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

In de wereld van de pediatrische chirurgie is het repareren van een gat in het middenrif — de spier die de borstkas van de buik scheidt en ons helpt ademen — een uitdagende taak met grote inzet. Wanneer het defect te groot is om simpelweg dicht te naaien, vertrouwen chirurgen vaak op synthetische pleisters gemaakt van materialen zoals expandeerd polytetrafluoretheen. Hoewel deze kunstmatige vellen het lichaam op de korte termterm wel bij elkaar kunnen houden, hebben ze een kritiek gebrek: het is dood materiaal. Ze kunnen niet groeien, ze passen zich niet aan het uitbreidende lichaam van een kind aan, en ze brengen risico's met zich mee zoals infectie of verkalking in de loop van de tijd. Het ultieme doel voor artsen is om deze statische pleisters te vervangen door levend weefsel dat door het lichaam van een kind kan worden geaccepteerd en dat met het kind mee zal groeien. Om dit te bereiken, verkennen wetenschappers een methode genaamd directe herprogrammering. Dit proces houdt in dat men een volwassen, gespecialiseerde cel uit een deel van het lichaam neemt en deze een nieuwe set instructies geeft om te transformeren in een totaal ander type cel, waarbij de noodzaak om eerst stamcellen te creëren wordt omzeild. De vraag die onderzoekers zich hebben gesteld is of ze een gewone huidcel kunnen veranderen in een peescel, een cruciaal onderdeel van het middenrif, om zo een levende, groeiende reparatie te bouwen.

Een team van onderzoekers aan de Kyoto Prefectural University of Medicine zette zich in om deze vraag te beantwoorden door te proberen volwassen menselijke huidcellen te veranderen in peesachtige cellen. Ze begonnen met volwassen menselijke dermale fibroblasten, de werkpaardcellen die in de huid worden gevonden en collageen produceren en de weefselstructuur in stand houden. Deze cellen zijn overvloedig aanwezig en gemakkelijk te verkrijgen van een patiënt, wat ze een ideaal startpunt maakt. De wetenschappers introduceerden een specifieke groep genen in deze huidcellen met behulp van een onschadelijk virus. Deze genen fungeren als meesterschakelaars, of transcriptiefactoren, die de cel vertellen welke eiwitten hij moet maken en welke taak hij moet uitvoeren. Aanvankelijk testte het team een combinatie van zes verschillende factoren, waaronder enkele die bekend staan om het stimuleren van peesontwikkeling en andere die gebruikt worden om cellen flexibeler en klaar voor verandering te maken. Ze wilden zien of deze cocktail de huidcellen kon dwingen hun oorspronkelijke identiteit te vergeten en de kenmerken aan te nemen van een tenoblast, een cel die pezen opbouwt en onderhoudt.

Het experiment toonde aan dat de combinatie van zes factoren werkte. De huidcellen begonnen hoge niveaus van tenomoduline en thrombospondine-4 te produceren, twee eiwitten die dienen als duidelijke markers voor peescellen. Wanneer de onderzoekers de cellen onder een microscoop bekeken, zagen ze een fysieke transformatie. De oorspronkelijke huidcellen waren kort en spoelvormig, maar de herprogrammeerde cellen strekten zich uit en werden lang en dun, lijkend op de vezels van een echte pees. Om te verzekeren dat deze nieuwe cellen stabiel waren, plaatste het team ze onder de huid van muizen. Binnen een week hadden de cellen overleefd en kleine clusters gevormd in de graft, wat bewees dat de herprogrammeerde cellen in een levend lichaam konden voortbestaan zonder onmiddellijk te sterven of ontstekingen te veroorzaken. Dit initiële succes bevestigde dat het concept levensvatbaar was, maar het team wist dat het gebruik van zes factoren complexer was dan nodig. Ze wilden het eenvoudigste, meest efficiënte recept vinden om hetzelfde resultaat te bereiken.

Door middel van een proces van eliminatie testten de onderzoekers verschillende combinaties van de factoren om de minimale set te vinden die vereist was. Ze ontdekten dat vier factoren voldoende waren: SCX, MKX, OCT3/4 en MYCL. De studie onthulde dat elk van deze factoren een duidelijke rol speelde in de transformatie. Eén factor, OCT3/4, was essentieel voor het aanzetten van het gen voor tenomoduline, terwijl een andere, SCX, de primaire drijfveer was voor de productie van thrombospondine-4. De andere twee factoren hielpen het proces soepel en efficiënt te verlopen. Deze bevinding was significant omdat het de procedure vereenvoudigde door het aantal genetische instructies te verminderen dat nodig was om het gewenste celtype te creëren. De onderzoekers noemden deze succesvol geconverteerde cellen "direct geconverteerde tenoblasten". Ze bevestigden dat deze cellen eruitzagen als peescellen en de juiste eiwitten produceerden, ook al begonnen ze als huidcellen.

Het team onderzocht vervolgens of de omgeving waarin de cellen groeiden de ontwikkeling kon verbeteren. Cellen die werden gekweekt in een platte schaal, bekend als tweedimensionale cultuur, toonden goede resultaten, maar de onderzoekers vroegen zich af of een natuurlijkere, driedimensionale omgeving zou helpen. Ze embedden sommige van de geconverteerde cellen in een gel gemaakt van collageen, een materiaal dat de natuurlijke steunstructuur van het lichaam nabootst. Ze ontdekten dat het verplaatsen van de cellen naar deze driedimensionale gel nadat ze al enige tijd in de platte schaal hadden doorgebracht, de expressie van peesmarkers verder stimuleerde. Specifiek vertoonden de cellen die later in het proces naar de gel werden overgebracht, de hoogste niveaus van de sleutelproteïnen. Dit suggereerde dat de cellen eerst hun nieuwe identiteit in een eenvoudige omgeving moesten vestigen voordat de complexe, driedimensionale structuur hen verder kon laten rijpen.

Hoewel de resultaten veelbelovend waren, merkten de onderzoekers voorzichtig op wat de beperkingen van hun huidige werk waren. Ze hadden met succes cellen gecreëerd die eruitzagen en zich gedroegen als peescellen in een schaal en een korte tijd in muizen hadden overleefd, maar ze hadden nog niet getest of deze cellen de fysieke stress van een echte pees konden weerstaan of dat ze op de lange termijn volledig zouden integreren in een groeiend lichaam. De studie mat niet de sterkte van het nieuwe weefsel of hoe goed het zou functioneren in een menselijke patiënt. Echter, het werk bood een duidelijk, stapsgewijs pad voorwaarts. Door de specifieke vier factoren te identificeren en de beste manier om de cellen te kweken, heeft het team een fundament gelegd voor het creëren van patiëntspecifiek peesweefsel. Deze aanpak zou uiteindelijk kunnen leiden tot de ontwikkeling van levende, groeiende pleisters voor kinderen met diafragmabreuken, een oplossing die biedt die zich aanpast en meegroeit met de patiënt in plaats van een statisch, vreemd object te blijven.