Einführung

Zahlreiche Fortschritte in verschiedenen Forschungsbereichen, darunter Entwicklungsbiologie, Stammzellbiologie und Tissue-Engineering-Technologie, haben die regenerative Medizin erleichtert. Die erste Generation der regenerativen Medizin ist die Stammzellentransplantationstherapie unter Verwendung von aus Gewebe gewonnenen Stammzellen, embryonalen Stammzellen (ES-Zellen) oder induzierten pluripotenten Stammzellen (iPS-Zellen). So ist beispielsweise die Knochenmarktransplantation bereits eine gängige Behandlung für Leukämie und hypoplastische Anämie. Darüber hinaus werden sowohl ES-Zellen als auch iPS-Zellen in klinischen Versuchen zur Behandlung zahlreicher Krankheiten und Verletzungen eingesetzt, darunter Leukämie, die Parkinson- und Alzheimer-Krankheit, Herzinfarkt, Diabetes, Lebererkrankungen und verschiedene andere Leiden. Die Geweberegeneration gilt als die zweite Generation der regenerativen Medizin, und mehrere Produkte, darunter Haut und Knorpel, sind bereits auf dem Markt. Darüber hinaus wird die weltweit erste Geweberegenerationstherapie mit iPS-Zellen, die entweder vom Patienten oder von einem anonymen Spender stammen, in einer klinischen Studie zur Heilung der altersbedingten Makuladegeneration untersucht.

Die nächste Generation der regenerativen Therapie zielt auf ganze Organe ab, die aus mehreren Zelltypen mit einer komplexen dreidimensionalen Struktur bestehen. In diesem Jahrzehnt haben Fortschritte auf dem Gebiet der Stammzellbiologie und der Entwicklungsbiologie neue Möglichkeiten zur Regeneration funktioneller Organe eröffnet. Während der Embryonalentwicklung entstehen Organe aus den jeweiligen Organkeimen, die durch wechselseitige Interaktionen zwischen schicksalsbestimmten epithelialen und mesenchymalen Stammzellen entsprechend den einzelnen organbildenden Feldern hervorgebracht werden (Abbildung 1a) . Eine funktionelle Organregeneration wurde erstmals 2007 durch die Entwicklung einer neuartigen Zellmanipulationsmethode zur Erzeugung eines biotechnologisch hergestellten Organkeims mit organinduzierendem Potenzial aus epithelialen und mesenchymalen Stammzellen erreicht, die aus einem embryonalen Organkeim isoliert wurden (Abbildung 1b) . Diese bahnbrechende Studie und nachfolgende Studien berichteten über die voll funktionsfähige Regeneration mehrerer Arten ektodermaler Organe und lieferten den Beweis für das Konzept der funktionellen Organregeneration.

Der nächste Paradigmenwechsel kam 2008 mit der Entdeckung von Organoiden, die durch Induktion eines organbildenden Feldes in einem Zellaggregat aus pluripotenten Stammzellen wie ES-Zellen und iPS-Zellen sowie Gewebestammzellen erzeugt wurden (Abbildung 1c) . Es können praktisch alle Arten von Organoiden erzeugt werden, einschließlich derjenigen des zentralen Nervensystems (d. h. Großhirnrinde, Hypophyse, Sehnervenkopf und Innenohr). Obwohl die Entwicklung von Organoiden einen technologischen Durchbruch darstellt, der heute in vielen Bereichen der Grundlagenbiologie und bei klinischen Anwendungen ein wichtiges Instrument darstellt, können Organoide die Struktur und Funktion der ursprünglichen Organe nur teilweise reproduzieren. Daher konnten die meisten bisher erzeugten Organoide nur begrenzte und/oder partielle Funktionen eines vollständigen Organs ersetzen und werden daher derzeit als Miniorgane betrachtet. Kürzlich wurden erfolgreich Speicheldrüsenorganoide entwickelt, die bei orthotoper Transplantation eine voll funktionsfähige Organregeneration zeigen. Da die Prinzipien der ektodermalen Organentwicklung denen anderer Organe ähnlich sind, ist es wichtig, ein tieferes Verständnis der ektodermalen Organregeneration zu erlangen, um die vollständige funktionelle Regeneration anderer Organe zu erreichen (Abbildung 1a). Darüber hinaus hat die Regeneration eines integumentären Organsystems (IOS) mit Hilfe einer In-vivo-Organoid-Methode deutlich die Möglichkeit der Regeneration von Organsystemen gezeigt.

