ინდუცირებული პლურიპოტენტური ღეროვანი უჯრედები • iPS cells

წარმოიდგინეთ, რომ თქვენს წინ ორი მგზავრი უსმენს მუსიკას. რა არის იმის ალბათობა, რომ მათი სიმღერათა ჩამონათვალი დაემთხვას ერთმანეთს?

თქვენ ალბათ იტყვით: ძალიან ცოტა.
დიახ, ყველას განსხვავებული გემოვნება აქვს, შესაბამისად ალბათობა 3%-ს შეადგენს.

ახლა კი შემდეგი კითხვა: რა არის იმის ალბათობა, რომ ერთი და იგივენაირი მედიკამენტური მკურნალობა ერთნაირ ზეგავლენას მოახდენს 2 პაციენტზე? 
-100-ჯერ ნაკლები.

რაც უფრო ვიზრდებით და ვვითარდებით, მით უფრო ინდივიდუალური მკურნალობის გეგმას ვსაჭიროებთ, შესაბამისად მეცნიერება და მედიცინა იღწვის იმისთვის, რომ მედიკამენტები უფრო მორგებული გახადოს თითოეული პაციენტზე. ამ ყველაფრის საფუძველს კი ღეროვანი უჯრედები წარმოადგენს, რაც ალბათ ძალიან ხშირად გესმით.

და რას წარმოადგენენ ეს ღეროვანი უჯრედები?

პატარაობაში ყველა გვეკითხება, თუ რა გვინდა გამოვიდეთ. იმიტომ, რომ ჩვენ გვაქვს ყველაფრის პოტენციალი, ექიმობიდან დაწყებული ასტრონავტობით დამთავრებული. რაც უფრო ვიზრდებით, ჩვენი ინტერესის სფერო ვიწროვდება, ვირჩევთ რომელიმე პროფესიას და მთელი ცხოვრება ვვითარდებით არჩეული გზით.

Screenshot_2.png

იმ დროს, როცა კანის უჯრედები გვიცავენ, კუნთოვანი უჯრედები გვეხმარებიან მოძრაობაში, ნერვული უჯრედები გადასცემენ სიგნალებს, ღეროვანი უჯრედებს არ აქვთ რაიმე კონკრეტული ფუნქცია თუ ფორმა, ისინი არადიფერენცირებულ, ჯერ კიდევ “ჩამოუყალიბებელ” უჯრედებს წარმოადგენენ. მათ აქვთ პოტენციალი, რომ გადაიქცნენ სხვა ნებისმიერი ტიპის უჯრედად.

Cells.gif

ჩვენი ორგანიზმი მათ იყენებს დაბერებული უჯრედების შესაცვლელად. ალბათ გაგიგიათ, რომ მუდმივად ვახლდებით, ჩვენი კუჭ-ნაწლავის ამომფენი ზედაპირი 4 დღეში იცვლება, ყოველ თვეში სრულიად ახალი კანი გვაქვს და ეს ყველაფერი ღეროვანი უჯრედების დამსახურებაა.

ღეროვანი უჯრედები საშუალებას მოგვცემს, რომ ხელოვნურად გავზარდოთ ქსოვილები და ნებისმიერ ორგანიზმში გადავიტანოთ ის დაზიანების შემთხვევაში. ეს ყველაფერი უკვე რეგენერირებადი მედიცინის საქმეა. ყოველ წელს უამრავი ადამიანი უღუპება ორგანოთა დონორების ლოდინში. რამდენი პრობლემა გადაიჭრებოდა, თუ ლაბორატორიაში შეძლებდნენ თითოეული პაციენტის კუთვნილი უჯრედებით ახალი ორგანოების გაზრდას?

ძირითადად ღეროვანი უჯრედების 3 სახეს გამოყოფენ:

1. ემბრიონული ღეროვანი უჯრედები (ES cells)- პლურიპოტენტურები.
2. ქსოვილის სპეციფიკური ღეროვანი უჯრედები, რომლებიც ზრდასრულ ორგანიზმშიც მოიპოვება და როგორც ზევით აღვნიშნე, ეხმარება სხვადასხვა ორგანოებს განაახლოს დაძველებული უჯრედები.
3. ინდუცირებული პლურიპოტენტური უჯრედები- წარმოადგენენ ჩვეულებრივ ზრდასრულ ქსოვილისთვის დამახასიათებელ ღეროვან უჯრედებს, რომლებიც მეცნიერებმა ხელახლა “დააპროგრამეს” და აიძულეს მოიქცნენ ისე, როგორც ემბრიონული ღეროვანი უჯრედები.

