Οι βιολόγοι βλαστοκυττάρων του Χάρβαρντ πρωτοστάτησαν σε μια πρωτοποριακή τρισδιάστατη μέθοδο καλλιέργειας οργανοειδών για τη δημιουργία μεγάλου αριθμού δορυφορικών κυττάρων ενηλίκων σκελετικών μυών, γνωστών επίσης ως μυϊκά βλαστοκύτταρα, in vitro. Η ικανότητα αποτελεσματικής δημιουργίας λειτουργικών μυϊκών βλαστοκυττάρων με αυτόν τον τρόπο αναμένεται να επιταχύνει την κατανόηση και τις θεραπείες για διαταραχές των σκελετικών μυών, και εκείνες που έχουν νευρομυϊκή προέλευση. Η νέα τεχνική, που περιγράφεται λεπτομερώς στο Nature Biotechnology, παρέχει επίσης ένα ισχυρό εργαλείο για τη μελέτη της μυϊκής βιολογίας.
«Οι άνθρωποι θα μπορούν να κάνουν όλα αυτά τα πειράματα εμφύτευσης και αναγέννησης γιατί ξαφνικά, έχετε εκατομμύρια κύτταρα», δήλωσε ο ερευνητής του Χάρβαρντ, Feodor Price. «Πηγαίνετε να παίξετε μαζί τους, μελετήστε τους, δείτε τα αγαπημένα σας γονίδια και μονοπάτια στα εργαστήριά σας». Ο Price συνεργάστηκε με τον Lee Rubin, καθηγητή στο Τμήμα Βλαστοκυττάρων και Αναγεννητικής Βιολογίας του Ινστιτούτου Βλαστοκυττάρων του Χάρβαρντ, για να πρωτοστατήσει στα δορυφορικά κύτταρα που προέρχονται από εργαστήριο που μοιάζουν πολύ με εγγενή ενήλικα βλαστοκύτταρα και είναι υπεύθυνα για ανάπτυξη και αναγέννηση των σκελετικών μυών.
Η μοναδική τους προσέγγιση ξεπερνά την πρόκληση της διατήρησης των αναγεννητικών δυνατοτήτων των δορυφορικών κυττάρων όταν καλλιεργούνται εκτός του σώματος με παραδοσιακές μεθόδους. «Μόλις τα βγάλετε από το σώμα, ουσιαστικά παύουν να είναι βλαστοκύτταρα», εξήγησε ο Price. Ο Price εξηγεί ότι όταν τα δορυφορικά κύτταρα καλλιεργούνται με στόχο την αύξηση του αριθμού τους, πολλαπλασιάζονται γρήγορα αλλά στη συνέχεια διαφοροποιούνται αυθόρμητα σε μυοβλάστες (μυϊκά προγονικά κύτταρα), χάνοντας την αρχική λειτουργική ικανότητα των δορυφορικών κυττάρων. Αυτό οδηγεί σε αναποτελεσματική αποκατάσταση και συντήρηση των μυών όταν τα κύτταρα μεταμοσχεύονται πίσω στο σώμα.
Η σημαντική ανακάλυψη της ομάδας του Χάρβαρντ στη διατήρηση των αναγεννητικών δυνατοτήτων των δορυφορικών κυττάρων προήλθε από την καινοτόμο χρήση τεχνικών τρισδιάστατης οργανοειδούς καλλιέργειας. Τοποθετώντας μυοβλάστες ποντικού σε περιστρεφόμενες φιάλες, οι ερευνητές θα μπορούσαν να δημιουργήσουν οργανοειδή που περιέχουν διαφοροποιημένες μυϊκές ίνες και έναν πληθυσμό κυττάρων που εκφράζουν τον βασικό δορυφορικό κυτταρικό δείκτη Pax7. Η παρουσία αυτού του σημαντικού μεταγραφικού παράγοντα και η οργάνωση της δομής μέσα στο οργανοειδές ήταν δείκτες της επιτυχίας της μεθόδου τους.
