Esittely

Lukuiset edistysaskeleet eri tutkimusaloilla, kuten kehitysbiologiassa, kantasolubiologiassa ja kudosrakentamisen teknologiassa, ovat edistäneet regeneratiivista lääketiedettä. Regeneratiivisen lääketieteen ensimmäinen sukupolvi on kantasolusiirtohoito, jossa käytetään kudosperäisiä kantasoluja, alkion kantasoluja (ES-soluja) tai indusoituja pluripotentteja kantasoluja (iPS-soluja) . Esimerkiksi luuydinsiirrosta on jo tullut yleinen leukemian ja hypoplastisen anemian hoito. Lisäksi sekä ES-solut että iPS-solut ovat tulossa kliinisiin tutkimuksiin monien sairauksien ja vammojen, kuten leukemian, Parkinsonin taudin ja Alzheimerin taudin, sydäninfarktin, diabeteksen, maksasairauksien ja monien muiden sairauksien hoitoon. Kudosregeneraatiota pidetään regeneratiivisen lääketieteen toisena sukupolvena, ja useita tuotteita, kuten ihoa ja rustoa, on jo markkinoilla. Lisäksi maailman ensimmäistä kudosregeneraatiohoitoa, jossa käytetään iPS-soluja, jotka on saatu joko potilaalta tai anonyymiltä luovuttajalta, tutkitaan parhaillaan kliinisessä tutkimuksessa ikään liittyvän makuladegeneraation parantamiseksi.

Seuraavan sukupolven regeneratiivinen hoito kohdistuu kokonaisiin elimiin, jotka koostuvat useista solutyypeistä ja joilla on monimutkainen kolmiulotteinen rakenne . Tällä vuosikymmenellä edistysaskeleet kantasolubiologian ja kehitysbiologian alalla ovat tarjonneet uusia mahdollisuuksia toimivien elinten uudistamiseen. Alkionkehityksen aikana elimet syntyvät vastaavista elinalkioista, jotka syntyvät yksittäisten elinmuodostuskenttien mukaisista, kohtalosta riippuvaisten epiteeli- ja mesenkymaalisten kantasolujen välisistä vastavuoroisista vuorovaikutuksista (kuva 1a) . Toiminnallinen elinregeneraatio saavutettiin ensimmäisen kerran vuonna 2007 kehittämällä uudenlainen solujen manipulointimenetelmä, jonka avulla voitiin tuottaa bioteknisesti muokattu elinalkio, jolla oli elininduktiivinen potentiaali epiteeli- ja mesenkymaalisia kantasoluja, jotka oli eristetty alkion elinalkioista (kuva 1b) . Tässä uraauurtavassa tutkimuksessa ja myöhemmissä tutkimuksissa raportoitiin monentyyppisten ektodermisten elinten täysin toimivasta regeneraatiosta, mikä antoi näyttöä funktionaalisen elinregeneraation käsitteestä .

Neuvoa seuraava paradigmanmuutos tapahtui vuonna 2008, kun löydettiin organoidit, jotka synnytetään indusoimalla elinmuodostuskenttä solukokonaisuuteen, joka on syntynyt pluripotentteista kantasoluista, kuten ES- soluista ja iPS-soluista, samoin kuin kudoksen kantasoluista (kuvio 1c) . Käytännöllisesti katsoen kaikentyyppisiä organoideja voidaan tuottaa, mukaan lukien keskushermoston organoidit (eli aivokuori, aivolisäke, näköhermonmalja ja sisäkorva) . Vaikka organoidien syntyminen on teknologinen läpimurto, joka on nykyään tärkeä väline monissa biologian perussovelluksissa ja kliinisissä sovelluksissa, organoidit pystyvät silti vain osittain jäljittelemään alkuperäisten elinten rakennetta ja toimintaa. Tämän vuoksi suurin osa tähän mennessä tuotetuista yksittäisistä organoideista on pystynyt korvaamaan kokonaisen elimen rajoitettuja ja/tai osittaisia toimintoja, joten niitä pidetään tällä hetkellä minieliminä. Hiljattain kehitettiin menestyksekkäästi sylkirauhasen organoideja, jotka osoittivat täysin toimivan elimen uusiutumisen ortotooppisen siirron avulla. Koska ektodermisen elimen kehityksen periaatteet ovat samankaltaisia kuin muiden elinten, on tärkeää ymmärtää syvällisemmin ektodermisen elimen regeneraatiota, jotta voidaan saavuttaa muiden elinten täydellinen toiminnallinen regeneraatio (kuva 1a). Lisäksi integumentaalisen elinjärjestelmän (IOS) regenerointi in vivo -organoidimenetelmällä osoitti selvästi elinjärjestelmän regenerointimahdollisuuden .

