітинами.[25]

У 1981 році Мартін Еванс і Метью Кауфман[en] зробили важливе відкриття, яке поштовхнуло вперед дослідження стовбурових клітин. Вони виділили та культивували мишачі ембріональні стовбурові клітини (ЕСК), що стало важливою віхою в цій галузі.[27]

У 1996 році, вівця Доллі була клонована Кітом Кемпбеллом[en], Яном Вілмутом[en] та колегами з Рослінського інституту Единбурзького університету в Шотландії, продемонструвавши дійсність методу пересадки ядер соматичних клітин.[28] Це відкриття свідчило про те, що дорослі клітини можливо перепрограмувати назад до ембріонального стану, що відкрило двері для можливості генерації специфічних для пацієнта плюрипотентних стовбурових клітин. Потім, у 1998 році, перші ембріональні стовбурові клітини людини були виділені Джеймсом Томсоном[en] у США.[29]

Відкриття іПСК

Лекція Нобелевського лауреата з фізіології та медицини Сін'я Яманака «Нова ера медицини з клітинами іПСК — послання майбутнім вченим» (2012).[30]
Стовбурова клітина як попередник диференційованих клітин

У 2006 році японським біологом Сін'я Яманака разом з командою були отримані перші індуковані плюрипотентні стовбурові клітини (іПСК), шляхом перепрограмування дорослих клітин в іПСК, завдяки лише чотирьом факторами транскрипції (з досліджуваних 24-х), а саме: OCT4, c-MYC, SOX2, KLF4.[1][31]

За відкриття цієї методики отримання індукованих плюрипотентних стовбурових клітин Сін'я Яманака отримав Нобелівську премію з фізіології або медицини у 2012 році.[32]

Отримання іПСК

Індуковані плюрипотентні стовбурові клітини утворюються за допомогою процесу, який називається клітинним перепрограмуванням, який включає перетворення диференційованих дорослих клітин назад у плюрипотентний стан. Цю революційну техніку вперше запровадив Сін'я Яманака та його команда в 2006 році, відкривши нові шляхи регенеративної медицини та досліджень.[32]

Процес перепрограмування

Перепрограмування соматичних клітин в іПСК зазвичай включає введення специфічних факторів транскрипції, які відіграють вирішальну роль у підтримці плюрипотентності. Яманака визначив набір із чотирьох транскрипційних факторів — Oct4, Sox2, Klf4 і c-Myc (всі чотири — OSKM), — які при введенні в дорослі клітини можуть скинути їхні епігенетичні позначки та клітинну ідентичність.

Техніка та методи

Були розроблені різні методи доставки факторів перепрограмування в соматичні клітини. Спочатку вірусні вектори, такі як ретровіруси та лентивіруси, широко використовувалися через їх ефективність доставки генів у геном клітини. (див. також Генотерапія) Однак занепокоєння щодо геномної інтеграції та потенційного мутагенезу призвело до дослідження різних неінтегруючих методів, таких як епісомальні вектори[12][13][14], трансфекція мРНК[5][6][7][8], трансдукція білка[15], малі молекули[9][10] та мікроРНК[33][6][16].

Проблеми та виклики

Ефективність і безпека залишаються серйозними проблемами в процесі перепрограмування. Підвищення ефективності генерування іПСК при одночасному зниженні ризику генетичних аномалій і пухлиногенного потенціалу є постійним напрямком досліджень. Удосконалення методів перепрограмування та визначення альтернативних факторів або комбінацій спрямовані на підвищення надійності та безпеки генерації іПСК.

Фактори, що впливають на перепрограмування

На успіх клітинного перепрограмування впливає кілька факторів, у тому числі тип клітини[18], який використовується як вихідний матеріал, вік донора[34], вибір факторів перепрограмування, спосіб доставки та умови культивування[35]. Дослідники продовжують досліджувати ці змінні, щоб оптимізувати процес перепрограмування та досягти більш послідовної та надійної генерації іПСК.

Перспективні технології

Поточні дослідження зосереджені на вдосконаленні методів перепрограмування, підвищенні безпеки та ефективності генерації іПСК, вивченні нових факторів і методів і розширенні діапазону застосувань як у дослідницьких, так і в клінічних умовах. Постійний розвиток технології іПСК є перспективним для вирішення різноманітних медичних проблем і революції в галузі регенеративної медицини.

