Informatie

Als er een volledig functionele in het laboratorium gekweekte alvleesklier kan bestaan, kan deze dan worden gebruikt als remedie voor diabetes type 2?


Is het ongeveer equivalent om te zeggen dat als er een volledig functionele alvleesklier in het laboratorium bestaat, er binnenkort een manier zou kunnen zijn om diabetes type 2 te genezen?

Onlangs heb ik al uitgecheckt dat alleen de remissie bestaat bij een maagoperatie.

referentie: 1) http://care.diabetesjournals.org/content/34/Supplement_2/S361

2) http://www.medscape.com/viewarticle/733691 (volledige toegang vereist lidmaatschap)


Aangezien de consensus is dat het onderliggende initiële probleem bij t2dm de ontwikkeling van insuline-ongevoeligheid is in de aanwezigheid van een normaal functionerende alvleesklier, zal het vervangen van die alvleesklier in een verder gevorderd stadium van de ziekte niet leiden tot normalisatie van de glucosespiegels.

http://journal.diabetes.org/clinicaldiabetes/v18n22000/pg80.htm


Het modelleren van de endocriene pancreas in gezondheid en ziekte

Diabetes mellitus is een multifactoriële ziekte die wereldwijd steeds meer patiënten treft. Progressie naar insulineafhankelijke diabetes mellitus wordt gekenmerkt door verlies of disfunctie van -cellen van de pancreas, maar de pathomechanismen die ten grondslag liggen aan β-celfalen bij type 1 diabetes mellitus en type 2 diabetes mellitus zijn nog steeds slecht gedefinieerd. Regeneratie van β-celmassa van resterende eilandcellen of vervanging door β-achtige cellen afgeleid van stamcellen is een grote belofte om de ziekteprogressie te stoppen of om te keren. De ontwikkeling van nieuwe behandelingsopties wordt echter belemmerd door ons beperkte begrip van de organogenese van de alvleesklier bij de mens vanwege de beperkte toegang tot primaire weefsels. Daarom is de uitdaging om resultaten die zijn verkregen uit preklinische modelsystemen te vertalen naar mensen, wat vergelijkende modellering van β-celbiologie in gezondheid en ziekte vereist. Hier bespreken we diverse modelleringssystemen voor verschillende soorten die ruimtelijke en temporele resolutie van cellulaire en moleculaire mechanismen bieden om de evolutionair geconserveerde genotype-fenotype-relatie te begrijpen en deze naar de mens te vertalen. Daarnaast vatten we de nieuwste kennis samen over organoïden, stamceldifferentiatieplatforms, primaire micro-eilandjes en pseudo-eilandjes, bio-engineering en microfluïdische systemen voor het bestuderen van de ontwikkeling van de menselijke pancreas en homeostase ex vivo. Deze nieuwe modelleringssystemen en -platforms hebben nieuwe wegen geopend voor het verkennen van het ontwikkelingstraject, de fysiologie, de biologie en de pathologie van de menselijke alvleesklier.


Voor diabetes biedt stamcelrecept nieuwe hoop

Douglas Melton is net zo ongeduldig als iedereen voor een remedie voor diabetes. Zijn zoon ontwikkelde de ziekte als baby en bij zijn dochter werd op 14-jarige leeftijd de diagnose gesteld. Het grootste deel van de afgelopen 2 decennia heeft de ontwikkelingsbioloog van het Harvard Stem Cell Institute zijn onderzoek gericht op het vinden van een remedie. Deze week rapporteren hij en zijn collega's een potentieel belangrijke stap in de richting van dat doel: een recept dat menselijke stamcellen kan veranderen in functionele alvleesklier-β-cellen - de cellen die worden vernietigd door het eigen immuunsysteem van het lichaam bij diabetes type 1 patiënten zoals Melton's zoon en dochter. De cellen die de onderzoekers maakten, reageren op glucose door insuline aan te maken, net als normale β-cellen. En wanneer geïmplanteerd in muizen met een vorm van diabetes, kunnen de cellen de aandoening genezen.

"De diabetesonderzoeksgemeenschap wacht al eeuwen op dit soort doorbraken", zegt Jorge Ferrer, die de genetica van β-cellen bestudeert aan het Imperial College London. De in het laboratorium gegenereerde cellen zouden een waardevol hulpmiddel moeten zijn voor het bestuderen van diabetes en, zo hoopt Melton, uiteindelijk kunnen worden gebruikt om patiënten te behandelen.

Gedurende de dag reguleert de alvleesklier de bloedsuikerspiegel van het lichaam en reageert op een verhoging van de glucose na een maaltijd door insuline af te scheiden, wat de cellen helpt de suiker op te nemen. Bij type 1-diabetes doodt het immuunsysteem van het lichaam per ongeluk de β-cellen om nog onbekende redenen, en blijft het lichaam achter zonder insuline. Mensen beheersen hun diabetes door zorgvuldig gekalibreerde doses insuline te injecteren. Maar het is bijna onmogelijk om de precieze insulinecontrole te matchen die wordt bereikt door de gezonde alvleesklier, dus onderzoekers hopen al tientallen jaren een manier te vinden om de ontbrekende cellen te vervangen.