“Είμαστε βέβαιοι ότι έχουμε αναδημιουργήσει με επιτυχία τη θέση των δορυφορικών κυψελών”, είπε ο Price, “και λόγω αυτού, μπορέσαμε να πείσουμε τα κύτταρα εντός αυτού του οργανοειδούς για να αποδιαφοροποιηθούν πίσω στην κατάσταση των δορυφορικών κυψελών. Στην ουσία, δημιουργήσαμε δορυφορικά κύτταρα in vitro, ένα σημαντικό επίτευγμα που υπόσχεται πολλά για τον τομέα της αναγεννητικής ιατρικής και της μυϊκής βιολογίας».
Εκτενής in vitro και in vivo χαρακτηρισμός έδειξε ότι αυτά τα βλαστοκύτταρα μοιάζουν πολύ με καλά δορυφορικά κύτταρα, συμπεριλαμβανομένου του μικρού μεγέθους, της ηρεμίας και των προτύπων έκφρασης βασικών γονιδίων και επιγενετικών σημάτων. Ωστόσο, δεν είναι πανομοιότυπα με τα φυσικά κύτταρα. Η ανάλυση RNA και DNA αποκάλυψε ότι τα κύτταρα που δημιουργήθηκαν στο εργαστήριο έχουν ένα ενδιάμεσο μεταγραφικό και επιγενετικό προφίλ μεταξύ δορυφορικών κυττάρων και μυοβλαστών.
Το πιο σημαντικό, όμως, όταν μεταμοσχεύθηκαν σε μυ του ποντικού, τα κύτταρα μπόρεσαν να εμβολιάσουν, να ξαναπληθίσουν τη θέση των βλαστοκυττάρων, να επιμείνουν μακροπρόθεσμα και να αναγεννήσουν τους μυς μετά από επαναλαμβανόμενο τραυματισμό – όλες οι βασικές λειτουργίες των εγγενών δορυφορικών κυττάρων. Σε ένα πείραμα, οι ερευνητές έδειξαν ότι η μεταμόσχευση των νέων κυττάρων, αλλά όχι των μυοβλαστών, σε ακτινοβολημένο μυ ποντικού χωρίς ενδογενή δορυφορικά κύτταρα οδήγησε σε μυϊκή αναγέννηση με φυσιολογική συσταλτική δύναμη. Οι μυοβλάστες έκαναν ακριβώς αυτό που αναμενόταν: τίποτα.
Συγκριτικά, τα βλαστοκύτταρα και τα δορυφορικά κύτταρα έκαναν αξιοπρεπείς μυς. «Όταν συγκρίναμε την ικανότητά τους να συστέλλονται, ήμασταν ενθουσιασμένοι που είδαμε ουσιαστικά ότι η παραγωγή δύναμης από αυτόν τον συσταλτικό μυ ήταν πανομοιότυπη», είπε ο Price. Πρόσθεσε, “Δεν είναι η ικανότητα των κυττάρων να εμβολιάζονται αυτό που με εντυπωσιάζει τόσο πολύ. Είναι η ικανότητά τους να επαναπληθίσουν τη θέση των βλαστοκυττάρων, γιατί αν το κάνουν αυτό, θα εμβολιαστούν και θα επιμείνουν μακροπρόθεσμα.”
Οι ερευνητές μπόρεσαν επίσης να δημιουργήσουν τα δορυφορικά κύτταρα από ανθρώπινους μυοβλάστες, συμπεριλαμβανομένων των εμπορικών κυτταρικών σειρών υψηλής διέλευσης. Αυτό έχει σημαντικές συνέπειες για την ανάπτυξη κυτταρικών θεραπειών, καθώς η εργασία με ανθρώπινο ιστό είναι δύσκολη και μεγάλος αριθμός λειτουργικών κυττάρων που μοιάζουν με δορυφόρους μπορούν πλέον να παραχθούν in vitro.