Salk-Wissenschaftler erzeugen erstmals „Mini-Nieren“-Strukturen aus menschlichen Stammzellen

Salk-Wissenschaftler erzeugen erstmals „Mini-Nieren“-Strukturen aus menschlichen Stammzellen

Die Erkenntnisse könnten zu dringend benötigten Therapien für Nierenerkrankungen führen

LA JOLLA, CA – Erkrankungen der Nieren stellen weltweit ein großes und ungelöstes Gesundheitsproblem dar. Die Nieren erholen sich nach einer Krankheitsschädigung nur selten wieder, was die dringende Notwendigkeit einer besseren Kenntnis der Nierenentwicklung und -physiologie unterstreicht.

Jetzt hat ein Forscherteam unter der Leitung von Wissenschaftlern des Salk Institute for Biological Studies eine neuartige Plattform zur Untersuchung von Nierenerkrankungen entwickelt und damit neue Wege für die zukünftige Anwendung regenerativer Medizinstrategien zur Wiederherstellung der Nierenfunktion eröffnet.

Zum ersten Mal haben die Salk-Forscher dreidimensionale Nierenstrukturen aus menschlichen Stammzellen erzeugt und damit neue Möglichkeiten für die Untersuchung der Entwicklung und Erkrankungen der Nieren sowie für die Entdeckung neuer Medikamente eröffnet, die auf menschliche Nierenzellen abzielen. Die Ergebnisse wurden am 17. November 2013 in veröffentlicht Naturzellbiologie.

Zum ersten Mal haben Salk-Wissenschaftler menschliche Stammzellen zu Harnleiterknospen im Frühstadium gezüchtet, Nierenstrukturen, die für die Wiederaufnahme von Wasser verantwortlich sind, nachdem Giftstoffe herausgefiltert wurden. Im Labor verwendeten sie embryonale Nierenzellen von Mäusen (hier in Rot), um die menschlichen Stammzellen dazu zu bringen, in die entstehenden pilzförmigen Knospen (blau und grün) hineinzuwachsen. Ihre Entdeckung ist ein wichtiger Schritt bei der Entwicklung regenerativer Techniken für den Anbau menschlicher Ersatznieren.

Bild: Mit freundlicher Genehmigung des Salk Institute for Biological Studies

Wissenschaftler hatten erst im vergangenen Sommer Vorläufer von Nierenzellen mithilfe von Stammzellen geschaffen, aber das Salk-Team war das erste, das menschliche Stammzellen dazu brachte, dreidimensionale Zellstrukturen zu bilden, die denen in unseren Nieren ähneln.

„Versuche, menschliche Stammzellen in Nierenzellen zu differenzieren, waren nur begrenzt erfolgreich“, sagt der leitende Studienautor Juan Carlos Izpisúa Belmonte, ein Professor in Salk's Genexpressionslabor und Inhaber des Roger Guillemin Chair. „Wir haben eine einfache und effiziente Methode entwickelt, die die Differenzierung menschlicher Stammzellen in gut organisierte 3D-Strukturen der Harnleiterknospe (UB) ermöglicht, die sich später zum Sammelrohrsystem entwickelt.“

Die Salk-Ergebnisse zeigen zum ersten Mal, dass pluripotente Stammzellen (PSCs) – Zellen, die in der Lage sind, sich in die vielen Zellen und Gewebetypen zu differenzieren, aus denen der Körper besteht – frühzeitig dazu gebracht werden können, sich zu Zellen zu entwickeln, die denen in der Harnleiterknospe ähneln Entwicklungsstruktur der Nieren, um dann in Organkulturen weiter in dreidimensionale Strukturen differenziert zu werden. UB-Zellen bilden während der Entwicklung die frühen Stadien der menschlichen Harn- und Fortpflanzungsorgane und entwickeln sich später zu einem Kanal für den Urinabfluss aus den Nieren. Dies gelang den Wissenschaftlern sowohl mit menschlichen embryonalen Stammzellen als auch mit induzierten pluripotenten Stammzellen (iPSCs), menschlichen Zellen aus der Haut, die in ihren pluripotenten Zustand umprogrammiert wurden.

