Der im Labor gezüchtete Leberkeim hat sich im Mauskörper zu einem funktionierenden Organ entwickelt. • Yuliya Kondratenko • Wissenschaftsnachrichten zu den "Elementen" • Biotechnologie

Der im Labor gezüchtete Leberkeim ist zu einem funktionsfähigen Organ in der Maus geworden

Abb. 1. Das Schema des Experiments. Leberendodermzellen (iPSC-HE, Leberendodermzellen – Vorstufen von reifen Leberzellen) wurden aus menschlichen iPS-Zellen (iPSC) erhalten. Diese Zellen wurden zusammen mit mesenchymalen Zellen (MSC) und vaskulären Endothelzellen (HUVEC) auf einer Petrischale kultiviert. Nach Bildung eines kompakten Leberrudments wurde es immundefizienten Mäusen transplantiert und die Funktion des Transplantats untersucht. Bild aus dem Artikel in der Diskussion Natur

Japanische Forscher gelang es, eine Lebertransplantation mit einer ungewöhnlichen Methode zu erstellen: Sie züchteten kein künstliches Organ außerhalb des Körpers als Ganzes, und im Labor erhielten sie nur ihren Keimling. Zwei Tage nach der Implantation eines solchen Leber-Rudiments in den Körper eines Versuchstieres wuchs das Transplantat in die Blutgefäße des Wirts und begann zu funktionieren und sich zu entwickeln. Bei künstlichem Beginn der Hepatitis half das Transplantat dem Versuchstier zu überleben, indem es die Funktionen seiner Leber übernahm.

Die Produktion künstlicher Organe aus induzierten pluripotenten Zellen ist ein Forschungsgebiet, das sich schnell vor unseren Augen entwickelt.Vor einiger Zeit über die "Elemente" sprachen wir über die Schaffung künstlicher Knochen (siehe: Knochentransplantate können aus umprogrammierten menschlichen Zellen gewonnen werden, 07.11.2013); dafür wurden die Zellen – die Vorläufer des Knochengewebes – auf einer speziellen Basis gezüchtet, die aus dem Kälberknochen nach der Entfernung seiner Zellen erhalten wurde. Und kürzlich in einer Zeitschrift Naturkommunikationen ein Artikel erschien über die Gewinnung eines künstlichen Herzens in der Tat durch das gleiche Verfahren – durch Kultivieren menschlicher Zellen an einem aus dem Herzen einer Maus erhaltenen Skelett, aus dem alle Mauszellen entfernt wurden (siehe: Tung-Ying Lu et al., 2013). Wiederbesiedelung von dezellularisiertem Mauszelle mit humanen induzierten pluripotenten Stammzellen-abgeleiteten kardiovaskulären Vorläuferzellen).

Außerdem wurde eine interessante Alternative für die Methode gefunden, künstliche Organe außerhalb des Körpers des Empfängers zu züchten: Es stellt sich heraus, dass es im Labor genügt, nur den Keim eines zukünftigen Organs zu bekommen, das sich in den Organismus des zukünftigen Besitzers einbaut. Die Wirksamkeit dieses Ansatzes wurde von einer Gruppe japanischer Forscher demonstriert, die menschliche Lebertransplantate aus kleinen keimähnlichen embryonalen Keimen, die im Labor gezüchtet wurden, erhielten.

Solche Rudimente sind unvergleichlich einfacher als reife Organe angeordnet, weshalb für ihre Kultivierung komplexe Bioreaktoren und die strukturellen Grundlagen der anatomischen Form nicht benötigt werden. Um einen Leberkeim zu erhalten, ist es notwendig, nur einige Arten von Zellen zu haben: vaskuläre Zellen, mesenchymale Stammzellen und Leberendodermzellen, die jenen Keimzellen des Embryos entsprechen, die sich daraus ausbauchen und die Knospe der zukünftigen Leber bilden. Letztere Zellen wurden aus induzierten pluripotenten menschlichen Zellen gewonnen, die sie zunächst in Endodermzellen (Zellen des Primärdarms des Embryos) und dann in Leberentodermzellen umwandelten, in denen einige Gene, die für reife Leberzellen charakteristisch sind, bereits funktionieren (Abb. 1). Mit dem richtigen Mengenverhältnis dieser Zelltypen sowie ihrer Kultivierung auf einem geeigneten Substrat werden Bedingungen geschaffen, die denen ähneln, in denen der embryonale Leberkeim gebildet wird. Gleichzeitig bilden die auf einer herkömmlichen Petrischale wachsenden Zellen eine kompakte Struktur, die erfolgreich in den Empfängerorganismus transplantiert werden kann (siehe Fig. 2, Fig. 3 sowie Video).