Toen wetenschappers in 1998 menselijke embryonale stamcellen (ES) isoleerden, steeg de hoop. ES-cellen zijn pluripotent, wat betekent dat ze in theorie kunnen veranderen in elk celtype van het lichaam, inclusief β-cellen. Inderdaad, een van de eerste dingen die onderzoekers probeerden te maken van ES-cellen waren -cellen van de alvleesklier. Later probeerden ze het met zogenaamde geïnduceerde pluripotente stamcellen (iPS), gemaakt door volwassen cellen te herprogrammeren tot een embryo-achtige toestand. Hoe dan ook, "het is een buitengewoon gecompliceerde onderneming gebleken", zegt Mark Magnuson van de Vanderbilt University in Nashville, die de ontwikkeling van de alvleesklier bestudeert.

Verschillende teams hebben stamcellen omgezet in voorlopers van β-cellen, die rijpen wanneer ze in proefdieren worden geplaatst. Maar de cellen hebben 6 weken nodig om volledig functionele β-cellen te worden, en ze kunnen niet gemakkelijk buiten het lichaam worden bestudeerd. Desalniettemin is vorige maand een klinische proef gestart om hun therapeutisch gebruik bij patiënten te testen.

In Cel deze week rapporteren Melton en zijn collega's een complex recept dat menselijke ES-cellen of iPS-cellen direct in functionele β-cellen kan transformeren. De doorbraak is gebaseerd op meer dan tien jaar vasthoudend werk in Meltons lab. Hij en zijn collega's hebben nauwgezet de signalen bestudeerd die de ontwikkeling van de alvleesklier sturen, en hebben toegepast wat zij en anderen hebben gevonden om een ​​methode te ontwikkelen die stamcellen verandert in rijpe β-cellen. "Dit is geen magie", zegt Melton. "Het is niet zozeer een ontdekking als wel toegepaste ontwikkelingsbiologie."

Het protocol "is reproduceerbaar, maar het is vervelend", voegt Melton eraan toe. De stamcellen worden gekweekt in kolven en vereisen vijf verschillende groeimedia en 11 moleculaire factoren, van eiwitten tot suikers, die in 35 dagen in nauwkeurige combinaties worden toegevoegd om ze in β-cellen te veranderen. Aan de positieve kant, zegt Melton, kan de techniek 200 miljoen β-cellen produceren in een enkele fles van 500 ml - genoeg, in theorie, om een ​​patiënt te behandelen. Melton zegt dat het protocol even goed lijkt te werken met ES- als iPS-cellijnen.

Voordat de cellen kunnen worden gebruikt om diabetes type 1 te behandelen, moeten onderzoekers een manier vinden om ze te beschermen tegen immunologische afstoting. Dezelfde auto-immuunrespons die de ziekte veroorzaakte, zou waarschijnlijk nieuwe β-cellen aanvallen die afkomstig zijn van de eigen iPS-cellen van de patiënt, en een normale immuunrespons zou van ES afgeleide β-cellen vernietigen, die vreemd zouden lijken. (Dat was een uitdaging voor de inspanningen om diabetes type 1 te behandelen met ontvangen transplantaties van β-cellen van overleden orgaandonoren.) Melton en collega's onderzoeken nu hoe ze hun stamcel-afgeleide β-cellen fysiek kunnen inkapselen, evenals manieren om de β cellen om ze in staat te stellen immuunaanvallen af ​​te weren.

In de tussentijd moeten de cellen helpen bij de studie van de auto-immuunziekte. De techniek "biedt mogelijk manieren om modelsystemen te creëren voor het bestuderen van de genetische basis van diabetes, of om nieuwe therapieën te ontdekken om bestaande β-cellen te verbeteren", zegt Ferrer. Melton zegt dat zijn laboratorium iPS-cellijnen heeft van mensen met diabetes - zowel type 1 als type 2, waarbij de β-cellen niet worden vernietigd - en gezonde controles. Ze genereren β-cellen uit die cellijnen om te zoeken naar verschillen die zouden kunnen verklaren hoe de verschillende vormen van de ziekte zich ontwikkelen. Ze zullen ook screenen op chemicaliën die de schade die diabetes aan β-cellen aanricht, kunnen stoppen of zelfs ongedaan kunnen maken.

Melton zegt dat zijn zoon en dochter – nu 23 en 27 jaar oud – blij maar niet verrast waren door de vooruitgang van zijn groep. Ze draaiden de ouder-kindrol om en zeurden hem zachtjes om "aan de slag te gaan en het [immuunafstoting]probleem op te lossen."


