insulinproduzierende Zellen

Forscher verwenden Stammzellen, um insulinproduzierende Betazellen der Bauchspeicheldrüse herzustellen

Datum: August 26, 2021

Quelle: Pennsylvania State

Zusammenfassung: Der menschliche Körper kann genetisch dazu neigen, seine eigenen Zellen anzugreifen und die Betazellen in der Bauchspeicheldrüse zu zerstören, die Insulin produzieren, das dabei hilft, Zucker in Energie umzuwandeln. Diese als Typ-1-Diabetes bezeichnete Erkrankung kann in jedem Alter auftreten und tödlich sein, wenn sie nicht sorgfältig mit Insulinspritzen oder einer Insulinpumpe behandelt wird, um den Zuckerspiegel des Körpers auszugleichen.

 

GANZE GESCHICHTE

 

Der menschliche Körper kann genetisch dazu neigen, seine eigenen Zellen anzugreifen und die Betazellen in der Bauchspeicheldrüse zu zerstören, die Insulin produzieren, das dabei hilft, Zucker in Energie umzuwandeln. Diese als Typ-1-Diabetes bezeichnete Erkrankung kann in jedem Alter auftreten und tödlich sein, wenn sie nicht sorgfältig mit Insulinspritzen oder einer Insulinpumpe behandelt wird, um den Zuckerspiegel des Körpers auszugleichen.

Laut Xiaojun „Lance“ Lian, außerordentlicher Professor für Biomedizintechnik und Biologie an der Penn State, könnte sich jedoch eine andere, personalisierte Option am Horizont abzeichnen. Zum ersten Mal wandelten Lian und sein Team menschliche Stammzellen in Betazellen um, die in der Lage sind, Insulin unter Verwendung von nur kleinen Molekülen im Labor zu produzieren, wodurch der Prozess effizienter und kostengünstiger wurde.

Stammzellen können durch Signale in ihrer Umgebung zu anderen Zelltypen werden, und einige reife Zellen können zu Stammzellen zurückkehren – induzierte Pluripotenz. Die Forscher fanden heraus, dass ihr Ansatz für menschliche embryonale und induzierte pluripotente Stammzellen funktionierte, die beide von staatlich zugelassenen Stammzelllinien stammen. Laut Lian könnte die Wirksamkeit ihres Ansatzes den Bedarf an menschlichen embryonalen Stammzellen in zukünftigen Arbeiten reduzieren oder eliminieren. Sie veröffentlichten ihre Ergebnisse heute (26. August) in Stammzellberichte.

„Diabetes ist eine schwere Krankheit in den Vereinigten Staaten und auf der ganzen Welt“, sagte Lian. „Die eigenen Immunzellen des Patienten zerstören seine Fähigkeit, Insulin zu produzieren und seinen Glukosespiegel zu regulieren. Wir dachten, Stammzellen könnten das Problem möglicherweise lösen und es einer Person ermöglichen, ihren Insulin- und Glukosespiegel wieder angemessen zu regulieren.“

Stammzellen können durch Umgebungsbedingungen oder Laborinterferenzen zu jedem Zelltyp werden. Der Trick, sagte Lian, besteht darin, die genauen Bedingungen herauszufinden, um eine Stammzelle dazu zu bringen, eine funktionierende Version des gewünschten Zelltyps zu werden.

„Wenn wir Stammzellen in Betazellen der Bauchspeicheldrüse umwandeln und sie dem Patienten zurückübertragen könnten, könnte es möglich sein, Diabetes zu heilen“, sagte Lian. „Das ist eine schwierige Frage. Wissenschaftler suchen seit mehr als 20 Jahren nach der Lösung. Unser Labor erkannte, dass wir einen anderen Ansatz wählen mussten.“

In früheren Versuchen, so Lian, verwendeten Forscher Wachstumsfaktoren oder Gruppen von Proteinen, um Stammzellen in verschiedene Zelltypen zu manipulieren. Wachstumsfaktoren sind jedoch teuer und instabil, was zu einem kostspieligen und ineffizienten Herstellungsverfahren führt.

„Im Jahr 2012 entdeckte unser Team einen völlig neuen molekularen Mediator, der Stammzellen in das Mesoderm- oder Endodermstadium differenzieren konnte, die Entwicklungspunkte auf dem Weg zu reifen Zellen sind“, sagte Lian und bemerkte, dass bei dem Prozess eher kleine organische Moleküle verwendet wurden als größere Wachstumsfaktoren. „Diese kleinen Moleküle sind viel billiger und viel stabiler als Wachstumsfaktoren, und wir könnten immer noch die Wirkung der Wachstumsfaktoren nachahmen, um Stammzellen bis zu einem Zwischenstadium zu differenzieren.“

Die kleinen Moleküle bestehen aus einer chemischen Verbindung namens CHIR99021 (CHIR) und aktivieren den Signalweg namens Wnt, der die Zelle zu einem der Zwischentypen lenkt. Wenn Wnt vollständig aktiviert ist, wird die Zelle zu einem Mesoderm und schließlich zu einer reifen Herzzelle. Aber eine kleinere Dosis von CHIR aktiviert den Wnt-Signalweg nur teilweise, was zu einer Endodermzelle führt, die in eine reife Pankreas-Beta-Zelle oder Leberzelle überredet werden kann.

