​Сибирские ученые разработали универсальную платформу с использованием генетически кодируемых биосенсоров, которая позволит изучать механизмы возникновения различных патологий в режиме реального времени на клеточных линиях человека. В перспективе это пригодится в поиске терапии для широкого спектра заболеваний, в том числе тех, которые на сегодняшний день считаются неизлечимыми. Статья об этом опубликована в журнале Biochemistry (Moscow).

 
«Для моделирования различных патологических состояний используются индуцированные плюрипотентные стволовые клетки (ИПСК), — комментирует аспирантка лаборатории эпигенетики развития ФИЦ “Институт цитологии и генетики СО РАН” Елизавета Ивановна Устьянцева. — Фактически это аналоги эмбриональных стволовых клеток, только полученные искусственным путем. Главная особенность ИПСК — их плюрипотентность, то есть способность образовывать все типы клеток живого организма. Мы можем в условиях лаборатории заставить клетки вспомнить исходное состояние (как в эмбрионе), когда они еще не дифференцировались, то есть не выбрали определенную функцию в организме. Чтобы перепрограммировать клетки, необходимы специфические методы по активации в них спящих генов».
 
Ученые по всему миру создают ИПСК в лабораториях, но до сих пор не было разработано общепринятых стратегий их использования для биомедицинских задач. Основной сложностью работы с клеточными моделями остается поиск подходящего метода для измерения степени выраженности того или иного патологического процесса.
 
Для мониторинга внутриклеточных процессов и активности ферментов в режиме реального времени новосибирские биологи предложили использовать генетически кодируемые биосенсоры. «Они представляют собой специфические молекулы, в нашем случае флуоресцентные, которые под действием тех или иных стимулов меняют свои свойства. Активируя биосенсоры в больных и здоровых клетках, мы можем смотреть, по каким параметрам они отличаются», — говорит Елизавета Устьянцева.
 
Биосенсоры встраиваются в геном клеток с помощью технологии геномного редактирования CRISPR/Cas9. «Раньше сенсоры помещались в клетки случайным образом, и была велика вероятность того, что работа генома могла нарушиться и исказить результаты исследования. Новый подход не влияет на функционирование клетки и на интерпретацию результатов, поскольку последовательность биосенсора прицельно встраивается в нужное, самое безопасное место генома», — поясняет Елизавета Устьянцева.
 
Упрощенная схема действия метода 
    Упрощенная схема действия метода
 
Задача ученых — оценить влияние определенных молекул на развитие заболевания. В частности, в своей статье они рассматривают патологические процессы, связанные с боковым амиотрофическим склерозом (БАС). 
 
Исследования проводятся на двух клеточных линиях: полученной от пациента с мутацией, приводящей к развитию БАС, и здоровой — контрольной. «На основе этих линий ИПСК (в процессе репрограммирования их получается несколько) мы создали панель из пяти “больных” и пяти “здоровых” трансгенных клеточных линий, которые имеют один источник, но отличаются последовательностью биосенсора, встроенного в геном», — рассказывает исследовательница.
 
Биосенсоры позволяют наблюдать за процессами, характерными для нейродегенерации: окислительным стрессом (степень его выраженности может быть оценена косвенно через определение уровня содержания в цитоплазме перекиси водорода — промежуточного продукта в реакциях утилизации активных форм кислорода), апоптозом (степень его выраженности определяется активностью одной из эффекторных каспаз 3 — фермента, играющего ключевую роль в процессе программируемой клеточной гибели), а также стрессом эндоплазматического ретикулума (ЭПР) (этот процесс запускается в ответ на накопление патологических белков в клетке). «Мы надеемся, что метод позволит нам увидеть достаточно четкую разницу между больными и здоровыми клетками и удостовериться в том, что модель заболевания, которую мы создали на основе ИПСК, действительно подходит для изучения БАС», — говорит Елизавета Устьянцева.
 
