Biomedische ingenieurs en medische onderzoekers van UNSW Sydney hebben onafhankelijk van elkaar ontdekkingen gedaan over de aanmaak van embryonale bloedstamcellen die op een dag de behoefte aan bloedstamceldonoren zouden kunnen elimineren.

De resultaten maken deel uit van een beweging in de regeneratieve geneeskunde naar het gebruik van "geïnduceerde pluripotente stamcellen" voor de behandeling van ziekten, waarbij stamcellen reverse-engineered worden uit volwassen weefselcellen in plaats van levende menselijke of dierlijke embryo's te gebruiken.

Maar hoewel we al sinds 2006 op de hoogte zijn van geïnduceerde pluripotente stamcellen, hebben wetenschappers nog veel te leren over hoe celdifferentiatie in het menselijk lichaam kunstmatig en veilig kan worden nagebootst in het laboratorium met het oog op gerichte medische behandeling.

Er zijn twee onderzoeken naar voren gekomen van UNSW-onderzoekers op dit gebied die nieuw licht werpen op niet alleen hoe de voorlopers van bloedstamcellen voorkomen bij dieren en mensen, maar ook hoe ze kunstmatig kunnen worden opgewekt.

In een onderzoek dat vandaag is gepubliceerd in Cell Reports , hebben onderzoekers van de UNSW School of Biomedical Engineering aangetoond hoe een simulatie van het kloppende hart van een embryo met behulp van een microfluïdisch apparaat in het laboratorium leidde tot de ontwikkeling van "voorlopers" van menselijke bloedstamcellen, stamcellen die op het punt staan ​​bloedstamcellen te worden.

En in een artikel gepubliceerd in Nature Cell Biology in juli onthulden onderzoekers van UNSW Medicine &Health de identiteit van cellen in muizenembryo's die verantwoordelijk zijn voor de aanmaak van bloedstamcellen.

Beide onderzoeken zijn belangrijke stappen om inzicht te krijgen in hoe, wanneer, waar en welke cellen betrokken zijn bij de aanmaak van bloedstamcellen. In de toekomst kan deze kennis gebruikt worden om onder meer kankerpatiënten, die hoge doses radio- en chemotherapie hebben ondergaan, te helpen hun uitgeputte bloedstamcellen aan te vullen.

Het hart nabootsen

In het onderzoek dat wordt beschreven in Celrapporten , hoofdauteur Dr. Jingjing Li en collega-onderzoekers beschreven hoe een microfluïdisch systeem van 3 cm x 3 cm bloedstamcellen pompte die waren geproduceerd uit een embryonale stamcellijn om het kloppende hart van een embryo en de bloedcirculatie na te bootsen.

Ze zei dat biomedische ingenieurs de afgelopen decennia hebben geprobeerd bloedstamcellen te maken in laboratoriumschalen om het probleem van tekorten aan donorbloedstamcellen op te lossen. Maar niemand is er nog in geslaagd om het te bereiken.

"Een deel van het probleem is dat we nog steeds niet alle processen begrijpen die plaatsvinden in de micro-omgeving tijdens de embryonale ontwikkeling die leiden tot de aanmaak van bloedstamcellen op ongeveer dag 32 in de embryonale ontwikkeling," zei Dr. Li.

"Dus hebben we een apparaat gemaakt dat het kloppen van het hart en de bloedsomloop nabootst, en een orbitaal schudsysteem dat schuifspanning - of wrijving - van de bloedcellen veroorzaakt wanneer ze door het apparaat of in een schaaltje bewegen."

Deze systemen bevorderden de ontwikkeling van voorloperbloedstamcellen die kunnen differentiëren in verschillende bloedbestanddelen:witte bloedcellen, rode bloedcellen, bloedplaatjes en andere. Ze waren enthousiast om te zien hoe ditzelfde proces, ook wel hematopoëse genoemd, in het apparaat werd gerepliceerd.

Mede-auteur van de studie, universitair hoofddocent Robert Nordon, zei dat hij verbaasd was dat het apparaat niet alleen voorlopers van bloedstamcellen creëerde die vervolgens gedifferentieerde bloedcellen produceerden, maar dat het ook de weefselcellen creëerde van de embryonale hartomgeving die cruciaal is voor dit proces .

