21. April 2014

Das Salk-Labor verwandelt Hautzellen in menschliches Atemwegsgewebe

Indem Wissenschaftler Stammzellen aus den eigenen Hautzellen eines Patienten dazu bringen, sich zu Atemwegsgewebe zu entwickeln, können sie die molekularen Grundlagen von Asthma, Emphysem und anderen Lungenerkrankungen untersuchen.

Salk-Nachrichten


Das Salk-Labor verwandelt Hautzellen in menschliches Atemwegsgewebe

Indem Wissenschaftler Stammzellen aus den eigenen Hautzellen eines Patienten dazu bringen, sich zu Atemwegsgewebe zu entwickeln, können sie die molekularen Grundlagen von Asthma, Emphysem und anderen Lungenerkrankungen untersuchen.

LA JOLLA – Unter Verwendung umprogrammierter Hautzellen haben Forscher zum ersten Mal Stammzelltechniken eingesetzt, um voll funktionsfähige Zellanordnungen zu züchten, die die Atemwege zur Lunge auskleiden. Das im Labor gezüchtete Atemwegsgewebe kann nun verwendet werden, um die molekularen Grundlagen von Lungenerkrankungen zu untersuchen – von seltenen genetischen Störungen bis hin zu häufigen Leiden wie Asthma und Emphysem – und neue Medikamente zur Behandlung der Krankheiten zu testen.

„Diese Arbeit ist der Beginn einer aufregenden Ära und zeigt Fortschritte auf dem Weg, eines Tages eine dreidimensionale, funktionsfähige Lunge im Labor herzustellen, und bietet Möglichkeiten zum Testen spezifischer Therapien“, sagt der leitende Studienautor Inder Verma, ein Professor in Salk's Labor für Genetik und Inhaber des Irwin and Joan Jacobs Chair in Exemplary Life Science.

Epithelzellen

Epithelzellen (blau), die aus Stammzellen gewonnen wurden, sind wie in der Lungenschleimhaut in einer flachen Schicht angeordnet. Die Zellen ahmen auch die Anordnung der Atemwege nach und kommen auf der einen Seite (unten) mit Flüssigkeit und auf der anderen Seite mit Luft in Kontakt.

Bild: Mit freundlicher Genehmigung des Salk Institute for Biological Studies

Die Ergebnisse der Studie wurden am 21. März 2014 in veröffentlicht Proceedings of the National Academy of Sciences.

Die Untersuchung von Krankheiten, die die Lunge und die umliegenden Atemwege betreffen, wurde durch die Möglichkeit, erkranktes Gewebe von Patienten zu entnehmen, und die Komplexität der Organe eingeschränkt. Das Atemwegsgewebe besteht aus mehreren Zelltypen. Daher ist die Untersuchung, wie eine Krankheit nur einen Zelltyp im Labor verändert, möglicherweise kein genaues Abbild der gesamten Auswirkungen der Krankheit.

In der neuen Arbeit entwickelten die Forscher das komplexe Atemwegsgewebe, das aus vier verschiedenen Zelltypen besteht, indem sie Hautzellen in Stammzellen umprogrammierten und die Stammzellen dann einem einzigartigen Rezept aus Chemikalien aussetzten, das sie in eine bestimmte, atemwegsspezifische Richtung lenkte. Entwicklungsweg. Anstatt embryonale Stammzellen zum Züchten des Atemwegsgewebes zu verwenden, begannen sie mit leicht zu sammelnden Hautzellen von Patienten.

„Auf diese Weise haben wir die Möglichkeit, auf Patientenpopulationen mit diesen seltenen genetischen Lungenerkrankungen zuzugreifen“, sagt Amy Firth, Postdoktorandin in Vermas Labor und Erstautorin der neuen Arbeit. Da Hautzellen denselben Mastersatz an Genen enthalten wie Lungenzellen, weist jedes aus den Hautzellen eines Patienten gezüchtete Atemwegsgewebe die krankheitsverursachende Genmutation auf.

Verma, Firth und ihre Kollegen verwendeten zunächst Standardprotokolle, um die Hautzellen von allen Programmierungen zu befreien, die sie zu Hautzellen machten, und sie in induzierte pluripotente Stammzellen (iPS) umzuwandeln, die das Potenzial haben, sich zu jedem Zelltyp im Körper zu entwickeln. Anschließend setzten sie die iPS-Zellen Proteinen – sogenannten Wachstumsfaktoren und Zytokinen – aus, die vermutlich für die Entwicklung der Atemwege von entscheidender Bedeutung sind. Um herauszufinden, ob eine bestimmte Proteinmischung wirksam war, testeten die Forscher anschließend, ob im resultierenden Gewebe alle Arten von Atemwegszellen richtig angeordnet waren und haarähnliche Flimmerhärchen sowie Schlüsselmoleküle enthielten, die für die Funktion der Atemwege erforderlich sind. Nach Versuch und Irrtum fanden sie die genaue Mischung an Wachstumsfaktoren, die erforderlich war, um die IPS-Zellen zu voll funktionsfähigem Atemwegsgewebe zu überreden.

