Neue Methode vereinfacht die Produktion von Gliedmaßen-Vorläuferzellen aus Fibroblasten

In einer gemeinsamen Studie haben Forscher der Kyushu University und der Harvard Medical School Proteine ​​identifiziert, die Fibroblasten umwandeln oder „umprogrammieren“ können. die am häufigsten vorkommenden Zellen in Haut und Bindegewebe –; in Zellen mit ähnlichen Eigenschaften wie Gliedmaßen-Vorläuferzellen. Veröffentlichung in EntwicklungszelleDie Erkenntnisse der Forscher haben unser Verständnis der Gliedmaßenentwicklung verbessert und den Grundstein für die regenerative Therapie der Zukunft gelegt.

Weltweit leben fast 60 Millionen Menschen mit dem Verlust von Gliedmaßen. Amputationen können auf verschiedene Erkrankungen wie Tumore, Infektionen und Geburtsfehler oder auf Traumata durch Arbeitsunfälle, Verkehrsunfälle und Naturkatastrophen wie Erdbeben zurückzuführen sein. Menschen mit Gliedmaßenverletzungen verlassen sich oft auf Prothesen aus synthetischen Materialien und Metall, doch viele Forscher untersuchen den Prozess der Gliedmaßenentwicklung mit dem Ziel, die regenerative Therapie oder den natürlichen Gewebeersatz als mögliche Behandlung einen Schritt näher zu bringen.

„Während der Entwicklung der Gliedmaßen im Embryo entstehen aus den Gliedmaßen-Vorläuferzellen in der Gliedmaßenknospe die meisten unterschiedlichen Gliedmaßengewebe wie Knochen, Muskeln, Knorpel und Sehnen. Daher ist es wichtig, einen einfachen und zugänglichen Weg zur Herstellung dieser Zellen zu finden“, erklärt Dr. Yuji Atsuta, leitender Forscher, der dieses Projekt an der Harvard Medical School in Angriff nahm und es als Dozent an der Graduate School of Sciences der Kyushu University fortsetzt.

Derzeit ist die direkte Gewinnung von Vorläuferzellen aus Gliedmaßen die direkte Gewinnung von Embryonen, was im Falle menschlicher Embryonen ethische Bedenken aufwirft. Alternativ können sie mithilfe induzierter pluripotenter Stammzellen hergestellt werden. adulte Zellen, die in einen embryonalähnlichen Zustand umprogrammiert werden und später in bestimmte Gewebetypen überredet werden können. Die von Atsuta und Kollegen entwickelte neue Methode, die Fibroblastenzellen direkt in Vorläuferzellen der Gliedmaßen umprogrammiert und induzierte pluripotente Stammzellen umgeht, vereinfacht den Prozess und senkt die Kosten. Es mildert auch die Sorge, dass Zellen krebsartig werden, was bei induzierten pluripotenten Stammzellen häufig auftritt.

In der Anfangsphase der Studie untersuchten die Forscher, welche Gene in den frühen Gliedmaßenknospen von Mäusen und Hühnerembryos exprimiert wurden. Fast alle Zellen im Körper, einschließlich Fibroblasten und Vorläuferzellen der Gliedmaßen, enthalten identische genomische DNA, aber die unterschiedlichen Eigenschaften und Funktionen jedes Zelltyps entstehen während der Entwicklung aufgrund von Veränderungen in der Genexpression (mit anderen Worten, welche Gene aktiv sind und welche). Proteine ​​werden von der Zelle produziert). Die Genexpression in Zellen wird unter anderem durch bestimmte Proteine, sogenannte Transkriptionsfaktoren, gesteuert.

Die Forschungsgruppe identifizierte 18 Gene, hauptsächlich Transkriptionsfaktoren, die in der frühen Extremitätenknospe im Vergleich zu anderen Geweben stärker exprimiert werden. Sie kultivierten Fibroblasten aus Mäuseembryonen und führten diese 18 Gene mithilfe viraler Vektoren in die Fibroblasten ein, sodass die Zellen diese 18 Proteinfaktoren produzierten. Sie fanden heraus, dass die veränderten Fibroblasten Eigenschaften annahmen und eine ähnliche Genexpression zeigten wie natürlich vorkommende Vorläuferzellen von Gliedmaßen, die in Gliedmaßenknospen vorkommen.

Anschließend grenzten die Forscher in einer Reihe von Experimenten ihre Auswahl ein und stellten fest, dass nur drei Proteinfaktoren für die Umprogrammierung von Mausfibroblasten in Gliedmaßen-Vorläuferzellen erforderlich waren: Prdm16, Zbtb16, Und Lin28a. Ein viertes Protein, Lin41, half den kultivierten Vorläuferzellen der Gliedmaßen, schneller zu wachsen und sich zu vermehren.

Die Forscher bestätigten nicht nur, dass die umprogrammierten Vorläuferzellen der Gliedmaßen eine ähnliche Genexpression wie natürliche Vorläuferzellen der Gliedmaßen aufwiesen, sondern auch über ähnliche Fähigkeiten verfügten. „Diese umprogrammierten Zellen sind nicht nur molekulare Nachahmer; wir haben ihr Potenzial bestätigt, sich zu spezialisierten Gliedmaßengeweben zu entwickeln, sowohl in Laborschalen (in vitro) als auch in lebenden Organismen (in vivo)“, sagt Atsuta. „In-vivo-Tests waren eine besondere Herausforderung, da wir die umprogrammierten Mauszellen in die Gliedmaßenknospen von Hühnerembryonen transplantieren mussten.“

In diesen Experimenten verwendeten die Forscher Lentiviren, die Gene direkt in das Genom der infizierten Zellen einbauen und so das Risiko erhöhen, dass die Zellen zu Krebs werden können. Stattdessen erwägt das Team andere sicherere Vektoren wie Adeno-assoziierte Viren oder Plasmide, die Gene an die Zellen liefern, ohne Gene in das Genom einzufügen.

Atsutas Laborgruppe versucht nun, diese Methode für zukünftige therapeutische Anwendungen auf menschliche Zellen anzuwenden, aber auch auf Schlangen, deren Vorfahren Gliedmaßen hatten, die später im Laufe der Evolution verloren gingen.

„Interessanterweise erzeugten die umprogrammierten Gliedmaßen-Vorläuferzellen Gliedmaßenknospen-ähnliche Organoide, so dass es möglich erscheint, Gliedmaßengewebe bei Arten zu erzeugen, die diese Gliedmaßen nicht mehr besitzen. Die Untersuchung von Gliedmaßenlosen Schlangen kann neue Wege und Erkenntnisse in der Entwicklungsbiologie aufdecken.“