"Het ding dat me gewoon verbaast hierover, is dat bloedstamcellen, wanneer ze zich vormen in het embryo, zich vormen in de wand van het hoofdvat dat de aorta wordt genoemd. En ze komen in feite uit deze aorta en gaan in de bloedsomloop, en dan ga naar de lever en vorm wat definitieve hematopoëse wordt genoemd, of definitieve bloedvorming.

"Een aorta laten vormen en vervolgens de cellen die daadwerkelijk uit die aorta in de bloedsomloop komen, dat is de cruciale stap die nodig is om deze cellen te genereren."

"Wat we hebben laten zien, is dat we een cel kunnen genereren die alle verschillende soorten bloedcellen kan vormen. We hebben ook aangetoond dat deze zeer nauw verwant is aan de cellen die de aorta bekleden - dus we weten dat de oorsprong correct is - en dat het zich verspreidt", zegt A/Prof. zei Nordon.

De onderzoekers zijn voorzichtig optimistisch over hun prestatie bij het nabootsen van embryonale hartaandoeningen met een mechanisch apparaat. Ze hopen dat het een stap kan zijn in het oplossen van de uitdagingen die regeneratieve medische behandelingen vandaag de dag beperken:tekorten aan donorbloedstamcellen, afstoting van donorweefselcellen en de ethische problemen rond het gebruik van IVF-embryo's.

"Bloedstamcellen die bij transplantatie worden gebruikt, hebben donoren nodig met hetzelfde weefseltype als de patiënt", zegt A/Prof. zei Nordon.

"Vervaardiging van bloedstamcellen uit pluripotente stamcellijnen zou dit probleem oplossen zonder de noodzaak van donoren die op weefsel zijn afgestemd, die een overvloedige voorraad leveren om bloedkanker of genetische ziekten te behandelen."

Dr. Li voegde toe:"We werken aan het opschalen van de productie van deze cellen met behulp van bioreactoren."

Mysterie opgelost

Ondertussen, en onafhankelijk van Dr. Li en A/Prof. Nordon, professor John Pimanda van UNSW Medicine &Health en Dr. Vashe Chandrakanthan deden hun eigen onderzoek naar hoe bloedstamcellen worden aangemaakt in embryo's.

In hun studie van muizen zochten de onderzoekers naar het mechanisme dat van nature bij zoogdieren wordt gebruikt om bloedstamcellen te maken van de cellen die de bloedvaten bekleden, ook wel endotheelcellen genoemd.

"Het was al bekend dat dit proces plaatsvindt in embryo's van zoogdieren, waar endotheelcellen die de aorta bekleden, veranderen in bloedcellen tijdens hematopoëse," zei prof. Pimanda. "Maar de identiteit van de cellen die dit proces reguleren, was tot nu toe een mysterie."

In hun paper beschreven Prof. Pimanda en Dr. Chandrakanthan hoe ze deze puzzel hebben opgelost door de cellen in het embryo te identificeren die zowel embryonale als volwassen endotheelcellen in bloedcellen kunnen omzetten. De cellen - bekend als "Mesp1-afgeleide PDGFRA+ stromale cellen" - bevinden zich onder de aorta en omringen de aorta alleen in een zeer smal venster tijdens de embryonale ontwikkeling.

Dr. Chandrakanthan zei dat het kennen van de identiteit van deze cellen medische onderzoekers aanwijzingen geeft over hoe volwassen endotheelcellen van zoogdieren kunnen worden geactiveerd om bloedstamcellen te maken - iets wat ze normaal niet kunnen doen.

"Ons onderzoek toonde aan dat wanneer endotheelcellen van het embryo of de volwassene worden gemengd met 'Mesp1 afgeleide PDGFRA+ stromale cellen', ze bloedstamcellen gaan maken," zei hij.

Hoewel er meer onderzoek nodig is voordat dit in de klinische praktijk kan worden vertaald, inclusief bevestiging van de resultaten in menselijke cellen, zou de ontdekking een potentieel nieuw hulpmiddel kunnen zijn om entbare hematopoëtische cellen te genereren.

"Het gebruik van je eigen cellen om bloedstamcellen te genereren, zou de noodzaak voor bloedtransfusies van donoren of stamceltransplantaties kunnen wegnemen. Het ontsluiten van mechanismen die door de natuur worden gebruikt, brengt ons een stap dichter bij het bereiken van dit doel," zei prof. Pimanda. + Verder verkennen

Mysteriecellen die bloedstamcellen aanmaken in geïdentificeerde zoogdieren