Naukowcy z UC San Francisco (UCSF) opracowali molekuły, które działają jak „klej komórkowy”, co pozwala im precyzyjnie kierować sposobem, w jaki komórki łączą się ze sobą. Odkrycie stanowi ważny krok w kierunku budowy tkanek i narządów, od dawna poszukiwanego celu medycyny regeneracyjnej.
Cząsteczki adhezyjne występują naturalnie w całym ciele, utrzymując razem dziesiątki bilionów komórek w wysoce zorganizowanych wzorach. Tworzą struktury, tworzą obwody neuronalne i kierują komórki odpornościowe do ich celów. Adhezja ułatwia również komunikację między komórkami, aby organizm funkcjonował jako samoregulująca się całość.
W nowym badaniu, opublikowanym w Nature 12 grudnia 2022 r., naukowcy skonstruowali komórki zawierające dostosowane cząsteczki adhezyjne, które wiążą się z określonymi komórkami partnerskimi w przewidywalny sposób, tworząc złożone zespoły wielokomórkowe.
„Byliśmy w stanie zaprojektować komórki w sposób, który pozwala nam kontrolować, z którymi komórkami wchodzą w interakcje, a także kontrolować charakter tej interakcji” – powiedział starszy autor Wendell Lim, PhD, Byers Distinguished Professor of Cellular and Molecular Pharmacology i dyrektor Cell Design Institute UCSF. „To otwiera drzwi do budowania nowych struktur, takich jak tkanki i narządy”.
Regeneracja połączeń między komórkami
Tkanki i narządy ciała zaczynają się formować w macicy i rozwijają się przez całe dzieciństwo. W wieku dorosłym wiele instrukcji molekularnych, które kierują tymi procesami generatywnymi, zniknęło, a niektóre tkanki, takie jak nerwy, nie mogą leczyć urazów lub chorób.
Lim ma nadzieję przezwyciężyć ten problem, konstruując dorosłe komórki tak, aby tworzyły nowe połączenia. Ale zrobienie tego wymaga umiejętności precyzyjnego zaprojektowania interakcji między komórkami.
„Właściwości tkanki, na przykład skóry, zależą w dużej mierze od tego, jak zorganizowane są w niej różne komórki” – powiedział dr Adam Stevens, członek Hartz Fellow w Cell Design Institute i pierwszy autor artykułu. . „Opracowujemy sposoby kontrolowania tej organizacji komórek, która jest kluczowa dla możliwości syntezy tkanek o właściwościach, które chcemy, aby miały”.
Wiele z tego, co wyróżnia daną tkankę, to to, jak mocno jej komórki są ze sobą połączone. W stałym narządzie, takim jak płuco lub wątroba, wiele komórek będzie dość mocno związanych. Ale w układzie odpornościowym słabsze wiązania umożliwiają komórkom przepływ przez naczynia krwionośne lub czołganie się między ściśle związanymi komórkami skóry lub tkanek narządów, aby dotrzeć do patogenu lub rany.
Aby ukierunkować tę jakość wiązania komórek, naukowcy zaprojektowali swoje cząsteczki adhezyjne w dwóch częściach. Jedna część cząsteczki działa jak receptor na zewnątrz komórki i określa, z którymi innymi komórkami będzie oddziaływać. Druga część, wewnątrz komórki, dostraja siłę tworzącego się wiązania. Te dwie części można mieszać i dopasowywać w sposób modułowy, tworząc szereg dostosowanych komórek, które łączą się na różne sposoby w całym spektrum typów komórek.
Kod leżący u podstaw zespołu komórkowego
Stevens powiedział, że te odkrycia mają również inne zastosowania. Na przykład naukowcy mogliby zaprojektować tkanki do modelowania stanów chorobowych, aby ułatwić badanie ich w tkance ludzkiej.
Adhezja komórek była kluczowym osiągnięciem w ewolucji zwierząt i innych organizmów wielokomórkowych, a niestandardowe cząsteczki adhezyjne mogą pomóc w głębszym zrozumieniu, jak rozpoczęła się ścieżka od organizmów jednokomórkowych do wielokomórkowych.
„To bardzo ekscytujące, że teraz rozumiemy znacznie więcej o tym, jak ewolucja mogła zacząć budować ciała” – powiedział. „Nasza praca ujawnia elastyczny kod adhezji molekularnej, który określa, które komórki będą wchodzić w interakcje i w jaki sposób. Teraz, gdy zaczynamy to rozumieć, możemy wykorzystać ten kod do kierowania tym, jak komórki łączą się w tkanki i narządy. Te narzędzia mogą być naprawdę transformacyjny”.
Autorski: Inni autorzy to Josiah Gerdts, Ki Kim i Wesley McKeithan z UCSF Cell Design Institute oraz Department of Cellular and Molecular Pharmacology, Jonathan Ramirez i Faranak Fattahi z Eli and Edythe Broad Center of Regeneration Medicine and Stem Cell Research oraz Dept. z Farmakologii Komórkowej i Molekularnej, Coralie Tentesaux i Ophir Klein z UCSF Program in Craniofacial Biology i Department of Orofacial Sciences oraz Andrew Harris i Dan Fletcher z UC Berkeley Dept. of Bioengineering.
Finansowanie: Ta praca była wspierana przez grant NSF DBI-1548297, grant NIH U01CA265697 oraz stypendium podoktoranckie Damon Runyon Cancer Research Foundation (DRG-#2355-19).