„Niemand sonst hat dies entdeckt, weil man die CHIR-Konzentration präzise und sorgfältig optimieren muss“, sagte der Erstautor Yuqian Jiang, ein Doktorand für Biomedizintechnik in Lians Labor. „Wir wissen, dass CHIR für die Differenzierung von Stammzellen wichtig ist, aber andere könnten nur eine Off-Target-Konzentration dieser Chemikalie testen und denken, dass sie überhaupt nicht funktioniert. Wir haben alle möglichen Konzentrationen getestet und die genaue gefunden, um Stammzellen in Endodermzellen zu differenzieren.“

Die Forscher dosierten Zellen mit zunehmenden Konzentrationen von CHIR. Sie fanden heraus, dass die niedrigste Dosis nicht ausreichte, um die Zellen umzuwandeln, während die höheren Dosen die Zellen vollständig abtöteten. Bei der zweit- und drittniedrigsten Dosis wurden bis zu 87 % der Stammzellen zu Endodermzellen, die weiter zu Betazellen der Bauchspeicheldrüse geleitet werden konnten.

„Die Differenzierung von Betazellen dauert etwa einen Monat, wobei verschiedene chemische Cocktails hinzugefügt werden, die durch frühere Forschungen in verschiedenen Schritten etabliert wurden“, sagte Jiang. „Aber frühere Protokolle verwendeten Wachstumsfaktoren, um die Stammzellen zu Endodermzellen zu entwickeln. Unser Protokoll eliminiert diese Notwendigkeit, spart Kosten und produziert dennoch eine gute Anzahl von Zellen.“

Die Forscher testeten die entwickelten Betazellen der Bauchspeicheldrüse auch mit Glukose. Die Zellen produzierten Insulin basierend auf der in ihrer Umgebung vorhandenen Glukose und demonstrierten ihre Funktionalität, sagte Lian. Um zu verhindern, dass der Körper der Patienten diese Zellen abtötet – das anfängliche Problem für Menschen mit Typ-1-Diabetes – planen die Forscher, die künstlich hergestellten, aus Stammzellen gewonnenen Betazellen vor der Transplantation mit Polymeren aus Biomaterial zu verkapseln. Laut Lian würde dies die Zellen schützen und es ihnen dennoch ermöglichen, ihre Umgebung wahrzunehmen und angemessene Insulinspiegel herzustellen.

„Unser Ansatz ermöglicht es uns, dieselbe kostengünstige Chemikalie in unterschiedlichen Dosen zu verwenden, um verschiedene Zwischenzelltypen zu erzeugen, von denen einer zu Betazellen der Bauchspeicheldrüse werden kann“, sagte Lian. „Wir arbeiten jetzt daran, diesen Ansatz zu optimieren und in klinische Studien zu überführen, aber wir haben die harte Arbeit geleistet, um die Kosten erheblich zu senken. Zelltherapie ist erstaunlich, aber nicht jeder kann sie sich leisten. Unser Ziel ist es, es allen zur Verfügung zu stellen, die es brauchen.“

Lian ist auch mit dem Huck Institute of the Life Sciences verbunden.

„Als ich Lance zum ersten Mal darüber sprechen hörte, was er vorhatte, war ich erstaunt über seine Kühnheit“, sagte Andrew Read, Direktor des Huck Institutes of the Life Sciences. „Seine Arbeit verkörpert die Art von Wissenschaft, die darauf abzielt, das Spiel komplett zu verändern. Ich freue mich sehr, dass er diesen wichtigen Meilenstein erreicht hat.“

Weitere Mitwirkende sind Lians Labormitarbeiter Chuanxin Chen, der 2018 seinen Abschluss machte und jetzt beim Bioland Laboratory in China arbeitet, und Lauren N. Randolph, Postdoktorandin am Department of Biomedical Engineering und den Huck Institutes of the Life Sciences. Xin Zhang und Songtao Ye vom Department of Chemistry des Eberly College of Science; und Xiaoping Bao von der Davidson School of Chemical Engineering an der Purdue University leisteten ebenfalls Beiträge.

Das National Institute of Biomedical Imaging and Bioengineering der National Institutes of Health, die National Science Foundation und Penn State unterstützten diese Arbeit.

 

Geschichte Quelle:

Materialien Zur Verfügung gestellt von Penn State. Original geschrieben von Ashley J. WennersHerron. Hinweis: Der Inhalt kann für Stil und Länge bearbeitet werden.


Journal Referenz:

  1. Yuqian Jiang, Chuanxin Chen, Lauren N. Randolph, Songtao Ye, Xin Zhang, Xiaoping Bao, Xiaojun Lance Lian. Generierung von Pankreasvorläufern aus humanen pluripotenten Stammzellen durch kleine MoleküleStammzellenberichte, 2021; DOI: 10.1016 / j.stemcr.2021.07.021
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