Differentiatie van menselijke pluripotente stamcellen in pancreas bètacelvoorlopers in een 2D-kweeksysteem

Diabetes is een complexe stofwisselingsziekte die wereldwijd miljoenen mensen treft. Suppletie van insuline wordt beschouwd als de enige behandelingsoptie voor diabetes. Meer gevorderde gevallen worden behandeld met bètacelvervangingstherapie, bereikt door transplantatie van de hele kadaver alvleesklier of eilandjes ^1,2. Verschillende kwesties omringen transplantatietherapie, zoals beperking met de beschikbaarheid en kwaliteit van het weefsel, invasiviteit van transplantatieprocedures naast de voortdurende behoefte aan immunosuppressiva. Dit vereist de noodzaak om nieuwe en alternatieve opties voor bètacelvervangingstherapie te ontdekken ^2,3. Menselijke pluripotente stamcellen (hPSC’s) zijn onlangs naar voren gekomen als een veelbelovend hulpmiddel voor het begrijpen van de biologie van de menselijke alvleesklier en als een niet-uitputtende en mogelijk meer gepersonaliseerde bron voor transplantatietherapie 4,5,6,7. hPSC’s, met inbegrip van menselijke embryonale stamcellen (hESCs) en door de mens geïnduceerde pluripotente stamcellen (hiPSC’s), hebben een hoog zelfvernieuwingsvermogen en geven aanleiding tot elk weefseltype van het menselijk lichaam. hESCs zijn afgeleid van de binnenste celmassa van het embryo en hiPSC’s worden geherprogrammeerd uit elke somatische cel ^4,8.

Gerichte differentiatieprotocollen zijn geoptimaliseerd om bètacellen van de pancreas te genereren uit hPSC’s die hPSC’s achtereenvolgens door de ontwikkelingsstadia van de pancreas leiden. Deze protocollen genereren hPSC-afgeleide eilandjesorganoïden. Hoewel ze sterk zijn verbeterd in het verhogen van het aandeel bètacellen van de pancreas daarin, is de efficiëntie van protocollen zeer variabel. Het neemt niet toe tot meer dan ~40% van NKX6.1+/INSULIN+ of C-PEPTIDE + cellen 5,9,10,11,12,13. De gegenereerde bètacellen zijn echter niet helemaal identiek aan de volwassen menselijke bètacellen in termen van hun transcriptionele en metabolische profielen en hun respons op glucose ^4,5,14. De hPSC-afgeleide bètacellen missen genexpressie van belangrijke bètacelmarkers zoals PCSK2, PAX6, UCN3, MAFA, G6PC2 en KCNK3 in vergelijking met volwassen menselijke eilandjes⁵. Bovendien hebben de van hPSC afgeleide bètacellen de calciumsignalering verminderd als reactie op glucose. Ze zijn besmet met de co-gegenereerde polyhormonale cellen die geen geschikte hoeveelheden insuline afscheiden als reactie op het verhogen van glucosespiegels⁵. Aan de andere kant kunnen hPSC-afgeleide pancreasvoorlopers, die eilandjesprecursoren zijn, in vitro efficiënter worden gegenereerd in vergelijking met bètacellen en, wanneer ze in vivo worden getransplanteerd, kunnen uitgroeien tot functionele, insuline-afscheidende bètacellen^15,16. Klinische studies zijn momenteel gericht op het aantonen van hun veiligheid en werkzaamheid bij transplantatie bij T1D-proefpersonen.

Met name de expressie van de transcriptiefactoren PDX1 (Pancreas en Duodenale Homeobox 1) en NKX6.1 (NKX6 Homeobox 1) binnen dezelfde pancreasvoorlopercel is cruciaal voor de inzet voor een bètacellijn⁵. Pancreasvoorlopercellen die NKX6.1 niet tot expressie brengen, geven aanleiding tot polyhormonale endocriene cellen of niet-functionele bètacellen^17,18. Daarom is een hoge co-expressie van PDX1 en NKX6.1 in het pancreasvoorloperstadium essentieel voor het uiteindelijk genereren van een groot aantal functionele bètacellen. Studies hebben aangetoond dat een embryoïde lichaam of 3D-cultuur PDX1 en NKX6.1 verbetert in pancreasvoorlopercellen waar de differentiërende cellen worden geaggregeerd, variërend tussen 40% -80% van de PDX1 + / NKX6.1 + populatie^12,19. In vergelijking met suspensieculturen zijn 2D-differentiatieculturen echter kosteneffectiever, haalbaarder en handiger voor toepassing op meerdere cellijnen⁵. We hebben onlangs aangetoond dat monolaagdifferentiatieculturen meer dan 90% van de PDX1+/NKX6.1+ co-expressie van hPSC-afgeleide pancreasvoorlopers^opleveren 20,21,22. De gerapporteerde methode verleende een hoge replicerende capaciteit aan de gegenereerde pancreasvoorlopers en voorkwam alternatieve lotspecificaties zoals leverlijn²¹. Daarom demonstreert dit protocol hierin een zeer efficiënte methode voor de differentiatie van hPSC’s naar pancreas bètacelprecursoren die samen PDX1 en NKX6.1 tot expressie brengen. Deze methode maakt gebruik van de techniek van het dissociëren van hPSC-afgeleid endoderm en het manipuleren van de celdichtheid, gevolgd door een uitgebreide FGF- en Retinoïde-signalering en Egel-remming om PDX1- en NKX6.1-co-expressie te bevorderen (figuur 1). Deze methode kan een schaalbare generatie van hPSC-afgeleide pancreas bètacelprecursoren voor transplantatietherapie en ziektemodellering vergemakkelijken.