Исследование проводилось в лаборатории Вивианы Градинару (BS ’05), доцента кафедры биологии и биологической инженерии и исследователя Института медицинских исследований «Наследие». Он опубликован в статье, опубликованной 26 апреля в журнале Science Translational Medicine.
В здоровой кости существует тонкий баланс между клетками, которые создают костную массу, и клетками, которые разрушают старую кость в непрерывном цикле ремоделирования. Этот процесс частично контролируется стволовыми клетками костного мозга, называемыми остеопрогениторами, которые развиваются в остеобласты или остеоциты, которые регулируют и поддерживают скелет. Чтобы лучше понять такие заболевания, как остеопороз, который возникает, когда потеря костной массы приводит к высокому риску переломов, очень важно изучить поведение стволовых клеток в костном мозге.
Однако эта популяция встречается редко и неравномерно распределяется по кости.«Из-за редкости популяции стволовых клеток в кости сложно экстраполировать их количество и положение с нескольких срезов кости», — говорит Алон Гринбаум, доктор биологии и биологической инженерии и соавтор исследования. бумага. «Кроме того, разрезание кости приводит к ее разрушению и потере сложной трехмерной среды стволовых клеток внутри кости. Поэтому необходимо заглядывать внутрь неповрежденной ткани».Для этого команда построила методику под названием ЯСНОСТЬ, первоначально разработанную для очистки тканей мозга во время аспирантуры Градинару в Стэнфордском университете.
CLARITY делает мягкие ткани, такие как мозг, прозрачными, удаляя непрозрачные молекулы, называемые липидами, из клеток, а также обеспечивает структурную поддержку за счет вливания прозрачной гидрогелевой сетки. Группа Градинару в Калтехе позже расширила этот метод, сделав все мягкие ткани в теле мыши прозрачными. Затем команда приступила к разработке способа очистки твердых тканей, таких как кость, из которой состоит наш скелет.В работе, описанной в новой статье, команда начала с костей, взятых у посмертных трансгенных мышей.
Эти мыши были генетически сконструированы так, чтобы их стволовые клетки светились красным цветом, чтобы их можно было легко визуализировать. Команда исследовала бедренную и большеберцовую кости, а также кости позвоночного столба; каждый из образцов имел длину около нескольких сантиметров.
Во-первых, исследователи удалили кальций из костей: кальций способствует непрозрачности, а в костной ткани содержится гораздо больше кальция, чем в мягких тканях. Затем, поскольку липиды также придают тканям структуру, команда ввела в кость гидрогель, который зафиксировал клеточные компоненты, такие как белки и нуклеиновые кислоты, и сохранил архитектуру образцов. Наконец, мягкое моющее средство было пропущено через кость, чтобы смыть липиды, оставив кость прозрачной для глаз.
Для визуализации очищенных костей команда создала специальный световой микроскоп для быстрой визуализации с высоким разрешением, не повреждающей флуоресцентный сигнал. Очищенные кости обнаружили внутри созвездие красных флуоресцирующих стволовых клеток.Группа сотрудничала с исследователями из биотехнологической компании Amgen, чтобы использовать метод, названный Bone CLARITY, для тестирования нового лекарства, разработанного для лечения остеопороза, от которого ежегодно страдают миллионы американцев.«Наши сотрудники из Amgen прислали нам новый терапевтический препарат, увеличивающий костную массу», — говорит Кен Чан, аспирант и соавтор статьи. «Однако влияние этих терапевтических средств на популяцию стволовых клеток было неясным.
Мы предположили, что они могут увеличивать пролиферацию стволовых клеток». Чтобы проверить это, исследователи дали лечение одной группе мышей и, используя Bone CLARITY, сравнили их позвоночные столбы с костями контрольной группы животных, которые не получали препарат. «Мы увидели, что количество стволовых клеток действительно увеличилось с помощью этого препарата», — говорит он. «Мониторинг реакции стволовых клеток на эти виды лекарств имеет решающее значение, потому что ожидается раннее увеличение пролиферации, пока строится новая кость, но длительная пролиферация может привести к раку».У этой техники есть многообещающие приложения для понимания того, как кости взаимодействуют с остальным телом.«Биологи начинают понимать, что кости — это не просто структурные опоры», — говорит Градинару, который также является директором Центра молекулярной и клеточной неврологии в Институте нейробиологии им.
Тяньцяо и Крисси Чен в Калифорнийском технологическом институте. «Например, гормоны из костей посылают в мозг сигналы для регулирования аппетита, и изучение интерфейса между черепом и мозгом является жизненно важной частью нейробиологии. Мы надеемся, что Bone CLARITY поможет открыть новые горизонты в понимании внутренней работы эти важные органы ".