ემბრიონული ღეროვანი უჯრედები საკმაოდ საკამათო საკითხია. იმის მიუხედავად რომ უამრავი დაავადების განკურნება შეგვიძლია, თითქოს ეს კეთილდღეობა პოტენციური სიცოცხლის მოსპობით ხდება. ჯერ კიდევ არსებობს 14 დღის კანონი. რატომ 14?

ეს კანონი 1979 წლის ამერიკიდან მოდის, როცა ერთხელაც თეოლოგები, მეცნიერები, ფსიქოლოგები ერთად დასხდნენ და მივიდნენ კონსენსუსამდე, რომ ემბრიონული ღეროვანი უჯრედები შეეძლოთ შეესწავლათ განაყოფიერებიდან მხოლოდ 14 დღის განმავლობაში. ამის შემდეგ ისინი უნდა გაენადგურებინათ.

სინამდვილეში ეს წესი საკმაოდ პირობითი იყო. იმ დროინდელი პირობებიდან გამომდინარე შეუძლებელი იყო ლაბორატორიაში რამდენიმე დღეზე მეტი დღე ეცოცხლათ უჯრედებს.

მოგვიანებით, 1984 წელს ბრიტანელმა ექზისტენციალისტმა მერი ვორნოკმა გაამართლა 2 კვირიანი ლიმიტის არსებობა. მოხსენებაში აღინიშნა, რომ მე-14 ან მე-15 დღეს უკვე შესამჩნევია “პრიმიტიული ხაზი” უჯრედებისა და დამტკიცდა, რომ ამ დროს ჩანასახი ყალიბდება დამოუკიდებელ ინდივიდად.primitive streak.png

იმ პერიოდისთვის 14 დღემდე ვერც ერთი ჩანასახი ვერ აღწევდა in vitro, შესაბამისად ამაზე სანერვიულო “არც რაი” იყო. თუმცა განვითარდა მეცნიერება და საშვილოსნოსთვის დამახასიათებელი ტემპერატურის შენარჩუნებით შესაძლებელი გახდა ჩანასახების შენარჩუნება. აქ უკვე დაისვა კითხვა, კიდევ უნდა გამოეყენებინათ ეს კანონი? თუ ულიმიტობას ისევ პირობითი ლიმიტი ჯობდა!?

Screenshot_1ამ უსაზღვრო დავისგან კაცობრიობა იხსნა ორმა მეცნიერმა. მათ შეძლეს ინდუცირებული პლურიპოტენტური უჯრედების პოპულაციის მიღება 2006 წელს.

მიუხედავად იმისა, რომ ამ აღმოჩენის შემდეგ 10 წელი გავიდა, ინდუცირებული პლურიპოტენტური უჯრედები კიდევ აქტიური შესწავლის საგანია და უამრავი მეცნიერი იღწვის მათი მიღების მეთოდების გაუმჯობესებისთვის.

2007 წლის სტატიიდან: ადამიანის სომატური უჯრედიდან მიღებული iPS უჯრედული ხაზები.

ძუძუმწოვრების ემბრიოგენეზი საგულდაგულოდ უზრუნველყოფს მკვეთრად გამოყოფილ განვითარების საფეხურებს მკაცრი თანმიმდევრობით. მიუხედავად იმისა, რომ განვითარება არის უმეტესად ეპიგენეტიკურად განსაზღვრული პროცესი, დიფერენციაცია პრინციპში შებრუნებადი მოვლენაა. დოლის კლონირებამ დემონსტრირება მოახდინა იმ ფაქტისა, რომ ძუძუმწოვრის დიფერენცირებული უჯრედის ბირთვმა შესაძლებელია რეპროგრამირება განიცადოს არადიფერენცირებულ მდგომარეობაში ოოციტის ტრანს-მოქმედი ფაქტორების დახმარებით. ამ აღმოჩენამ საფუძველი ჩაუყარა იმ ფაქტორების შემდგომ ძიებას, რომლებიც საშუალებას მოგვცემდნენ მოგვეხდინა სხვა სომატური უჯრედების რეპროგრამირება ბირთვული ტრანსფერის გარეშე. აღმოჩნდა, რომ 4 ტრანსკრიბციულ ფაქტორს (Oct4,Sox2,c-myc, და Klf4) შეუძლია თაგვის ფიბრობლასტები გადააქციოს არადიფერენცირებულ პლურიპოტენტურ უჯრედებად. ადამიანის უჯრედების რეპროგრამირება მოცემული ფაქტორებით საშუალებას მოგვცემდა, რომ პაციენტზე მორგებული პლურიპოტენტური უჯრედები გვეწარმოებინა ბირთვული გადანერგვების გარეშე, მაგრამ დაკვირვებამ ცხადყო, რომ c-Myc-ს ექსპრესია იწვევდა სიკვდილს. აღმოჩნდა, რომ ამ გენის გარეშეც გარკვეული ფაქტორების კომბინაცია საშუალებას გვაძლევს მანიპულაცია მოვახდინოთ ადამიანის სომატურ უჯრედზე.

