lomoti: Исследования

Восстановление тканей костей и суставов при травмах, а также лечение остеопороза может стать более быстрым и простым процессом, благодаря команде Стэнфордского университета, обнаружившей новый вид человеческих стволовых клеток, из которых получаются клетки костей, хрящей и других тканей, составляющих наш скелет. В ходе экспериментов исследователи вырастили из этих стволовых клеток кости в лабораторных мышах. Об открытии ученых сообщает журнал Cell.

Ученые по всему миру долгое время занимались поиском скелетных стволовых клеток человека. В рамках более ранних исследований в организмах мышей были обнаружены так называемые мезенхимальные стволовые клетки. Со временем они превращаются в клетки кости и хряща, а также жировой, мышечной и соединительной тканей. Другими словами, мезенхимальные стволовые клетки оказались универсальной основой для формирования других видов клеток.
Тем не менее основная задача оставалась нерешенной. Ученые все никак не могли определить клетки, которые лежат в основе исключительно скелетной ткани. Некоторая надежда появилась 2015 году, когда команда Майкла Лонгакера из Стэнфордского университета изучала мезенхимальные стволовые клетки мышей. Речь идет о лабораторных мышах, генетически спроектированных таким образом, чтобы имеющиеся у них различные типы стволовых клеток имели разные цвета. Такая особенность давала ученым возможность вести точный мониторинг того, из каких именно типов клеток формируется костная ткань. Далее, определив определили гены в этих стволовых клетках, ученые выявили их генетическую сигнатуру (подпись).
Несмотря на успех с мышами, ученые долгое время не могли добиться схожих результатов с человеческими скелетными стволовыми клетками. По словам Лонгакер, сложность заключается в том, что нет подходящей возможности подсветить различные типы клеток в организме человека.

При пересадке в мышь, человеческие скелетные стволовые клетки произвели костные клетки (отмечены желтым), хрящевые (синим) и клетки губчатой кости (красным)
Далее ученые взяли в разработку эмбриональные человеческие клетки с костными тканями. С помощью этих клеток исследователи искали в хрящевой пластинке роста сходную со стволовыми клетками мышей генетическую подпись. И как оказалось, сходной сигнатурой обладают фетальные стволовые клетки. Поместив их в чашку Петри, ученые стали следить, как из них формируется новая костная и хрящевая ткань.
Для подтверждения открытия, ученые использовали фрагменты костной ткани, полученной во время операции тазобедренного и коленного суставов у одного из пациентов местной больницы. В этих тканях специалисты нашли все те же клетки с той же генетической подписью. Их тоже поместили в чашки Петри. Наблюдение показало, что клетки действительно формируют новую костную и хрящевую ткань и при этом не формируют жировую, мышечную и другие, что говорит о том, что перед учеными находятся именно костные стволовые клетки.
«Эти клетки оказались истинными скелетными стволовыми клетками», — комментирует Лонгакер.
Для надежного способа производства большого количества этих клеток специалисты культивировали генетически модифицированные индуцированные плюрипотентные (их можно «программировать» на переход в любой другой вид клеток). Для эффективности роста эти клетки поместили в сосуд с соединениями, стимулирующими рост костной ткани, а также витаминами. Опять же, эти клетки дали «урожай» в виде костной и хрящевой ткани.
В исследовании говорится, что неожиданный потенциал в качестве источника скелетных стволовых клеток продемонстрировал также липосакционный жир.
Ученые отмечают, что до практического применения открытой технологии производства скелетных стволовых клеток еще далеко, однако в будущем подобные клетки можно будет использовать для лечения поврежденных костей и суставов, а также различных дегенеративных скелетных заболеваний, например, остеопороза, поскольку данные клетки обладают исключительным регенеративным потенциалом.
«В течение многих лет велись споры об истинных скелетных стволовых клетках человека», — комментирует биолог Ричард Ореффо из Саутгемптонского университета, занимающийся изучением стволовых клеток.
«Еще очень многое предстоит сделать, но это гигантский шаг вперед», — отмечает Ореффо.
Обсудить открытие ученых можно в нашем Telegram-чате.