Tässä katsauksessa kuvaamme viimeaikaisia edistysaskeleita elinten regeneroinnissa, jossa käytetään erilaisia kantasolupopulaatioita ja strategioita, jotka perustuvat kehitysbiologiaan ja kantasolubiologiaan, ja keskustelemme elinten korvaavan hoidon tulevista suunnista elinten regeneratiivisen lääketieteen seuraavana sukupolvena.

Kolmiulotteisen solumanipulaatiomenetelmän, elimen itumamenetelmän, kehittäminen alkion soluja käyttäen

Tutkijat ovat useiden vuosikymmenien ajan yrittäneet regeneroida elimiä yhdistelemällä funktionaalisia soluja, telinemateriaaleja ja fysiologisesti aktiivisia aineita kudosteknisiä tekniikoita käyttäen . Vaikka nämä aiemmat tutkimukset ovatkin edistäneet elinregeneraatiota, näiden tutkimusten tuloksiin liittyy huomattavia huolenaiheita, kuten elininduktion alhainen tehokkuus ja regeneroidun elimen suunnan ja koon hallitsemattomuus. Kantasolujen ja kehitysbiologian edistymisen myötä sikiövaiheessa tapahtuva elinten synnyttäminen on edistynyt viimeisten 30 vuoden aikana. Elinten regeneraation kehitysprosessi alkaa elimen sukusolun induktiosta epiteeli-mesenkymaalisilla vuorovaikutuksilla elinkentässä, joka muodostuu sen jälkeen, kun ruumiinrakenne on vakiintunut varhaiskehityksen aikana. Vuosien varrella on kehitetty solujen manipulointitekniikoita, jotka on suunniteltu elinalkioiden regeneroimiseksi, mutta toiminnallisten elinten kehityksen ja regeneroitumisen täydellistä jäljittelyä ei ole saavutettu .

Kehitimme bioteknisen menetelmän, jota nimitetään elinalkio-menetelmäksi, jotta voimme toistaa elinalkion indusoitumisen epiteliaalisten ja mesenkymaattisten vuorovaikutussuhteiden kautta varhaisissa kehitysvaiheissa . Lokeroimme hiiren alkiosta eristettyjä epiteeli- ja mesenkyymisoluja korkealla solutiheydellä tyypin I kollageenigeeliin, jotta saisimme aikaan tarkan jäljitelmän organogeneesin aikana tapahtuvista prosesseista. Tämän uudenlaisen menetelmän avulla olemme havainneet useiden erityyppisten ektodermaalisten elinten, kuten hampaiden, karvatupen ja erittävien rauhasten, toiminnallista regeneroitumista .

Täysin toiminnalliset bioteknisesti valmistetut hampaat

3.1. Hampaan kehitys

Hampaan itiökehityksessä hampaan lamina paksuuntuu aluksi (lamina-vaihe) (kuva 2a). Hampaan itiö kehittyy ja on vuorovaikutuksessa suun limakalvon epiteelin ja mesenkyymin kanssa. Myöhemmin epiteelin paksuuntuminen hampaan tulevassa sijainnissa ja sitä seuraava epiteelin nuppuuntuminen (nuppuvaihe) alla olevaan hermorangasta peräisin olevaan mesenkyymiin indusoituu epiteelisignaaleilla alkion päivinä (ED) 11-13 hiirillä. ED-päivinä 13-15 kiilteen solmu toimii signaalikeskuksena, joka vastaa hampaan papillan muodostumisesta ja ylläpidosta. Primaariset kiilteen solmut muodostuvat hampaan nupussa ja näkyvät siirryttäessä nuppuvaiheesta korkkiin. ED:ssä 17-19 hampaan idun epiteeli- ja mesenkyymisolut erilaistuvat lopullisesti. Mesenkyymi erilaistuu myös hammasytimeksi ja parodontalikudoksiksi, joista tulee sementti, parodontalligamentti ja alveoliluu. Hampaan juuren muodostuminen käynnistyy hampaan kruunun muodostumisen jälkeen, ja kypsät hampaat puhkeavat suuonteloon.

