Нановолокна и стволовые клетки

Сегодня уже не надо доказывать важности стволовых клеток для развития химических основ самых разных методов лечения. Стволовые клетки «призваны» снабжать наш организм разнообразными химическими соединениями, которых он лишен в результате их гибели по тем или иным причинам. Приведем всего лишь один пример.
Известно, что аминокислота тирозин, имеющая в своем боковом радикале (цепи) фенильное кольцо с группой ОН, есть химическая основа для синтеза знаменитого дофамина. Этот самый дофамин вырабатывается в глубинах нашего мозга, а также некоторыми нейронами сетчатки. Что он делает в последней, пока еще не совсем ясно, но в мозгу дофамин регулирует наши движения. Гибель нервных клеток, вырабатывающих дофамин, ведет к паркинсонизму, или болезни Паркинсона, при которой дрожат руки и голова.
Ученые надеются, что пересадка дофаминовых нервных клеток поможет справиться с болезнью Паркинсона. По крайней мере, подобные операции на мышах и крысах дали положительные результаты. Но нервные клетки еще надо получить.
Сделать это можно с помощью стволовых клеток, которые могут превращаться в самые разные клетки, в том числе вырабатывающие необходимые людям химические соединения: дофамин для людей, страдающих болезнью Паркинсона, инсулин для диабетиков и т.д. Сегодня стволовые клетки получают из абортивного материала, т.е. двухмесячных эмбрионов (зародышей).
Но это довольно поздняя стадия развития, на которой стволовые клетки уже теряют свои «потенции». Почему – это вопрос довольно сложный, и ответ на него не входит в задачу этого краткого сообщения. Мы хотим лишь рассказать о химии, простирающей руки свои и в эту довольно специфическую область.
Речь пойдет о нановолокнах, которые образуются путем самосборки из пептидов с амфифильными свойствами (их молекулы содержат как гидрофильные, так и гидрофобные группировки). Самосборка «запускается» в водных растворах путем смешивания суспензии клеток с веществами, из которых образуются нановолокна.
Пептидные «мономеры» несут на своей поверхности последовательность пяти аминокислот: изолейцин – лизин – валин – аланин – валин (IKVAV), которая обладает способностью стимулировать рост нервных клеток (рис. 1). Расположение пептидов с последовательностью аминокислот IKVAV соответствует упаковке, характеризуемой вандерваальсовыми радиусами.
Нановолокна формируют вокруг развивающихся стволовых клеток защитный трехмерный «каркас», который одновременно защищает зарождающиеся нейроны и стимулирует их развитие. Поскольку активируется развитие только нервных клеток, а клетки других типов не образуются, то это «снимает» проблему их последующего отделения.

Ученые химического отдела Института биоинженерии и нанонаук Чикагского университета (США) в ходе проверки взяли нервные стволовые клетки мыши, развитие которых стимулируется пентапептидом IКVАV, присутствующим в белке ламинине.
В качестве контроля за биоактивностью был взят пептид с нефизиологической поледовательностью: глутаминовая кислота – глутамин – серин (EQS). Пептид тоже образовывал трехмерную сеть, но не обладал стимулирующими развитие нейронов свойствами.
Образование трехмерных «строительных лесов» подтверждено с помощью сканирующего электронного микроскопа (рис. 2). Последовательность IКVАV стимулирует рост нервных отростков дендритов, для чего необходимо «включение» специфических генных программ уже довольно позднего развития нервных клеток. Так происходит их развитие.
Помимо IКVАV в состав пептидной цепи входят четыре остатка аланина и три – глицина, а также алкильный «хвост» из 16 атомов углерода. Аминокислотные ферменты в сочетании с углеродной цепочкой создают гидрофобную последовательность.

Самосборка этих гидрофобных участков осуществляется благодаря образованию водородных связей, а также отталкивающему действию молекул воды, в результате чего пентапептиды IКVАV «выталкиваются» наружу, оказываясь на поверхности нановолокна в радиусе вандерваальсовых взаимодействий.
Трехмерный «каркас» нановолокон настолько плотен, что общая консистенция раствора гелеобразна. Диаметр нановолокон составляет 5–8 нанометров, а длина – сотни нанометров. В ячейках трехмерной сети таких волокон покоятся нервные клетки, развивающиеся под влиянием IКVАV.
При этом плотность контактов нервных клеток с пентапептидами значительно больше, чем в естественных условиях. Поэтому развитие нервных клеток идет с большей скоростью. Что в общем-то и требовалось…

Материал подготовил И.Э.ЛАЛАЯНЦ
(Science, 2004, № 5662, р. 1352)