Спрятавшись на глубине в 1 км под горой Икено, в цинковой шахте Камиока, в 290 км к северу от Токио (Япония) расположено место, о котором в качестве своего логова мечтал бы любой суперзлодей из какого-нибудь кинофильма или рассказа о супергоях. Здесь расположен «Супер-Камиоканде» (или «Супер-К») — нейтринный детектор. Нейтрино представляют собой субатомные фундаментальные частицы, очень слабо взаимодействующие с обычной материей. Они способны проникать абсолютно во все и везде. Наблюдение за этими фундаментальными частицами помогает ученым находить коллапсирующие звезды и узнавать новую информацию о нашей Вселенной. Издание Business Insider пообщалось с тремя сотрудниками станции «Супер-Камиоканде» и выяснило как здесь все работает и какие эксперименты здесь проводят ученые.

Погружаясь в субатомный мир

Нейтрино очень сложно обнаружить. Настолько сложно, что знаменитый американский астрофизик и популяризатор науки Нил Деграсс Тайсон однажды назвал их «самой неуловимой добычей в космосе».
«Материя не представляет для нейтрино никакой преграды. Эти субатомные частицы способны пройти через сотни световых лет металла и даже не замедлиться», — сказал Деграсс Тайсон.
Но зачем ученые вообще пытаются их уловить?
«Когда происходит вспышка сверхновой, звезда коллапсирует в себя и превращается в черную дыру. Если это событие происходит в нашей галактике, то детекторы нейтрино вроде того же «Супер-К» способны уловить выбрасываемые в рамках этого процесса нейтрино. Таких детекторов очень мало в мире», — объясняет Йоши Учида из Имперского колледжа Лондона.
Перед тем как звезда коллапсирует, она выбрасывает во все стороны космического пространства нейтрино, а лаборатории подобные «Супер-Камиоканде» служат в роли систем раннего предупреждения, которые говорят ученым в какую сторону смотреть, чтобы увидеть самые последние мгновения жизни звезд.
«Упрощенные расчеты говорят, что события взрыва сверхновой в радиусе, в котором наши детекторы могут их уловить, происходят лишь один раз в 30 лет. Другими словами, если вы пропустите одно, то придется ждать в среднем еще несколько десятилетий до следующего события», — говорит Учида.
Детектор нейтрино «Супер-К» не просто улавливает нейтрино, попадающие на него прямо из космоса. Кроме этого, на него передается нейтрино с экспериментальной установки T2K, расположенной в городе Токай, что в противоположной части Японии. Отправленному пучку нейтрино приходится проходить около 295 километров, после чего он попадает в детектор «Супер-Камиоканде», расположенный в западной части страны.
Наблюдение за тем, как нейтрино изменяются (или осциллируют) при движении через материю, может рассказать ученым больше о природе Вселенной, например, о взаимосвязи между материей и антиматерией.

«Наши модели «Большого взрыва» говорят о том, что материя и антиматерия должны были создаваться в равных пропорциях», — сказал в интервью Business Insider Морган Васко из Имперского Колледжа Лондона.
«Однако основная часть антиматерии по какой-то или по каким-то причинам исчезла. Обычной материи значительно больше чем антиматерии».
Ученые считают, что изучение нейтрино может стать одним из путей, благодаря которому ответ на эту загадку будет наконец-то найден.

Как «Супер-Камиоканде» улавливает нейтрино

Расположенный на глубине 1000 метров под землей, «Супер-Камиоканде» размером с 15-этажное здание представляет собой что-то вроде этого.

