Blodstamcelleforskning, der kan ændre fremtidens medicin

Biomedicinske ingeniører og medicinske forskere ved UNSW Sydney har uafhængigt gjort opdagelser om dannelse af embryonale blodstamceller, som en dag kunne eliminere behovet for blodstamcelledonorer.

Præstationerne er en del af et skridt inden for regenerativ medicin mod brugen af ​​"inducerede pluripotente stamceller" til behandling af sygdom, hvor stamceller omvendt manipuleres fra voksne vævsceller i stedet for at bruge levende menneske- eller dyreembryoner.

Men selvom vi har kendt til inducerede pluripotente stamceller siden 2006, har forskerne stadig meget at lære om, hvordan celledifferentiering i den menneskelige krop kan efterlignes kunstigt og sikkert i laboratoriet med det formål at levere målrettet medicinsk behandling.

To undersøgelser er dukket op fra UNSW-forskere på dette område, der kaster nyt lys over ikke kun, hvordan forstadier til blodstamceller forekommer hos dyr og mennesker, men hvordan de kan induceres kunstigt.

I en undersøgelse offentliggjort i dag i Cell Reports , viste forskere fra UNSW School of Biomedical Engineering, hvordan en simulering af et embryos bankende hjerte ved hjælp af en mikrofluidisk enhed i laboratoriet førte til udviklingen af ​​menneskelige blodstamceller "forstadier", som er stamceller på randen af ​​at blive til blodstamceller.

Og i en artikel publiceret i Nature Cell Biology i juli afslørede forskere fra UNSW Medicine &Health identiteten af ​​celler i museembryoner, der er ansvarlige for blodstamcelledannelse.

Begge undersøgelser er vigtige skridt hen imod en forståelse af, hvordan, hvornår, hvor og hvilke celler, der er involveret i dannelsen af ​​blodstamceller. I fremtiden vil denne viden kunne bruges til at hjælpe blandt andet kræftpatienter, som har gennemgået høje doser radio- og kemoterapi, med at genopbygge deres udtømte blodstamceller.

Emulering af hjertet

I undersøgelsen beskrevet i Cell Reports , hovedforfatter Dr. Jingjing Li og andre forskere beskrev, hvordan et 3 cm x 3 cm mikrofluidsystem pumpede blodstamceller produceret fra en embryonal stamcellelinje for at efterligne et embryos bankende hjerte og blodcirkulationens tilstand.

Hun sagde, at i de sidste par årtier har biomedicinske ingeniører forsøgt at fremstille blodstamceller i laboratorieretter for at løse problemet med mangel på donorblodstamceller. Men ingen har endnu været i stand til at opnå det.

"En del af problemet er, at vi stadig ikke fuldt ud forstår alle de processer, der foregår i mikromiljøet under embryonal udvikling, der fører til dannelsen af ​​blodstamceller omkring dag 32 i den embryonale udvikling," sagde Dr. Li.

"Så vi lavede en enhed, der efterligner hjertebanken og blodcirkulationen, og et orbitalt rystesystem, som forårsager forskydningsspænding - eller friktion - af blodcellerne, når de bevæger sig gennem enheden eller rundt i en skål."

Disse systemer fremmede udviklingen af ​​forstadier til blodstamceller, som kan differentiere til forskellige blodkomponenter - hvide blodlegemer, røde blodlegemer, blodplader og andre. De var begejstrede for at se den samme proces – kendt som hæmatopoiesis – replikeret i enheden.

Medforfatter af undersøgelsen lektor Robert Nordon sagde, at han var forbløffet over, at enheden ikke kun skabte blodstamcelleprækursorer, der fortsatte med at producere differentierede blodceller, men den skabte også vævscellerne i det embryonale hjertemiljø, der er afgørende for denne proces .

