De Wetenschappers kweken en zuiveren eerste longvoorouders van menselijke stamcellen

De Menselijke longen, zoals alle organen, beginnen met hun bestaan zoals massa's van niet gedifferentieerde stamcellen. Maar in een kwestie van maanden, worden de cellen georganiseerd. Zij verzamelen zich samen, tak en knop, sommige het vormen zich luchtroutes en anderen alveolen, de gevoelige zakken waar onze organismen zuurstof voor kooldioxide ruilen. Het eindresultaat, ideaal gezien: twee gezonde, ademhalingslongen.

Jarenlang, hebben de wetenschappers die longziekten zoals blaasbindweefselvermeerdering bestuderen geprobeerd om dit proces in detail, van begin te volgen, in de hoop dat te beëindigen begrijpend hoe de longenvorm normaal kan helpen verklaren hoe de dingen verkeerd gaan. Nu, hebben de wetenschappers op het Centrum van de Universiteit van Boston voor Regeneratieve Geneeskunde (CReM) twee belangrijke bevindingen aangekondigd die ons begrip van dit proces bevorderen: de capaciteit om de eerste longvoorouders te kweken en te zuiveren die uit menselijke stamcellen te voorschijn komen, en de capaciteit om deze cellen in uiterst kleine „bronchospheres“ te onderscheiden die blaasbindweefselvermeerdering modelleren. De Onderzoekers hopen dat de resultaten, die afzonderlijk in het Dagboek van de Klinische Cel van de Stam van het Onderzoek en van de Cel worden gepubliceerd, zullen leiden tot nieuw, „gepersonaliseerde geneeskunde“ benaderingen van het behandelen van longziekte.

„Sorteren van deze cellen aan zuiverheid is werkelijk moeilijk en belangrijk,“ zegt Darrell Kotton, directeur van CReM en mede-hogere auteur van beide documenten, met Brian Davis van UTHealth bij de Universiteit van Texas. „Het is de eerste stap in het proberen om te voorspellen hoe een individu aan bestaande behandelingen of nieuwe drugs zou kunnen antwoorden.“

„Er is een lange lijst van longziekten waarvoor er geen behandelingen buiten een longtransplantatie zijn,“ toegevoegde Kotton, het waarvan werk door de Nationale Instituten van Gezondheid (NIH), de BlaasStichting van de Bindweefselvermeerdering, en het Centrum van de Wetenschappen van het Leven van Massachusetts wordt gefinancierd. „Het is kritisch belangrijk om nieuwe hulpmiddelen te ontwikkelen om deze ziekten te begrijpen.“

De wetenschappers van CReM werken met veroorzaakte pluripotent stamcellen, of iPSCs, die door Shinya Yamanaka in 2006 werden ontdekt. Yamanaka berekende hoe te om een volwassen cel in het menselijke lichaam te nemen--als een bloedcel of huidcel--en „herprogrammeer“ het in een stamcel met de capaciteit om in om het even welk orgaan te groeien. De laatste jaren, hebben verscheidene groepen wetenschappers longcellen van menselijke iPSCs gekweekt, maar de recepten zijn niet perfect--de resulterende longcellen groeien in het midden van een allegaartje van levercellen, intestinale cellen, en andere weefsels.

„Dat is een grote kwestie,“ zegt Fin Hawkins, een BU School de hulpprofessor van van de Geneeskunde (MED) van geneeskunde en een deel van het team CReM. Hawkins is mede-eerste auteur op het Dagboek van het Klinische document van het Onderzoek, samen met Philipp Kramer, vroeger van UTHealth. „Als u deze cellen wilt gebruiken om de long te bestuderen, moet u die anderen van de hand doen.“

Eerst, vergde Hawkins een manier om de longcellen te identificeren. Het Voorafgaande werk door Kotton en andere wetenschappers CReM toonden aan dat de cellen van de muisstam een gen uitdrukken dat1 bij het „het lotsbesluit“ wordt geroepen--het ogenblik dat zij longcellen hebben geworden. „Dat is het eerste gen dat op dat zegt komt, „Ik ben een longcel, „“ zegt Hawkins. Kotton bouwde een verslaggeversgen dat groen gloeide toen de stamcellen eerst nkx2-1 uitdrukten, en Hawkins bouwde het zelfde gen in menselijke cellen. Nu, kon hij de gloeiende groene longcellen gemakkelijk bevlekken en zuiveren.