De anatomie van de ontwikkeling van de alvleesklier

De alvleesklier wordt vaak beschreven als twee organen in één, vanwege de verschillende functie en organisatie van de endocriene en exocriene componenten. Bij hogere gewervelde dieren kan het beter worden gezien als vier organen, omdat het anatomisch verschillende dorsale en ventrale lobben omvat. Deze twee pancreaslobben worden bij mensen respectievelijk de staart en kop genoemd en ontstaan ​​​​als verdikkingen langs de dorsale en ventrale oppervlakken van de achterste voordarm, nabij het toekomstige hepatische endoderm (figuur 1A). Deze verdikkingen zijn histologisch herkenbaar aan ongeveer 9 dagen ontwikkeling (E9.0-E9.5) in de muis (Wessells en Cohen, 1967). Met behoud van de luminale continuïteit met de darmbuis, evagineren deze structuren in het omringende mesenchym als dichte epitheliale knoppen, die vervolgens uitzetten, vertakken en differentiëren om een ​​volledig functioneel orgaansysteem op te leveren voorafgaand aan de geboorte (Fig. 1A, Fig. 2). Darmrotatie brengt de twee lobben dicht bij elkaar bij mensen, hun ductale systemen ondergaan gedeeltelijke fusie, hoewel dit proces minder duidelijk is bij knaagdieren.

Het grootste deel van de rijpe pancreas bestaat uit acinaire cellen, verbonden met de darm via een sterk vertakte ductale boom, terwijl eilandjes voornamelijk verspreid zijn door de centrale regio's van het orgel. Verschillende afzonderlijke endocriene celtypen omvatten het eilandje: β-cellen zijn de meest prominente (50-80% van het totaal, afhankelijk van de soort) (Brissova et al., 2005 Cabrera et al., 2006), en hebben de neiging om te segregeren naar de eilandkern, met andere celtypen die dichter bij de mantel zijn gerangschikt (zie figuur 3R). Glucagon-producerende α-cellen zijn het volgende meest voorkomende celtype. De overige eilandjescellen, die elk een kleine minderheid van het totaal uitmaken, omvatten δ-cellen, die somatostatine produceren, PP-cellen, die pancreaspolypeptide produceren, en de recent beschreven ϵ-cellen. -cellen die ghreline produceren (Prado et al., 2004 Wierup et al., 2002).

De zichtbare anatomie van de zich ontwikkelende alvleesklier wordt voorafgegaan door de moleculaire anatomie van differentiële genexpressie, en weinig genen zijn in dit opzicht beter bestudeerd dan de homeodomein-transcriptiefactor Pdx1. De eerste uitdrukking van Pdx1 (E8.5-E9.0) markeert het pre-pancreas-endoderm voordat het zichtbaar verdikt is (Ahlgren et al., 1996 Guz et al., 1995 Offield et al., 1996) (Fig. 2), en komt overeen met de klassiek gedefinieerde periode van pancreasspecificatie (Wessells en Cohen, 1967). Vroeg Pdx1 expressie is daarom een ​​bruikbare marker voor de identiteit van de pancreas, hoewel deze zich gedurende de volgende dagen van ontwikkeling uitbreidt om de achterste maag, de twaalfvingerige darm en het galkanaal te omvatten. Een andere transcriptiefactor, Ptf1a, wordt ook tot expressie gebracht in de vroege pancreas en de endodermale expressie ervan blijft pancreasspecifiek gedurende de ontwikkeling (Kawaguchi et al., 2002).

Pancreas anatomie, lijnen en genen. (EEN) De dorsale en ventrale pancreata (respectievelijk dp en vp) ontstaan ​​bij ongeveer E8.5 in de muis (boven), uit twee stroken darmendoderm (gemarkeerd met dp, vp) die zich naast de vormende lever (li) binnenin bevinden het zich ontwikkelende darmendoderm. Bij E10.5 (midden) komen de pancreasprimordia uit in het omringende mesenchym en nemen een positie in tussen de maag (st) en de darm (in). Daaropvolgende darmrotatie, vanaf E12.5 (onderaan), brengt de twee lobben dichter bij elkaar, hoewel elk zijn oorspronkelijke ductale verbinding met de darm en/of het gemeenschappelijke galkanaal (cbd) behoudt. (B) Lineage tracing geeft aan dat alle volwassen pancreasceltypen afkomstig zijn van voorlopers die tot expressie brengen Pdx1 en/of Ptf1a (paars), en dat een subset van deze voorlopers zich gaat uiten Ngn3 en differentiëren tot eilandjescellen. Voor verschillende aspecten van de aangegeven stappen zijn, zoals beschreven in de tekst, genen nodig die in het rood staan ​​vermeld.

