Stepwise direct reprogramming of adult human dermal fibroblasts into tendon-like cells via transcription factor optimization and 3D culture

In der Welt der pädiatrischen Chirurgie ist die Reparatur eines Lochs im Zwerchfell – dem Muskel, der den Brustkorb vom Bauchraum trennt und uns beim Atmen hilft – eine hochriskante Herausforderung. Wenn der Defekt zu groß ist, um ihn einfach nur zusammenzunähen, greifen Chirurgen oft auf synthetische Patches aus Materialien wie expandiertem Polytetrafluorethylen zurück. Obwohl diese künstlichen Schichten den Körper kurzfristig zusammenhalten können, haben sie einen entscheidenden Fehler: Sie sind totes Material. Sie können nicht wachsen, sie passen sich nicht dem expandierenden Körper eines Kindes an und bergen im Laufe der Zeit Risiken wie Infektionen oder Verkalkungen. Das ultimative Ziel für Ärzte ist es, diese statischen Patches durch lebendes Gewebe zu ersetzen, das der Körper eines Kindes akzeptieren kann und das mit ihm mitwächst. Um dies zu erreichen, erforschen Wissenschaftler eine Methode namens direkte Reprogrammierung. Dieser Prozess beinhaltet das Nehmen einer reifen, spezialisierten Zelle aus einem Teil des Körpers und das Geben einer neuen Reihe von Anweisungen, um sie in einen völlig anderen Zelltyp zu verwandeln, wobei die Notwendigkeit umgangen wird, zuerst Stammzellen zu erzeugen. Die Frage, die Forscher sich gestellt haben, war, ob sie eine gewöhnliche Hautzelle in eine Sehnenzelle verwandeln können – eine entscheidende Komponente des Zwerchfells –, um eine lebende, wachsende Reparatur zu bauen.

Ein Team von Forschern der Kyoto Prefectural University of Medicine machte sich daran, diese Frage zu beantworten, indem sie versuchten, erwachsene menschliche Hautzellen in Sehnen-ähnliche Zellen zu verwandeln. Sie begannen mit adulten menschlichen dermalen Fibroblasten, den Arbeitstier-Zellen, die in der Haut vorkommen, Kollagen produzieren und die Gewebestruktur aufrechterhalten. Diese Zellen sind reichlich vorhanden und leicht von einem Patienten zu gewinnen, was sie zu einem idealen Ausgangspunkt macht. Die Wissenschaftler führten eine spezifische Gruppe von Genen mithilfe eines harmlosen Virus in diese Hautzellen ein. Diese Gene fungieren als Master-Schalter oder Transkriptionsfaktoren, die der Zelle sagen, welche Proteine sie herstellen soll und welche Aufgabe sie zu erfüllen hat. Zu Beginn testete das Team eine Kombination aus sechs verschiedenen Faktoren, darunter solche, die bekannt dafür sind, die Sehnenentwicklung voranzutreiben, und andere, die Zellen flexibler und bereit zur Veränderung machen. Sie wollten sehen, ob dieser Cocktail die Hautzellen dazu zwingen konnte, ihre ursprüngliche Identität zu vergessen und die Eigenschaften eines Tenoblasten anzunehmen, einer Zelle, die Sehnen aufbaut und erhält.

Das Experiment zeigte, dass die Kombination aus sechs Faktoren funktionierte. Die Hautzellen begannen, hohe Mengen an Tenomodulin und Thrombospondin-4 zu produzieren, zwei Proteine, die als klare Marker für Sehnenzellen dienen. Als die Forscher die Zellen unter einem Mikroskop betrachteten, sahen sie eine physische Transformation. Die ursprünglichen Hautzellen waren kurz und spindelförmig, aber die reprogrammierten Zellen streckten sich aus und wurden lang und dünn, ähnlich den Fasern einer echten Sehne. Um sicherzustellen, dass diese neuen Zellen stabil sind, platzierten das Team sie unter die Haut von Mäusen. Innerhalb einer Woche überlebten die Zellen und bildeten kleine Cluster im Transplantat, was bewies, dass die reprogrammierten Zellen in einem lebenden Körper bestehen konnten, ohne sofort zu sterben oder Entzündungen hervorzurufen. Dieser anfängliche Erfolg bestätigte, dass das Konzept praktikabel war, aber das Team wusste, dass die Verwendung von sechs Faktoren komplexer als notwendig war. Sie wollten das einfachste, effizienteste Rezept finden, um das gleiche Ergebnis zu erzielen.