ეს ფაქტორებია-OCT4 , SOX2, NANOG, LIN28 . ადამიანის ემბრიონულ უჯრედებს შეუძლიათ მილეოიდური უჯრედების წინამორბედთა რეპროგრამირება-შერწყმით. რეპროგრამირებადი ფაქტორების ინდენტიფიკაციისთვის შეადგინეს გენების სია, რომლებიც ემბრიონულ უჯრედებში მრავლად ექსპრესირდებოდნენ, შეადარეს ის მილეოიდურ პრეკურსორებისას და პრიორიტეტი მიანიჭეს იმ სიას, რომელიც ეყრდნობოდა პლურიპოტენციურ ჩართულობას. შემდეგ მოახდინეს ამ გენების კლონირება ლენტივირუსული ვექტორის საშუალებით, რომ გარკვეული გენების კომბინირებით მიეღოთ ისეთი, რომელიც შეძლებდა OCT4 -ის წარმოებულების (ჰომოლოგიური რეკომბინაციით გზით მიღებული უჯრედული ხაზებში არსებული გენის) რეპროგრამირებას.

ამ უჯრედულ ხაზში ნეომიცინ ფოსფოტრანსფერაზას (neomycin phosphotransferase) ექსპრესია, რაც უჯრედს ხდის გენეტიცინისადმი რეზისტენტულს, ენდოგენური OCT4 პრომოტორის დახმარებით ხორციელდება. გენის, რომელიც მაღალექსპრესირებულია პლურიპოტენტურ უჯრედებში.

ამგვარად, რეპროგრამირებადი მოვლენები, რომლებიც იწვევენ OCT4-ის რეაქტივაციას, შესაძლებელია დაიფაროს გენეტიცინის სელექციით. 14 გენის პირველი კომბინაცია ახდენდა შეზრდილი უჯრედების რეპროგრამირებას-CD45+ hematopoietic cells, რომლებიც იყვნენ (OCT4+) გენეტიცინ რეზისტენტულები და ჰქონდათ ემბრიონული უჯრედების მორფოლოგია. გენეტიცინ-რეზისტენტული უჯრედები იმუნოდეფიციტურ თაგვში ინექციისას ტერატომებს წარმოქმნიდნენ.

ამ 14 გენის ტესტირებით მოახდინეს 4 მნიშვნელოვანი გენის იდენტიფიცირება. OCT4, SOX2, NANOG, andLIN28 გენებს შეეძლოთ ადამიანის ემბრიონული უჯრედებისგან წარმოებული მეზენქიმური (Mesenchymal stem cells, or MSCs, are multipotent stromal cells that can differentiate into a variety of cell types, including: osteoblasts (bone cells), chondrocytes (cartilage cells), myocytes (muscle cells) and adipocytes (fat cells). ფენოტიპის სომატური უჯრედების რეპროგრამირება.Bright-field images

OCT4 or SOX2- ის გენების ამოღება მიქსტურიდან უკვე გენეტიცინ რეზისტენტული კლონების შესახედაობას კარგავდა.