Дослідження 2023 року, опубліковане в Nature, розкриває значні відмінності в епігеномах індукованих плюрипотентних стовбурових клітин людини і ембріональних стовбурових клітин людини, деталізуючи появу та збереження цих відмінностей під час клітинного перепрограмування. Представляючи нову стратегію — транзиторне-наївне-лікування (transient-naive-treatment, TNT), дослідження демонструє коригувальний підхід, який пом’якшує аберації в епігенетичній пам'яті в клітинах іПСК людини, більш тісно вирівнюючи їх з ембріональними стовбуровими клітинами, потенційно встановлюючи новий еталон для біомедичних застосувань і пропонуючи новий шлях до дослідження епігенетичної пам'яті.[36]

Застосування в біомедицині

Розуміння біології розвитку

Вивчення іПСК та органоїдів дає змогу зрозуміти фундаментальні аспекти біології розвитку. Спостерігаючи за тим, як іПСК диференціюються та розвиваються в різні лінії клітин, дослідники отримують глибше розуміння процесів, що керують ембріональним розвитком. Ці знання допомагають з’ясувати нормальний розвиток і відхилення, які спостерігаються при певних захворюваннях.[37][38]

Моделювання захворювань

Культура нейронів переднього мозку після 40 днів диференціації від індукованих людських плюрипотентних стовбурових клітин (iPSCs). iPSCs від пацієнтки з сімейною формою хвороби Альцгеймера, мутація у гені PSEN1. TUJ-1-позитивні клітини експресують маркер (β3-tubulin) зрілих нейронів (червоний колір). GABA-позитивні клітини (зелений колір) експресують маркер GABA- ергічних нейронів - рецептор гамма-аміномасляної кислоти (ГАМК) A, альфа 1. Ядра клітин пофарбовані DAPI (синій колір).

Специфічні для пацієнтів іПСК, отримані від осіб із генетичними розладами або складними захворюваннями, дозволяють дослідникам повторити характеристики захворювання в лабораторних умовах. Диференціюючи іПСК на відповідні типи клітин, уражених хворобою, або формуючи мініатюрні версії органів (див. Органоїд), вчені можуть вивчати механізми захворювання, перевіряти потенційні ліки та розробляти персоналізовані методи лікування.[39][40]

Застосування в медицині

Клінічні випробовування з використанням іПСК та ЕСК, станом на 2020 рік.[41]

Поява індукованих плюрипотентних стовбурових клітин викликала значний інтерес та ентузіазм серед наукових і медичних спільнот завдяки їх широкому потенційному застосуванню як у дослідницьких, так і в клінічних умовах. іПСК, володіючи здатністю диференціюватися в різні типи клітин, відкрили двері для багатьох новаторських застосувань.[41][42][43]

За останні кілька років кількість клінічних випробувань терапії на основі плюрипотентних стовбурових клітин людини стрімко зростає з 12 у 2015 році до 90 у 2021 році. Хоча існує більше випробувань на основі ембріональних стовбурових клітин (ЕСК) людини, кількість учасників, залучених до випробувань на основі індукованих плюрипотентних стовбурових клітин людини (іПСК), майже вдвічі вища (1942 проти 979), станом на кінець 2021 року. Очікується, що станом на 2022-2023 рік кількість випробовувань іПСК перевищить ЕСК. Тринадцять країн, як повідомляється, проводять клінічні випробування на основі плюрипотентних стовбурових клітин, і 78% цих випробувань (70 із 90) проводяться в трьох із цих країн: США (35), Китай (17) і Японія (18). Випробування зосереджені в основному на чотирьох областях: дегенеративні захворювання очей (30), злоякісні пухлини (16), нейродегенеративні розлади (11) і серцево-судинні захворювання (10). Найбільша кількість учасників (1637) була залучена до лікування злоякісних пухлин на основі іПСК та ЕСК, за якими йшли дегенеративні захворювання очей (407) і діабет 1 типу.[44]

Станом на 2022 рік було проведено 81 клінічне випробування, з яких 19 досліджень були ідентифіковані як «терапевтичні». З 19 терапевтичних клінічних випробувань здебільшого використовувалися алогенні іПСК (донорські) — 15 досліджень (79%), тоді як аутологічні іПСК (з власних клітин пацієнта) використовувалися в інших чотирьох дослідженнях. Згідно з авторами, 7 досліджень із 19 терапевтичних досліджень були у фазі I, 5 були класифіковані як клінічні дослідження фази I/II, і одне дослідження було у фазі III, а ще у двох фаза не була вказана. Ще для чотирьох досліджень автори не надали інформацію щодо фази випробовування.[42]

Регенеративна медицина

У регенеративній медицині іПСК мають величезні перспективи для відновлення та регенерації тканин. Ці клітини мають потенціал до диференціювання в різні типи клітин, включаючи нейрони[21], кардіоміоцити[22][23], бета-клітини підшлункової залози[45][46][47][48] тощо. Специфічні іПСК для пацієнтів можуть бути використані для терапевтичної заміни клітин, спрямованої на відновлення пошкоджених або дегенерованих тканин у таких станах, як хвороби серця[49][50][51], травми спинного мозку[52][53][54][55], діабет[56][57], нейродегенеративні розлади, такі як хвороби Паркінсона[58] та Альцгеймера[59][60] та інші.