3.2. Täysin toimintakykyisen hampaan uudistaminen

Hampaiden menetys karieksen, parodontiitin tai trauman vuoksi aiheuttaa perustavanlaatuisia ongelmia suun asianmukaisessa toiminnassa, ja siihen liittyy suu- ja yleisterveysongelmia . Tavanomaiset hammashoidot, joiden tarkoituksena on palauttaa okklusaaliset toiminnot hampaiden menetyksen jälkeen, perustuvat hampaiden korvaamiseen keinotekoisilla materiaaleilla, kuten kiinteillä tai irrotettavilla proteeseilla ja silloilla. Vaikka näitä keinotekoisia hoitomuotoja käytetään laajalti hammashäiriöiden hoitoon, okkluusion palauttaminen on välttämätöntä, koska hampaat koordinoivat ympäröivien lihasten okklusiivista voimaa ja ortodonttista voimaa, ja stomatognataalisen järjestelmän eheys säilyy luomalla okklusiivinen järjestelmä leuan kasvun aikana syntymän jälkeisenä aikana . Viimeaikaiset edistysaskeleet kudosregeneraatiossa ovat mahdollistaneet sen, että tutkijat ovat voineet parantaa biologisten hampaiden toimintoja helpottamalla taustalla olevan hampaan kehitystä luun uudelleenmuokkauksen avulla ja auttamalla kykyä havaita haitallisia ärsykkeitä .

Kuten aiemmassa tutkimuksessamme osoitettiin, bioteknisesti tuotettu hampaan itiö kehittyy oikeaksi hammasrakenteeksi ja puhkeaa menestyksekkäästi suuonteloon sen jälkeen, kun se on istutettu kadonneen hampaan alueelle (kuva 2b) . Kun kyseessä on siirretty bioteknisesti valmistettu kypsä hammasyksikkö, joka koostuu kypsästä hampaasta, parodontaaliligamentti ja alveoliluu voidaan siirtää hampaan menetysalueelle vastaanottajan luun integroitumisen kautta (kuva 2c) . Bioteknisesti muunnettu hammas säilyttää vuorovaikutuksen bioteknisesti muunnetusta hammasyksiköstä peräisin olevan parodontaaliligamentin ja alveoliluun kanssa onnistuneen luun integroitumisen ansiosta. Bioteknisesti valmistettujen hammasosien kiilteen ja dentiinin kovuus oli normaalialueella, kun sitä analysoitiin Knoopin kovuustestillä. Tulevaisuuden suuntauksena hampaan muodon hallintaa pidetään tärkeänä. Hampaat syntyvät ohjaamalla mesenkyymiä kehon suunnitelman mukaisesti kehitysprosessin aikana. Hampaan morfologisesta ohjauksesta voidaan todeta, että hampaan leveyttä ohjaa epiteeli- ja mesenkyymisolukerrosten välisten kontaktien pinta-ala, ja hampaan kuspien määrää ohjaa Shh:n ilmentyminen sisemmässä kiilleepiteelissä . Tämä biotekninen hammasteknologia edistää koko hampaan korvaavan regeneratiivisen terapian toteuttamista seuraavan sukupolven hoitona.