In dieser Übersichtsarbeit beschreiben wir die jüngsten Fortschritte bei der Organregeneration unter Verwendung verschiedener Stammzellpopulationen und -strategien auf der Grundlage der Entwicklungs- und Stammzellbiologie und erörtern die künftigen Richtungen für die Organersatztherapie als nächste Generation der regenerativen Medizin für Organe.

Entwicklung einer dreidimensionalen Zellmanipulationsmethode, der Organ-Keim-Methode, unter Verwendung embryonaler Zellen

Forscher versuchen seit mehreren Jahrzehnten, Organe zu regenerieren, indem sie funktionelle Zellen, Gerüstmaterialien und physiologisch aktive Substanzen mit Hilfe von Tissue-Engineering-Techniken kombinieren. Obwohl diese früheren Studien einen gewissen Beitrag zur Organregeneration geleistet haben, bestehen erhebliche Bedenken hinsichtlich der Ergebnisse dieser Studien, wie z. B. die geringe Effizienz der Organinduktion und die unkontrollierbare Richtung und Größe des regenerierten Organs. Mit den Fortschritten in der Stammzell- und Entwicklungsbiologie hat die Reproduktion der Organogenese im fötalen Stadium in den letzten 30 Jahren Fortschritte gemacht. Der Entwicklungsprozess der Organregeneration beginnt mit der Induktion des Organkeims durch epithelial-mesenchymale Interaktionen im Organfeld, die sich nach der Etablierung des Körperplans während der frühen Entwicklung bilden. Zellmanipulationstechniken zur Regeneration von Organkeimen wurden im Laufe der Jahre entwickelt, aber eine vollständige Reproduktion der Entwicklung und Regeneration funktioneller Organe wurde nicht erreicht.

Wir haben eine Bioengineering-Methode entwickelt, die als Organkeimmethode bezeichnet wird, um die Induktion des Organkeims durch epitheliale und mesenchymale Interaktionen in frühen Entwicklungsstadien zu rekapitulieren. Wir haben Epithel- und Mesenchymzellen, die aus dem Mausembryo isoliert wurden, mit hoher Zelldichte in einem Typ-I-Kollagengel kompartimentiert, um eine präzise Nachbildung der während der Organogenese stattfindenden Prozesse zu erreichen. Mit dieser neuartigen Methode haben wir die funktionelle Regeneration mehrerer Arten von ektodermalen Organen wie Zähnen, Haarfollikeln und sekretorischen Drüsen beobachtet.

Vollständig funktionsfähige biotechnologisch hergestellte Zähne

3.1. Zahnentwicklung

In der Zahnkeimentwicklung verdickt sich zunächst die Zahnlamina (Lamina-Stadium) (Abbildung 2a). Der Zahnkeim entwickelt sich und interagiert mit dem Epithel der Mundschleimhaut und dem Mesenchym. Die Epithelverdickung an der zukünftigen Stelle des Zahns und die anschließende Epithelknospung (Knospungsstadium) an das darunter liegende, von der Neuralleiste stammende Mesenchym werden bei Mäusen durch epitheliale Signale an den Embryonaltagen (EDs) 11-13 ausgelöst. An den EDs 13-15 fungiert der Schmelzknoten als Signalzentrum, das für die Bildung und Erhaltung der Zahnpapille verantwortlich ist. Die primären Schmelzknoten werden an der Zahnknospe gebildet und erscheinen beim Übergang vom Knospen- zum Kappenstadium. Bei den EDs 17-19 differenzieren sich die Epithel- und Mesenchymzellen im Zahnkeim abschließend. Das Mesenchym differenziert sich auch in das Zahnmark und die parodontalen Gewebe, aus denen sich das Zementum, das parodontale Ligament und der Alveolarknochen entwickeln werden. Die Zahnwurzelbildung wird nach der Bildung der Zahnkrone eingeleitet, und die reifen Zähne brechen in die Mundhöhle aus.