Поскольку патологические механизмы, лежащие в основе различных нейродегенеративных заболеваний, во многом схожи, и те же самые процессы (окислительный стресс, стресс ЭПР, гибель клеток посредством апоптоза) наблюдаются и при других заболеваниях, платформу можно также использовать для поиска лекарств от спинальной мышечной атрофии, болезней Паркинсона, Альцгеймера, Гентингтона и прочих. Исследования проводятся на стволовых клетках, выделенных из периферической крови людей, поэтому в качестве посредников может выступать широкий пул медицинских центров, проводящих диагностику: предоставлять материал для получения ИПСК с генотипом пациента (с его обязательного информированного согласия). Процедура забора крови знакома людям и обычно не вызывает дискомфорта. 
 
Биосенсоры в клетках в работе 
    Биосенсоры в клетках в работе
 
«В будущем такую систему можно применять для тестирования потенциальных лекарств, — отмечает Елизавета Устьянцева. — Мы имеем клетки, которые расположены в разных лунках. Таких лунок можно нарастить сотни, и в каждую капать какое-то действующее вещество и проводить массовый скрининг — смотреть, как изменились сигналы, получаемые от биосенсоров. Это поможет значительно сократить процесс поиска и отбора препаратов, направленных на лечение определенных заболеваний».
 
Исследовательница подчеркивает, что концепцию в перспективе можно развивать в более широких масштабах — использовать не только для мониторинга нейродегенеративных, но и других типов недугов, к примеру кардиологических, поскольку биосенсоры активно разрабатываются для широкого круга клеточных процессов.
 
В данный момент ученые готовят эксперимент по индукции образования в клетках активных форм кислорода, чтобы проверить, как клетки реагируют на этот параметр. «Мы уже владеем методикой направленной дифференцировки стволовых клеток in vitro в моторные нейроны — тип клеток, которые гибнут при БАС. В рамках нового эксперимента мы планируем активировать биосенсоры в больных и здоровых клетках и сравнить, насколько сильно они реагируют на повышение концентрации активных форм кислорода. Это позволит узнать, отличаются ли показатели в моторных нейронах в стандартных условиях и в условиях стресса — при искусственно индуцированной болезни», — комментирует Елизавета Устьянцева.
 
Юлия Клюшникова
 
Фото автора, иллюстрации предоставлены Елизаветой Устьянцевой

Источники

Генетически кодируемые биосенсоры помогут в изучении механизмов развития заболеваний
Наука в Сибири (sbras.info), 23/07/2019
Ученые РФ создали методику применения стволовых клеток для изучения развития болезней
ТАСС, 23/07/2019
Ученые РФ создали методику применения стволовых клеток для изучения развития болезней
123ru.net, 23/07/2019
Ученые РФ создали методику применения стволовых клеток для изучения развития болезней
TmBW.Ru, 23/07/2019
Разработана клеточная платформа для изучения нейродегенеративных болезней
Индикатор (indicator.ru), 23/07/2019
Новосибирские биологи предложили использовать генетически кодируемые биосенсоры
Сибирское отделение Российской академии наук (sbras.ru), 23/07/2019
Создана методика применения стволовых клеток для изучения развития болезней
Техника-молодёжи (technicamolodezhi.ru), 24/07/2019
Платформа для биосенсоров
Академгородок (academcity.org), 24/07/2019
Разработана клеточная платформа для изучения нейродегенеративных болезней
Nanonewsnet.ru, 24/07/2019
В СибГМУ начались клинические испытания препарата для лечения болезни Паркинсона
Медицинская наука (medical-science.ru), 25/07/2019
В ИЦиГ СО РАН научились использовать генетически кодируемые биосенсоры для изучения механизмов развития патологий
Научная Россия (scientificrussia.ru), 07/08/2019
В ИЦиГ СО РАН научились использовать генетически кодируемые биосенсоры для изучения механизмов развития патологий
1k.com.ua, 07/08/2019
Генетически кодируемые биосенсоры помогут в изучении механизмов развития заболеваний
Nanonewsnet.ru, 09/08/2019