Täysin toimiva biotekninen karvatupsu

4.1. Karvatupen kehittyminen

Hiirillä on selässään neljä erilaista karvatyyppiä, jotka luokitellaan suoja-, awl-, auchene- ja zigzag-karvoiksi. Hiiren selkäihon karvatupen kehitys alkaa mesenkyymisolujen kohtalonmäärityksellä noin ED 10,5:n kohdalla, minkä seurauksena muodostuu ihokondensaatti. Vastavuoroiset vuorovaikutukset ihokondensaatin ja sitä ympäröivän epidermiksen välillä johtavat karvaplanktonin induktioon (kuva 3a). Kun karvaplankton on muodostunut, karvatupen kehittyminen tapahtuu kolmessa aallossa, alkaen suojakarvojen kehittymisestä ED 14,5:ssä, jota seuraavat awl- ja auchene-karvat ED 17:ssä ja zigzag-karvat syntyessään . Karvatupen epiteelin alapää, joka kietoutuu tiivistyneen ihosolun ympärille, muodostaa hiusmatriisin idun. Kondensoitunut ihosolu muodostaa ihopapillan, jota pidetään hiustupen mesenkymaalisten kantasolujen kapeikkona ja joka indusoi hiusmatriisin erilaistumisen ja muodostaa hiustupen sisäisen juuritupen ja hiusakselin. Pullistuma-alue muodostaa myös epiteelin kantasolunicheen ja on samanaikaisesti yhteydessä hermosäikeisiin ja arrector pili -lihakseen (kuva 3a) .

4.2. Täysin toimiva karvatupen regeneroituminen

Karvaelimen biologisia tehtäviä ovat lämmönsäätely, fyysinen eristys UV-säteilyltä, vedenpitävyys, tuntoaisti, suojaaminen haitallisilta ärsykkeiltä, naamioituminen ja sosiaalinen viestintä . Hiustenlähtöhäiriöt, kuten synnynnäinen karvatupen dysplasia ja androgeneettinen hiustenlähtö, ovat psykologisesti ahdistavia ja vaikuttavat kielteisesti molempien sukupuolten elämänlaatuun . Nykyiset farmakologiset hoidot ovat riittämättömiä hiustenlähtösairauksien, kuten synnynnäisen karvatupen dysplasian tai alopecia areatan, ihanteellisen hallinnan saavuttamiseksi. Kysyntä sellaisten bioteknisten teknologioiden kehittämiselle, jotka mahdollistavat hiustenlähdön regeneratiivisen hoidon, on kasvanut.

Hiuskierrossa hiusfollikkelien itiöt muodostuvat uudelleen määräajoin, ja epiteeli- ja mesenkymaalisia kantasoluja, jotka kykenevät uudistamaan hiusfollikkeleita, on myös aikuisilla. Näin ollen tämä elin on ainoa elin, jonka uudelleen muodostuvat itiöt voidaan regeneroida aikuisista peräisin olevista soluista. On raportoitu autologisesta karvatupen siirrosta, jossa yksittäinen karvatuppi eristetään terveestä päänahan alueesta ja siirretään potilaille, joilla on miesten hiustenlähtö, ja siirretyt karvatupet säilyttävät ominaisuutensa. Monien tutkijoiden mukaan ihon ihosolujen korvaaminen mesenkyymisoluilla, jotka kerätään aikuisten hiussolmukkeista karvatupen sisällä, saa aikaan uuden karvatupen muodostumisen . Yhteistyössä ympäröivän kudoksen kanssa toimivien karvatupen uudistaminen on kuitenkin vaikeaa. Ryhmämme rekonstruoi bioteknisesti muunnetun karvatupen idun, joka sisältää mesenkymaalisia kantasoluja, käyttäen bulvaanista peräisin olevia epiteelisoluja ja dermaalisia papillasoluja, jotka on eristetty paitsi alkioista, myös aikuisista hiiristä (kuva 3b) . Ortotooppisen siirron jälkeen bioteknisesti valmistetut karvatupen itiöt kehittyvät kypsiksi karvatupiksi, joilla on oikeat rakenteet ja jotka tuottavat hiuksia koko elämänsä ajan (kuva 3c). Lisäksi uudistetut karvatupet liittyivät tehokkaasti ympäröivään isäntäkudokseen ja osoittivat pilomotorista refleksiä asetyylikoliinin antamisen seurauksena (kuva 3d). Tämä tutkimus osoitti aikuisten karvatupista eristettyjen kudoskantasolujen potentiaalin kehittyä ihmisen karvatupiksi regeneratiivisen lääketieteen alalla.