3.2. Voll funktionsfähige Zahnregeneration

Zahnverlust aufgrund von Karies, Parodontalerkrankungen oder Traumata führt zu grundlegenden Problemen bei der ordnungsgemäßen Funktion des Mundes und ist mit Problemen der oralen und allgemeinen Gesundheit verbunden. Herkömmliche zahnärztliche Behandlungen zur Wiederherstellung der Kaufunktion nach Zahnverlust basieren auf dem Ersatz von Zähnen durch künstliche Materialien, wie festsitzende oder herausnehmbare Prothesen und Brückenarbeiten. Obwohl diese künstlichen Therapien zur Behandlung von Zahnerkrankungen weit verbreitet sind, ist die Wiederherstellung der Okklusion notwendig, da die Zähne mit der okklusalen Kraft und der kieferorthopädischen Kraft der umgebenden Muskeln koordiniert werden und die Integrität des stomatognathen Systems durch die Einrichtung des okklusalen Systems während des Kieferwachstums in der postnatalen Periode erhalten wird. Jüngste Fortschritte in der Geweberegeneration haben es den Forschern ermöglicht, die Funktionen biologischer Zähne zu verbessern, indem sie die zugrunde liegende Zahnentwicklung durch Knochenumbau erleichtern und die Fähigkeit, schädliche Reize wahrzunehmen, unterstützen.

Wie in unserer früheren Studie gezeigt wurde, entwickelt sich ein biotechnologisch hergestellter Zahnkeim zur korrekten Zahnstruktur und bricht nach der Transplantation in die Region des verlorenen Zahns erfolgreich in die Mundhöhle aus (Abbildung 2b). Im Falle einer transplantierten biotechnologisch hergestellten reifen Zahleinheit, die aus einem reifen Zahn, parodontalem Ligament und Alveolarknochen besteht, können diese durch Knochenintegration im Empfänger in die Zahnverlustregion eingepflanzt werden (Abbildung 2c). Der biotechnologisch hergestellte Zahn bleibt durch die erfolgreiche Knochenintegration in Wechselwirkung mit dem parodontalen Ligament und dem Alveolarknochen, die aus der biotechnologisch hergestellten Zahleinheit stammen. Die Härte von Schmelz und Dentin der biotechnisch hergestellten Zahnkomponenten lag bei der Analyse mit dem Knoop-Härtetest im normalen Bereich. Für die Zukunft wird die Kontrolle der Zahnform als wichtig erachtet. Zähne werden erzeugt, indem das Mesenchym während des Entwicklungsprozesses entsprechend dem Körperplan gesteuert wird. Was die Kontrolle der Zahnmorphologie anbelangt, so wird die Zahnbreite durch die Fläche der Kontakte zwischen Epithel- und Mesenchymzellen gesteuert, und die Anzahl der Höcker wird durch die Expression von Shh im inneren Schmelzepithel kontrolliert. Diese biotechnologische Zahntechnologie trägt zur Verwirklichung der regenerativen Ganzzahnersatztherapie als Therapie der nächsten Generation bei.

