Ściskanie komórek macierzystych aktywuje ich różnicowanie w komórki kostne
Odkrycie, które może zmienić podejście do medycyny regeneracyjnej i naprawy kości, ujawnia, że ludzkie komórki macierzyste można pobudzić do przekształcania się w komórki kostne wyłącznie poprzez ich przeciskanie się przez wąskie przestrzenie.
Badanie sugeruje, że fizyczne przemieszczanie się przez ciasne, ograniczające przestrzenie – takie jak te pomiędzy tkankami – może wpływać na sposób różnicowania się komórek macierzystych. Może to otworzyć nowe możliwości w inżynierii materiałowej i terapii komórkowej poprzez sterowanie zachowaniem komórek za pomocą sygnałów mechanicznych, a nie chemicznych.
Badaniami kierował dr Andrew Holle, adiunkt w Katedrze Inżynierii Biomedycznej na Wydziale Projektowania i Inżynierii Narodowego Uniwersytetu Singapuru (NUS) oraz w Instytucie Mechanobiologii (MBI) przy NUS. Artykuł opublikowano 8 maja 2025 r. w czasopiśmie Advanced Science.
Mechaniczna „pamięć” komórkowa
Dr Holle prowadzi laboratorium zajmujące się mechanobiologią ograniczeń (Confinement Mechanobiology Lab) w MBI. Jego zespół bada, jak fizyczne ograniczenia – szczególnie ciasne przestrzenie, przez które komórki muszą się przemieszczać – wpływają na ich funkcjonowanie, zachowanie i rozwój. Podczas gdy wcześniejsze badania koncentrowały się głównie na komórkach nowotworowych i immunologicznych, jego grupa jest jedną z pierwszych, które badają wpływ tych sił na komórki macierzyste, z myślą o przyszłych zastosowaniach terapeutycznych.
Badacze skupili się na dorosłych mezenchymalnych komórkach macierzystych (MSC), które występują m.in. w szpiku kostnym i mogą różnicować się w komórki kostne, chrzęstne i tłuszczowe. Z tego względu są powszechnie wykorzystywane w badaniach nad regeneracją i naprawą tkanek.
„Aby przetestować wpływ sił mechanicznych na los komórek, stworzyliśmy specjalny system mikrokanalików, który imituje ciasne przestrzenie tkanek w organizmie” – wyjaśnia dr Holle.
Okazało się, że gdy MSC przeciskały się przez najwęższe kanały (o szerokości zaledwie 3 mikrometrów), powstające naprężenia powodowały trwałe zmiany w kształcie i strukturze komórek. Uaktywniał się gen RUNX2, kluczowy w procesie tworzenia kości. Nawet po opuszczeniu kanałów, efekt ten się utrzymywał – sugerując, że komórki zachowały swoistą „mechaniczną pamięć” doświadczenia.
„Większość ludzi uważa, że o losie komórek macierzystych decydują głównie sygnały chemiczne” – mówi dr Holle. „Nasze badanie pokazuje, że samo mechaniczne ograniczenie – przeciskanie się przez ciasne przestrzenie – może być równie silnym bodźcem do różnicowania.”
Podczas gdy tradycyjne metody sterowania rozwojem komórek macierzystych opierają się na chemikaliach lub hodowli na materiałach o określonej sztywności, zespół Hollego uważa, że selekcja oparta na mechanicznej stymulacji może być prostsza, tańsza i potencjalnie bezpieczniejsza. „Ta metoda nie wymaga żadnych chemikaliów ani modyfikacji genetycznych – wystarczy labirynt, przez który komórki muszą się przeczołgać” – mówi naukowiec. „W teorii można ją skalować i uzyskiwać miliony wstępnie przygotowanych komórek do zastosowań terapeutycznych.”
Kolejne kroki
Zespół badawczy planuje wykorzystać odkrycia do ulepszania biomateriałów i rusztowań wykorzystywanych w naprawie kości – poprzez tworzenie fizycznych środowisk, które naturalnie wspierają właściwy kierunek różnicowania. „Dostosowując właściwości mechaniczne materiałów, możemy być w stanie lepiej kierować komórki macierzyste w stronę pożądanych typów komórek” – dodaje Holle.
Podejście to mogłoby w przyszłości przyspieszyć gojenie złamań czy zwiększyć skuteczność terapii komórkowych.
„Chcemy przetestować, czy komórki wstępnie przygotowane poprzez mechaniczną selekcję będą skuteczniejsze w promowaniu regeneracji po umieszczeniu ich w miejscu urazu” – zapowiada naukowiec.
Oprócz zastosowań w ortopedii, odkrycie może mieć szersze implikacje. MSC są znane z tego, że migrują w kierunku nowotworów, dlatego badacze są zainteresowani tym, czy mechanicznie „zahartowane” komórki będą lepiej przemieszczać się przez gęste tkanki guza – co obecnie stanowi istotne ograniczenie skuteczności wielu terapii komórkowych.
Zespół sprawdza też, czy ta technika może mieć zastosowanie w przypadku bardziej wszechstronnych komórek, takich jak indukowane pluripotencjalne komórki macierzyste (iPS), które mogą różnicować się w niemal każdy typ komórki w organizmie.
„Podejrzewamy, że mechaniczne ograniczenia odgrywają rolę już w rozwoju embrionalnym” – dodaje Holle. „Komórki migrujące przez zatłoczone środowiska we wczesnym życiu są wystawione na stres mechaniczny, który może wpływać na ich dalszy los. Uważamy, że ta koncepcja ma ogromny potencjał, wykraczający poza MSC.”
Źródło: Advanced Science, National University of Singapore College of Design and Engineering