Täysin toiminnalliset bioteknisesti valmistetut eritysrauhaset

5.1. Sylki- ja kyynelrauhasten kehitys

Sylki- ja kyynelrauhaset, mukaan lukien sylki- ja kyynelrauhaset, ovat elintärkeitä suu- ja silmäpintojen mikroympäristön fysiologisten toimintojen suojaamiseksi ja ylläpitämiseksi. Erittävät rauhaset kehittyvät vastavuoroisten epiteelin ja mesenkyymin vuorovaikutusten kautta . Sylkirauhaset luokitellaan kolmeen päätyyppiin: parotidirauhanen (PG), submandibulaarinen rauhanen (SMG) ja sublinguaalirauhanen (SLG). SMG kehittyy epiteelin tunkeutumisen kautta mesenkymaalialueelle ED 11:ssä. Invaginoitunut epiteelikudos proliferoituu muodostaen epiteelivarren (kuva 4a) . Terminaalinen silmu muodostaa haarautuvan rakenteen kehittämällä halkion ja toistamalla pidentymis- ja haarautumisprosessin ED:stä 12,5-14,5 . Terminaalisipulit erilaistuvat acinarisoluiksi ja kypsyvät syntetisoimaan sihteeriproteiineja ED 15:ssä . Sitä vastoin kyynelrauhanen kehittyy myös epiteelin tunkeutumisen kautta mesenkymaaliseen pussiin silmän temporaalisella alueella ED 12,5:ssä. Pyöreät epiteelisilmut tiivistyvät ylempään sidekalvon fornixiin, joka sitten invaginoituu ympäröivään mesenkyymiin . Kyynelrauhasen itiö muodostaa haaroja varren pidentymisen ja halkionmuodostuksen morfogeneesin kautta. Kyynelrauhasen perusrakenne saavutetaan ED 19 .

5.2. Sylki- ja kyynelrauhasten uudistuminen

Suun kuivuminen ja silmien kuivuminen ovat yleisiä oireita. Sylkirauhasten sairauksia ovat sylkirauhaskasvaimet, obstruktiiviset häiriöt, infektiot ja systeemisten sairauksien, kuten Sjögrenin oireyhtymän, lymfooman ja aineenvaihduntasairauksien oireet . Nämä sairaudet vaikuttavat myös kyynelrauhasiin ja aiheuttavat silmien kuivumista . Näihin ulkosynnyttimiin liittyvät toimintahäiriöt ja häiriöt heikentävät yleisesti elämänlaatua. Nykyisillä suun ja silmien kuivuuden aiheuttamien sairauksien hoidoilla hoidetaan kuitenkin vain oireita . Näillä hoidoilla on vain tilapäisiä vaikutuksia, eivätkä ne kumoa eksokriinisten rauhasten toimintahäiriöitä.

Ryhmämme pyrki kehittämään parempia hoitoja muodostamalla bioteknisesti muunnetun sylkirauhasen itiön epiteeli- ja mesenkyymisoluista, jotka on saatu hiiren ED 13.5-14.5 -alkion sylkirauhasen itiöstä, käyttämällä kehittämäämme elimen itiö- eli organ germ -menetelmää (kuva 4b) . Natiivien sylkirauhasten poistamisen jälkeisen ortotooppisen siirron jälkeen bioteknisesti valmistettu sylkirauhasen itiö kehittyi kypsäksi sylkirauhaseksi, ja isännän sylkirauhasen ja bioteknisesti valmistetun sylkirauhasen kanavan välille muodostui asianmukainen yhteys (kuva 4b). Tämä menettely johti siihen, että vastaanottajahiiressä kehittyi yhdistetty sylkirauhaskanava, jonka akinaariset kudosrakenteet muistuttivat luonnollista sylkirauhasta (kuva 4c). Bioteknisesti muokatussa SMG:ssä uudistui seerumin acinussoluja ja siinä oli luonnollinen elinrakenne. Näissä bioteknisissä sylkirauhasissa havaittiin myös hermon sisäänpääsy, ja sylkirauhasessa indusoitiin syljen eritystä makunystyrän stimulaatiolla sitruunahapon avulla (kuva 4d).

