Naukowcy z UC San Francisco (UCSF) stworzyli cząsteczki, które działają jak „klej komórkowy”, pozwalając im precyzyjnie kierować tym, jak komórki łączą się ze sobą. Odkrycie to stanowi duży krok w kierunku budowania tkanek i organów, co od dawna jest celem medycyny regeneracyjnej.

Cząsteczki adhezyjne występują naturalnie w całym organizmie, utrzymując dziesiątki bilionów komórek razem w wysoce zorganizowanych wzorach. Tworzą struktury, tworzą obwody neuronów i kierują komórki odpornościowe do ich celów. Adhezja ułatwia również komunikację między komórkami, dzięki czemu organizm funkcjonuje jako samoregulująca się całość.

W nowym badaniu, opublikowanym w numerze Nature z 12 grudnia 2022 roku, naukowcy zaprojektowali komórki zawierające dostosowane cząsteczki adhezyjne, które wiązały 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 interakcję, a także kontrolować charakter tej interakcji” – powiedział starszy autor Wendell Lim, PhD, Byers Distinguished Professor of Cellular and Molecular Pharmacology i dyrektor UCSF’s Cell Design Institute. „To otwiera drzwi do budowania nowych struktur, takich jak tkanki i organy”.

Regenerowanie połączeń między komórkami

Tkanki i organy ciała zaczynają się tworzyć w utero i kontynuują rozwój przez dzieciństwo. W wieku dorosłym wiele instrukcji molekularnych, które kierują tymi procesami generatywnymi, zniknęło, a niektóre tkanki, takie jak nerwy, nie mogą się wyleczyć z urazów lub chorób.

Lim ma nadzieję na przezwyciężenie tego problemu poprzez inżynierię dorosłych komórek do tworzenia nowych połączeń. Ale zrobienie tego wymaga zdolności do precyzyjnego zaprojektowania, jak komórki oddziałują ze sobą.

„Właściwości tkanki, takiej jak na przykład skóra, są w dużej mierze określane przez to, jak różne komórki są w niej zorganizowane” – powiedział dr Adam Stevens, Hartz Fellow w Cell Design Institute i pierwszy autor pracy. „Opracowujemy sposoby kontrolowania tej organizacji komórek, co jest kluczowe dla możliwości syntezy tkanek o właściwościach, które chcemy, aby miały”.

Wiele z tego, co sprawia, że dana tkanka jest odrębna, to jak ściśle jej komórki są ze sobą połączone. W organach stałych, takich jak płuca czy wątroba, wiele komórek będzie połączonych dość mocno. Ale w układzie odpornościowym słabsze wiązania umożliwiają komórkom przepływ przez naczynia krwionośne lub pełzanie między ciasno związanymi komórkami skóry lub tkanek narządowych, by dotrzeć do patogenu lub rany.

Aby ukierunkować tę jakość wiązania komórek, badacze zaprojektowali swoje cząsteczki adhezyjne w dwóch częściach. Jedna część cząsteczki działa jako receptor na zewnątrz komórki i określa, z którymi innymi komórkami będzie wchodzić w interakcję. Druga część, wewnątrz komórki, dostraja siłę tworzonego wiązania. Te dwie części można mieszać i dopasowywać w sposób modułowy, tworząc szereg dostosowanych do potrzeb komórek, które łączą się na różne sposoby w całym spektrum typów komórek.

Kod leżący u podstaw montażu komórek

Stevens powiedział, że odkrycia te mają również inne zastosowania. Na przykład naukowcy mogliby projektować tkanki w celu modelowania stanów chorobowych, aby ułatwić ich badanie w tkankach ludzkich.

Adhezja komórek była kluczowym osiągnięciem w ewolucji zwierząt i innych organizmów wielokomórkowych, a niestandardowe cząsteczki adhezyjne mogą zaoferować głębsze zrozumienie tego, jak rozpoczęła się droga 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 molekularny kod adhezyjny, 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 składają się w tkanki i organy. Te narzędzia mogą być naprawdę transformujące”.

Autorzy: Pozostali autorzy to Josiah Gerdts, Ki Kim i Wesley McKeithan z UCSF Cell Design Institute i Departamentu Farmakologii Komórkowej i Molekularnej, Jonathan Ramirez i Faranak Fattahi z Eli and Edythe Broad Center of Regeneration Medicine and Stem Cell Research i Dept. 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: Praca ta była wspierana przez grant NSF DBI-1548297, grant NIH U01CA265697 oraz stypendium postdoktoranckie Damon Runyon Cancer Research Foundation (DRG-#2355-19).

Źródło: University of California – San Francisco. Robin Marks