"Det, der bare imponerer mig ved det her, er, at blodstamceller, når de dannes i embryonet, dannes i væggen af ​​hovedkarret kaldet aorta. Og de springer dybest set ud af denne aorta og går ind i kredsløbet, og derefter gå til leveren og danne det, der kaldes definitiv hæmatopoiesis, eller endelig bloddannelse.

"At få en aorta til at danne, og så cellerne faktisk kommer ud fra den aorta ind i kredsløbet, det er det afgørende skridt, der kræves for at generere disse celler."

"Det, vi har vist, er, at vi kan generere en celle, der kan danne alle de forskellige typer blodceller. Vi har også vist, at den er meget tæt beslægtet med de celler, der forer aorta - så vi ved, at dens oprindelse er korrekt - og at det formerer sig," A/Prof. sagde Nordon.

Forskerne er forsigtigt optimistiske med hensyn til deres præstation i at efterligne embryonale hjertesygdomme med en mekanisk enhed. De håber, at det kunne være et skridt i retning af at løse udfordringer, der begrænser regenerative medicinske behandlinger i dag:mangel på donorblodstamceller, afvisning af donorvævsceller og de etiske spørgsmål omkring brugen af ​​IVF-embryoner.

"Blodstamceller, der bruges til transplantation, kræver donorer med samme vævstype som patienten," siger A/Prof. sagde Nordon.

"Fremstilling af blodstamceller fra pluripotente stamcellelinjer ville løse dette problem uden behov for vævsmatchede donorer, der giver en rigelig forsyning til behandling af blodkræft eller genetisk sygdom."

Dr. Li tilføjede:"Vi arbejder på at opskalere fremstillingen af ​​disse celler ved hjælp af bioreaktorer."

Mysteriet løst

I mellemtiden og arbejder uafhængigt af Dr. Li og A/Prof. Nordon, UNSW Medicine &Healths professor John Pimanda og Dr. Vashe Chandrakanthan lavede deres egen forskning i, hvordan blodstamceller skabes i embryoner.

I deres undersøgelse af mus ledte forskerne efter den mekanisme, der naturligt bruges i pattedyr til at fremstille blodstamceller fra de celler, der beklæder blodkarrene, kendt som endotelceller.

"Det var allerede kendt, at denne proces finder sted i pattedyrembryoner, hvor endotelceller, der beklæder aorta, ændrer sig til blodceller under hæmatopoiesis," sagde prof. Pimanda. "Men identiteten af ​​de celler, der regulerer denne proces, havde indtil nu været et mysterium."

I deres papir beskrev Prof. Pimanda og Dr. Chandrakanthan, hvordan de løste dette puslespil ved at identificere de celler i embryoet, der kan omdanne både embryonale og voksne endotelceller til blodceller. Cellerne - kendt som "Mesp1-afledte PDGFRA+ stromaceller" - bor under aorta og omgiver kun aorta i et meget smalt vindue under embryonal udvikling.

Dr. Chandrakanthan sagde, at kendskab til identiteten af ​​disse celler giver medicinske forskere ledetråde om, hvordan pattedyrs voksne endotelceller kunne udløses til at danne blodstamceller - noget de normalt ikke er i stand til at gøre.

"Vores forskning viste, at når endotelceller fra embryoet eller den voksne blandes med 'Mesp1-afledte PDGFRA+ stromaceller', begynder de at danne blodstamceller," sagde han.

Selvom der er behov for mere forskning, før dette kan omsættes til klinisk praksis – herunder bekræftelse af resultaterne i humane celler – kan opdagelsen give et potentielt nyt værktøj til at generere engraftable hæmatopoietiske celler.

"Brug af dine egne celler til at generere blodstamceller kan eliminere behovet for donorblodtransfusioner eller stamcelletransplantation. Oplåsning af mekanismer, der bruges af naturen, bringer os et skridt tættere på at nå dette mål," sagde prof. Pimanda. + Udforsk yderligere

Mysterieceller, der skaber blodstamceller i pattedyr identificeret