Durch einen Prozess der Eliminierung testeten die Forscher verschiedene Kombinationen der Faktoren, um den minimalen Satz zu finden, der erforderlich war. Sie entdeckten, dass vier Faktoren ausreichend waren: SCX, MKX, OCT3/4 und MYCL. Die Studie ergab, dass jeder dieser Faktoren eine eigene Rolle bei der Transformation spielte. Ein Faktor, OCT3/4, war essenziell, um das Gen für Tenomodulin zu aktivieren, während ein anderer, SCX, der primäre Treiber für die Produktion von Thrombospondin-4 war. Die anderen beiden Faktoren halfen dabei, den Prozess reibungslos und effizient ablaufen zu lassen. Dieser Befund war signifikant, da er das Verfahren vereinfachte, indem die Anzahl der genetischen Anweisungen reduziert wurde, die zur Erzeugung des gewünschten Zelltyps nötig waren. Die Forscher nannten diese erfolgreich umgewandelten Zellen „direkt konvertierte Tenoblasten“. Sie bestätigten, dass diese Zellen wie Sehnenzellen aussah und die korrekten Proteine produzierte, obwohl sie als Hautzellen begannen.

Das Team untersuchte dann, ob die Umgebung, in der die Zellen wuchsen, ihre Entwicklung verbessern konnte. Zellen, die in einer flachen Schale, bekannt als zweidimensionale Kultur, gezüchtet wurden, zeigten gute Ergebnisse, aber die Forscher fragten sich, ob eine natürlichere, dreidimensionale Umgebung helfen würde. Sie betetteten einige der konvertierten Zellen in ein Gel aus Kollagen, einem Material, das das natürliche Gerüst des Körpers nachahmt. Sie fanden heraus, dass das Versetzen der Zellen in dieses dreidimensionale Gel, nachdem sie bereits einige Zeit in der flachen Schale verbracht hatten, die Expression von Sehnenmarkern weiter steigerte. Insbesondere die Zellen, die zu einem späteren Zeitpunkt in das Gel transferiert wurden, zeigten die höchsten Werte der Schlüsselproteine. Dies deutete darauf hin, dass die Zellen zuerst eine einfache Umgebung benötigten, um ihre neue Identität zu etablieren, bevor die komplexe, dreidimensionale Struktur ihnen helfen konnte, weiter zu reifen.

Obwohl die Ergebnisse vielversprechend waren, merkten die Forscher vorsichtig an, dass sie die Grenzen ihrer derzeitigen Arbeit erkannten. Sie hatten erfolgreich Zellen erschaffen, die in einer Schale wie Sehnenzellen aussahen und handelten und in Mäusen eine kurze Zeit überlebten, aber sie hatten noch nicht getestet, ob diese Zellen der physischen Belastung einer echten Sehne standhalten könnten oder ob sie sich langfristig vollständig in einen wachsenden Körper integrieren könnten. Die Studie maß nicht die Stärke des neuen Gewebes oder wie gut es in einem menschlichen Patienten funktionieren würde. Die Arbeit bot jedoch einen klaren, schrittweisen Weg nach vorn. Durch die Identifizierung der spezifischen vier Faktoren, die benötigt werden, und des besten Weges, die Zellen zu kultivieren, hat das Team das Fundament für die Erstellung patientenspezifischen Sehngewebes gelegt. Dieser Ansatz könnte letztendlich zur Entwicklung lebender, wachsender Patches für Kinder mit Zwerchfellhernien führen und eine Lösung bieten, die sich mit dem Patienten anpasst und mit ihm wächst, anstatt ein statisches, fremdes Objekt zu bleiben.