Rekonstruoimme myös bioteknisesti valmistetun kyynelrauhasen itiön ED 16.5 -hiiren alkion kyynelrauhasen itiöstä saaduista epiteeli- ja mesenkyymisoluista. Bioteknisesti muokattu kyynelrauhasen itiö, joka oli tuotettu käyttämällä elimen itiömenetelmää, kävi onnistuneesti läpi haarautuvan morfogeneesin. Siirron jälkeen nämä rauhaset kehittyivät kypsiksi erittäviksi rauhasrakenteiksi in vivo. Nämä tulokset vahvistivat mahdollisuuden regeneroida bioteknisesti muokattu eritysrauhanen käyttämällä elimen itiösiirtoa.

Organoidien tuottaminen minieliminä pluripotenttisista kantasoluista

Organoidit, jotka jäljittelevät elinten osittaista rakennetta ja toimintaa, tuotettiin monipotenttisista kantasoluista käsitteen perusteella, jonka mukaan on tarkoitus kerrata elimenmuodostuskentän induktioprosessi, johon liittyy myöhempi itseorganisoituminen embryonaalisen organogeneesin aikana. Tämä induktio saavutettiin käyttämällä erilaisia sytokiinien yhdistelmiä, jotka jäljittelevät merkkien kuviointia ja paikannusta alkiossa. Tämä konsepti todistettiin ensimmäisen kerran, kun ES-soluista onnistuttiin tuottamaan näköhermokupin organoidi. Myöhemmin indusoitiin erilaisia organoideja kussakin elimiä muodostavassa kentässä, kuten verkkokalvo, aivolisäke, aivot, sisäkorva ja karvatuppi pään kentässä, kilpirauhanen ja keuhkot rintakehän kentässä sekä ohutsuoli, vatsa, mahalaukku ja munuaiset vatsan kentässä.

Aikuisten kudosten kantasolut, kuten suoliston , keuhkojen , mahalaukun ja haiman kantasolut , kykenevät myös tuottamaan organoideja kapeikkonsa itseorganisoitumisen kautta, jotka voivat osittain jäljentää alkuperäistä kudosrakennetta. Vaikka organoidin määritelmä on hieman erilainen riippuen sen alkuperästä (esim. pluripotentit kantasolut tai kudoskantasolut), organoidit jäljittelevät osittain elimen tai kudoksen rakennetta ja voivat kasvaa rajoitetun pieneen kokoon, joten niitä pidetään minieliminä. Toisin kuin bioteknisesti tuotettu elinalkio, organoidi ei siis pysty yksinään korvaamaan täysin alkuperäisen elimen toimintoja ortotooppisen elinsiirron jälkeen; useiden organoidien ortotooppisella ja heterotooppisella siirrolla voidaan kuitenkin osittain palauttaa elintoiminnot.

Viime aikoina onnistuimme menestyksekkäästi elvyttämään hiiren ES-soluista täysin toimivan sylkirauhasen in vivo (kuva 4e,f) . Käyttämällä yleistä organoidien muodostusmenetelmää tuotimme sylkirauhasen primordiumin organoidina indusoimalla elimiä muodostavan kentän (eli suun ektodermin), joka sitten siirrettiin ortotooppisesti. Siirretty organoidi kehittyi kypsäksi sylkirauhaseksi, jolla oli oikea kudosrakenne, kuten akinaarinen kudos, ja se muodosti asianmukaiset yhteydet ympäröiviin kudoksiin, mukaan lukien PG-kanava ja hermot. Lisäksi regeneroitunut sylkirauhanen eritti sylkeä vastauksena sitruunahappoa käyttävään makustimulaatioon, mikä osoitti alkuperäisen sylkirauhasen täydellisen toiminnallisen palautumisen organoidin ortotooppisen siirron jälkeen (kuva 4f). Nämä tutkimukset osoittavat selvästi, että toiminnallinen elinregeneraatio on mahdollista käyttämällä organoideja, jotka on tuotettu indusoimalla elimenmuodostuskenttä monipotentissa kantasolussa, ei kuitenkaan alkion kantasoluissa, joilla on elimenmuodostuspotentiaali. Sellaisen uudenlaisen in vitro -viljelyjärjestelmän kehittäminen, joka mahdollistaa suurten elinten, kuten maksan ja munuaisten, organoidien kasvattamisen sopivan kokoisiksi, olisi oltava seuraava tutkimuskohde elinten regeneraation aikaansaamiseksi.

