Исследователи из Института молекулярной инженерии Чикагского университета (Institute for Molecular Engineering at the University of Chicago) разработали «лабораторию-на-чипе», позволяющую исследовать тысячи отдельных клеток в течение недели, с её помощью можно проводить эксперименты, требующие более миллиона шагов в обычной лаборатории.
Устройство размером с кредитную карточку не только экономит время и деньги, но и позволяет по-новому взглянуть на реакцию отдельных стволовых клеток на различные молекулы и окружающую среду.
Когда учёные исследовали нейральные стволовые клетки на этом устройстве и проанализировали данные, они обнаружили несколько новых закономерностей, определяющих время и последовательность поступления сигналов, необходимых для дифференцирования или обновления клеток. Этот результат может иметь значение для понимания развития мозга и для иммунотерапии.
«Мы хотели разработать микроструйное устройство для автоматической сортировки, визуализации и культивирования отдельных клеток, имеющее высокую пропускную способность, — говорит профессор Савас Тай (Savas Tay), ведущий автор исследования. — Мы достигли этого, теперь у нас есть понимание, как стволовые клетки принимают решения. Это удивительно».
Клетки в нашем организме постоянно реагируют на различные сигналы и изменения в среде. Например, сигналы в стволовых клетках, получаемые в разные моменты времени, определяют выбор того, как клетка будет развиваться. Один сигнал может привести к преобразованию в новую клетку, другой — к сохранению формы.
Сейчас исследователи не имеют возможности изучать сигналы молекул на отдельных клетках внутри организма. Такой анализ потребует лаборатории с дорогостоящими длительными экспериментами, и в итоге невозможно будет проверить все возможные результаты.
Микроструйное устройство с небольшими отсеками, тоннелями и клапанами позволило исследователям ускорить и автоматизировать процесс изучения реакций в клетках. Но эти устройства располагали ограниченным числом отсеков, что означало, что исследователи могли тестировать только определённое количество условий для каждой клетки, и не могли поддерживать клетки живыми достаточно долго, чтобы иметь возможность всесторонне изучать их.
Тай и его коллеги решили эти проблемы. Они разработали микроструйное устройство с 1500 автоматическими отсеками, что намного выше, чем у более ранних (менее 100 отсеков) аналогичных устройств. Устройство может выполнять несколько задач: стимуляция клеток, выращивание, создание изображений и сортировка. Ранее их выполняли отдельные устройства. Оно может выращивать клетки в различных режимах, поэтому можно изучать различные типы клеток одновременно.
Также, устройство может поддерживать жизнь клеток в течение гораздо большего времени благодаря новой технологии распространения среды в выращиваемых клетках. Обычно, чтобы сохранить клетки в живых, исследователи должны были менять среду, в которой они содержатся, каждые несколько часов. Такие замены всегда стресс для клетки, и после нескольких стрессов клетки умирают. Новая техника распространяет среду во внутреннее пространство электролизёра, это более мягкий процесс, без резких изменений, без стрессов для клеток.
В первом эксперименте с прибором исследователи изучили, как различные сигналы молекул влияют на результат работы нейральных стволовых клеток мыши. Такие эксперименты порождают огромные массивы данных; чтобы найти в них закономерности, Тай в сотрудничестве с профессором медицины и генетики Чикагского университета (UChicago) Андреем Ржецким (Andrey Rzhetsky) пропустили их через нейронную сеть.
Они обнаружили, что некоторые комбинации сигналов суммируются и заставляют клетки дифференцироваться, в то время как другие молекулы останавливают этот процесс. Время подачи сигналов также имеет большое значение. Если молекула доставлена в нужное время, она может повлиять на тип изменения стволовых клеток, стимулируя, например, вместо дифференцирования самообновление.
«Существуют некоторые последовательности высоко оптимальных сигналов, и их расположение во времени имеет значение, — говорит Тай. — Ранее не было способа их динамического наблюдения, и нельзя было понять принципы их реакции».
В дальнейшем исследователи надеются использовать прибор для изучения органоидов, выращивания тканей из стволовых клеток, организуемых в небольшие органы.
В итоге, подобное устройство может быть использовано для иммунотерапии, когда стимулируется иммунная система пациента, чтобы помочь ему бороться с болезнью. Стволовые клетки пациента могут быть взяты у него, помещены в устройство — и так выявлена правильная комбинация молекул, клетки же развиты в определённую линию и впоследствии помещены обратно в организм.
«Мы хотим научиться использовать это устройство для решения самых различных проблем клеточной биологии», — заключил Тай.