Vollständig funktionsfähiger biotechnologisch hergestellter Haarfollikel

4.1. Entwicklung der Haarfollikel

Mäuse haben vier verschiedene Arten von Haaren auf ihrem Rücken, die als Schutz-, Pfriem-, Auchen- und Zickzackhaare klassifiziert werden. Die Haarfollikelentwicklung in der Rückenhaut der Maus beginnt mit der Bestimmung des Schicksals der mesenchymalen Zellen etwa bei ED 10,5, was zur Bildung eines dermalen Kondensats führt. Wechselseitige Interaktionen zwischen dem dermalen Kondensat und der darüber liegenden Epidermis führen zur Induktion der Haarplakode (Abbildung 3a). Sobald der Haarplacode etabliert ist, erfolgt die Entwicklung der Haarfollikel in drei Wellen, beginnend mit der Entwicklung des Schutzhaars bei ED 14,5, gefolgt von Pfriem- und Auenhaar bei ED 17 und Zickzackhaar bei der Geburt. Das untere Ende des Haarzapfenepithels, das sich um eine kondensierte Hautzelle wickelt, bildet den Keim der Haarmatrix. Die kondensierte dermale Zelle bildet eine dermale Papille, die als Nische für mesenchymale Stammzellen des Haarfollikels gilt, die Differenzierung der Haarmatrix einleitet und die innere Wurzelscheide des Haarfollikels sowie den Haarschaft bildet. Die Wulstregion bildet auch eine Epithelstammzellnische und ist gleichzeitig mit Nervenfasern und dem Arrector-Pili-Muskel verbunden (Abbildung 3a).

4.2. Voll funktionsfähige Haarfollikelregeneration

Das Haarorgan hat die biologischen Funktionen der Thermoregulation, der physikalischen Isolierung gegen UV-Strahlung, der Wasserdichtigkeit, des Tastsinns, des Schutzes vor schädlichen Reizen, der Tarnung und der sozialen Kommunikation. Haarausfallerkrankungen wie die angeborene Haarfollikeldysplasie und die androgenetische Alopezie sind psychisch belastend und haben negative Auswirkungen auf die Lebensqualität beider Geschlechter. Die derzeitigen pharmakologischen Behandlungen reichen nicht aus, um den Haarausfall, z. B. bei angeborener Haarfollikeldysplasie oder Alopecia areata, optimal zu kontrollieren. Die Nachfrage nach der Entwicklung biotechnologischer Technologien, die eine regenerative Therapie des Haarausfalls ermöglichen, hat zugenommen.

Im Haarzyklus werden Haarfollikelkeime regelmäßig rekonstituiert, und epitheliale und mesenchymale Stammzellen, die Haarfollikel regenerieren können, sind auch bei Erwachsenen vorhanden. Daher ist dieses Organ das einzige, bei dem die Keimbildung aus adulten Zellen wiederhergestellt werden kann. Es gibt Berichte über autologe Haarfollikeltransplantationen, bei denen ein einzelner Haarfollikel aus der gesunden Kopfhaut isoliert und Patienten mit Alopezie männlichen Typs transplantiert wird, wobei die transplantierten Haarfollikel ihre Eigenschaften beibehalten. Nach Ansicht vieler Forscher führt der Ersatz von Hautzellen in der Haut durch mesenchymale Zellen, die aus erwachsenen Haarzwiebeln in einem Haarfollikel gewonnen werden, zur Bildung neuer Haarfollikel. Die Regeneration von Haarfollikeln, die in Zusammenarbeit mit dem umgebenden Gewebe funktionieren, ist jedoch schwierig. Unsere Gruppe rekonstruierte einen biotechnologisch hergestellten Haarfollikelkeim, der mesenchymale Stammzellen enthält, unter Verwendung von Epithelzellen aus dem Haarwulst und Zellen der Hautpapille, die nicht nur aus Embryonen, sondern auch aus erwachsenen Mäusen isoliert wurden (Abbildung 3b). Nach der orthotopen Transplantation entwickeln sich die biotechnologisch hergestellten Haarfollikelkeime zu reifen Haarfollikeln mit geeigneten Strukturen und produzieren lebenslang Haare (Abbildung 3c). Außerdem verbanden sich die regenerierten Haarfollikel effizient mit dem umgebenden Wirtsgewebe und zeigten als Reaktion auf die Verabreichung von Acetylcholin einen pilomotorischen Reflex (Abbildung 3d). Diese Studie zeigte das Potenzial von Gewebestammzellen, die aus adulten Haarfollikeln isoliert wurden, sich im Bereich der regenerativen Medizin zu menschlichen Haarfollikeln zu entwickeln.