Pancreatische anatomie, lijnen en genen. (EEN) De dorsale en ventrale pancreata (respectievelijk dp en vp) ontstaan ​​bij ongeveer E8.5 in de muis (boven), uit twee stroken darmendoderm (gemarkeerd met dp, vp) die zich naast de vormende lever (li) binnenin bevinden het zich ontwikkelende darmendoderm. Bij E10.5 (midden) komen de pancreasprimordia uit in het omringende mesenchym en nemen een positie in tussen de maag (st) en de darm (in). Daaropvolgende darmrotatie, vanaf E12.5 (onderaan), brengt de twee lobben dichter bij elkaar, hoewel elk zijn oorspronkelijke ductale verbinding met de darm en/of het gemeenschappelijke galkanaal (cbd) behoudt. (B) Lineage tracing geeft aan dat alle volwassen pancreasceltypen afkomstig zijn van voorlopers die tot expressie brengen Pdx1 en/of Ptf1a (paars), en dat een subset van deze voorlopers zich gaat uiten Ngn3 en differentiëren tot eilandjescellen. Voor verschillende aspecten van de aangegeven stappen zijn, zoals beschreven in de tekst, genen nodig die in het rood staan ​​vermeld.

Tracering van genetische afstamming (Box 1) laat zien dat: Pdx1 +-cellen vertegenwoordigen voorlopers van alle rijpe pancreasceltypen, inclusief kanaal-, eilandjes- en acinaire cellen (Gu et al., 2002) (Fig. 1B). Pdx1 komt in grote lijnen tot uiting in de pancreas tijdens de eerste paar dagen van de ontwikkeling van de pancreas, naarmate het orgaan groeit en vertakt (figuren 2, 3). Ptf1a expressie is even breed in de vroege stadia, en Kawaguchi et al. (Kawaguchi et al., 2002) hebben gevonden, door middel van lineage tracing met een Ptf1a Cre knock-in allel, dat Ptf1a + cellen dragen bij aan alle drie de volwassen geslachten. Deze auteurs merkten ook op dat een kleine populatie van duct- en eilandcellen niet werd gelabeld door Ptf1a Cre , mogelijk vanwege het feit dat Ptf1a expressie wordt beperkt tot acinaire voorlopercellen met ongeveer E13.5 (Fig. 2).

Kader 1. Lineage tracing en pancreasontwikkeling.Genetische afstammingstechnieken hebben veel inzicht opgeleverd in de ontwikkeling van de pancreas en andere weefsels. De meest gebruikelijke benadering voor het traceren van afstammingen maakt gebruik van Cre-recombinase, dat DNA-segmenten kan verwijderen die worden geflankeerd door loxP (zogenaamde floxed) sites (Branda en Dymecki, 2004). Er zijn muizenstammen ontwikkeld waarin de alomtegenwoordige expressie van een reportergen, zoals LacZ, wordt voorkomen door een floxed-sequentie die tussen de promotor en de reporter wordt geplaatst (Soriano, 1999). Cre-gemedieerde deletie van deze sequentie resulteert in erfelijke markering van de Cre tot expressie brengende cel. Wanneer Cre-expressie wordt aangedreven door een promotor die actief is in voorlopercellen, kan de afdaling van die cellen in verschillende klassen van gedifferentieerde nakomelingen worden getraceerd (Gu et al., 2002 Kawaguchi et al., 2002) (zie Fig. 1). Omgekeerd, als Cre mede tot expressie wordt gebracht met een differentiatiemarker, zoals insuline, kan men bepalen of gedifferentieerde cellen hun fenotype veranderen in de loop van embryogenese of volwassenheid. Een dergelijke benadering werd gebruikt om de hypothese te weerleggen dat rijpe - en β-cellen zijn afgeleid van voorlopers die glucagon en insuline samen tot expressie brengen (Herrera, 2000). Lineage tracing kan daarom waardevolle inzichten bieden die niet duidelijk zijn uit histologische studies. Een belangrijke beperking van de techniek is echter de relatief lage resolutie: als een bepaalde Cre-driver meerdere gedifferentieerde celtypen labelt, is het onmogelijk om te onderscheiden of die driver actief was in multipotente voorlopers of in afzonderlijke klassen van weefselbeperkte voorlopercellen. Een verdere beperking is dat recombinatie een analoge input (d.w.z. het niveau van Cre-expressie per cel) omzet in een digitale output (of het reportergen is geactiveerd of niet). Een bepaald Cre-transgen kan er daarom niet in slagen een weefsel van belang te labelen, hetzij omdat zijn promotor volledig stil is in de voorlopers van dat weefsel, of omdat het niveau van zijn expressie onder een cruciale drempel voor recombinatie valt. Cre-transgenen geven vaak een onvolledige labeling van specifieke weefsels of celtypes, mogelijk door deze gevoeligheidsdrempel.

