Дослідження Колумбійського університету виявили давню помилку в ідентифікації кишкових стовбурових клітин, знаходячи справжні стовбурові клітини в іншому місці, що могло б революціонізувати регенеративну медицину, застосувавши ці висновки до інших органів.
Два незалежних дослідження, проведені вченими з Колумбійського університету, показують, що дослідження стовбурових клітин кишківника протягом останніх 15 років були затьмарені випадком помилкової ідентифікації: вчені вивчали не ту клітину.
Обидва дослідження були опубліковані в журналі Cell. Стовбурові клітини кишківника є одними з найбільш працьовитих стовбурових клітин в організмі. Вони працюють безперервно протягом усього нашого життя, щоб поповнити короткоживучі клітини, які вистилають наш кишківник. Приблизно кожні чотири дні ці клітини, які покривають поверхню розміром приблизно з тенісний корт, повністю замінюються.
Розуміння цих стовбурових клітин трудоголіків може допомогти вченим увімкнути менш продуктивні стовбурові клітини в інших органах для відновлення серця, легенів, мозку тощо. Імовірно, стовбурові клітини кишківника були ідентифіковані більше 15 років тому в ході епохального дослідження.
Але використовуючи нові інструменти відстеження походження та обчислювальні інструменти, команди Колумбійського університету під керівництвом Тімоті Ванга та Келлі Яна виявили, що ці клітини є нащадками справжніх стовбурових клітин кишківника. Справжні стовбурові клітини кишківника знаходяться в іншому місці, виробляють інші білки та реагують на різні сигнали.
«Нова робота є суперечливою та змінює парадигму, але може оживити [всю?] сферу регенеративної медицини», — каже Тімоті Ванг, професор медицини Дороті Л. і Деніела Х. Сільберберга.
«Ми знаємо, що ми створюємо багато хвиль у цій галузі, але якщо ми хочемо досягти прогресу, нам потрібно ідентифікувати справжні стовбурові клітини, щоб ми могли націлити ці клітини на терапію», — каже Келлі Ян, Герберт Ірвінг Доцент кафедри медицини.
Нещодавно ми розмовляли з Келлі Ян і Тімоті Вангом про висновки та наслідки.
Навіщо кишківнику потрібні стовбурові клітини?
KY: Те, що має відношення до цієї історії, так це тканина під назвою кишковий епітелій. Це єдиний шар клітин, який вистилає кишківник, і він складається з різних типів клітин, які допомагають перетравлювати їжу, засвоювати поживні речовини та боротися з мікробами.
Більшість клітин живуть лише близько чотирьох днів до заміни, тому стовбурові клітини повинні створювати заміни. Що справді примітно в слизовій оболонці кишківника, так це те, наскільки вона велика. Якби ми розкрили вашу кишку і поклали її рівно, вона покрила б поверхню тенісного корту. Стовбурові клітини кишечника, можливо, є найбільш працездатними стовбуровими клітинами в організмі.
Стовбурові клітини кишківника нібито були ідентифіковані у 2007 році, і це відкриття було оцінено як прорив у науці про стовбурові клітини. Чому ви думаєте, що це був випадок помилкової ідентифікації?
TW: Протягом останніх 17 років у галузі кишкових стовбурових клітин припускали, що Lgr5, білок на поверхні клітини, є специфічним маркером для кишкових стовбурових клітин. Іншими словами, всі клітини Lgr5+ вважаються стовбуровими клітинами, а всі стовбурові клітини вважаються Lgr5+. Ці клітини Lgr5+ були розташовані на самому дні залоз, або крипт, у слизовій оболонці кишківника.
Однак в останнє десятиліття з цією моделлю почали з’являтися проблеми. Видалення клітин Lgr5+ у мишей за допомогою генетичного підходу, схоже, не сильно заважало кишківнику, і стовбурові клітини Lgr5+ знову з’являлися протягом тижня. Крім того, кишківник зміг відновитися після важкої травми, наприклад пошкодження, спричиненого радіацією, навіть якщо травма знищила майже всі клітини Lgr5+.