Vollständig funktionsfähige biotechnisch hergestellte sekretorische Drüsen

5.1. Entwicklung von Speichel- und Tränendrüsen

Sekretionsdrüsen, einschließlich Speicheldrüsen und Tränendrüsen, sind für den Schutz und die Aufrechterhaltung der physiologischen Funktionen in der Mikroumgebung der Mund- und Augenoberfläche unerlässlich. Die sekretorischen Drüsen entwickeln sich über reziproke epithelial-mesenchymale Interaktionen. Die Speicheldrüsen werden in drei Haupttypen eingeteilt: die Ohrspeicheldrüse (PG), die Unterkieferdrüse (SMG) und die Unterzungendrüse (SLG). Die SMG entwickelt sich durch die Einstülpung des Epithels in den mesenchymalen Bereich auf ED 11. Das invaginierte Epithelgewebe proliferiert und bildet einen Epithelstiel (Abbildung 4a). Eine terminale Knospe bildet eine verzweigte Struktur, indem sie einen Spalt entwickelt und den Verlängerungs- und Verzweigungsprozess von ED 12,5-14,5 wiederholt. Die terminalen Knospen differenzieren sich zu azinären Zellen und reifen am ED 15 zur Synthese von Sekretionsproteinen. Im Gegensatz dazu entwickelt sich die Tränendrüse auch durch die Einstülpung des Epithels in einen mesenchymalen Sack in einer temporalen Region des Auges bei ED 12,5. Die abgerundeten Epithelknospen verdichten sich zur Fornix conjunctiva superior, die dann in das umgebende Mesenchym einwächst. Der Tränendrüsenkeim bildet über die Morphogenese der Stielverlängerung und Spaltbildung Verzweigungen. Die grundlegende Struktur der Tränendrüse wird durch ED 19 erreicht.

5.2. Speichel- und Tränendrüsenregeneration

Mundtrockenheit und trockene Augen sind häufige Symptome. Zu den Speicheldrüsenerkrankungen gehören Speicheltumore, obstruktive Erkrankungen, Infektionen und die Symptome systemischer Erkrankungen wie das Sjögren-Syndrom, Lymphome und Stoffwechselerkrankungen. Diese Erkrankungen wirken sich auch auf die Tränendrüsen aus und führen zu einem trockenen Auge. Funktionsstörungen und Erkrankungen im Zusammenhang mit diesen exokrinen Drüsen führen zu einer allgemeinen Beeinträchtigung der Lebensqualität. Die derzeitigen Therapien für Krankheiten, die durch Mund- und Augentrockenheit gekennzeichnet sind, behandeln jedoch nur die Symptome. Diese Therapien haben nur eine vorübergehende Wirkung und kehren die Funktionsstörung der exokrinen Drüsen nicht um.

Unsere Gruppe wollte bessere Behandlungen entwickeln, indem sie einen biotechnologisch hergestellten Speicheldrüsenkeim aus Epithel- und Mesenchymzellen rekonstruierte, die aus embryonalen Speicheldrüsenkeimen der Maus ED 13.5-14.5 gewonnen wurden (Abbildung 4b). Nach orthotoper Transplantation nach Entfernung der nativen Speicheldrüsen entwickelte sich der biotechnisch hergestellte Speicheldrüsenkeim zu einer reifen Speicheldrüse, und es bildete sich eine ordnungsgemäße Verbindung zwischen dem Speichelgang des Wirts und dem biotechnisch hergestellten Speichelgang (Abbildung 4b). Auf diese Weise entwickelte sich in der Empfängermaus ein verbundener Speicheldrüsengang mit azinären Gewebestrukturen, die der natürlichen Speicheldrüse ähnlich waren (Abbildung 4c). Die biotechnisch hergestellte SMG regenerierte seröse Azinuszellen und wies eine natürliche Organstruktur auf. Es wurde auch ein Nerveneingang in diese biotechnisch hergestellten Speicheldrüsen festgestellt, und die Speichelsekretion wurde in der Speicheldrüse durch Stimulierung der Geschmacksknospen mit Zitronensäure ausgelöst (Abbildung 4d).