Ptf1a en Pdx1 elk speelt een cruciale rol bij de specificatie van de pancreas, zoals hieronder wordt besproken, maar werd geïdentificeerd vanwege hun rol in volwassen celtype-specifieke genexpressie. In overeenstemming met de latere fase van expressie, Ptf1a werd geïdentificeerd als een acinaire genactivator (Krapp et al., 1996), en Ptf1a-deficiënte pancreata missen volledig acinaire cellen (Krapp et al., 1998). Pdx1, ondertussen, werd geïdentificeerd als een regulator van de ratteninsuline 1 (Ins1) gen (Ohlsson et al., 1993), en vanaf E15.5 wordt de expressie ervan voornamelijk beperkt tot β-cellen. (Merk op dat knaagdieren twee insulinegenen hebben, terwijl primaten er maar één hebben, aangezien de regulatie en pancreasexpressie van deze genen bijna identiek zijn, ik noem ze gezamenlijk als insuline.) De overgangen van Pdx1 en Ptf1a expressie valt samen met de algehele omzetting van voorlopers in rijpe endocriene en exocriene cellen (figuren 2, 3). Deze omzetting wordt ook weerspiegeld in de dynamische expressie van de bHLH-transcriptiefactor neurogenine 3 (Neurog3, ook gekend als Ngn3), die specifiek voorlopers van eilandjescellen markeert (Gu et al., 2002) (Fig. 1). Ngn3 + cellen verschijnen in kleine aantallen in het vroege orgaan, nemen dramatisch toe tijdens de mid-embryogenese en nemen uiteindelijk af richting de geboorte (Fig. 2, 3) (Gradwohl et al., 2000 Schwitzgebel et al., 2000). Net als bij neuronen worden daarom eilandjescellen gewoonlijk gegenereerd tijdens een beperkt ontwikkelingsvenster. Dit proces wordt neogenese genoemd, om het te onderscheiden van de proliferatie van reeds bestaande eilandjescellen.

Stadia van ontwikkeling van de alvleesklier. Schematische doorsneden van zich ontwikkelende embryo's en organen, die de progressie van de ontwikkeling van de alvleesklier weergeven. (EEN) Gelijktijdig met de specificatie van het orgel, Pdx1 en Ptf1a initiëren expressie in twee beperkte domeinen van het darmendoderm (en). Nabijgelegen weefsels, waaronder notochord (nt) en aorta (ao), kunnen dit specificatieproces bevorderen (Kim et al., 1997 Lammert et al., 2001 Yoshitomi en Zaret, 2004).(B) Mesenchym (mes) omringt de verdikkende knoppen als de eerste Ngn3 + pro-endocriene cellen verschijnen. (C) Daaropvolgende uitgroei produceert een dichte epitheliale knop, waarin vroege α-cellen beginnen te differentiëren. (NS) Verdere groei en vertakking gaat vooraf aan de secundaire overgang, die wordt gekenmerkt door een massale differentiatie van β-cel- en acinaire cellen, evenals door de progressieve beperking van Pdx1 en Ptf1a expressie naar deze respectieve celtypen.(E) Het orgel heeft zijn volwassen vorm aangenomen bij de geboorte, met verschillende eilandjes van Langerhans verspreid over exocriene acini en kanalen.

Stadia van ontwikkeling van de alvleesklier. Schematische doorsneden van zich ontwikkelende embryo's en organen, die de progressie van de ontwikkeling van de alvleesklier weergeven. (EEN) Gelijktijdig met de specificatie van het orgel, Pdx1 en Ptf1a initiëren expressie in twee beperkte domeinen van het darmendoderm (en). Nabijgelegen weefsels, waaronder notochord (nt) en aorta (ao), kunnen dit specificatieproces bevorderen (Kim et al., 1997 Lammert et al., 2001 Yoshitomi en Zaret, 2004).(B) Mesenchym (mes) omringt de verdikkende knoppen als de eerste Ngn3 + pro-endocriene cellen verschijnen. (C) Daaropvolgende uitgroei produceert een dichte epitheliale knop, waarin vroege α-cellen beginnen te differentiëren. (NS) Verdere groei en vertakking gaat vooraf aan de secundaire overgang, die wordt gekenmerkt door een massale differentiatie van β-cel en acinaire cellen, evenals door de progressieve beperking van Pdx1 en Ptf1a expressie naar deze respectieve celtypen.(E) Het orgel heeft zijn volwassen vorm aangenomen bij de geboorte, met verschillende eilandjes van Langerhans verspreid over exocriene acini en kanalen.

Dynamiek van endocriene specificatie en differentiatie.(A-F) Brightfield-microfoto's van Pdx1-immunokleuring in verschillende stadia van de ontwikkeling van de dorsale pancreas (dp) van de muis. Van E11.5-E15.5 wordt Pdx1 tot expressie gebracht in het hele pancreasepitheel (evenals in de achterste maag, st), en wordt vervolgens gedownreguleerd in acini (ac) en kanalen (du) terwijl het wordt gehandhaafd in -cellen van de eilandjes (is). (G-L) Confocale immunofluorescentiemicrofoto's in equivalente stadia, voor de pan-epitheliale marker E-cadherine (groen) en de voorloper van het eilandje Ngn3 (rood). Ngn3-expressie is zeldzaam op E11.5, piekt dramatisch tijdens de secundaire overgang (E13.5-E15.5) en neemt weer af op E17.5, en wordt niet-detecteerbaar in neonatale en volwassen pancreas. Pijlpunten geven proto-acinaire clusters aan de periferie van het vertakte epitheel aan, van waaruit Ngn3expressie wordt consequent uitgesloten. (DHR) Confocale detectie van glucagon (groen) en insuline (rood). Glucagon + -cellen komen relatief vaak voor op E11.5 en E13.5, terwijl grote aantallen insuline + β-cellen pas na E13.5 worden gedetecteerd. Vanaf E17.5 aggregeren endocriene cellen in herkenbare eilandjes, met β-cellen in hun kernen en α-cellen perifeer verdeeld. Schaalbalk in alle afbeeldingen, 50 m.