Abb. 2 Bildung eines kompakten Leber-Rudiments mit Co-Kultivierung von Mesenchymzellen, vaskulären Endothelzellen und Leberendodermzellen auf einer Petrischale. Bild aus dem Artikel in der Diskussion Natur

Die Leberrudimente wurden in das Mesenterium des Versuchstieres oder in dessen Kopf implantiert. Der Vorteil der letzteren, scheinbar seltsamen Methode ist die Fähigkeit, die Entwicklung des Transplantats während des Lebens der Maus zu überwachen. In diesem Fall wird ein kleines Fenster in den Schädel des Tieres geschnitten, in das der Leberkeim implantiert wird, und die Öffnung wird von oben mit dünnem Glas verschlossen. So ist das sich entwickelnde Leberrudiment durch das Glas sichtbar, und es besteht keine Notwendigkeit, das Tier zu töten und das Transplantat zu entfernen, um seine Entwicklung zu studieren.

Abb. 3 Ein kompakter Leberkeim wird nur gebildet, wenn Zellen auf einem geeigneten Substrat gezüchtet werden (Zeichnung rechts). LAM – Laminin, COL – Kollagen IV, ENT – Entactin. Bild aus dem Artikel in der Diskussion Natur

Zwei Tage nach der Operation wuchsen die Gefäße der Maus, mit denen der Leberkeim transplantiert wurde, zusammen mit den Gefäßen des Transplantats, und am dritten Tag wurde ein normaler Blutfluss festgestellt. Gleichzeitig vermehrten sich die Zellen des implantierten Leberkeims und das Netzwerk seiner Gefäße dehnte sich aus und wurde komplexer (Abb. 4). Um die Reife von Pfropfzellen im Blut von Versuchstieren zu beurteilen, wurde der Gehalt an humanem Serumalbumin gemessen (siehe Humanserumalbumin).Dieses Protein wird von den Leberzellen synthetisiert, und die Messung seiner Menge ermöglicht es, die Funktion der Leber zu beurteilen. Menschliches Serumalbumin erschien zehn Tage nach der Transplantation im Blut von Versuchstieren, und dann nahm seine Menge ständig zu, was darauf hinwies, dass der implantierte Keim menschlicher Leberzellen reifte. Durch die Analyse der Aktivitätsniveaus verschiedener Gene wurde außerdem aufgedeckt, dass zwei Monate nach der Transplantation der Hauptteil der Zellen des implantierten Leberkeims in reife Zellen überging.

Abb. 4 Entwicklung des vaskulären Netzwerkes im humanen Leberkeim transplantiert zum Versuchstier. Grün zeigt Gefäßzellen, rot – mesenchymale Stammzellen, aus denen Perizyten gebildet werden (Zellen, die notwendig sind, um die Stabilität des vaskulären Netzwerks aufrechtzuerhalten). Bild aus dem Artikel in der Diskussion Natur

Interessanterweise funktionierte die implantierte Mausleber, die aus menschlichen Zellen stammte, weiterhin auf menschliche Weise. Neben der aktiven Herstellung des oben genannten humanen Serumalbumins erfüllte es seine anderen Funktionen "human".

Eine der wichtigsten Aufgaben der Leber ist die Neutralisierung verschiedener körperfremder Substanzen durch Umwandlung in andere Verbindungen, die weniger toxisch sind und leichter aus dem Körper entfernt werden können. Leber und Drogen, die auch körperfremd sind, werden in der Leber zerstört. Die Pfade solcher Transformationen der gleichen Substanzen können sich in verschiedenen Organismen unterscheiden. Insbesondere sind bestimmte Arzneimittel bekannt – Ketoprofen und Debrisoquin (Debrisoquine) -, die auf unterschiedliche Weise in der menschlichen Leber und in der Mäuseleber umgewandelt werden.