Wir haben auch einen biotechnisch hergestellten Tränendrüsenkeim aus Epithel- und Mesenchymzellen rekonstituiert, die aus den Tränendrüsenkeimen des ED 16.5 Mausembryos stammen. Der biotechnologisch hergestellte Tränendrüsenkeim, der mit der Organkeimmethode erzeugt wurde, durchlief erfolgreich eine verzweigte Morphogenese. Nach der Transplantation entwickelten sich diese Drüsen in vivo zu reifen sekretorischen Drüsenstrukturen. Diese Ergebnisse bestätigten die Möglichkeit der Regeneration einer biotechnisch hergestellten sekretorischen Drüse mit Hilfe der Organkeimtransplantation.

Generierung von Organoiden als Miniorgane aus pluripotenten Stammzellen

Organoide, die die partielle Struktur und Funktion von Organen nachbilden, wurden aus multipotenten Stammzellen auf der Grundlage des Konzepts der Rekapitulation des Induktionsprozesses eines organbildenden Feldes mit anschließender Selbstorganisation während der embryonalen Organogenese generiert. Diese Induktion wurde durch den Einsatz verschiedener Kombinationen von Zytokinen erreicht, die die Musterung und Positionierung von Signalen im Embryo nachahmen. Dieses Konzept wurde erstmals durch die erfolgreiche Generierung eines Organoids des Sehnervenkopfes aus ES-Zellen bewiesen. Anschließend wurden verschiedene Organoide in jedem organbildenden Bereich induziert, wie z. B. Netzhaut , Hypophyse , Großhirn , Innenohr und Haarfollikel im Kopfbereich; Schilddrüse und Lunge im Thoraxbereich; und Dünndarm , Magen und Niere im Bauchbereich .

Erwachsene Gewebestammzellen, wie Darm-, Lungen-, Magen- und Pankreasstammzellen, sind ebenfalls in der Lage, durch Selbstorganisation ihrer Nische Organoide zu bilden, die die ursprüngliche Gewebestruktur teilweise reproduzieren können. Obwohl die Definition eines Organoids je nach Ursprung (d. h. pluripotente Stammzellen oder Gewebestammzellen) leicht unterschiedlich ist, bilden Organoide die Organ- oder Gewebestruktur teilweise nach und können bis zu einer begrenzten Größe wachsen, so dass sie als Miniorgane betrachtet werden. Im Gegensatz zu einem biotechnologisch hergestellten Organkeim ist ein Organoid daher nicht in der Lage, die Funktionen seiner ursprünglichen Organe nach einer orthotopen Transplantation vollständig zu ersetzen; die orthotope und heterotope Transplantation mehrerer Organoide kann jedoch die Organfunktion teilweise wiederherstellen.

Kürzlich haben wir erfolgreich eine voll funktionsfähige Speicheldrüse aus ES-Zellen der Maus in vivo regeneriert (Abbildung 4e,f) . Unter Anwendung der allgemeinen Methode zur Organoidbildung erzeugten wir das Speicheldrüsenprimordium als Organoid durch Induktion eines organbildenden Feldes (d.h. des oralen Ektoderms), das dann orthotopisch transplantiert wurde. Das transplantierte Organoid entwickelte sich zu einer reifen Speicheldrüse mit der richtigen Gewebestruktur wie Azinusgewebe und bildete geeignete Verbindungen mit den umliegenden Geweben, einschließlich des PG-Gangs und der Nerven. Darüber hinaus sezernierte die regenerierte Speicheldrüse Speichel als Reaktion auf eine Geschmacksstimulation mit Zitronensäure, was die vollständige funktionelle Wiederherstellung der ursprünglichen Speicheldrüse nach orthotoper Transplantation des Organoids beweist (Abbildung 4f). Diese Studien zeigen deutlich, dass eine funktionelle Organregeneration mit Organoiden möglich ist, die durch Induktion eines organbildenden Feldes in multipotenten Stammzellen und nicht in embryonalen Stammzellen mit organinduzierendem Potenzial erzeugt werden. Die Entwicklung eines neuartigen In-vitro-Kultursystems, das es ermöglicht, Organoide großer Organe wie Leber und Niere auf eine angemessene Größe zu züchten, sollte das nächste Forschungsthema sein, um eine Organregeneration zu erreichen.