Dynamiek van endocriene specificatie en differentiatie.(A-F) Brightfield-microfoto's van Pdx1-immunokleuring in verschillende stadia van de ontwikkeling van de dorsale pancreas (dp) van de muis. Van E11.5-E15.5 wordt Pdx1 tot expressie gebracht door het pancreatische epitheel (evenals in de achterste maag, st), en wordt vervolgens gedownreguleerd in acini (ac) en kanalen (du) terwijl het wordt gehandhaafd in -cellen van de eilandjes (is). (G-L) Confocale immunofluorescentiemicrofoto's in equivalente stadia, voor de pan-epitheliale marker E-cadherine (groen) en de voorloper van het eilandje Ngn3 (rood). Ngn3-expressie is zeldzaam op E11.5, piekt dramatisch tijdens de secundaire overgang (E13.5-E15.5) en neemt weer af op E17.5, en wordt niet-detecteerbaar in neonatale en volwassen pancreas. Pijlpunten geven proto-acinaire clusters aan de periferie van het vertakte epitheel aan, van waaruit Ngn3meningsuiting wordt consequent uitgesloten. (DHR) Confocale detectie van glucagon (groen) en insuline (rood). Glucagon + -cellen komen relatief vaak voor op E11.5 en E13.5, terwijl grote aantallen insuline + β-cellen pas na E13.5 worden gedetecteerd. Vanaf E17.5 aggregeren endocriene cellen in herkenbare eilandjes, met β-cellen in hun kernen en α-cellen perifeer verdeeld. Schaalbalk in alle afbeeldingen, 50 m.

Ngn3 wordt tot expressie gebracht in duct-achtige epitheelcellen die zich centraal in de zich ontwikkelende alvleesklier bevinden, aangezien deze cellen differentiëren, ze downreguleren Ngn3, verlaat het epitheel en aggregeert in proto-eilandstructuren (Pictet en Rutter, 1972 Schwitzgebel et al., 2000). Belangrijk is dat het spectrum van endocriene differentiatie verandert door embryogenese, waarbij α-cellen vrij vroeg worden geboren (zie Kader 2) en andere celtypen, waaronder β-cellen, pas in E13.5 of later in significante aantallen worden gegenereerd (Herrera et al. ., 1991 Pictet en Rutter, 1972) (Fig. 2, 3). Interessant is dat β-celdifferentiatie gelijktijdig plaatsvindt met die van acinaire cellen, zij het in een ander gebied van het orgaan (Fig. 2), gedurende een periode die de 'secundaire overgang' wordt genoemd (Pictet en Rutter, 1972). Nieuw gedifferentieerde eilandjescellen zijn niet-delend, hoewel ze tegen de geboorte een lage proliferatie hervatten (Sander et al., 2000).

De waarneming dat eilandjes ontstaan ​​uit kanaalachtige voorlopers heeft geleid tot de al lang bestaande hoop dat het kanaal van de rijpe pancreas zou kunnen worden overgehaald tot hernieuwde β-celneogenese. Zoals we zullen zien, blijft het onduidelijk of dit gebeurt in de normale pancreas, of dat het in vitro kan worden geïnduceerd. Dezelfde onzekerheid geldt voor in wezen alle potentiële bronnen van transplanteerbare β-cellen. Het enige weefsel dat ondubbelzinnig β-celneogenese vertoont, is de embryonale pancreas, en om deze prestatie elders te reproduceren, moeten we waarschijnlijk begrijpen hoe het in situ gebeurt.


Onderzoek uitgevoerd bij DanStem

De afbeelding is gemaakt door assistent-professor Jacqueline Ameri van de Semb-groep

Door de belangrijkste ontwikkelingsstadia te recapituleren die optreden tijdens de normale ontwikkeling van de pancreas, kunnen menselijke pluripotente stamcellen (hPSC's) uiteindelijk worden geleid naar rijpe insulineproducerende bètacellen. Het onderste paneel toont een helderveldbeeld van ongedifferentieerde hPSC's (linkerafbeelding) die zijn gericht op een tussenstadium bestaande uit de pancreasvoorlopers (PP's, middelste fluorescentieafbeelding) die het vermogen hebben om alle cellen te vormen die in de pancreas worden aangetroffen, inclusief de bètacellen (rechter fluorescentiebeeld). Professor Henrik Semb en zijn groep plannen momenteel een fase 1/2-studie om de veiligheid en werkzaamheid te testen van de hPSC-afgeleide insuline tot expressie brengende cellen die in ons laboratorium zijn afgeleid. Verder zijn ze bezig met het ontwikkelen van methoden om de PP's uit te breiden met als doel ze te gebruiken als startcelpopulatie voor de productie van bètacellen.

