В настоящее время из стволовых клеток созданы органоиды, секретирующие белки, образующие зубную эмаль — вещество, защищающее зубы от повреждений и разрушения. Эти усилия возглавила междисциплинарная группа ученых из Вашингтонского университета в Сиэтле.

«Это важный первый шаг к нашей долгосрочной цели по разработке методов лечения на основе стволовых клеток для восстановления поврежденных зубов и регенерации утраченных», — сказал Хай Чжан, профессор восстановительной стоматологии в Школе стоматологии Университета Вашингтона и один из соавторы статьи с описанием исследования.

Результаты опубликованы сегодня в журнале Developmental Cell. Аммар Альгадир, аспирант лаборатории Ханнеле Руохола-Бейкер на кафедре биохимии Медицинской школы Университета Вашингтона, был ведущим автором статьи. Лаборатория связана с Медицинским институтом стволовых клеток и регенеративной медицины UW.

Исследователи объяснили, что зубная эмаль защищает зубы от механических воздействий, возникающих при жевании, и помогает им сопротивляться разрушению. Это самая твердая ткань в организме человека.

Эмаль производится во время формирования зубов специализированными клетками, называемыми амелобастами. Когда формирование зубов завершено, эти клетки отмирают. Следовательно, у организма нет возможности восстановить или регенерировать поврежденную эмаль, и зубы могут стать склонными к переломам или потере.

Чтобы создать амелобласты в лаборатории, исследователи сначала должны были понять генетическую программу, которая заставляет эмбриональные стволовые клетки развиваться в эти высокоспециализированные клетки, производящие эмаль.

Для этого они использовали метод, называемый секвенированием РНК с комбинаторным индексированием отдельных клеток (sci-RNA-seq), который показывает, какие гены активны на разных стадиях развития клетки.

Это возможно, потому что молекулы РНК, называемые информационными РНК (мРНК), несут инструкции для белков, закодированных в ДНК активированных генов, молекулярным машинам, которые собирают белки. Вот почему изменения уровня мРНК на разных стадиях развития клетки показывают, какие гены включаются и выключаются на каждой стадии.

Выполняя sci-RNA-seq на клетках на разных стадиях развития зубов человека, исследователи смогли получить серию снимков активации генов на каждой стадии. Затем они использовали сложную компьютерную программу под названием Monocle, чтобы сконструировать вероятную траекторию активности генов, происходящих по мере того, как недифференцированные стволовые клетки превращаются в полностью дифференцированные амелобласты.

«Компьютерная программа предсказывает, как вы доберетесь отсюда туда, дорожную карту, план, необходимый для создания амелобластов», — сказал Руохола-Бейкер, возглавлявший проект. Она профессор биохимии и заместитель директора Медицинского института стволовых клеток и регенеративной медицины Университета Вашингтона.

Наметив эту траекторию, исследователи после долгих проб и ошибок смогли уговорить недифференцированные стволовые клетки человека превратиться в амелобласты. Они сделали это, подвергнув стволовые клетки химическим сигналам, которые, как известно, активировали различные гены в последовательности, имитирующей путь, обнаруженный данными sci-RNA-seq. В некоторых случаях они использовали известные химические сигналы. В других случаях сотрудники Медицинского института белкового дизайна Университета Вашингтона создали компьютеризированные белки, обладающие усиленными эффектами.

В ходе проведения этого проекта ученые также впервые идентифицировали другой тип клеток, называемый субодонтобластом, который, по их мнению, является предшественником одонтобластов, типа клеток, имеющего решающее значение для формирования зубов.

Исследователи обнаружили, что вместе эти типы клеток могут формировать небольшие трехмерные многоклеточные мини-органы, называемые органоидами. Они организовались в структуры, подобные тем, которые наблюдаются в развивающихся человеческих зубах, и секретировали три основных белка эмали: амелобластин, амелогенин и эмальелин. Затем эти белки образуют матрицу. Последует процесс минерализации, необходимый для формирования эмали с необходимой твердостью.

Чжан сказал, что исследовательская группа теперь надеется усовершенствовать процесс, чтобы создать эмаль, сравнимую по долговечности с эмалью естественных зубов, и разработать способы использования этой эмали для восстановления поврежденных зубов. Одним из подходов было бы создание эмали в лаборатории, которую затем можно было бы использовать для заполнения полостей и других дефектов.

Руохола-Бейкер отмечает, что еще одним более амбициозным подходом было бы создание «живых пломб», которые могли бы прорастать и восстанавливать кариес и другие дефекты. В конечном счете, цель состояла бы в том, чтобы создать зубы, полученные из стволовых клеток, которые могли бы полностью заменить утраченные зубы.

Руохола-Бейкер сказала, что зубы являются идеальной моделью для разработки других методов лечения стволовыми клетками.

«Многие органы, которые мы хотели бы заменить, такие как поджелудочная железа, почки и мозг человека, большие и сложные. Для их безопасной регенерации из стволовых клеток потребуется время», — сказала она. «Зубы, с другой стороны, намного меньше и менее сложны. Может пройти некоторое время, прежде чем мы сможем их регенерировать, но теперь мы можем видеть шаги, которые нам нужно сделать для этого».

Она предсказывает: «Возможно, наконец, наступит век живых пломб и регенеративной стоматологии в целом».

В дополнение к исследователям из отдела наук о здоровье полости рта в Школе стоматологии Университета Вашингтона, другие ученые из Института Бротмана Бэти Университета Вашингтона, Школы компьютерных наук и инженерии Университета В. Аллена, Детского научно-исследовательского института Сиэтла, Института стволовых клеток и регенеративной медицины, Институт белкового дизайна, инженерный факультет Колледжа инженерной биоинженерии UW (совместное отделение инженерного колледжа и медицинского факультета UW), биохимии, сравнительной медицины и педиатрии, геномных наук, все в медицинской школе UW, и Институт науки и технологий SRM, Ченнаи, Индия, внесли свой вклад в исследование.

Работа выполнена при финансовой поддержке Национального института здравоохранения США (1P01GM081619, R01GM097372, R01GM97372-03S1, R01GM083867, 5R24HD000836, T90DE021984, R01DE033016, U01DK127553, R01DK117914), Консорциум биологии клеток-предшественников Национального института сердца, легких и крови (U01HL099997; UO1HL099993), Национальный институт детского здоровья и развития человека имени Юнис Кеннеди Шрайвер, стипендии Института стволовых клеток и регенеративной медицины Университета Вашингтона и Исследовательский фонд доктора Дугласа Л. Морелла. Работа, проведенная в Центре геномики Института стволовых клеток и регенеративной медицины, была поддержана подарком от Фонда Джона Х. Титце.

Оригинал данной статьи на английском языке.


   Выращивание зубов