Kolmiulotteisen IOS:n regeneraatio iPS-soluista

Moninkertaisten elinten koordinoitu toiminta, joihin viitataan yhteisesti elimistönä, kuten keskushermoston, verenkiertoelimistön, ruoansulatuselimistön ja elimistön IOS:ien, on elintärkeä elimistön homoostaasin ylläpitämiselle . Siksi koko elinjärjestelmän uudistaminen on seuraava haaste regeneratiivisen lääketieteen alalla. IOS on elimistön suurin elinjärjestelmä. Tähän järjestelmään kuuluu useita elimiä, kuten karvatupet, talirauhanen ja hikirauhanen, epidermiksen, dermiksen ja ihonalaisen rasvan muodostaman ihokudoksen lisäksi. Ihon elinjärjestelmällä on tärkeitä tehtäviä homeostaasissa, kuten kosteuden ja talin eritys sekä suojautuminen ultraviolettivalolta ja ulkoiselta ärsytykseltä karvapeitteiden avulla. Vakavien palovammojen aiheuttamat ihovammat ovat hengenvaarallisia. Synnynnäiset epämuodostumat ja ihon lisäkkeiden menetys vaikuttavat merkittävästi elämänlaatuun, vaikka osittainen regeneratiivinen lääkehoito epidermikalvoilla on mahdollista. On raportoitu epidermiksen ja dermiksen muodostaman keinotekoisen ihon luomisesta ja karvatupen elinten uudistamisesta solujen manipuloinnin avulla. Yhtään ihon elinjärjestelmää ei kuitenkaan ole pystytty regeneroimaan.

Viime aikoina olemme onnistuneesti regeneroineet IOS:n indusoimalla elimenmuodostuskentän hiiren iPS-soluista johdetuissa alkionrungoissa (embryoid bodies, EBs) (kuva 5a) . Sen jälkeen, kun EB:t oli siirretty subrenaliseen kapseliin, ihon lisäkkeiden, mukaan lukien karvatupet, talirauhaset ja ihonalainen rasvakudos, muodostuminen vahvistettiin bioteknisessä IOS:ssä ilman kasvainten muodostumista (kuva 5b,c). Lisäksi regeneroituneiden hiusten määrä ja tiheys bioteknisessä IOS:ssä oli sama kuin luonnollisissa hiuksissa, mikä viittaa siihen, että organogeneesi IOS:ssä tapahtui samalla tavalla kuin normaalissa kehityksessä. Subrenaalikapselissa tuotettu bioteknisesti muunnettu IOS oli täysin toimintakykyinen sen jälkeen, kun se oli siirretty alasti elävien hiirten selkäiholle, mistä osoituksena oli toistuva karvasykli (kuva 5d). Tämä tutkimus todisti käsitteen elinjärjestelmän regeneroitumisesta in vivo. Käytännön soveltamisen kannalta on toivottavaa löytää uusi strategia elinjärjestelmän tuottamiseksi in vitro. Yksi tällainen strategia voisi olla monentyyppisten organoidien kokoaminen osiksi. Tutkimus organoidien kokoonpanon hallitsemiseksi ja niiden kasvattamiseksi in vitro tulee olemaan seuraava suuntaus regeneratiivisen lääketieteen alalla.