De groep onder leiding van Professor Anne Grapin-Botton richt zich op het begrijpen van de impact van cellulaire en orgaanarchitectuur op de lotkeuzes van de cellen in de pancreas en hoe deze informatie wordt geïntegreerd met celsignalering om celdifferentiatie in meer gespecialiseerde celtypen te beheersen. Het algemene doel is om nieuw inzicht te krijgen in menselijke syndromen die de ontwikkeling van de alvleesklier belemmeren en om de aanmaak van functionele, insulineproducerende bètacellen voor toekomstige celgebaseerde diabetestherapie verder te begeleiden. Driedimensionale (3D) architectuur is belangrijk voor celdifferentiatie in de pancreas. De huidige protocollen die gericht zijn op het sturen van differentiatie van embryonale stamcellen in bètacellen, worden echter meestal toegepast op cellen die in 2 dimensies op de bodem van een schaal worden gekweekt. De groep is succesvol geweest in het ontwikkelen van een in vitro kweeksysteem dat leidt tot de 3D-zelforganisatie van mini-pancreas van verspreide voorlopers. Voorlopercellen zijn vroege afstammelingen van stamcellen, die enorm kunnen groeien, maar niet oneindig. Deze cellen kunnen vele pancreasceltypes vormen.

De Serup-groep richt hun onderzoek op de ontwikkelingsbiologie van de pancreas met als algemeen doel inzicht te krijgen in de signaalgebeurtenissen die de groei en differentiatie van pancreasceltypes reguleren, met speciale nadruk op de insulineproducerende bètacel. De groep heeft een speciale interesse in de Notch-signaleringsroute. Recent werk van professor Palle Serup en zijn groep suggereert dat het begrijpen van de richting van de signalering en de temporele venster(s) waardoor Notch werkt, informatief zal zijn voor het vaststellen van protocollen voor het genereren van volledig functionele bètacellen uit menselijke embryonale stamcellen.


Belangrijkste punten

Een definitieve remedie voor diabetes mellitus type 1 (T1DM) zal zowel het tekort aan β-cellen als de auto-immuunrespons op cellen die insuline tot expressie brengen aanpakken

Cellen die insuline tot expressie brengen, zijn verkregen door differentiatie van stamcellen van embryonale of volwassen oorsprong, evenals genetisch geherprogrammeerde en getransdifferentieerde cellen

De meest effectieve differentiatieprotocollen voor de afleiding van cellen die insuline tot expressie brengen, recapituleren de normale embryonale ontwikkeling

Kennis van de transcriptiefactoren die de ontwikkeling van de embryonale pancreas reguleren, heeft geholpen bij de evaluatie van verschillende strategieën die worden gebruikt om β-cellen te verkrijgen

Klinische onderzoeken hebben uit beenmerg afgeleide mesenchymale stromale cellen en navelstrengbloedcellen gebruikt om de immuunrespons te onderdrukken bij patiënten met T1DM

Ook al blijven er uitdagingen, de mogelijkheid van een effectieve stamceltherapie voor T1DM is een realistisch doel voor de nabije toekomst


Abstract

Het aantal gevallen van diabetes mellitus type 2 is de afgelopen jaren aanzienlijk toegenomen. Onderzoekers over de hele wereld combineren hun kennis van biologie, geneeskunde, weefseltechnologie en microtechnologie om nieuwe effectieve behandelingen te ontwikkelen. Een belangrijk aspect van het huidige onderzoek is de ontwikkeling van een compleet model van driedimensionale pancreaseilandjes om verschillende factoren te testen die de ontwikkeling van ziekten beïnvloeden en om nieuwe therapieën en medicijnen te evalueren. Verschillende methoden hebben de ontwikkeling van driedimensionale onderzoeksmodellen mogelijk gemaakt. Het gebruik van Lab-on-a-chip-systemen met de juiste microstructuurgeometrie is een veelbelovende oplossing voor problemen op macroschaal. Een dergelijk apparaat maakt de ontwikkeling mogelijk van een compleet platform dat de omstandigheden in het lichaam weerspiegelt. Organ-on-a-chip-platforms worden voornamelijk met succes gebruikt in onderzoeken naar long-, hart- en leverziekten. Deze review presenteert de huidige stand van kennis over het creëren van driedimensionale pancreatische eilandjesstructuren in zowel microschaal- als microfluïdische systemen. We belichten de belangrijkste aspecten van het ontwikkelen van de geometrie van dergelijke apparaten. We bespreken ook analytische detectiemethoden die geschikt zijn voor het detecteren van hormonen die worden uitgescheiden door pancreaseilandjes en, in combinatie met geschikte Lab-on-a-chip-systemen, kunnen worden gebruikt als een Micro Total Analysis System (μTAS).


