Stworzyć odpowiednią niszę dla ludzkich komórek macierzystych
Komórki macierzyste hemopoezy (ang. (haematopoietic stem cell, HSC) to komórki macierzyste szpiku kostnego, które nie mogą mnożyć się in vitro. Szpik kostny tworzy ich naturalne mikrośrodowisko zwane niszą, które utrzymuje je w stanie „spoczynku”, dopóki nie zaczną różnicować się w komórki krwi, dostarczając im składników odżywczych. Podczas różnicowania losy komórek HSC w dużym stopniu zależą od odpowiedniego połączenia czynników regulacyjnych oraz sygnałów środowiskowych i mechanicznych pochodzących z macierzy zewnątrzkomórkowej.
Stworzenie sztucznych nisz komórek macierzystych
Projekt MicroNICHE powstał z myślą o stworzeniu sztucznych nisz HSC z wykorzystaniem technik mikrofluidyki, która opiera się na fizycznych i chemicznych właściwościach płynów i gazów w mikroskali. Pilar Carreras, stypendystka działania „Maria Skłodowska-Curie”, wyjaśnia: „Chcąc utrzymać i pomnożyć komórki macierzyste hemopoezy, a następnie przeprowadzić dalszą translację komórek w funkcjonalne komórki wyhodowane ex-vivo, musieliśmy stworzyć biomimetyczne trójwymiarowe mikrośrodowisko”. Następnym krokiem badaczy było opracowanie sztucznych mikronisz wzbogaconych o odpowiednie funkcje. „W tym celu wykorzystaliśmy wysokowydajną technologię mikrofluidyki, w szczególności mikrofluidyki kropelkowej”, dodaje Carreras.
Od pojedynczych komórek do komórek zróżnicowanych
Początkowym celem zespołu było utrzymanie komórek przez co najmniej 78 godzin, co potwierdziłoby możliwość stworzenia odpowiedniego środowiska do enkapsulacji i hodowli ludzkich HSC. „Odkryliśmy jednak mikronisze, które potrafiły utrzymywać i pomnażać HSC przez okres do 8 tygodni, bez konieczności wykorzystywania skomplikowanych technologii hodowli czy zastosowania dodatków w podłożu”, podkreśla Carreras. Naukowcy przez tydzień hodowali w kropelkach komórki pobrane od pacjentów, co pozwoliło im poznać poziomy „macierzystości” komórek i ich potencjał do różnicowania. „Zauważyliśmy, że jedynie niewielka część komórek się zróżnicowała, a znaczna większość pozostała komórkami macierzystymi. Oznacza to, że spora część ludzkich komórek HSC utrzymywanych ex vivo za pomocą wysokowydajnej technologii mikrofluidyki nie zmienia pierwotnej formy i może zostać wyhodowana i rozmnożona w dłuższej perspektywie czasu”, zauważa Carreras. Technologia MicroNICHE wydłużyła przeżywalność i proliferację ludzkich komórek HSC poprzez zamknięcie ich w przypominające cebulę hydrożelowe struktury z pomocniczymi ludzkimi mezenchymalnymi komórkami macierzystymi na 8 tygodni. Carreras wyraża swoje przekonanie, że to przełomowe odkrycie „może przynieść nowe możliwości w zakresie przeszczepów komórek progenitorowych i stać się narzędziem do badania czynników biochemicznych i biofizycznych decydujących o zachowaniu komórki macierzystej”.
Rozwiązywanie problemów i poszukiwanie zastosowań dla technologii
Nie obyło się bez problemów, ale zespół projektu zdołał sobie z nimi poradzić dzięki wsparciu partnerskiego laboratorium dr. Joaquina Martineza-Lopez (Oddział hematologii, Hospital 12 de Octubre, Madryt). Wykorzystanie innego materiału do stworzenia urządzenia pozwoliło na precyzyjne dopasowanie jego cech. Następnie po wielu trudach naukowcom udało się uzyskać trójwymiarowe obrazy zamkniętych komórek dzięki przeprowadzeniu badań z wykorzystaniem mikroskopii konfokalnej. Carreras podsumowuje: „Technologia ta może znaleźć mnóstwo nowych zastosowań, jako że stanowi uniwersalny model niszy komórek macierzystych umożliwiający ich różnicowanie w inne komórki”. Badaczka podkreśla znaczenie wykorzystywania mikrofluidyki w naukach przyrodniczych oraz jej roli jako rozwiązania, które połączy badania naukowe i szpitale, co usprawni pracę naukowców i dostarczy im cennych informacji.
Słowa kluczowe
MicroNICHE, komórki macierzyste, mikrofluidyczny, hodowla, ludzkie komórki macierzyste hemopoezy, nisza komórek macierzystych, mikrofluidyka kropelkowa