Regeneration eines dreidimensionalen IOS aus iPS-Zellen

Die koordinierte Funktion mehrerer Organe, die zusammen als Organsystem bezeichnet werden, wie z. B. das zentrale Nervensystem, das Kreislaufsystem, das Verdauungssystem und das IOS, ist für die Aufrechterhaltung der Homöostase in einem Organismus entscheidend. Daher ist die Regeneration des gesamten Organsystems die nächste Herausforderung auf dem Gebiet der regenerativen Medizin. Das IOS ist das größte Organsystem des Körpers. Neben dem Hautgewebe, das sich aus Epidermis, Dermis und subkutanem Fettgewebe zusammensetzt, enthält dieses System mehrere Organe wie Haarfollikel, Talgdrüsen und Schweißdrüsen. Das Organsystem der Haut spielt eine wichtige Rolle bei der Homöostase, z. B. bei der Feuchtigkeits- und Talgsekretion und beim Schutz vor ultraviolettem Licht und äußeren Reizen durch die Haarschäfte. Hautverletzungen durch schwere Verbrennungen sind lebensbedrohlich. Angeborene Defekte und der Verlust von Hautanhangsgebilden beeinträchtigen die Lebensqualität erheblich, obwohl eine teilweise regenerative medizinische Behandlung mit Epidermisfolien möglich ist. Es wurde über die Herstellung künstlicher Haut, die aus Epidermis und Dermis besteht, und über die Regeneration von Haarfollikelorganen durch Zellmanipulation berichtet. Dennoch wurde noch kein Hautorgansystem regeneriert.

Kürzlich haben wir erfolgreich das IOS regeneriert, indem wir ein organbildendes Feld in Embryoidkörpern (EBs) induziert haben, die aus iPS-Zellen der Maus stammen (Abbildung 5a). Nach der Transplantation von EBs in die Nebennierenkapsel wurde die Bildung von Hautanhangsgebilden einschließlich Haarfollikeln, Talgdrüsen und subkutanem Fettgewebe im biotechnologisch hergestellten IOS ohne Tumorbildung bestätigt (Abbildung 5b,c). Darüber hinaus entsprachen Anzahl und Dichte der regenerierten Haare im biotechnologisch hergestellten IOS denen des natürlichen Haares, was darauf hindeutet, dass die Organogenese im IOS auf ähnliche Weise wie bei der normalen Entwicklung erfolgt. Das in der Nebennierenkapsel erzeugte biotechnologisch hergestellte IOS war nach der Transplantation auf die Rückenhaut von Nacktmäusen voll funktionsfähig, wie der sich wiederholende Haarzyklus zeigt (Abbildung 5d). Diese Studie bestätigte das Konzept der Regeneration von Organsystemen in vivo. Aus der Sicht der praktischen Anwendung ist eine neue Strategie zur Erzeugung eines Organsystems in vitro wünschenswert. Eine solche Strategie könnte darin bestehen, die verschiedenen Arten von Organoiden als Teile zusammenzusetzen. Die Forschung zur Kontrolle der Konfiguration von Organoiden und deren Wachstum in vitro wird der nächste Trend auf dem Gebiet der regenerativen Medizin sein.