Menschliche Lebertransplantate, die aus menschlichen Zellen erhalten wurden, transformierten Ketoprofen und Debrisoquin auf eine menschliche Weise, jedoch nicht in einer Maus. Daher können Mäuse mit solchen Transplantaten als Modelle zur Untersuchung des menschlichen Metabolismus verwendet werden.

Um die Qualität der mit diesem Verfahren erhaltenen Lebertransplantate zu testen, wurde eine spezielle Linie von Mäusen verwendet, in der es möglich war, Hepatitis zu induzieren, wenn eine kleine Dosis Diphtherietoxin verabreicht wurde. Eine Woche nach der Implantation des Primordiums einer menschlichen Leber wurde eine Erkrankung der tiereigenen Leber begonnen, und das Überleben der Tiere, die sich einer solchen Operation unterzogen,signifikant das Überleben von Tieren, in denen das Transplantat nicht implantiert wurde, übertroffen. So wurde gezeigt, dass der implantierbare Leberknospe bereits eine Woche nach der Transplantation in der Lage ist, seine Funktionen ziemlich effektiv zu erfüllen.

Ein wichtiges Ergebnis der Arbeit ist die Demonstration der Schlüsselrolle der zellulären Umgebung, in der die Knospe des zukünftigen Organs gebildet wird, für seine spätere Funktion. Daher ist es aus den pluripotenten Zellen möglich, die Leberzellen getrennt zu züchten und sie in ein Versuchstier zu transplantieren, jedoch arbeiten diese Zellen weniger effizient als Zellen, die ursprünglich in der Umgebung von mesenchymalen und vaskulären Zellen gezüchtet und als Embryo einer zukünftigen Leber in den Körper transplantiert wurden.

Den Autoren gelang es, die Funktionsansätze der menschlichen Leber künstlich zu gewinnen, die sich beim Einpflanzen in den Körper des Empfängers weiterentwickeln können. Die Rudimente wurden dadurch erhalten, dass für die Leberendodermzellen eine dem embryonalen ähnliche Zellumgebung geschaffen wurde, und es stellte sich heraus, dass die von den Zellen des anderen gesendeten Signale ausreichen, um einen regulären Leberkeim zu bilden, selbst wenn die Zellen nur auf einer flachen Oberfläche wachsen.

Dies bedeutet, dass es beim Erhalt künstlicher Organe äußerst wichtig ist, die anfängliche Zusammensetzung der Zellen zu wählen: Nicht nur die Zellen, die die Hauptarbeitszellen des zukünftigen Organs sein werden, sondern auch die Zellen, die ihnen die Signale für die richtige Entwicklung senden. Die quantitative Zusammensetzung und das Substrat, auf dem die Zellen wachsen, sind ebenfalls wichtig für die Bildung eines Organknospens. Wenn die Bedingungen der Bildung des Keimes den natürlichen Bedingungen, unter denen dieses Organ in einem menschlichen Embryo gebildet wird, ausreichend ähneln, dann ist es wahrscheinlicher, dass sich der resultierende Keim optimal entwickelt, und das Organ kann vollständig bereits im Körper des Empfängers gebildet werden. Wenn künstliche Organe durch diese Methode erhalten werden, sind keine komplexen Bioreaktoren mit anatomischer Form erforderlich, und es wird kein Weg gefunden, die korrekte innere Struktur des Organs zu organisieren, da es sich hauptsächlich im Körper des Empfängers bildet und sich daran anpasst. Der Erfolg der japanischen Forscher erlaubt uns, auf die Wirksamkeit dieses interessanten Ansatzes zum Erhalten von Transplantaten zu hoffen.

Quelle: Takanori Takebe, Keisuke Sekine, Masahiro Enomura, Hiroyuki Koike, Masaki Kimura, Takunori Ogaeri, Ran-Ran Zhang und Yasuharu Ueno; IPSC-abgeleitete Organknospentransplantation // Vaskularisierte und funktionelle menschliche Leber Natur. Veröffentlicht am 4. Juli 2013. Doi: 10.1038 / nature12271.

Julia Kondratenko


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