Oamenii de știință BU transformă celulele IPS umane în celule pulmonare

„Bronhosferele” pot deschide calea pentru tratamente personalizate cu fibroză chistică

H plămânii umani, la fel ca toate organele, își încep existența ca pachete de celule stem nediferențiate. Dar, în câteva luni, celulele se organizează. Acestea se adună împreună, se ramifică și se înmuguresc, unele formând căi respiratorii și altele alveole, sacii delicate în care corpul nostru schimbă oxigenul cu dioxidul de carbon. Rezultatul final, în mod ideal: doi plămâni sănătoși, respirați.

De ani de zile, oamenii de știință care studiază boli pulmonare precum fibroza chistică au încercat să urmărească în detaliu acest proces, de la început până la sfârșit, în speranța că înțelegerea modului în care plămânii se formează în mod normal poate ajuta la explicarea modului în care lucrurile merg prost. Acum, oamenii de știință de la Centrul de Medicină Regenerativă al Universității din Boston (CReM) au anunțat două constatări majore care ne promovează înțelegerea acestui proces: capacitatea de a crește și purifica primii progenitori pulmonari care apar din celulele stem umane și capacitatea de a diferenția aceste celule în „bronhosfere” minuscule care modelează fibroza chistică. Cercetătorii speră că rezultatele, publicate separat în Journal of Clinical Investigation și Cell Stem Cell , vor duce la noi abordări „medicale personalizate” pentru tratarea bolilor pulmonare.

„Sortarea acestor celule la puritate este cu adevărat dificilă și importantă”, spune Darrell Kotton, director al CReM și co-autor al ambelor lucrări, împreună cu Brian Davis de la UTHealth de la Universitatea din Texas. „Este primul pas în încercarea de a prezice modul în care o persoană ar putea răspunde la tratamentele existente sau la medicamentele noi.”

„Există o listă lungă de boli pulmonare pentru care nu există alte tratamente decât un transplant pulmonar”, a adăugat Kotton, a cărui activitate este finanțată de Institutul Național de Sănătate (NIH), Fundația pentru Fibroză Chistică și Massachusetts Life Centrul de Științe. „Este extrem de important să dezvoltăm noi instrumente pentru înțelegerea acestor boli.”

Oamenii de știință CReM lucrează cu celule stem pluripotente induse sau iPSC, care au fost descoperite de Shinya Yamanaka în 2006. Yamanaka și-a dat seama cum să ia o celulă adultă în corpul uman – cum ar fi o celulă sanguină sau o celulă a pielii – și „reprograma” o transformă într-o celulă stem cu capacitatea de a crește în orice organ. În ultimii ani, mai multe grupuri de oameni de știință au crescut celule pulmonare din iPSC-uri umane, dar rețetele nu sunt perfecte – celulele pulmonare rezultate cresc în mijlocul unui amestec de celule hepatice, celule intestinale și alte țesuturi.

„Este o problemă importantă”, spune Finn Hawkins, profesor asistent de medicină al Școlii de Medicină BU (MED) și care face parte din echipa CReM. Hawkins este co-primul autor al ziarului Journal of Clinical Investigation , alături de Philipp Kramer, fost al UTHealth. „Dacă doriți să utilizați aceste celule pentru a studia plămânii, trebuie să scăpați de celelalte.”

În primul rând, Hawkins avea nevoie de o modalitate de a identifica celulele pulmonare. Lucrările anterioare realizate de Kotton și alți oameni de știință CReM au demonstrat că celulele stem ale șoarecilor exprimă o genă numită Nkx2-1 la „decizia destinului” – momentul în care se transformă în celule pulmonare. „Aceasta este prima genă care apare, care spune:„ Sunt o celulă pulmonară ”, spune Hawkins. Kotton a construit o genă reporter care a strălucit verde când celulele stem au exprimat prima dată Nkx2-1, iar Hawkins a conceput aceeași genă în celule umane. Acum, el ar putea detecta și purifica cu ușurință celulele pulmonare verzi strălucitoare.