Schlussfolgerung und Zukunftsperspektiven

In diesem Jahrzehnt haben Studien zur Organregeneration, ausgehend von der Bioengineering-Technologie, große Fortschritte auf dem Weg zur Verwirklichung einer regenerativen Organtherapie gemacht, indem sie Konzepte aus der Stammzellbiologie und der Entwicklungsbiologie einbezogen haben. Auf der Grundlage der Erkenntnisse aus Organoidstudien können praktisch alle Miniorgane entweder aus pluripotenten Stammzellen oder Gewebestammzellen erzeugt werden, wodurch die Bedenken hinsichtlich der Zellquelle für die regenerative Organtherapie ausgeräumt werden. Die funktionelle Regeneration ektodermaler Organe unter Verwendung von Zellen, die aus embryonalen Organkeimen, Stammzellen mit organinduzierendem Potenzial und pluripotenten Stammzellen isoliert wurden, beweist das Konzept der Organersatztherapie.

Die Entwicklung eines dreidimensionalen In-vitro-Kultursystems mit der Fähigkeit, Organoide und Organkeime auf eine angemessene Größe zu züchten, ist für die funktionelle Regeneration mehrerer Organe und Organsysteme unerlässlich. Die derzeitigen In-vitro-Kultursysteme ermöglichen kein angemessenes Wachstum und keine Aufrechterhaltung von Organoiden oder Organkeimen, da es in diesen Geweben zu Nekrosen kommt, die hauptsächlich auf die fehlende Nährstoffversorgung zurückzuführen sind. In vivo ist das Blutkreislaufsystem für die Aufrechterhaltung der Organfunktionen durch Sauerstofftransport, Nährstoffversorgung und Abfallbeseitigung von wesentlicher Bedeutung. Jüngste Fortschritte in der Gewebezüchtung haben gezeigt, dass das Gefäßnetz biologische Substanzen in das Innere des Zellsphäroids leitet. Darüber hinaus haben wir zuvor ein Organperfusionskultursystem entwickelt, das ein vaskuläres Netzwerk verwendet, das die Rattenleber über einen längeren Zeitraum in einem gesunden Zustand hält und Hinweise für die Entwicklung eines neuartigen dreidimensionalen Kultursystems liefert.

Da Haarfollikel-Stammzellen die einzigen adulten Stammzellen sind, die ein organinduktives Potenzial besitzen und autogen transplantiert werden können, wird die erste klinische Studie zur Regeneration von Organen beim Menschen zweifellos die Haarfollikelregeneration untersuchen. Die Regeneration von Haarfollikeln mit unserer Organkeim-Methode wird derzeit in einer präklinischen Studie zur Heilung von Patienten mit androgener Alopezie untersucht, mit dem Ziel, im Jahr 2020 klinische Versuche durchzuführen. Diese Haarfollikel-Regenerationstherapie wird einen Meilenstein in der organregenerativen Therapie darstellen und zur Entwicklung von Materialien und einer reaktionsfähigen Infrastruktur zur Realisierung der organregenerativen Medizin führen. Die Anwendung des Wissens über die Haarfollikelregeneration und des aus klinischen Versuchen gewonnenen Know-hows auf andere Organkeime oder Organoide wird in den nächsten Jahrzehnten die Regeneration anderer Organe aus pluripotenten und Gewebestammzellen in Kombination mit Organoidtechnologien ermöglichen.

Zugänglichkeit von Daten

Dieser Artikel enthält keine zusätzlichen Daten.

Beiträge der Autoren

T.T. hat diesen Bericht verfasst. E.I., M.O., M.T. und T.T. verfassten das Manuskript.

Konkurrierende Interessen

Diese Studie wurde im Rahmen einer Erfindungsvereinbarung zwischen Riken und Organ Technologies Inc. durchgeführt. T.T. ist Direktor bei Organ Technologies Inc.

Finanzierung

Die Veröffentlichung dieser Übersichtsarbeit wurde teilweise durch einen Grant-in-Aid für KIBAN (A) vom Ministerium für Bildung, Kultur, Sport, Wissenschaft und Technologie (Zuschuss Nr. 25242041) und durch einen Kooperationszuschuss (an T.T.) von Organ Technologies Inc. unterstützt. Diese Arbeit wurde teilweise von Organ Technologies Inc. finanziert.

Fußnoten