Johtopäätökset ja tulevaisuudennäkymät

Tällä vuosikymmenellä bioteknisestä teknologiasta lähtevät elinten regeneraatiotutkimukset ovat ottaneet suuria edistysaskeleita kohti elinten regeneratiivisen terapian toteuttamista sisällyttämällä siihen käsitteitä kantasolubiologiasta ja kehitysbiologiasta. Organoiditutkimuksista saatujen havaintojen perusteella käytännössä kaikki minielimet voidaan tuottaa joko pluripotenteista kantasoluista tai kudoskantasoluista, mikä hälventää huolenaiheet elinten regeneratiivisen hoidon solulähteestä. Ektodermisten elinten toiminnallinen regenerointi käyttämällä alkion elimenalkioista eristettyjä soluja, elinten induktiivisen potentiaalin kantasoluja ja pluripotentteja kantasoluja todistaa elinten korvaushoidon konseptin.

Kolmiulotteisen in vitro -viljelyjärjestelmän kehittäminen, jolla on kyky kasvattaa organoideja ja elimenalkioita sopivan kokoisiksi, on olennaisen tärkeää useiden elinten ja elinjärjestelmien toiminnallisen regeneraation saavuttamiseksi. Nykyiset in vitro -viljelyjärjestelmät eivät mahdollista organoidien tai elinalkioiden asianmukaista kasvua tai ylläpitoa, koska näiden kudosten sisällä esiintyy nekroosia, joka johtuu pääasiassa ravinnonsaannin puutteesta. In vivo verenkiertojärjestelmä on elintärkeä elintoimintojen ylläpitämiseksi hapenkuljetuksen, ravinteiden saannin ja jätteiden poiston kautta. Viimeaikaiset edistysaskeleet kudostekniikan alalla ovat osoittaneet, että verisuoniverkosto syöttää biologisia aineita solupallon sisälle. Lisäksi kehitimme aiemmin verisuoniverkostoa käyttävän elimen perfuusioviljelyjärjestelmän, joka säilytti rotan maksan terveessä tilassa pitkään , mikä antaa viitteitä uudenlaisen kolmiulotteisen viljelyjärjestelmän kehittämiseksi.

Koska karvatupen kantasolut ovat ainoita aikuisten kantasoluja, joilla on elininduktiopotentiaalia ja jotka voidaan siirtää autogeenisesti, ensimmäisessä elinten regeneratiivisen hoidon kliinisessä tutkimuksessa ihmisellä tutkitaan epäilemättä karvatupen uudistumista. Hiusfollikkelien uudistamista elinalkio-menetelmämme avulla tutkitaan nyt prekliinisessä tutkimuksessa androgeenisesta hiustenlähtöisyydestä kärsivien potilaiden parantamiseksi, ja tavoitteena on suorittaa kliiniset tutkimukset vuonna 2020. Tämä hiusfollikkelien regeneratiivinen hoito on virstanpylväs elinregeneraatiohoidoissa, ja se johtaa materiaalin ja reagoivan infrastruktuurin kehittämiseen elinregeneraatiolääketieteen toteuttamiseksi. Hiustupen regeneraatiota koskevan tietämyksen ja kliinisistä tutkimuksista saadun asiantuntemuksen soveltaminen muihin elinalkioihin tai organoideihin mahdollistaa seuraavien vuosikymmenten aikana muiden elinten uudistamisen pluripotenttien ja kudosten kantasolujen avulla yhdessä organoiditeknologioiden kanssa.

Tietojen saatavuus

Tämässä artikkelissa ei ole lisätietoja.

Tekijöiden osuus

T.T. suunnitteli tämän katsauksen. E.I., M.O., M.T. ja T.T. kirjoittivat käsikirjoituksen.

Kilpailevat etunäkökohdat

Tämä tutkimus suoritettiin keksintösopimuksen mukaisesti Riken and Organ Technologies Inc. T.T. on johtaja Organ Technologies Inc:ssä.

Rahoitus

Tämän katsauksen julkaisemista on osittain tuettu opetus-, kulttuuri-, urheilu-, tiede- ja teknologiaministeriön KIBAN (A) -apurahalla (apuraha n:o 25242041) ja yhteistyöapurahalla (T.T.:lle), jonka myönsi Organ Technologies Inc. Tämän työn rahoitti osittain Organ Technologies Inc.

Alaviitteet