Hepatische stamcellen

Volwassen stam-/voorlopercellen uit leverweefsel zijn een goede bron voor het maken van insulineproducerende cellen, aangezien lever en pancreas gemeenschappelijke bipotentiële voorlopercellen delen in het embryonale endoderm. Veel onderzoeken hebben aangetoond dat volwassen hepatocyten, menselijke foetale levercellen en leverstamcellen kunnen worden gedifferentieerd tot insulineproducerende cellen door geforceerde expressie van bètaceltranscriptiefactoren en/of manipulatie van de externe micro-omgeving.

Jin et al. rapporteerde onlangs dat wanneer onsterfelijk gemaakte leverepitheelvoorlopercellen, afgeleid van regeneratieve lever, stabiel werden getransduceerd met Pdx-1, gevolgd door behandeling met verschillende groeifactoren, ze differentieerden tot insuline tot expressie brengende cellen. Deze cellen scheidden insuline af als reactie op glucose, en transplantatie van deze cellen verbeterde diabetes bij STZ-geïnduceerde diabetische scid-muizen (24). Ectopische expressie van Pdx-1 in de lever van muizen induceerde insuline-expressie en verbeterde STZ-geïnduceerde diabetes (25). Expressie van Pdx1-VP16, een constitutieve actieve vorm van Pdx-1, in de lever samen met NeuroD of Ngn-3, induceerde efficiënter de differentiatie van hepatocyten tot insuline tot expressie brengende cellen (26).

Ovale leverstamcellen van ratten, die kunnen differentiëren tot hepatocyten en galwegepitheel, differentiëren tot endocriene cellen van de pancreas wanneer ze worden gekweekt in een omgeving met een hoog glucosegehalte, insuline afscheiden als reactie op glucose en het vermogen hebben om hyperglykemie om te keren bij STZ-geïnduceerde diabetische NOD/ scid-muizen (27). Menselijke foetale levervoorlopercellen die Pdx-1 tot expressie brengen, kunnen worden omgezet in cellen die insuline tot expressie brengen (28).


Recensie-artikel

/>Nazia Parveen en />Sangeeta Dhawan *
  • Afdeling Translationeel Onderzoek en Cellulaire Therapeutica, Arthur Riggs Diabetes and Metabolism Research Institute, City of Hope, Duarte, CA, Verenigde Staten

Pancreatische bètacellen spelen een centrale rol bij het reguleren van glucosehomeostase door het hormoon insuline af te scheiden. Falen van bètacellen als gevolg van verminderde functie en massa en de resulterende insuline-insufficiëntie kan de ontregeling van de glykemische controle veroorzaken, waardoor diabetes ontstaat. Epigenetische regulatie door DNA-methylatie staat centraal bij het vormgeven van de genexpressiepatronen die het volledig functionele bètacelfenotype definiëren en bètacelgroei reguleren. Het tot stand brengen van stadiumspecifieke DNA-methylatie begeleidt bètaceldifferentiatie tijdens de ontwikkeling van de foetus, terwijl getrouw herstel van deze handtekeningen tijdens DNA-replicatie zorgt voor het behoud van de identiteit en functie van bètacellen in het postnatale leven. Lineage-specifieke transcriptiefactornetwerken interageren met gemethyleerd DNA op specifieke genomische regio's om de regulerende specificiteit te verbeteren en de stabiliteit van genexpressiepatronen te waarborgen. Recent genome-wide DNA methylation profiling studies comparing islets from diabetic and non-diabetic human subjects demonstrate the perturbation of beta cell DNA methylation patterns, corresponding to the dysregulation of gene expression associated with mature beta cell state in diabetes. This article will discuss the molecular underpinnings of shaping the islet DNA methylation landscape, its mechanistic role in the specification and maintenance of the functional beta cell phenotype, and its dysregulation in diabetes. We will also review recent advances in utilizing beta cell specific DNA methylation patterns for the development of biomarkers for diabetes, and targeting DNA methylation to develop translational approaches for supplementing the functional beta cell mass deficit in diabetes.


Slotopmerkingen

It is becoming increasingly apparent that mitochondrial dysfunction is associated with many different clinical defects. As there is currently no reliable therapeutic that can rescue mitochondrial function, we should welcome all advances that are grounded in thorough research. Numerous reports indicate that defects can apparently be ameliorated by either endogenous or exogenous mitochondrial transplantation. We should consider these approaches with an open mind, providing the supporting data have been thoroughly validated. For patients with a poor prognosis, such as those children with Pearson's syndrome, it is argued that any treatment that shows any potential of success could be considered even if we may not understand exactly how the procedure works. The key to progress is that we must be convinced that the treatment is indeed working. It will certainly be interesting to follow the outcome of this trial.