Манипулирование судьбой клеток является фундаментальным процессом в биологии и имеет огромное значение для регенеративной медицины. У млекопитающих многие органы не обладают устойчивыми регенеративными способностями. Потерянные клетки в поврежденной ткани потенциально могут быть компенсированы путем преобразования близлежащих клеток. Авторы статьи разработали метод химически индуцированного перепрограммирования клеток с помощью небольших молекул. Ранее этот метод был ими использован для перепрограммирования клеток in vitro. Использование химического подхода для перепрограммирования стало шагом вперед в манипулировании судьбой клетки. В данной работе авторы продемонстрировали пример успешного применения такого подхода для перепрограммирования эндогенных астроцитов в полноценные нейроны в мозге взрослых мышей in vivo. Химически индуцированные нейроны обладают свойствами зрелых полноценных клеток - экспрессируют специфичные для нейронов маркеры, способны генерировать потенциал действия и образуют прямые синаптические связи с окружающими нейронами. В целом, представленные результаты подтверждают принцип химически индуцированного прямого перепрограммирования судеб соматических клеток через зародышевые слои без генетических манипуляций, путем нарушения специфичных для клеток программ и индукции альтернативной судьбы.

Суть предложенного метода заключается в использовании тщательно подобранного коктейля из регуляторных транскрипционных факторов. В данной работе использовали оптимизированный коктейль DFICBY (dbcAMP, Форсколин, ISX9, CHIR99021, IBET151 и Y-27632), при этом эффективность преобразования клеток in vitro составляла 91,1%. Кроме того, добавление в культуральную среду bFGF повышает выживание и преобразование клеток. В модели in vitro авторы провели очень тщательный анализ процесса перепрограммирования клеток, включая изменение экспрессии генов в динамике. Как выяснилось, в первые 4 дня воздействия снижается экспрессия "глиальных" генов и подавляется пролиферация, быстро останавливается клеточный цикл и происходит "стирание идентичности" астроцитов. В дальнейшем постепенно возрастает экспрессия генов, участвующих в определении судьбы нейронов, аксоногенезе и организации синапсов. Установлено, что в процессе перепрограммирования задействуются сигнальные пути, пути, опосредованные Wnt, Notch, BMP и CAMP.

Затем авторы убедились, что подобные химические коктейли могут работать in vivo. На репортерных линиях мышей, позволяющих картировать астроциты, авторы оптимизировали качественный и количественный состав коктейля для перепрограммирования, и установили, что форсколин, I-BET151, ISX9 и CHIR99021 - абсолютно необходимы для успешного процесса, в то время как Y-27632 лишь повышает эффективность трансдифференцировки. Доставку химического коктейля осуществляли с помощью осмотической помпы. Авторы очень тщательно доказали преобразование астроцитов в нейроны в стриатуме и в коре. Анализ показал, что вновь созданные in situ нейроны обладали характеристиками, специфичными для данных регионов мозга, и успешно интегрировались в нейронную сеть.

Подход с использованием малых молекул предлагает уникальные преимущества в модуляции судьбы клеток, включая высокую проницаемость клеток, обратимость и простоту манипуляция, что делает этот подход многообещающей стратегией управления судьбой клеток. В принципе, химический подход благоприятен для применения in vivo. Он может компенсировать потерю клеток путем преобразования резидентных клеток in situ. Это могло бы обойти трудности, с которыми сталкивается трансплантация клеток, включая очистку клеток, долгосрочную выживаемость и функциональную интеграцию. Важно отметить, что благоприятная клеточная ниша в нативной ткани потенциально облегчает функциональное созревание и своевременную интеграцию перепрограммированных клеток in vivo. Малые молекулы неиммуногенны, не интегрируются в геном, и манипуляции с внутриклеточными мишенями обратимы.

Эти характеристики благоприятствуют потенциалу химического манипулирования судьбой клеток in vivo для регенерации клеток и эндогенного восстановления тканей.

Из-за своей ограниченной регенеративной способности центральная нервная система млекопитающих является оптимальной мишенью для химического перепрограммирования in vivo. В настоящее время потеря нейронов вследствие травмы головного мозга или нейродегенерации необратима; однако астроциты являются одним из основных типов клеток, которые реагируют, размножаются и мигрируют в область поражения, что делает их идеальными мишенями для перепрограммирования in vivo.

В перспективе потребуется дальнейшее совершенствование стратегии доставки молекул. Методы контролируемого высвобождения лекарств, включая захват микросом, наноносители и нанокристаллы, могут позволить добиться длительного высвобождения лекарств с помощью одной инъекции, что позволит избежать повреждения паренхимы головного мозга. Разработанный метод может оказаться полезным для воздействия на стареющие клетки и улучшения функций мозга в пожилом возрасте.