Офтальмологія

Перше клінічне дослідження, що вивчає застосування індукованих плюрипотентних стовбурових клітин для терапії, розпочалося в Японії 2014 року. Їх планували використати для лікування вікової дистрофії сітківки. Дослідження було запущено за пришвидшеним методом, хоча таке рішення критикували спеціалісти[61]. Подібні дослідження пізніше розпочалися й у США. Утім станом на 2022 рік усі ці клінічні дослідження використання іПСК для лікування вікової дистрофії сітківки перебували на 1-му чи 2-му етапах[62].

Успішна трансплантація аутологічних клітин пігментного епітелію сітківки, отриманих з іПСК, у сітківку одного пацієнта показала позитивні результати, зупинивши погіршення зору. Дослідники спостерігали тривале виживання трансплантата клітин (1 рік), що свідчить про функціональну інтеграцію введених клітин пігментного епітелію сітківки. Серйозних ускладнень, пов’язаних із лікуванням сітківки, не було, а після трансплантації погіршення зору припинилося. Крім того, не було небажаної (тобто злоякісної або фіброзної) проліферації прищеплених клітин. Але геномні аберації в клітинах, отриманих з іПСК іншого пацієнта, викликали занепокоєння щодо безпеки та ефективності.[63]

Також повідомлялось про випадки «несхваленого лікування стовбуровими клітинами» пацієнтів із віковою дегенерацією жовтої плями у сторонніх клініках, що призводили до сліпоти, що підкреслює необхідність суворих доклінічних доказів і належних протоколів диференціації перед тим, як застосовувати терапію на основі стовбурових клітин[64].

Станом на 2023 рік, в США триває відносно велике клінічне випробовування використання аутологічних іПСК для лікування вікової макулярної дегенерації, а в Японії невеликі випробовування використання алогенних іПСК для лікування пігментного ретиніту та аутологічних іПСК для лікування ексудативної вікової дегенерації жовтої плями.[42]

Нейрореабілітація

У жовтні 2018 року почалися клінічні випробування, у яких використовувалися валідовані клітини, отримані з іПСК, для імплантації в мозок пацієнтів із хворобою Паркінсона, після того як їх ефективність булапідтверджена на моделі щурів.[65]

У 2021 році в Японії стартувало перше клінічного випробування лікування пацієнтів із травмами спинного мозку нейронними стовбуровими клітинами/клітинами-попередниками (NS/PC), отриманими з іПСК.[42]

Кардіологія

Застосування індукованих плюрипотентних стовбурових клітин на початку 2020-х років лишається небезпечним для пацієнта. Зокрема використання іПСК для лікування захворювань серця несе ризик формування тератом, а незрілість отриманих з цих клітин кардіоміоцитів може призводити до утворення злоякісних пухлин[66].

Станом на 2023 рік тривають клінічні випробовування використання алогенних іПСК в терапії серцевої недостатності та ішемічної кардіоміопатії.[42]

Розробка ліків і скринінг на токсичність

іПСК пропонують потужну платформу для пошуку ліків і перевірки їх на токсичність. Вони дозволяють проводити високопродуктивний скринінг потенційних терапевтичних сполук і оцінювати їх ефективність і безпеку. Дослідники можуть використовувати отримані з іПСК клітини для тестування препаратів-кандидатів у більш фізіологічно релевантному середовищі, потенційно прискорюючи процес розробки ліків і зменшуючи залежність від тваринних моделей.[67][68][69]

Персоналізована медицина та клітинна терапія

Можливість генерувати іПСК від окремих пацієнтів дозволяє створювати персоналізовану клітинну терапію (див. також Персоналізована медицина, Лікування стовбуровими клітинами). Ці методи лікування можуть передбачати трансплантацію специфічних для пацієнта клітин, отриманих з іПСК, тому ж індивідууму, мінімізуючи ризик відторгнення та потенційно пропонуючи індивідуальне лікування для ряду захворювань і патологій.[70][71][72][73]

Поточні дослідження і перспективні напрямки

Поточні дослідження спрямовані на подолання поточних обмежень і розширення застосування іПСК. Це включає вдосконалення методів перепрограмування, підвищення масштабованості та відтворюваності клітин, отриманих з іПСК, вирішення проблем безпеки та перенесення терапії на основі іПСК з лабораторії в клінічні умови.