Folosind un citometru de flux, Hawkins și colegii săi au separat celulele verzi din amestec, apoi le-au crescut într-o matrice. Rezultatul: mici sfere verzi de aproximativ jumătate de milimetru lățime, „o populație de celule pulmonare pure, timpurii”, spune Hawkins. Echipa numește micile sfere „organoide”, versiuni simplificate și miniaturizate ale unui organ, care conțin tipuri cheie de celule pulmonare. Organoidele sunt instrumente și servesc cel puțin două scopuri importante. În primul rând, ei permit oamenilor de știință să studieze, în detaliu, un moment critic în dezvoltarea plămânilor umani despre care se știe foarte puțin. „Am descoperit că multe dintre genele care controlează dezvoltarea pulmonară la alte specii, cum ar fi șoarecii, sunt exprimate și în aceste celule umane”, spune Hawkins.

Organoidele au și un alt scop: oamenii de știință le pot transforma în tipuri de celule mai mature, specifice – cum ar fi celulele căilor respiratorii sau celulele alveolare – care sunt critice pentru funcția pulmonară. „Acum putem începe să ne uităm la boală”, spune Hawkins. Aici intră în scenă Katherine McCauley (MED’17), candidată la doctorat în anul cinci la CReM.

Interesul lui McCauley este fibroza chistică, o boală cauzată de mutații într-o singură genă, CFTR. Mutația determină plămânii unei persoane să producă un mucus gros și vâscos care duce la infecție, inflamație și, în cele din urmă, insuficiență pulmonară. Pentru mulți pacienți, nu există nici un remediu.

McCauley, privind primele etape ale bolii, a vrut să ducă celulele pulmonare purificate ale lui Hawkins la pasul următor și să-și dea seama cum au devenit celule ale căilor respiratorii. Prin multe experimente minuțioase, ea a pornit la zero pe o cale de semnalizare numită Wnt, cunoscută ca fiind importantă în dezvoltarea plămânilor de șoarece. Prin oprirea căii, ea a ghidat celulele pulmonare imature în a deveni celule ale căilor respiratorii. Apoi, le-a crescut în mici bile de celule, pe care le-a numit „bronhosfere”.

La fel ca organoizii lui Hawkins, bronhosferele nu acționează ca o bronhie; ele sunt pur și simplu o colecție de celule specifice. Dar specificitatea lor le face extrem de utile. „Am vrut să vedem dacă putem să le folosim pentru a studia bolile căilor respiratorii”, spune McCauley. „Acesta este unul dintre marile obiective: să proiectăm aceste celule de la pacienți și apoi să le folosim pentru a studia bolile acelor pacienți.”

Ca o dovadă a conceptului, McCauley a obținut două linii celulare de la un pacient cu fibroză chistică, una în care mutația CFTR care a cauzat boala a fost corectată și una în care nu, și le-a transformat în bronhosfere. Pentru a vedea dacă rețeta ei a funcționat, a efectuat un test, aplicând un medicament care ar trebui să determine umplerea cu lichid a sferelor formate din celule normale, care funcționează. A funcționat: bronhosferele „fixe” au început să se umfle, în timp ce sferele de fibroză chistică nu au reacționat. „Partea interesantă este că am măsurat acest lucru folosind microscopie de mare viteză și apoi am calculat schimbarea zonei în timp”, spune McCauley, care a publicat aceste rezultate în Cell Stem Cell și este autorul principal al studiul. „Deci, acum putem evalua funcția CFTR într-un mod cantitativ.”

Următorul pas, spune McCauley, este îmbunătățirea testului și extinderea acestuia și crearea unor teste similare pentru alte boli pulmonare. „Scopul final este de a lua celule de la un pacient și apoi de a examina diferite combinații de medicamente”, spune ea. „Ideea că am putea lua celulele unui pacient și să testăm nu douăzeci, ci sute sau mii de medicamente și, de fapt, să înțelegem cum va răspunde pacientul înainte de a le oferi chiar tratamentul, este doar o idee incredibilă.”

Această poveste despre celulele ips publicată inițial la bu.edu.

Pentru comentarii suplimentare ale experților Universității din Boston, urmați-ne pe Twitter la @BUexperts și pe Instagram la @buexperts .