Nowatorskie, syntetyczne podłoże do hodowli komórek macierzystych
Celem medycyny regeneracyjnej jest naprawa i przywrócenie funkcji biologicznej uszkodzonych tkanek i narządów, często z wykorzystaniem komórek macierzystych, jak na przykład przy naprawie chrząstek lub gojeniu ran. Wymaga to jednak wyhodowania komórek na podłożu, które przypomina naturalne środowisko komórek macierzystych i wspomaga ich ekspansję i różnicowanie.
Polimeryzacja innowacyjnego podłoża dla komórek macierzystych
Rusztowania polimerowe to struktury z polimerów syntetycznych, takich jak poli(kwas L-mlekowy) lub poli(kwas glikolowy). Stosowane są jako syntetyczne środowiska 3D, które mogą wpływać na wzrost i rozmnażanie komórek, wraz z warstwami odżywczymi lub innymi związkami biologicznymi, które są wykorzystywane do utrzymania fenotypu komórek macierzystych. W ramach projektu NICHOID, finansowanego ze środków Europejskiej Rady ds. Badań Naukowych (ERBN), opracowano rusztowanie polimerowe o strukturze siatki z wykorzystaniem technologii mikrofabrykacji zwanej laserową polimeryzacją dwufotonową. „Nasze podejście doprowadziło do opracowania przyjaznego dla użytkownika i bezpiecznego podłoża NICHOID”, wyjaśnia Manuela Teresa Raimondi, główna badaczka z Politechniki Mediolańskiej we Włoszech. Podłoże NICHOID badano na mezenchymalnych komórkach macierzystych (ang. mesenchymal stem cells, MSC) znanych ze zdolności regeneracyjnych w zastosowaniach w chirurgii ortopedycznej, plastycznej i rekonstrukcyjnej, a także z potencjału immunosupresyjnego przy przeszczepach narządów. Są one również wrażliwe na bodźce mechaniczne pochodzące z mikrośrodowiska. Uważa się, że mechaniczne sygnały przekazywane wewnątrz komórek decydują o ich różnicowaniu, ponieważ zmieniają one kształt jądra, a tym samym import i eksport czynników transkrypcyjnych, które mają pierwszorzędne znaczenie dla regulacji ekspresji genu. „Nichoid zasadniczo zapobiega rozprzestrzenianiu się komórek podczas proliferacji poprzez mechaniczne zamknięcie ich w strukturze siatki, uniemożliwiając różnicowanie”, podkreśla Raimondi. Naukowcy biorący udział w projekcie, wspierani przez kolegów z Politechniki Mediolańskiej oraz Krajową Radę Badań Naukowych we Włoszech, zaobserwowali okrągłą konfigurację jąder MSC przylegających do mikrosiatki podłoża NICHOID, natomiast konfigurację rozproszoną zaobserwowano w komórkach znajdujących się na płaskim podłożu otaczającym siatkę. Ta druga morfologia zbiegła się ze wzrostem przepuszczalności jądrowej i przepływu cząsteczek sygnalizacyjnych, które powodują różnicowanie się komórek. Zaobserwowano, że w komórkach macierzystych import czynników transkrypcji wywołujących różnicowanie komórek jest regulowany przede wszystkim przez naprężenia błony jądrowej. Zostało to również przewidziane podczas obliczeniowego prognozowania przepływu importu jądrowego w funkcji morfologii komórek. Ta geometryczna kontrola macierzystości komórek otwiera drogę do przeprogramowania zdolności różnicowania się komórek macierzystych do wielu (multipotencji) lub nawet wszystkich typów komórek (pluripotencji) w hodowli, bez konieczności stosowania środków chemicznych ani modyfikacji genetycznych.
Perspektywy dla podłoża Nichoid
Wyniki uzyskane w ramach współpracy ERBN-NICHOID stanowią istotne podstawy nowej wiedzy na temat sposobu funkcjonowania komórek macierzystych w hodowli. „ERBN już w trakcie realizacji projektu NICHOID przydzieliła mi dofinansowania na dwa dodatkowe projekty weryfikacji koncepcji, w celu zwiększenia transferu technologicznego wszystkich moich wynalazków”, podkreśla Raimondi. Projekt weryfikacji koncepcji MOAB, finansowany ze środków ERBN, pozwoli naukowcom na zintegrowanie innowacji opracowanych w projekcie NICHOID z istniejącym zminiaturyzowanym, optycznie dostępnym bioreaktorem. Celem jest wykorzystanie podłoża NICHOID do testowania leków na trójwymiarowych substytutach tkanek i organoidach. Za komercjalizację tego urządzenia odpowiedzialna będzie należąca do Politechniki w Mediolanie spółka spin-off MOAB Srl, która powstała dzięki funduszom ERBN. W świetle obecnej pandemii, Raimondi planuje promować podłoże NICHOID do ekspansji MSC w celu wyleczenia COVID-19, w oparciu o nową strategię terapeutyczną, która jest już na etapie badań klinicznych w Chinach i w Stanach Zjednoczonych. Ponadto uczona wykorzysta wszystkie zaawansowane narzędzia badawcze opracowane w ramach projektu NICHOID, aby przyspieszyć badania przedkliniczne niezbędne do wprowadzenia nowych szczepionek i terapii antywirusowych do klinik.
Słowa kluczowe
NICHOID, komórki macierzyste, różnicowanie komórek, rusztowanie polimerowe, podłoże dla komórek macierzystych, medycyna regeneracyjna, polimeryzacja dwufotonowa, odkrycie leku