К.Й.: За самим визначенням стовбурові клітини — це клітини, які регенерують тканини, тому ці відкриття створили парадокс. У багатьох резонансних роботах згадуються різні механізми, щоб пояснити парадокс: деякі припускають, що інші повністю зрілі кишкові клітини можуть повернутися назад у часі розвитку та відновити характеристики стовбурових клітин. Інші припускають, що існує спляча популяція стовбурових клітин, яка працює лише тоді, коли оболонка пошкоджена.
Ніхто насправді не досліджував ідею про те, що, можливо, клітини Lgr5+ насправді не є стовбуровими клітинами, що є найпростішим поясненням.
Як ваші лабораторії ідентифікували справжні стовбурові клітини кишківника?
TW: Моя лабораторія співпрацювала з колишнім головою відділу системної біології Колумбійського університету Андреа Каліфано, яка розробила передові обчислювальні алгоритми, які можуть реконструювати взаємозв’язки між клітинами всередині тканини. Ми використали секвенування одноклітинної РНК, щоб схарактеризувати всі клітини в криптах, регіоні кишківника, де, як відомо, знаходяться стовбурові клітини, а потім ввели ці дані в алгоритми.
Ці алгоритми виявили джерело «стволовості» в кишківнику не в клітинному пулі Lgr5+, а в іншому типі клітин вище в криптах в області, відомої як перешийок. Після усунення клітин Lgr5+ за допомогою радіації або генетичної абляції ми підтвердили, що ці клітини перешийка є стовбуровими клітинами кишківника та здатні відновлювати слизову оболонку кишківника. Ми не знайшли доказів того, що інші зрілі клітини можуть повернути час назад і стати стовбуровими.
KY: Ми не стільки намагалися ідентифікувати стовбурові клітини, скільки намагалися зрозуміти інші клітини кишківника, які беруть участь у регенерації внутрішньої оболонки. Ніхто не зміг визначити ці інші клітини-попередники в кишківнику.
Ми ідентифікували популяцію клітин, які були проліферативними та позначені білком під назвою FGFBP1. Коли ми запитали, як ці клітини пов’язані з клітинами Lgr5+, наш обчислювальний аналіз сказав нам, що ці клітини FGFBP1 породжують усі кишкові клітини, включаючи Lgr5+, протилежне прийнятій моделі.
Моя аспірантка, Клаудія Капдевіла, зробила мишу, яка дозволила б нам визначити, які клітини — Lgr5+ чи FGFBP1+ — є справжніми стовбуровими клітинами. У цій миші щоразу, коли ген FGFBP1 включається в клітину, клітина буде експресувати два різних флуоресцентних білка, червоний і синій. Червоний відразу вмикався і відразу вимикався, а синій з’являвся трохи пізніше і залишався на дні.
Це дозволило нам відстежувати клітини з плином часу, і це чітко показало, що клітини FGFBP1 створюють клітини Lgr5+, протилежні тому, як люди зараз вважають. Цю техніку, яка називається картографуванням долі з розв’язанням часу, раніше використовували лише кілька разів, і я подумав, що змусити її працювати було неймовірним досягненням.
Як це вплине на сферу стовбурових клітин і пошук методів лікування стовбуровими клітинами?
TW: Цей випадок помилкової ідентифікації може пояснити, чому регенеративна медицина не виправдала своїх обіцянок. Ми шукали не ті комірки. Минулі дослідження потрібно буде переосмислити у світлі нової ідентичності стовбурових клітин, але врешті-решт це може призвести до терапії, яка допоможе відновити кишківник у людей із захворюваннями кишківника, і можливої трансплантації стовбурових клітин у майбутньому.
К.Й.: Зрештою, ми сподіваємося визначити універсальний шлях, який лежить в основі роботи стовбурових клітин, щоб потім ми могли застосувати принципи, які ми дізналися про кишківник, до інших тканин, таких як шкіра, волосся, мозок, серце, легені, нирки, печінка тощо.
Існує також думка, що деякі види раку виникають через стовбурові клітини, які пішли не так. Отже, розуміючи приналежність стовбурової клітини, ми могли б також розробити нові терапевтичні засоби, які можуть запобігти розвитку раку. Ось чому так важливо зрозуміти, яка клітина лежить в основі всього цього.