„Die Fähigkeit, eine Vielzahl von Zellen zu erzeugen, aus denen eine voll ausgereifte Lunge besteht, ist der erste Schritt zum Verständnis der molekularen Mechanismen vieler Lungenerkrankungen“, sagt Verma, die auch Professorin für Molekularbiologie bei der American Cancer Society ist.

Obwohl die gewachsenen Zellen nicht mit denen in allen Teilen der Lunge identisch sind, könnten ähnliche Verfahren bestimmen, wie Gewebe aus anderen Abschnitten des Atmungssystems gezüchtet werden kann. Das neue Protokoll kann bereits zur Entwicklung von Zellpopulationen verwendet werden, um seltene Krankheiten wie die primäre Ziliendyskinesie zu untersuchen, von der bekannt ist, dass sie die Zilien, die die Atemwege auskleiden, beeinträchtigen. Darüber hinaus könnten neue Behandlungen oder Gentherapien an im Labor gezüchtetem Atemwegsgewebe getestet werden, das aus den Zellen eines betroffenen Patienten stammt.

„Hoffentlich wird es eines Tages möglich sein, die genetischen Mutationen in diesen Geweben zu korrigieren und sie wieder in die Atemwege eines Patienten einzupflanzen“, sagt Firth.

Im Labor gezüchtetes Atemwegsgewebe könnte auch Aufschluss darüber geben, wie Schadstoffe oder Nikotin die Symptome von Krankheiten verschlimmern, die nicht nur genetisch bedingt sind, sondern auch durch die Luft, die eine Person atmet.

Die Forschung war eine Zusammenarbeit mit Fred Gage, Salk-Professor für Genetik und Inhaber des Vi und John Adler-Lehrstuhls für Forschung zu altersbedingten neurodegenerativen Erkrankungen. Weitere Forscher an der Studie waren Carl Dargitz, Susan Qualls, Tushar Menon, Rebecca Wright, Oded Singer und Ajai Khanna von der University of California, San Diego.

Die Arbeit wurde unterstützt durch die Berger-Stiftung und einem Kalifornisches Institut für Regenerative Medizin Zuschuss gewährt und von der geförderte Einrichtungen und Ausrüstung genutzt Waitt-Stiftung, National Cancer Institute, Nationales Institut für neurologische Störungen und Schlaganfall, Kalifornisches Institut für Regenerative Medizin und Leona M. und Harry B. Helmsley Charitable Trust.

Über das Salk Institute for Biological Studies:
Das Salk Institute for Biological Studies ist eine der weltweit führenden Grundlagenforschungseinrichtungen, in der international renommierte Dozenten in einem einzigartigen, kollaborativen und kreativen Umfeld grundlegende Fragen der Biowissenschaften untersuchen. Salk-Wissenschaftler konzentrieren sich sowohl auf Entdeckungen als auch auf die Betreuung zukünftiger Forschergenerationen und leisten bahnbrechende Beiträge zu unserem Verständnis von Krebs, Alterung, Alzheimer, Diabetes und Infektionskrankheiten, indem sie Neurowissenschaften, Genetik, Zell- und Pflanzenbiologie und verwandte Disziplinen studieren.

Die Leistungen der Fakultät wurden mit zahlreichen Ehrungen gewürdigt, darunter Nobelpreise und Mitgliedschaften in der National Academy of Sciences. Das 1960 vom Polioimpfpionier Jonas Salk, MD, gegründete Institut ist eine unabhängige gemeinnützige Organisation und ein architektonisches Wahrzeichen.

INFORMATIONEN ZUR VERÖFFENTLICHUNG

JOURNAL

Proceedings of the National Academy of Sciences

TITEL

Erzeugung multizilierter Zellen in funktionellen Atemwegsepithelien aus vom Menschen induzierten pluripotenten Stammzellen

AUTOREN

Amy L. Firth, Carl T. Dargitz, Susan J. Qualls, Tushar Menon, Rebecca Wright, Oded Singer, Fred Gage und Inder M. Verma vom Salk Institute for Biological Studies; Ajai Khanna von der University of California, San Diego

Forschungsgebiete

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