Стефан Хеллер
Глубоко внутри уха специализированные клетки, называемые волосковыми клетками, обнаруживают колебания в воздухе и преобразуют их в звук. Десять лет назад Стефан Хеллер, доктор философии, профессор отоларингологии Медицинской школы Стэнфордского университета, высказал идею о том, что если бы вы могли создать эти клетки в лаборатории из стволовых клеток, это во многом помогло бы ученым понять суть молекулярная основа слуха для разработки лучших методов лечения глухоты.
После нескольких лет лабораторной работы исследователи из лаборатории Хеллера сообщат в выпуске Cell от 14 мая, что они нашли способ разработать мышиные клетки, которые выглядят и действуют так же, как волосковые клетки внутреннего уха животного – стержень нашего слуха. а баланс – в чашке Петри.
По их словам, если они смогут и дальше усовершенствовать рецепт для создания миллионов волосковых клеток, это может привести к значительным научным и клиническим достижениям на пути к лечению глухоты в будущем.
"Это дает нам реальную надежду на то, что может быть какая-то терапия для регенерации волосковых клеток," сказал Дэвид Кори, доктор философии, профессор нейробиологии Гарвардского университета, который не принимал участия в исследовании. "Это может занять десятилетие или больше, но это возможно."
Используя как эмбриональные стволовые клетки мышей, так и перепрограммированные мышиные фибробласты (тип относительно недифференцированных клеток, обнаруженных во многих частях тела), исследователи представляют пошаговое руководство о том, как уговорить эти клетки проникнуть в сенсорные клетки, которые обычно находятся во внутреннем ухе.
"Мы поняли, что это действительно работает, когда увидели их в электронный микроскоп," Хеллер сказал. "Они действительно выглядели так, будто их более-менее вынули из уха."
Люди рождаются с 30000 улитковых и вестибулярных волосковых клеток на ухо. (Для сравнения, одна сетчатка содержит около 120 миллионов фоторецепторов.) Когда значительное количество этих клеток потеряно или повреждено, происходит потеря слуха. Основная причина потери слуха и некоторых нарушений равновесия заключается в том, что, в отличие от других видов, таких как птицы, люди и другие млекопитающие не могут спонтанно регенерировать эти слуховые клетки.
Поскольку население стареет, а шумовое загрязнение становится все более серьезным, эксперты в области здравоохранения теперь подсчитали, что каждый третий взрослый в возрасте старше 65 лет страдает от потери слуха из-за разрушения этого ограниченного количества волосковых клеток.
По словам Хеллера, одним из препятствий на пути к пониманию молекулярных основ слуха является нехватка волосковых клеток, доступных для изучения. По его словам, хотя исследователям в конечном итоге понадобятся человеческие волосковые клетки, версия с мышью является хорошей моделью для начальных этапов экспериментов. Помимо использования эмбриональных стволовых клеток мыши, исследователи использовали фибробласты, которые были перепрограммированы так, чтобы вести себя как стволовые клетки: они известны как индуцированные плюрипотентные стволовые клетки или iPS-клетки.
"Наше исследование предлагает протокол для создания миллионов функциональных волосковых клеток из возобновляемого источника," Хеллер сказал. "Теперь мы можем генерировать эти клетки, и нам не нужно проходить через десятки мышей для одного эксперимента. Это позволяет нам проводить молекулярные исследования с гораздо большей эффективностью."
В исследовании подробно рассказывается, как исследователям удалось провести эмбриональные стволовые клетки мыши и iPS-клетки через различные фазы развития, которые происходят в утробе матери. По словам ведущего автора Кадзуо Осима, доктора медицины, доктора философии, инструктора по исследованиям в Стэнфорде, который работает в лаборатории Хеллера, они начали с превращения стволовых и iPS-клеток в клетки, образующие эктодерму молодого эмбриона – внешний слой клеток эмбриона, который в конечном итоге дифференцируются во многие ткани и структуры, такие как кожа и нервные клетки. Затем они использовали определенные факторы роста, чтобы превратить их в "отик-предшественник" клетки (ушные означает ухо). И после этого они изменили химический суп в чашке, так что клетки сгруппировались аналогично волосковым клеткам и образовали стереоцилиарные пучки, которые также характерны для волосковых клеток.
"Мы изучили, как развивается ухо у эмбриона, на этапах развития, и воспроизвели эти этапы в чашке для культивирования," Хеллер сказал.
Волосковые клетки во внутреннем ухе содержат крошечные пучки волосоподобных выступов, известных как стереоцилии. Звуковые колебания заставляют стереоцилии слегка изгибаться, вызывая механические колебания, которые затем преобразуются в электрохимический сигнал, который мозг интерпретирует как звук.
Клетки в чашке Петри при внимательном рассмотрении имели такую же структуру.
"Эти клетки имеют очень интригующую структуру," Хеллер сказал. "Они выглядят так, будто у них есть пучки волос из стереоцилий."
Что еще более важно, дальнейшие исследования показали, что клетки также реагировали на механическую стимуляцию, производя ток, как и волосковые клетки. Используя зонд, исследователи стимулировали пучки и регистрировали возникающие токи. Соавтор Энтони Риччи, доктор философии, доцент отоларингологии, отвечал за этот этап работы.
Хеллер, лидер в исследованиях внутреннего уха на основе стволовых клеток, недавно сосредоточил внимание на двух путях возможных лекарств от глухоты: лекарственная терапия, которая может быть столь же простой, как применение ушных капель, и трансплантация стволовых клеток во внутреннее ухо. ухо.
По его словам, оба пути могут быть дополнительно продвинуты благодаря способности развивать клетки, подобные волосковым клеткам. "Теперь мы могли тестировать тысячи лекарств в культуральной посуде," он объяснил. "Добиться такого масштаба у животных невозможно. Примерно через десять лет мы сможем воспользоваться преимуществами этого типа скрининга."
Лабораторные исследования по регенерации волосковых клеток для трансплантации во внутреннее ухо для лечения глухоты также будут продолжены.
"Мы сделали волосковые клетки в чашке Петри," сказал Осима. "Это важный шаг к разработке будущих методов лечения."