Досягнення в техніці перепрограмування

Постійні дослідження спрямовані на вдосконалення методів перепрограмування, підвищення ефективності та зменшення ризиків, пов’язаних із створенням іПСК. Очікується, що дослідження нових факторів, таких як мікроРНК[6], і вдосконалення методів доставки факторів транскрипції покращать профілі безпеки та підвищать надійність виробництва іПСК.

Масштабування та стандартизація

Тривають зусилля щодо стандартизації протоколів генерації іПСК та оптимізації умов культивування. Ця стандартизація має вирішальне значення для забезпечення послідовності та масштабованості, дозволяючи широкомасштабне виробництво іПСК для широкого терапевтичного використання. У 2023 році було представлено прецизійну роботизовану платформу культур клітин Cell X для ефективного виробництва специфічних для пацієнта іПСК і органоїдів сітківки, демонструючи потенціал для клінічного конвеєрного виробництва іПСК для аутологічної заміни клітин сітківки[74]; пізніше в серпні було представлено ще одну технологію автоматизованого друку органоїдів для тестування та скринінгу ліків[75].

Дозрівання клітин і органоїдів, отриманих з іПСК

Пришвидшення та вдосконалення контролю дозрівання отриманих з іПСК клітин і органоїдів є ключовим напрямком. Дослідження спрямовані на розробку методів, які сприяють дозріванню цих клітин для більш точного імітування типів дорослих клітин, тим самим покращуючи їх функціональність і придатність для трансплантації та моделювання захворювань.[76][77][78][79][80]

Тканинна інженерія та органоїди

Досягнення тканинної інженерії спрямовані на створення складних тривимірних структур, які називаються органоїдами, які імітують архітектуру та функції органів. Ці мініатюрні органоподібні структури, отримані з іПСК, є перспективними для вивчення розвитку органів, моделювання захворювань і слугують ефективними моделями для трансплантації[81].

Друк та біофабрикація органів та тканин

Інновації в технології біодруку дозволяють виготовляти тривимірні тканини та органи, використовуючи клітини, отримані з іПСК, як будівельні блоки. Біодрук має потенціал для створення персоналізованих органів, придатних для трансплантації, зменшення дефіциту донорських органів і розвитку сфери регенеративної медицини.[82][83][84][85][86][87] Крім того, ця методика використовується в харчовій промисловості, для виробництва культивованого м'яса.[88][89][90][91]

Див. також

Додаткова література

Книги

  • Nagy, Andras; Turksen, Kursad, ред. (2022). Induced pluripotent stem (iPS) cells: methods and protocols. Methods in molecular biology. (2nd edition). New York, NY: Humana Press, Springer Nature. ISBN 978-1-0716-2118-9.
  • Alexander Birbrair, ред. (2022). Novel Concepts in іПСК Disease Modeling (англ.). Academic Press, Elsevier. ISBN 978-0-12-823882-0.
  • Andrews, Peter W. (2018). У Martin, Ulrich; Zweigerdt, Robert; Gruh, Ina. Engineering and application of pluripotent stem cells. Advances in biochemical engineering, biotechnology. Cham: Springer. ISBN 978-3-319-73591-7.

Журнали

Наукові журнали, що висвітлюють дослідження іПСК:

Статті

Примітки

Посилання

Отримано з https:https://www.search.com.vn/wiki/index.php?lang=uk&q=Індуковані_плюрипотентні_стовбурові_клітини&oldid=41193317
🔥 Top keywords: Файл:Pornhub-logo.svgГоловна сторінкаPorno for PyrosБрати КапрановиСпеціальна:ПошукUkr.netНові знанняЛіга чемпіонів УЄФАХ-69Файл:XVideos logo.svgСлобоженко Олександр ОлександровичPornhubЧернігівYouTubeУкраїнаЛунін Андрій ОлексійовичІскандер (ракетний комплекс)Шевченко Тарас ГригоровичATACMSДень працівників пожежної охорониВірастюк Василь ЯрославовичВікторія СпартцАлеппоFacebookГолос УкраїниКиївПетриченко Павло ВікторовичДуров Павло ВалерійовичСексФолаутТериторіальний центр комплектування та соціальної підтримкиTelegramНаселення УкраїниГай Юлій ЦезарЛеся УкраїнкаОхлобистін Іван ІвановичOLXДруга світова війнаЗагоризонтний радіолокатор