NANOG- უმნიშვნელოვანესი კომპონენტი აღმოჩნდა ახლად რეპროგრამირებული უჯრედების გადარჩენისთვის, ზრდიდა კლონირების გამოსავლიანობას ადამიანის ემბრიონულ უჯრედებში.Screenshot_2

საინტერესო იყო ამ 4-დან რომელი შეძლებდა ადამიანის გენეტიკურად არამოდიფიცირებულ დიპლოიდური ფიბრობლასტის რეპროგრამირებას.  მოახდინეს IMR90 უჯრედების ტრანსდუცირება OCT4, SOX2, NANOG, andLIN28-ს კომბინაციით. ადამიანის ემბრიონული უჯრედების მორფოლოგიის პირველი კოლონია მიიღეს ტრანსდუციიდან 12 დღის შემდეგ. მე-20 დღეს მთელი 198 iPS კოლონიების ნახვა გახდა შესაძლებელი. აირჩიეს 41 iPS-კოლონია, რომლიდანაც 35 წარმატებით გაიზარდა დანარჩენი 3 კვირის განმავლობაში.

[iPS(IMR90)-1toiPS(IMR90)-4] – 4 კლონი ამოირჩიეს მინიმალური დიფერენციაციით შემდგომი ანალიზისთვის. თითოეულს ჰქონდა ადამიანის ტიპური ემბრიონული უჯრედის მორფოლოგია, ნორმალური კარიოტიპი როგორც მე-6 ისე მე-17 კვირაში. თითოეული კლონი ავლენდა ტელომერაზულ აქტივობას და ადამიანის ემბრიონული უჯრედისვის დამახასიათებელ ზედაპირულ ანტიგენს- SSEA-3, SSEA-4,Tra-1-60,andTra-1-81. global gene expressionმიუხედავად იმისა, რომ თითოეული ძალიან ჰგავდა ემბრიონული უჯრედებს, ერთმანეთისგან გასხვავებულ გენების ექსპრესიას ავლენდნენ. თუმცაღა ეს ვარიაცია იმაზე უფრო ცოტა იყო ვიდრე ადამიანის ემბრიონული უჯრედების ხაზებს შორის.

ოთხივე კლონს უნდა ჰქონოდა იმის პოტენციალი, რომ დიფერენცირებულიყო სხვადასხვა ტიპის უჯრედებად.  დნმ-ის ანალიზის შედეგად ნამდვილად დადასტურდა, რომ ეს უჯრედები იყო IMR90 და არა ის ემბრიონული უჯრედების ხაზები, რომლებიც ასევე მოიპოვებოდა ლაბორატორიაში. საბოლოოდ კიდევ გააგრძელეს მათი კვლევა და 4 კვირის შემდეგ 4-ვე კლონიდან მიიღეს 350 მილიონი უჯრედი, დადასტურდა მათი ნორმალური კარიოტიპებიც.Chromosome analysis of iPS

შემდგომი კვლევა გააგრძელეს ახალშობილის სხვა ტიპის ფიბრობლასტებზე. მოახდინეს მათი ინდუცირება OCT4, SOX2, NANOG, andLIN28-კომპლექსით. 0.6 მილიონი ფიბრობლასტისგან მიიღეს 57 iPS-კოლონია. 27- ამორჩეული 29 კოლონიიდან წარმატებით გაიზარდა. იქიდან გაგრძელდა 4 კლონის კვლევა და თითოეული ასევე ძალიან ჰგავდა ადამიანის ემბრიონულ უჯრედებს.  PCR-კვლევამ აჩვენა, რომ OCT4, SOX2, and NANOG- მა მოახერხეს ინტეგრირება თითოეულ iPS(IMR90) და iPS(foreskin)- კლონებში, თუმცა თითოეული კვლევიდან 1 კლონს აკლდა LIN28. შედეგმა აჩვენა, რომ ის არც ისეთი აუცილებელია რეპროგრამირების ინიციაციისთვის, თუმცაღა მნიშვნელოვანია მისი სტაბილიზაციისთვის.PCR

ამ კვლევებმა კიდევ ერთხელ დაადასტურა iPS- უჯრედების მნიშვნელობა, იქიდან გამომდინარე, რომ მეცნიერებს აღარ მოუწევთ შეხება ემბრიონულ უჯრედებთან ახალი წამლებისა და ტრანსპლანტაციისთვის. iPS-უჯრედებმა წესით უნდა გადაჭრან პრობლემა ე.წ იმუნური უარყოფისა, რადგან თითოეული ქსოვილი იქნება ინდივიდუალურად მორგებული პაციენტზე.

iPSC გენერაციის მეთოდები (2017 წლის სტატიიდან): მეთოდები

მიუხედავად იმისა, რომ ინდუცირებული პლურიპოტენტური უჯრედების მიღების შემდეგ გავიდა 10 წელიწადზე მეტი, უჯრედული ხაზების მიღების ჯერ კიდევ ყველაზე ხშირად გამოყენებული მეთოდი არის რეპროგრამირებელი ფაქტორების (Sox2, Oct4, c-myc, Klf4 და lin28) მიქსტურის პირდაპირი შეყვანა სომატური უჯრედების გენომში ვექტორების საშუალებით. ამ სფეროს წარმატებებმა საშუალება მისცა მეცნიერებს, რომ რეპროგრამირების ახალი სტრატეგიები შეემუშავებინათ, რათა გაეუმჯობესებინათ ბიო-უსაფრთხოება გენომიკური მოდიფიკაციების შემცირებით.

