Штамповка штрих-кодов на клетках для разгадки медицинских тайн

Отслеживая каждую клетку в организме, ученые выясняют, почему некоторые методы лечения рака не работают, что может привести к улучшению медицины.

У рыбок данио уникальные цвета служат штрих-кодами, отражающими производство отдельных стволовых клеток крови. У нормальных рыбок данио кровь разноцветная, потому что многие стволовые клетки участвуют в производстве крови. В клональном кроветворении преобладает один клон и, следовательно, один цвет. Кредит... Гарвардский институт стволовых клеток

Никто на самом деле не знал, почему некоторые пациенты с раком лейкоцитов, называемым хроническим лимфолейкозом или ХЛЛ, после лечения рецидивировали и заболели вторым раком. Были ли некоторые раковые клетки просто устойчивыми?

Неожиданный ответ на эту загадку был найден с помощью новой техники, которую исследователи называют штрих-кодированием: лечение не всегда нацелено на нужные клетки.

Ученые обнаружили, что рак не всегда возникает в зрелых клетках костного мозга, где он обнаружен и где, как утверждают учебники, он возникает. Вместо этого для некоторых пациентов источником рака могут быть примитивные клетки костного мозга, стволовые клетки, которые дают начало всем лейкоцитам и эритроцитам. Эти клетки, не затронутые химиотерапией, могут порождать новые раковые клетки, вызывая рецидив.

Это открытие является одним из первых плодов применения метода штрихового кодирования, который помогает изучать происхождение рака и других заболеваний. Результаты слишком новы, чтобы привести к лечению пациентов. Но они ведут к провокационным открытиям, которые, как ожидается, вдохновят на новые методы лечения болезней.

Метод работает путем маркировки отдельных клеток штампом, который передается всему потомству клетки. Исследователи могут взглянуть на клетку, отметить ее штрих-код и проследить ее происхождение до ее родителей, бабушек и дедушек, прабабушек и дедушек - вплоть до ее происхождения - потому что каждая клетка, возникшая из исходной клетки со штрих-кодом, имеет один и тот же штамп.

Идея штрихового кодирования во время эмбрионального развития возникла у доктора Джея Шендуре и его коллег из Вашингтонского университета, и этот класс методов былназван журналом Science в 2018 годупрорывом года. В настоящее время существует множество методов штрихового кодирования, начиная от клеток эмбриона и заканчивая раковыми клетками и зрелыми клетками.

Например, доктор Шендуре и другая группа коллег из Пенсильванского университета используют штрих-коды у мышей с раком поджелудочной железы для изучения распространения раковых клеток в их организме.

В случае с ХЛЛ, описанном выше, доктор Виджей Шанкаран из Бостонской детской больницы и его коллеги закодировали раковые клетки человека, воспользовавшись безобидными, естественными мутациями, которые маркируют отдельные клетки и наследуются их потомством.

По словам доктора Шанкарана, штрих-кодирование «дает нам представление о раке, которого у нас никогда не было».

Этот метод также показал удивительный результат доктору Леонарду Зону из Гарвардской медицинской школы. Он хотел изучить клональный гематопоэз с неопределенным потенциалом, или CHIP, распространенное, но плохо изученное состояние, которое часто встречается у пожилых людей и увеличивает риск рака и сердечных заболеваний. ЧИП возникает, когда потомство одной стволовой клетки крови захватывает весь или большую часть костного мозга, вытесняя другие стволовые клетки.

Для исследования доктор Зон пометил отдельные стволовые клетки костного мозга разными цветами крошечных прозрачных рыбок данио. Результат напоминал то, что происходит с пациентами: к тому времени, когда рыбы стали взрослыми, половина их кровяных телец была одного цвета, то есть они были получены из одной стволовой клетки.

Но как одна ячейка взяла верх?

Ответ был неожиданным. Доминирующие клетки секретировали токсичные воспалительные белки. Эти белки подавляли рост других стволовых клеток и повреждали среду, в которой растут клетки костного мозга. Но родители стволовых клеток выжили и продолжали производить новое токсин-секретирующее потомство.

Группа также обнаружила ген в мутантных клетках, который позволил им стать устойчивыми к воспалению. Когда они заблокировали этот ген, мутантные клетки больше не могли захватить власть.

Фернандо Камарго, биолог стволовых клеток из Boston Children's, обратился к другой проблеме - почему стандартные методы лечения рака, при которых пересаживают здоровые стволовые клетки костного мозга от доноров, так сложно, часто делая пациентов уязвимыми для серьезных инфекций?

Когда он и его коллеги закодировали клетки костного мозга мышей, генетически пометив их с помощью метода редактирования генов, известного как CRISPR, он обнаружил, чтоклетки, которые все называли стволовыми клетками, не вносили основной вклад в производство крови.

«Мы всегда предполагали, что это те же самые клетки, которые обычно дают начало всей вашей крови», - сказал доктор Камарго.

Вместо этого другой набор клеток, который он называет клетками-предшественниками, дает большую часть крови у живых животных. При трансплантации стволовых клеток пересаживаются как клетки-предшественники, так и предполагаемые стволовые клетки, но клетки-предшественники быстро отмирают в новой среде.

Теперь вопрос: почему клетки-предшественники не выживают после трансплантации? Возможно, сильные дозы радиации и химиотерапии, очищающие костный мозг для трансплантации, делают костный мозг негостеприимным. Или может случиться так, что клетки-предшественники, которым вводят стволовые клетки в кровь, не могут попасть в костный мозг.

Доктор Камарго покачал головой.

«Мы думали, что знаем о стволовых клетках крови все, - сказал он. «Очевидно, мы этого не сделали».

источник: