小“Bronchospheres”可以帮助研究肺部疾病

人类肺部,像所有的器官一样,开始他们的存在作为未分化的干细胞的团。但是在几个月的时间里,细胞组织。分支和芽,他们聚集在一起形成一些航空公司和其他肺泡,微妙的囊,我们的身体交换氧气二氧化碳。最终的结果,最好是:两个健康,呼吸的肺。

多年来,研究肺囊性纤维化等疾病的科学家试图详细跟踪这个过程,从开始到结束,希望了解肺形式通常可以帮助解释出错。现在,科学家们在波士顿大学再生医学中心(CReM)已经宣布两个主要发现这个过程的进一步理解:最早肺部祖细胞生长和净化的能力,摆脱人类干细胞,这些细胞和分化的能力成小“bronchospheres”囊性纤维化模型。研究人员希望,结果,分别发表在《临床研究杂志》和细胞干细胞,将导致新的“个性化医疗”方法治疗肺部疾病。

“排序这些细胞纯度非常困难,重要的是,“说Darrell Kotton CReM主任这两篇论文和文章的第二作者,UTHealth德克萨斯大学的布莱恩·戴维斯。“这是第一步在预测一个人如何应对现有的治疗和新药。”

“有一长串的肺部疾病没有治疗肺移植以外,“Kotton补充说,他的工作是由美国国家卫生研究院(NIH),囊性纤维化基金会和马萨诸塞州生命科学中心。“这是至关重要的开发新工具,理解这些疾病。”

霍金斯改造人类干细胞与发光的报告基因的绿色“决定命运”——他们变成肺细胞。由芬霍金斯

CReM科学家与诱导多能干细胞,或万能,这是Shinya Yamanaka于2006年发现的。山中想出了如何利用成人细胞在人类的身体,就像血液细胞或皮肤电池“重新编程”成干细胞长成任何器官的能力。近年来,已经有几组科学家肺细胞从人类万能,但食谱不完善导致的肺细胞在一大堆肝细胞的生长,肠道细胞,和其他组织。

芬恩说:“这是一个大问题,霍金斯,一个波士顿大学医学院(地中海)医学助理教授和CReM团队的一部分。霍金斯是co-first临床研究杂志》的论文作者,菲利普·克莱默,UTHealth以前。“如果你想用这些细胞来研究肺,你需要摆脱那些别人。”

首先,霍金斯需要一种方法来识别肺细胞。以前的工作由Kotton和其他CReM科学家证明,老鼠干细胞表达的基因称为Nkx2-1“决定命运”——他们变成肺细胞。“这是第一个基因,在说,我的肺细胞,”霍金斯说。Kotton时发光的绿色建造了一个报告基因干细胞第一表示Nkx2-1和霍金斯工程相同的基因植入人体细胞。现在,他可以很容易地发现和净化发光的绿肺细胞。

使用流式细胞分析仪,霍金斯和他的同事们从混合绿色细胞分离,然后成长在一个矩阵。结果:小绿球半毫米宽,“纯粹的人口,早期肺细胞,”霍金斯说。团队把微小的球体“瀑样”,简化和缩小版本的一个器官,包含关键类型的肺细胞。瀑样工具,他们至少有两个重要的用途。首先,他们让科学家研究细节,关键时刻在人类肺癌的发展很少。“我们发现许多基因控制肺发展其他的物种,如老鼠,也表达了在这些人类细胞,”霍金斯说。

瀑样用于另一个目的:科学家能够长到成熟,特定细胞类型如气道细胞或肺泡。利用肺功能的关键。“现在我们可以开始看疾病,”霍金斯说。这就是凯瑟琳麦考利(地中海的第五年博士生17)CReM,进入画面。


麦考利来自人类干细胞的纯化气道细胞的增长领域。在左边,球体CFTR突变检测的细胞基因,囊性纤维化的原因,有一个有缺陷的蛋白质,不暴露在一种叫做forskolin的药物。球体包含纠正基因的细胞,(右)能够膨胀。这些细胞最终可能允许一个更个性化的囊性纤维化的治疗方法。由凯瑟琳麦考利

麦考雷的兴趣是囊性纤维化,单个基因的突变引起的疾病,雌性生殖道。突变会导致一个人的肺产生厚,粘稠的粘液,导致感染,炎症,最终,肺衰竭。对于许多患者,没有治愈。

麦考利,在疾病的早期阶段,想把霍金斯的纯化肺细胞下一步,找出他们如何成为气道细胞。通过许多艰苦的实验,她将目光锁定在一个叫做Wnt信号通路,在小鼠肺发展被认为是重要的。关闭的道路,她引导未成熟肺细胞变为气道细胞。然后,她成长成微小的细胞球,她称之为“bronchospheres。”

就像霍金斯的瀑样,bronchospheres不要表现得像个支气管;他们只是特定细胞的集合。但其特异性使其精巧实用。“我们想看看我们是否能使用这些研究气道疾病,“麦考利说。“这是一个大的目标:从病人工程师这些细胞,然后用它们来研究这些病人的疾病。”

作为一个概念证明,麦考利获得两个囊性纤维化患者的细胞系,在雌性生殖道突变导致疾病已经纠正,和一个没有,并生长成bronchospheres。看看她的食谱,她跑测试,应用药物,应该引起球体由正常,功能细胞充满液体。它工作:“固定”bronchospheres开始膨胀,而囊性纤维化领域没有反应。“酷的部分是,我们使用高通量测量显微镜,然后我们计算面积的变化随着时间的推移,“麦考利说,这些结果发表在细胞的干细胞,是这项研究的第一作者。“现在我们可以评估雌性生殖道功能定量的方式。”

麦考利说,下一步是提高测试,和规模,并创建类似的测试其他肺部疾病。“最终目标是把细胞从一个病人,然后屏幕的不同组合药物,”她说。”的理念,我们可以把病人的细胞和测试不是二十,但成百上千的药物,和真正理解病人如何回应我们甚至给他们治疗前,仅仅是一个令人难以置信的想法。”

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参考:

霍金斯,F。克莱默,P。雅各,。司机,我。托马斯,d . C。Mccauley, k B。,。Kotton, d . n . (2017)。潜在的隔离NKX2-1-expressing人类肺部祖细胞来自多能干细胞。临床研究杂志》上。doi: 10.1172 / jci89950