Neue Methode schafft endlosen Vorrat an Nierenvorläuferzellen

Neue Methode schafft endlosen Vorrat an Nierenvorläuferzellen

Salk-Forschern ist es erstmals gelungen, Nieren-Vorläuferzellen zu erzeugen, die im Labor überleben

LA JOLLA – Wissenschaftler des Salk Institute haben den heiligen Gral endloser Jugendlichkeit entdeckt – zumindest wenn es um eine Art menschlicher Nierenvorläuferzellen geht. Frühere Versuche, Kulturen der sogenannten Nephron-Vorläuferzellen aufrechtzuerhalten, scheiterten häufig, da die Zellen abstarben oder nach und nach ihr Entwicklungspotenzial verloren, anstatt in einem medizinisch sinnvolleren Vorläuferzustand zu bleiben.

Doch durch den Einsatz einer dreidimensionalen Kultur und einer neuen Mischung unterstützender Moleküle ist es den Salk-Forschern gelungen, die Zellen früh in ihrer Entwicklung zu suspendieren. Solche Nierenzellen im Frühstadium könnten verwendet werden, um Ersatznierengewebe zu züchten, um das Organ zu untersuchen und Krankheiten zu behandeln.

„Wir liefern einen Machbarkeitsnachweis dafür, wie eine unbegrenzte Anzahl von Vorläufernierenzellen hergestellt und aufrechterhalten werden kann“, sagt er Juan Carlos Izpisúa Belmonte, Professor am Genexpressionslabor von Salk. „Eine Versorgung mit diesen Zellen könnte ein Ausgangspunkt für die Züchtung funktionsfähiger Organe im Labor sowie eine Möglichkeit sein, mit der Anwendung einer Zelltherapie bei Nieren mit fehlerhaften Genen zu beginnen.“ Die Arbeit wurde veröffentlicht in Cell Stammzelle August 25, 2016.

Nephron-Vorläuferzellen (NPCs) existieren, zumindest beim Menschen, normalerweise nur während einer kurzen Phase der Embryonalentwicklung. Die Zellen bilden anschließend Nephrone, die funktionellen Einheiten der Niere, die für die Filterung des Blutes und die Ausscheidung des Urins verantwortlich sind. Aber Erwachsene haben keine NPCs mehr, um nach einer Schädigung oder Krankheit neues Nierengewebe wachsen zu lassen. Wissenschaftler glauben, dass die Generierung von NPCs im Labor eine neue Möglichkeit bieten wird, die Nierenentwicklung zu untersuchen und schließlich Nierenerkrankungen zu behandeln.

Zuvor haben andere Wissenschaftlergruppen induzierte pluripotente Stammzellen (iPSCs) verwendet, um NPC-ähnliche Zellen herzustellen. „Diese Ansätze dauern lange, es ist schwierig, eine reine Population zu isolieren, und die NPC-ähnlichen Zellen sind immer noch vorübergehend“, sagt Zhongwei Li, wissenschaftlicher Mitarbeiter im Izpisua Belmonte-Labor und Co-Erstautor der neuen Arbeit. In diesen Fällen reiften die NPCs häufig innerhalb weniger Tage zu erwachsenen Nierenzellen heran, sodass keine stabile Population von Vorläuferzellen für die Untersuchung übrig blieb.

Izpisua Belmonte, Li und ihre Mitarbeiter arbeiteten zunächst mit NPCs, die direkt aus Mäuseembryonen isoliert wurden, und entwickelten Methoden, die die NPCs in ihrem normalerweise vorübergehenden Vorläuferzustand halten würden. Sie fanden heraus, dass sie die NPCs länger als 15 Monate halten könnten, wenn sie die Zellen in einer dreidimensionalen Kultur statt in einer flachen Schale hielten und eine neue Mischung aus Signalmolekülen verwendeten. Sie zeigten weiter, dass die Zellen – wenn sie in neue Bedingungen gebracht wurden – dann dazu gebracht werden konnten, sich sowohl im Labor als auch bei der Transplantation in Tiere zu funktionellen nephronähnlichen Strukturen zu entwickeln.

Als nächstes verwendete das Team sowohl menschliche embryonale NPCs als auch aus Stammzellen erzeugte menschliche NPCs, um das Protokoll für den menschlichen Gebrauch zu optimieren. Auch hier gelang es ihnen, die NPCs langfristig zu halten.

„Die in unserer Studie verwendete 3D-Kulturstrategie kann möglicherweise auf andere Vorläuferlinien zur effizienten Bildung von Gewebeorganoiden angewendet werden“, sagt Co-Erstautor Jun Wu, wissenschaftlicher Mitarbeiter bei Salk.

Neben einer regenerativen Therapie zum Ersatz kranker Organe könnten die NPCs auch zur Modellierung von Krankheiten im Labor eingesetzt werden, fügen die Wissenschaftler hinzu. Durch die Einführung krankheitsbedingter Mutationen in die Zellen könnten Forscher den Beginn und das Fortschreiten der Krankheit untersuchen und neue Erkenntnisse über die Krankheit gewinnen sowie neue Behandlungsmedikamente testen und entdecken.

Als nächstes möchten die Forscher untersuchen, wie man neben den von NPCs gebildeten Nephronen auch die anderen Arten von Vorläuferzellen kultivieren kann, die für eine volle Niere erforderlich sind. „Es gibt mehrere Vorläuferzellen, die zusammenarbeiten, um ein ganzes Organ zu bilden“, fügt Co-Erstautor Toshikazu Araoka, wissenschaftlicher Mitarbeiter bei Salk, hinzu. „Wenn wir auch die anderen Vorläuferzellen kultivieren können, sind wir dem Aufbau einer transplantierbaren Niere näher.“

Weitere Forscher an der Studie waren Hsin-Kai Liao, Mo Li, Min-Zu Wu, Isao Tamura, Yun Xia, Ergin Beyret und Concepcion Rodriguez Esteban vom Salk Institute; Marta Lazo und Josep M. Campistol von der Krankenhausklinik von Barcelona; Bing Zhou und Yinghui Sui von der University of California, San Diego; Taji Matsusaka von Medizinische Fakultät der Tokai-Universität; Ira Pastan von der National Cancer Institute; Isabel Guillen und Pedro Guillen von Clinica Cemtro in Madrid.

Die Arbeit und die beteiligten Forscher wurden durch Zuschüsse der Kyoto University Foundation unterstützt Nagai Foundation Tokio, die Kidney Foundation Japan, die Kalifornisches Institut für Regenerative Medizin, ein Stipendium der Catharina Foundation, das Katholische Universität San Antonio de Murcia (UCAM), Stiftung Dr. Pedro Guillen, Die G. Harold und Leila Y. Mathers Charitable Foundation, Der Leona M. und Harry B. Helmsley Charitable Trustund Die Moxie Foundation.