Похожие новости

  • 05/12/2016

    Сибирские генетики и управление фотосинтезом

    ​Ученые Новосибирского государственного университета и Института цитологии и генетики СО РАН отвечают на вопрос о том, как на генетическом уровне регулируется синтез и распределение хлорофилла в разных органах растений, исследуя геномы обычного ячменя и ячменя частичного альбиноса, у которого нарушена выработка хлорофилла.
    2280
  • 10/11/2016

    О перспективных направлениях исследований в области биоэнергетики

    ​Academcity продолжает анонсировать инновационные решения, которые будут представлены на форуме "Инновационная энергетика". Сегодня предлагается ознакомиться с перспективным направлением исследований в области биоэнергетики.
    1559
  • 07/03/2018

    Ученые установили, что длительные конфликты изменяют строение мозга

    Ученые из Института цитологии и генетики Сибирского отделения РАН показали, что у самцов мышей, 20 дней находившихся в условиях постоянных конфликтов с враждебно настроенными представителями своего же вида, в различных отделах мозга повышается или снижается экспрессия генов семейства коллагена.
    746
  • 25/08/2016

    Новосибирские генетики создали маркер для обнаружения раковых клеток

    ​В Новосибирске научились определять среди клеток рака "ключевых убийц", виновных в возникновении опухолей. Однако без господдержки маркер не сможет послужить людям.Ученые всего мира ищут способ победить рак, пытаясь создать препарат, с помощью которого можно отслеживать и помечать опасные клетки.
    2012
  • 19/11/2018

    Биолог из Новосибирска разработал мобильное приложение для сельского хозяйства

    Труд агрономов и селекционеров иногда содержит очень утомительные операции. Например, периодически им требуется подсчитывать количество зерен в колосьях пшеницы. Не делать этого вручную позволяет мобильное приложение SeedCounter, которое вместе с коллегами создал биолог Михаил Генаев из Новосибирска.
    426
  • 27/07/2017

    Учёные ИЛФ СО РАН разрабатывают методы диагностики диабета с помощью терагерцового излучения

    Исследователи из Института лазерной физики СО РАН развивают метод импульсной терагерцовой спектроскопии для диагностики сахарного диабета по характеристикам воды в плазме крови. Также учёные работают над созданием технологии неинвазивного определения этого заболевания.
    1287
  • 28/08/2018

    Новосибирские ученые создали прибор для диагностики заболеваний печени на ранней стадии

    ​Уникальный аппарат для диагностики заболевания печени на ранней стадии с помощью глубокого зондирования клеток разработали ученые Государственного научного центра вирусологии и биотехнологии (ГНЦ ВБ) "Вектор" Роспотребнадзора и двух научных институтов Сибирского отделения РАН, сообщил в понедельник в рамках Международного форума "Технопром-2018" в Новосибирске ведущий научный сотрудник ГНЦ ВБ "Вектор" Владимир Генералов.
    568
  • 03/02/2016

    Для чего ученые красят пшеницу?

    ​​​​Ученые Федерального исследовательского центра "Институт цитологии и генетики СО РАН" (ИЦиГ СО РАН) ищут новые пути повышения устойчивости ведущих злаковых культур к неблагоприятным условиям, а также работают над повышением питательных свойств зерна пшеницы.
    3852
  • 27/11/2018

    Крыса узнает ракового больного по запаху: уникальное открытие российских ученых

    ​Первый в мире диагностический прибор с использованием... спящей крысы представят в среду ученые в Ростовском научно-исследовательском онкологическом институте Минздрава РФ. С помощью его можно обнаруживать рак легких, туберкулез и другие опасные заболевания на самых ранних стадиях.
    1462
  • 13/04/2016

    В ИЦИГ СО РАН создают базу данных для обработки научной информации

    ​В Федеральном исследовательском центре «Институт цитологии и генетики СО РАН» разрабатывают универсальную систему для поддержки селекционно-генетических экспериментов, пока что тестируя ее на проектах, связанных с изучением пшеницы.
    1737