Схема детектора нейтрино «Супер-Камиоканде»
Огромный резервуар из нержавеющей стали в форме цилиндра заполнен 50 тысячами тонн специально очищенной воды. Проходя через эту воду нейтрино двигается со скоростью света.
«Нейтрино попадая в резервуар производят свет по схеме аналогичной тому, как «Конкорд» преодолевал звуковой барьер», — говорит Учида.
«Если самолет движется очень быстро и преодолевает звуковой барьер, то позади него создается очень мощная ударная звуковая волна. Аналогичным образом нейтрино проходя через воду и двигаясь быстрее скорости света создает световую ударную волну», — объясняет ученый.
На стенах, потолке и дне резервуара установлено чуть более 11 000 специальных позолоченных «лампочек». Они называются фотоумножителями и являются очень светочувствительными. Они-то и улавливают эти световые ударные волны, создаваемые нейтрино.

Выглядят фотоумножители так
Морган Васко описывает их как «обратные лампочки». Эти приборы настолько сверхчувствительны, что даже с помощью одного кванта света способны генерировать электрический импульс, который затем обрабатывается специальной электронной системой.

Не пей водицу, козленочком станешь

Чтобы свет от ударных волн, создаваемых нейтрино достиг сенсоров вода в резервуаре должна быть кристально чистой. Настолько чистой, что вы даже не можете себе представить. В «Супер-Камиоканде» она проходит постоянный процесс специальной многоуровневой очистки. Ученые даже облучают ее ультрафиолетовым светом, чтобы убить в ней все возможные бактерии. В итоге она становится такой, что аж жуть берет.
«Сверхочищенная вода может растворить все что угодно. Сверхочищенная вода здесь – очень и очень неприятная штука. Она обладает свойствами кислоты и щелочи», — говорит Учида.
«Даже капля этой воды может доставить вам столько неприятностей, что вам и не снилось», — добавляет Васко.

Люди плывут на лодке внутри резервуара «Супер-Камиоканде»

При необходимости провести техническое обслуживание внутри резервуара, например, для замены вышедших из строя сенсоров, исследователям приходится использовать резиновую лодку (на фото выше).
Когда Мэтью Малек был аспирантом Шеффилдского университета ему и еще двум студентам «посчастливилось» провести подобную работу. К концу рабочего дня, когда пришло время подниматься наверх, специально предназначенная для этого опускаемая гондола сломалась. Физикам ничего не оставалось делать, как обратно вернуться в лодки и ждать, пока ее починят.
«Я сразу не понял, когда лежал на спине в этой лодке и разговаривал с остальными, как крошечная часть моих волос, буквально не больше трех сантиметров длиной, прикоснулась к этой воде», — рассказывает Малек.
Пока они плавали внутри «Супер-Камиоканде», а ученые наверху чинили гондолу, Малек ни о чем не беспокоился. Он забеспокоился рано утром на следующий день, осознав, что произошло нечто жуткое.
«Я проснулся в 3 утра от невыносимого зуда на голове. Это был наверно самый жуткий зуд, который я когда-либо испытывал в своей жизни. Хуже, чем от ветрянки, которой я переболел в детстве. Он был настолько ужасен, что я просто не мог больше заснуть», — продолжил ученый.
Малек понял, что капля воды, попавшая на кончик его волос, «высосала досуха» из них все нутриенты и их дефицит достиг его черепа. Он в спешке побежал в душ и провел там более получаса, пытаясь вернуть в состояние свои волосы.
Еще одну историю рассказал Васко. Он слышал, что в 2000-м году при проведении технического обслуживания персонал спустил из резервуара воду и обнаружил на дне очертания гаечного ключа.
«Видимо этот ключ случайно оставил один из сотрудников, когда они заполняли резервуар водой в 1995 году. Спустив воду в 2000-м, они обнаружили, что ключ растворился».

«Супер-Камиоканде 2.0»

Несмотря на то, что «Супер-Камиоканде» и без того является очень большим детектором нейтрино, ученые предложили создать еще более крупную установку под названием «Гипер-Камиоканде».
«Если получим одобрение на строительство «Гипер-Камиоканде», то детектор будет готов к работе приблизительно в 2026 году», — говорит Васко.
Согласно предложенной концепции, детектор «Гипер-Камиоканде» будет в 20 раз больше «Супер-Камиоканде». В нем планируется использовать около 99 000 фотоумножителей.