Gebruikend een stroomcytometer, scheidden Hawkins en zijn collega's uit de groene cellen van de mengeling, dan kweekten hen in een matrijs. Het resultaat: de uiterst kleine groene gebieden over de helft van een millimeter overdwars, een „bevolking van zuivere, vroege longcellen,“ zegt Hawkins. Het team roept de uiterst kleine gebieden „organoids,“ vereenvoudigd en verkleinde versies van een orgaan, die zeer belangrijke types van longcellen bevatten. Organoids zijn hulpmiddelen, en zij dienen minstens twee belangrijke doeleinden. Eerst, staan zij wetenschappers toe om, in detail, een kritieke verbinding in menselijke longontwikkeling te bestuderen waarover zeer weinig gekend is. „Wij ontdekten dat veel van de genen die longontwikkeling in andere species, zoals muizen controleren, ook in deze menselijke cellen worden uitgedrukt,“ zeggen Hawkins.

Organoids dienen een ander doel, eveneens: de wetenschappers kunnen hen in rijpere, specifieke celtypes kweken--als luchtroutecellen of alveolare cellen--dat voor longfunctie kritiek is. „Nu kunnen wij eigenlijk beginnen ziekte te bekijken,“ zegt Hawkins. Dat is waar Katherine McCauley (MED'17), een kandidaat van het jaar-jaarDoctoraat in CReM, het beeld ingaat.

De rente van McCauley is blaasbindweefselvermeerdering, een ziekte die door veranderingen in één enkel gen, CFTR wordt veroorzaakt. De verandering veroorzaakt de longen van een persoon om een dik, kleverig slijm te produceren dat tot besmetting, ontsteking, en, uiteindelijk, longmislukking leidt. Voor vele patiënten, is er geen behandeling.

McCauley, die in de vroegste stadia van de ziekte bekijken, wilde gezuiverde de longcellen van Hawkins nemen aan de volgende stap en te weten komen hoe zij luchtroutecellen werden. Door vele nauwgezette experimenten, centreerde zij binnen op een signalerende weg genoemd Wnt, belangrijk die wordt gekend om in de ontwikkeling van de muislong te zijn. Door de weg uit te zetten, begeleidde zij de onrijpe longcellen in het worden luchtroutecellen. Dan, kweekte zij hen in uiterst kleine ballen van cellen, die zij „bronchospheres.“ riep

Als organoids van Hawkins, handelen bronchospheres niet als een bronchie; zij zijn eenvoudig een inzameling van specifieke cellen. Maar hun specificiteit maakt hen exquisitely nuttig. „Wij wilden zien of konden wij deze aan de ziekten van de studieluchtroute gebruiken,“ zeggen McCauley. „Dat is één van de grote doelstellingen: om deze cellen van patiënten te bouwen en dan hen te gebruiken om de ziekten van die patiënten te bestuderen.“

Als bewijs van concept, verkreeg McCauley twee cellenvariëteiten uit een patiënt met blaasbindweefselvermeerdering, waarin de verandering CFTR die de ziekte veroorzaakten was verbeterd, en men waarin het niet had, en kweekte hen in bronchospheres. Om te zien of werkte haar recept, stelde zij een test in werking, die een drug toepassen die gebieden zou moeten veroorzaken die van normale, functionerende cellen worden gemaakt om met vloeistof te vullen. Het werkte: „vast“ bronchospheres begon te zwellen, terwijl de blaasbindweefselvermeerderingsgebieden niet reageerden. Het „koele deel is dat wij dit gebruikend de hoog-productiemicroscopie maten, en toen berekenden wij de verandering in gebied met tijd,“ zegt McCauley, die deze resultaten in de Cel publiceerde van de Stam van de Cel en is hoofdauteur op de studie. „Zo nu kunnen wij functie CFTR op een kwantitatieve manier evalueren.“

De volgende stap, zegt McCauley, is de test te verbeteren, en het te verhogen, en gelijkaardige tests voor andere longziekten te creëren. Het „uiteindelijke doel moet cellen van een patiënt, en toen het scherm nemen de verschillende combinaties drugs,“ zij zegt. Het „idee dat wij de cellen van een patiënt en test niet twintig, maar honderden of duizenden drugs konden nemen, en eigenlijk begrijpen hoe de patiënt ging antwoorden alvorens wij hen zelfs de behandeling geven, is enkel een ongelooflijk idee.“

Bron: De Universiteit van Boston

Advertisement