Учёные создали более эффективный и контролируемый способ получения выращенных в лаборатории клеток-волосков внутреннего уха, чем позволяют современные методы. Это открывает новые возможности для исследований потери слуха.
Исследование опубликовано
Исследование, [опубликованное](https://elifesciences.org/reviewed-preprints/106550v1) сегодня в журнале eLife, описано редакторами как важная работа, существенно продвинувшая наше понимание факторов, которые могут индуцировать образование клеток, подобных волосковым, из [стволовых клеток человека](https://phys.org/tags/human+stem+cells/).
Потеря слуха
Потеря слуха затрагивает сотни миллионов людей по всему миру и часто является результатом потери сенсорных клеток-волосков во внутреннем ухе — специализированных клеток, которые преобразуют звуковые вибрации в [электрические сигналы](https://phys.org/tags/electrical+signals/) для мозга. Эти клетки могут быть повреждены из-за воздействия громкого шума, некоторых лекарств, инфекций и старения. У человека, когда эти клетки погибают, они не восстанавливаются, что означает, что потеря слуха часто необратима.
Исследования того, как с этим можно бороться, были ограничены из-за недоступности реальных клеток-волосков человека и неэффективности лабораторных моделей.
Предыдущие исследования
В более ранних работах авторы показали, что мышиные клетки можно перепрограммировать в клетки, более похожие на волосковые, используя четыре [фактора транскрипции](https://phys.org/tags/transcription+factors/): Six1, Atoh1, Pou4f3 и Gfi1, известные как SAPG. Однако этот метод основан на вирусной доставке, что создаёт проблемы для обеспечения согласованности и масштабируемости.
«В наших предыдущих исследованиях на мышах мы использовали ретровирусы для доставки четырёх генов SAPG, которые успешно перепрограммировали клетки в клетки, подобные волосковым», — объясняет ведущий автор Роберт Рейни, постдокторант в Центре регенеративной медицины и исследований стволовых клеток Эли и Эдит Брод, Медицинская школа Кек Университета Южной Калифорнии, США.
«Однако вирусная доставка имеет серьёзные недостатки. Трудно контролировать время и уровень экспрессии генов, и это вносит вариативность, что затрудняет масштабирование или адаптацию для последовательного использования в разных системах. Мы стремились разработать более эффективный подход, который мог бы надёжно работать в клетках человека».
Новый метод
Рейни и его коллеги создали стабильную линию человеческих стволовых клеток, несущую индуцируемую доксициклином версию факторов транскрипции SAPG. Добавляя антибиотик доксициклин в культуру, этот метод позволил точно контролировать процесс перепрограммирования. Чтобы отслеживать, когда клетки начали приобретать характеристики волосковых клеток, они включили флуоресцентный репортёрный ген, который включался по мере прогрессирования перепрограммирования.
Когда добавляли доксициклин, команда наблюдала первые признаки перепрограммирования в течение трёх дней. К седьмому дню около 35–40% клеток экспрессировали ключевые маркеры генов волосковых клеток, такие как MYO7A, MYO6 и POU4F3. Это представляло собой более чем 19-кратное увеличение эффективности по сравнению с предыдущим вирусным подходом за половину времени.
Команда затем использовала секвенирование РНК отдельных клеток для анализа паттернов экспрессии генов перепрограммированных клеток. Они обнаружили, что клетки имели общие ключевые факторы транскрипции и сигнальные пути с человеческими зародышевыми клетками внутреннего уха. Хотя клетки не чётко разделялись на подтипы, связанные со слухом (кохлеарные) или балансом (вестибулярные), они экспрессировали маркеры обоих типов. Эти результаты свидетельствуют о том, что их метод позволил получить клетки, которые близко напоминали незрелые (ранние стадии развития) человеческие клетки-волоски.
Исследователи также проверили электрические свойства перепрограммированных клеток, чтобы увидеть, насколько они похожи на настоящие волосковые клетки. Используя метод патч-клампа, они обнаружили ряд ионных токов, управляемых напряжением, — электрических сигналов, генерируемых движением заряженных частиц через клеточную мембрану, которые необходимы для того, чтобы волосковые клетки обнаруживали звук и реагировали на него, — включая некоторые, которые соответствовали тем, что наблюдаются в развивающихся человеческих клетках-волосках.
«Этот метод имеет несколько преимуществ перед системами вирусной доставки. Мы можем точно контролировать, когда начинается и заканчивается перепрограммирование, добавляя короткие импульсы доксициклина, и он работает в стандартных двумерных клеточных культурах», — говорит автор исследования Эндрю Гроувс, в то время профессор кафедры неврологии и молекулярной и генетики человека в Медицинском колледже Бейлора, Хьюстон, Техас, США, а сейчас заведующий кафедрой биологии развития в Медицинской школе Вашингтонского университета, Миссури, США.
«Вместе с устранением необходимости в вирусной доставке эти особенности делают метод гораздо более масштабируемым и адаптируемым для будущих исследований — будь то моделирование развития внутреннего уха человека, изучение потери слуха или скрининг защитных препаратов».