Nachdem die Forscher iPSCs erzeugt hatten, die pluripotente Eigenschaften zeigten und sich in Mesoderm, eine Keimzellschicht, aus der sich die Nieren entwickeln, differenzieren konnten, nutzten sie Wachstumsfaktoren, von denen bekannt ist, dass sie während der natürlichen Entwicklung unserer Nieren für die Kultivierung sowohl von iPSCs als auch von entscheidender Bedeutung sind embryonische Stammzellen. Die Kombination der Signale dieser Wachstumsfaktoren, Moleküle, die die Differenzierung von Stammzellen in bestimmte Gewebe steuern, reichte aus, um die Zellen in nur vier Tagen zu Vorläufern zu bewegen, die deutliche Merkmale von Nierenzellen aufweisen.

Anschließend führten die Forscher diese Zellen dazu, sich weiter in Organstrukturen zu differenzieren, die denen in der Harnleiterknospe ähneln, indem sie sie mit Nierenzellen von Mäusen kultivierten. Dies zeigte, dass die Mauszellen in der Lage waren, die entsprechenden Entwicklungssignale zu liefern, damit menschliche Stammzellen dreidimensionale Strukturen der Niere bilden konnten.

Von links: Salk-Forscher Ilir Dubova, Ignacio Sancho Martinez, Yun Xia, Juan Carlos Izpisua Belmonte und Emmanuel Nivet

Bild: Mit freundlicher Genehmigung des Salk Institute for Biological Studies

Darüber hinaus testete das Team von Izpisua Belmonte sein Protokoll an iPSCs eines Patienten, bei dem klinisch eine polyzystische Nierenerkrankung (PKD) diagnostiziert wurde, eine genetische Störung, die durch mehrere mit Flüssigkeit gefüllte Zysten gekennzeichnet ist, die zu einer verminderten Nierenfunktion und Nierenversagen führen können. Sie fanden heraus, dass ihre Methodik Nierenstrukturen aus von Patienten stammenden iPSCs herstellen konnte.

Aufgrund der vielen klinischen Manifestationen der Krankheit sind weder gen- noch antikörperbasierte Therapien realistische Ansätze zur Behandlung der PKD. Die Technik des Salk-Teams könnte dazu beitragen, dieses Hindernis zu umgehen und eine zuverlässige Plattform für Pharmaunternehmen und andere Forscher bereitzustellen, die medikamentenbasierte Therapeutika für PKD und andere Nierenerkrankungen untersuchen.

„Unsere Differenzierungsstrategien stellen den Eckpfeiler der Krankheitsmodellierung und Arzneimittelforschungsstudien dar“, sagt der leitende Studienautor Ignacio Sancho-Martinez, ein wissenschaftlicher Mitarbeiter im Labor von Izpisua Belmonte. „Unsere Beobachtungen werden als Leitfaden für zukünftige Studien zu den genauen zellulären Auswirkungen dienen, die PKD im Zusammenhang mit der Nierenentwicklung haben könnte. ”

Weitere Forscher an der Studie waren Yun Xia, Emmanuel Nivet, Thomas Gallegos, Keiichiro Suzuki, Daiji Okamura, Min-Zu Wu, Ilir Dubova und Concepion Rodriguez Esteban vom Salk Institute; Nuria Montserrat vom Zentrum für Regenerative Medizin in Barcelona, ​​Spanien; und Josep Maria Campistol von der Krankenhausklinik von Barcelona.

Die Arbeit wurde unterstützt durch die Kalifornisches Institut für Regenerative Medizin, die Nomis Foundation, Fundacion Cellex, die G. Harold und Leila Y. Mathers Wohltätigkeitsstiftung, hat das Leona M. und Harry B. Helmsley Charitable Trust, Fundació La Marató de TV3, CIBER BBN und ISCIII-TERCEL-MINECO.

Über das Salk Institute for Biological Studies:
Das Salk Institute for Biological Studies ist eine der weltweit herausragenden 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.