Het Salk-lab verandert huidcellen in menselijk luchtwegweefsel

Het Salk-lab verandert huidcellen in menselijk luchtwegweefsel

Door stamcellen afkomstig van de eigen huidcellen van een patiënt over te halen zich te ontwikkelen tot luchtwegweefsel, kunnen wetenschappers de moleculaire basis van astma, emfyseem en andere longziekten bestuderen.

LA JOLLA—Met behulp van geherprogrammeerde huidcellen hebben onderzoekers voor het eerst stamceltechnieken gebruikt om volledig functionele assemblages te laten groeien van de cellen langs de luchtwegen die naar de longen leiden. Het in het laboratorium gekweekte luchtwegweefsel kan nu worden gebruikt om de moleculaire basis voor longziekten te bestuderen - van zeldzame genetische aandoeningen tot veelvoorkomende aandoeningen zoals astma en emfyseem - en om nieuwe medicijnen te testen om de ziekten te behandelen.

"Dit werk is het begin van een spannend tijdperk en toont vooruitgang in de richting van het ooit maken van een driedimensionale, functionele long in het laboratorium en biedt mogelijkheden voor het testen van specifieke therapieën", zegt senior studieauteur Onder Verma, een professor bij Salk Laboratorium voor Genetica en houder van de Irwin and Joan Jacobs Chair in Exemplary Life Science.

Epitheelcellen (blauw), die zijn afgeleid van stamcellen, zijn gerangschikt in een plat vel, net zoals ze zich in de bekleding van de longen bevinden. De cellen bootsen ook de manier na waarop de luchtwegen zijn gerangschikt, waarbij de cellen aan de ene kant (onder) in contact komen met vloeistof en aan de andere kant met lucht.

Afbeelding: met dank aan het Salk Institute for Biological Studies

De resultaten van het onderzoek zijn op 21 maart 2014 gepubliceerd in Proceedings van de National Academy of Sciences.

Het bestuderen van ziekten die de longen en nabijgelegen luchtwegen aantasten, wordt beperkt door het vermogen om ziek weefsel van patiënten te verzamelen en de complexiteit van organen. Meerdere celtypen vormen luchtwegweefsel, dus het bestuderen van hoe een ziekte slechts één celtype in het laboratorium verandert, is mogelijk geen nauwkeurige weerspiegeling van de volledige impact van de ziekte.

In het nieuwe werk ontwikkelden de onderzoekers het complexe luchtwegweefsel, bestaande uit vier verschillende celtypen, door huidcellen te herprogrammeren tot stamcellen en vervolgens de stamcellen bloot te stellen aan een uniek recept van chemicaliën die ze naar een bepaalde luchtwegspecifieke weg stuurden. ontwikkelingspad. In plaats van embryonale stamcellen te gebruiken om het luchtwegweefsel te laten groeien, begonnen ze met gemakkelijk te verzamelen huidcellen van patiënten.

"Op deze manier hebben we toegang tot patiëntenpopulaties met deze zeldzame genetische longziekten", zegt Amy Firth, een postdoctoraal onderzoeker in het laboratorium van Verma en eerste auteur van het nieuwe artikel. Omdat huidcellen dezelfde masterset genen bevatten als longcellen, zal elk luchtwegweefsel dat uit de huidcellen van een patiënt groeit de ziekteveroorzakende genmutatie in zich hebben.

Verma, Firth en hun collega's gebruikten eerst standaardprotocollen om de huidcellen schoon te vegen van alle programmering die ze tot huidcellen maakte, en ze om te zetten in geïnduceerde pluripotente stamcellen (iPS) die het potentieel hebben om zich te ontwikkelen tot elk celtype in het lichaam. Vervolgens stelden ze de iPS-cellen bloot aan eiwitten, bekend als groeifactoren en cytokines, waarvan wordt vermoed dat ze de sleutel zijn tot de ontwikkeling van de luchtwegen. Om te zien of een bepaald mengsel van eiwitten effectief was, testten de onderzoekers vervolgens of het resulterende weefsel elk type luchtwegcel op de juiste manier had gerangschikt en haarachtige cilia en sleutelmoleculen bevatte die nodig zijn voor de luchtwegfunctie. Na vallen en opstaan ​​vonden ze de precieze mix van groeifactoren die nodig was om de IPS-cellen over te halen tot volledig functioneel luchtwegweefsel.

"Het vermogen om een ​​verscheidenheid aan cellen te genereren die een volledig volgroeide long vormen, is de eerste stap om de moleculaire mechanismen van veel longziekten te begrijpen", zegt Verma, die ook hoogleraar Moleculaire Biologie van de American Cancer Society is.

Hoewel de gekweekte cellen niet identiek zijn aan de cellen die in alle delen van de long worden aangetroffen, zouden vergelijkbare procedures kunnen vaststellen hoe weefsel uit andere delen van het ademhalingssysteem kan worden gekweekt. Het nieuwe protocol kan nu al worden gebruikt om celpopulaties te ontwikkelen om zeldzame ziekten te bestuderen, zoals primaire ciliaire dyskinesie, waarvan bekend is dat deze de cilia langs de luchtwegen aantast. Bovendien kunnen nieuwe behandelingen of genetische therapieën worden getest op in het laboratorium gekweekt luchtwegweefsel dat is afgeleid van de cellen van een aangetaste patiënt.

"Hopelijk wordt het op een dag mogelijk om de genetische mutaties in deze weefsels te corrigeren en ze terug in de luchtwegen van een patiënt te implanteren", zegt Firth.

Luchtwegweefsel dat in het laboratorium is gekweekt, zou ook kunnen onthullen hoe verontreinigende stoffen of nicotine symptomen verergeren van ziekten die niet alleen worden beïnvloed door de genetica, maar ook door de lucht die een persoon inademt.

Het onderzoek was een samenwerking met Fred Gage, Salk hoogleraar genetica en houder van de Vi en John Adler Chair for Research on Age-Related Neurodegeneratieve Disease. Andere onderzoekers van het onderzoek waren Carl Dargitz, Susan Qualls, Tushar Menon, Rebecca Wright, Oded Singer en Ajai Khanna van de University of California, San Diego.

Het werk werd ondersteund door de Stichting Berger en Californisch Instituut voor Regeneratieve Geneeskunde subsidie, en gebruik gemaakt van faciliteiten en apparatuur ondersteund door de Stichting Waitt, National Cancer Institute, National Institute of Neurological Disorders and Stroke, Californisch Instituut voor Regeneratieve Geneeskundeen Leona M. en Harry B. Helmsley Charitable Trust.

Over het Salk Instituut voor Biologische Studies:
Het Salk Institute for Biological Studies is een van 's werelds meest vooraanstaande instellingen voor fundamenteel onderzoek, waar internationaal gerenommeerde faculteiten fundamentele levenswetenschappelijke vragen onderzoeken in een unieke, collaboratieve en creatieve omgeving. De wetenschappers van Salk zijn zowel gericht op ontdekking als op het begeleiden van toekomstige generaties onderzoekers en leveren baanbrekende bijdragen aan ons begrip van kanker, veroudering, de ziekte van Alzheimer, diabetes en infectieziekten door neurowetenschappen, genetica, cel- en plantenbiologie en aanverwante disciplines te bestuderen.

Faculteitsprestaties zijn erkend met tal van onderscheidingen, waaronder Nobelprijzen en lidmaatschappen van de National Academy of Sciences. Het instituut, opgericht in 1960 door poliovaccinpionier Jonas Salk, MD, is een onafhankelijke non-profitorganisatie en architectonisch monument.