ბოლო ხანებია ძირითადად 3 მეთოდი არსებობს გენეტიკური მასალის ჩასართველად საჭირო უჯრედში. 1. ინტეგრაციული ვირუსული ვექტორები (ვირუსული მიტანის სისტემა, წრფივი დნმ-ის ტრანსფექცია), 2. ინტეგრაციული თავისუფალი ვექტორები (პლაზმიდური ვექტორებიმ პატარა წრიული ვექტორები), 3. არა-ინტეგრაციული მეთოდები (პირდაპირი ცილა/მიკრო რნმ, პატარა მოლეკულები).

ინტეგრაციული მეთოდები გულისხმობს ვირუსულ ვექტორებს, რომ გენები პირდაპირ გადაიტანონ გენომში. ამ მეთოდის დადებითი მხარე მაღალი ეფექტურობაა, თუმცა მოიცავს სიმსივნის ფორმირების საკმაოდ დიდ რისკს. სწორედ ამის გამო შემუშავდა ახალი მიდგომები.

დიდი იმედებია დამყარებული არა-ინტეგრირებულ ტექნიკებზე. პროტეინის ტრანსდუციამ შესაძლებელია შეცვალოს ტრანსკრიბციული ფაქტორების გამოყენება. საჭირო პროტეინებზე პატარა პეპტიდების „მიბმამ“ რომლებიც პასუხისმგებელნი იქნებიან უჯრედში შეღწევაზე შესაძლებელია უზრუნველყოს საჭირო მაკრომოლეკულების უჯრედში „მიტანა“.

ადამიანის iPS- უჯრედები იწარმოება ამ მეთოდის გამოყენებით. ტექნიკა ითვალისწინებს პოლიარგინინს, რომელიც დაკავშირებულია რეპროგრამირების ფაქტორებთან.

მიკრო რნმ-ები და პატარა მოლეკულები ასევე შემოწმდა თავიანთი პოტენციური როლის გამო. გენების ქსელში უმნიშვნელოვანესი კომპონენტია მიკრო რნმ-ი, რომელიც რეგულირდება პლურიპოტენციის გენების მიერ. მაშასადამე, პლურიპოტენტური ღეროვანი უჯრედებისთვის დამახასიათებელი მიკრო რნმ-ების ექსპრესია შესაძლებელია დაეხმაროს რეპროგრამირების პროცესს.

პატარა მოლეკულები შესაძლებელია იყოს პოტენციური ალტერნატივა ბევრი პრობლემის გადაჭრისთვის მათი თვისების გამო, რომ შეუძლიათ აკონტროლონ მრავალი უჯრედული გზა, რომელიც განსაზღვრავს მის თვისებებს. მათი ბიოლოგიური აქტივობები არის ძალიან სწრაფი, შებრუნებადი და რაოდენობრივად განსაზღვრადი, რაც მკაცრი კონტროლის საშუალებას იძლევა. უახლესმა კვლევამ აჩვენა, რომ ინდუცირებული პლურიპოტენტური ღეროვანი უჯრედები შესაძლებელია გენერირდეს თაგვის სომატური უჯრედიდან რამდენიმე პატარა მოლეკულის კოქტეილის დახმარებით. ეს კიდევ უფრო მეტ შესაძლებლობას მოგვცემს მკურნალობის მეთოდების გაუმჯობესებისთვის.

 

წყარო:

 

Advertisements

Leave a Reply

Fill in your details below or click an icon to log in:

WordPress.com Logo

You are commenting using your WordPress.com account. Log Out / Change )

Twitter picture

You are commenting using your Twitter account. Log Out / Change )

Facebook photo

You are commenting using your Facebook account. Log Out / Change )

Google+ photo

You are commenting using your Google+ account. Log Out / Change )

Connecting to %s