De vorming van primitief longweefsel in organoïden uit stamcellen.

    Dr. Reinoud Gosens | Rijksuniversiteit Groningen | 13 mei 2015 |

Wat nu als we longweefsel artificieel konden opkweken in een lab….en dit ook de complexe 3 dimensionale architectuur konden meegeven die karakteristiek is voor het weefsel? Het zou een fantastische wetenschappelijke stap zijn die bovendien vele toepassingen zou kennen, bijvoorbeeld op gebied van longweefselherstel, maar ook op gebied van inzichten in stamceldifferentiatie en farmacologisch onderzoek naar de effecten van geneesmiddelen hierop.

Zover is het nog niet. Het ontbreekt ons simpelweg aan voldoende kennis omtrent het vormen van complexe weefselstructuren die karakteristiek zijn voor de long uit stamcellen. Een belangrijke reden voor dit gebrek aan kennis, is het onvoldoende beschikbaar zijn van de juiste modellen om in vitro de vorming van longweefsel in alle 3 de dimensies te kunnen bestuderen. Stamcellen zijn overigens wel beschikbaar en worden veelal in vitro bestudeerd waarbij wordt gekweekt in 2 dimensies, d.w.z. door de cellen uit te platen op plastic dragers als petrischalen. Dit levert waardevolle informatie op, maar niet voldoende om volledig inzicht in het proces van longontwikkeling en –herstel te verkrijgen.

Om deze reden zoeken veel onderzoekers naar 3D modellen om betere inzichten te kunnen verkrijgen. Een voorbeeld is de longslice, waarmee het gedrag van cellen en weefsels in hun oorspronkelijke structuur en met behoud van cel-cel en cel-matrixcontacten kan worden onderzocht. Voor een goed en zuiver beeld naar de rol van de stamcel zijn organoïden bij uitstek geschikt. Organoïden zijn 3 dimensionale weefselstructuren, in vitro gevormd uit stamcellen. Ze worden al langer gebruikt bij onderzoek naar het functioneren van stamcellen in de dunne darm en onlangs werd duidelijk dat ze hierin voorspellende werking kunnen hebben in het bepalen van het gedrag van mutante CFTR chloride kanalen bij cystische fibrose. Een goed organoïde model voor het bestuderen van longweefsel is nog niet voorhanden.

Dye et al. bestuderen in hun recente werk, gepubliceerd in het wetenschappelijk tijdschrift eLIFE, de vorming van primitief longweefsel uit stamcellen en rapporteren een methode waarmee niet alleen epitheelcellen, maar ook mesenchymale cellen als fibroblasten en luchtweg-gladde spiercellen kunnen worden gevormd in een 3 dimensionale architectuur die veel weg heeft van een luchtweg. Ook worden alveoli-achtige structuren gevormd die meer karakteristiek zijn voor perifeer longweefsel. Een indrukwekkende stap in het doel longweefsel in vitro te vormen uit stamcellen.

De onderzoekers gebruikten voor hun werk embryonale stamcellen. Eerder publiceerden ze de vorming van endoderm, waarbij deze stamcellen zichzelf organiseren in 3 dimensionale structuren van mesenchymale cellen en gepolariseerde epitheelcellen door BMP en TGF-β signalering te onderdrukken met Activin-A. Tevens publiceerden de onderzoekers al dat hieropvolgende blootstelling aan WNT en FGF de specificatie naar darmweefsel voorkomt, en een differentiatie veroorzaakt die lijkt op de differentiatie naar de zogenaamde ‘anterior foregut’ waaruit de longen ontspringen tijdens ontwikkeling in utero.

In deze studie voegen ze aan het model toe dat ook longspecifieke cellen kunnen worden gedifferentieerd door de organoïden na bovengenoemd protocol bloot te stellen aan achtereenvolgens een periode van hedgehog activatie en FGF inhibitie, gevolgd door activatie met behulp van FGF10. Hedgehog signalering is noodzakelijk voor goede communicatie tussen epitheelcellen en mesenchymale cellen, en de combinatie van hedgehog activatie en FGF inhibitie bleek essentieel in het vormen van Nkx2.1 positieve longepitheelcellen, terwijl de expressie van de marker PAX8, die schildklierepitheelcellen typeert ermee wordt voorkomen. De blootstelling aan FGF10 na afloop van deze differentiatiestap bleek op zijn beurt noodzakelijk om epitheelcellen uit te differentiëren tot trilhaarepitheelcellen en te voorkomen dat mesenchymale cellen de overhand zouden krijgen in het organoïde. Ook bleek door deze uitgebalanceerde, stapsgewijze differentiatiestappen, luchtweg-glad spierweefsel te ontstaan dat zich aangrenzend aan epitheel ontwikkelde, zoals typisch is voor proximale luchtwegen. Tevens werden in de organoïden alveolaire structuren waargenomen, waarin surfactant producerende voorlopercellen zichtbaar waren. Genexpressiestudies van de gevormde organoïden gaven aan dat de genexpressiepatronen in het organoïde nog het meest lijken op longweefsel tijdens de foetale ontwikkeling. Een spectaculaire serie van bevindingen, die aangeeft dat het mogelijk is om vanuit embryonale stamcellen, door een strak getimed protocol van opeenvolgende blootstellingen aan agonisten en antagonisten voor morfogenen en groeifactoren, primitief longweefsel te ontwikkelen.

Nu zijn we er helaas nog niet. Voor de vorming van longweefsel is ook een proces van zichzelf vertakkende luchtwegen nodig en de gecoördineerde vorming van alveolair weefsel distaal hiervan. Gezien het ontbreken van zenuwcellen en kraakbeen in het organoïde mag worden verondersteld dat deze structuren een essentiële rol hebben in dat proces. Er is dan ook nog geen volledig longweefsel gevormd. Deze uitdaging is met deze studie echter wel een belangrijke stap dichterbij.

Toch zijn er ook onmiddellijke toepassingen van dit onderzoek. Deze studies in organoïden leveren ons belangrijke informatie op voor wat betreft de mechanismen die ten grondslag liggen aan stamceldifferentiatie naar longspecifieke voorlopercellen en terminaal gedifferentieerde longepitheelcellen. Ook is het mijn stellige overtuiging dat 3 dimensionale modellen met natuurlijke communicatie tussen epitheliale en mesenchymale cellen, met cel-matrixcontacten en een natuurlijke bio-mechanische samenstelling van het weefsel, waardevol zullen zijn in geneesmiddelonderzoek naar longherstel en voorspellender zullen zijn dan 2 dimensionale modellen. De toekomst zal uitwijzen of de vorming van volledig gedifferentieerd longweefsel met dergelijke methoden ook haalbaar is.

Referentie: Dye BR, Hill DR, Ferguson MA, Tsai YH, Nagy MS, Dyal R, et al. In vitro generation of human pluripotent stem cell derived lung organoids. Elife 2015 Mar 24;4:10.7554/eLife.05098.

Geschreven door:  Reinoud Gosens, Rijksuniversiteit Groningen

Keyword: longweefsel stamcellen organoiden

Terug naar het overzicht

Gratis nieuwsbrief

Blijf op de hoogte van het laatste nieuws over subsidies, zorg en onderzoek naar astma, COPD en andere longziekten.