Under fosterudviklingen danner celler på to måder de organer, der er forbundet med mave-tarm-kanalen, eksempelvis lever, bugspytkirtel og tarm. Bestræbelserne på at skabe organer i en skål har kun fokuseret på én af disse måder, og nu har forskere ved Novo Nordisk Foundation Center for Stem Cell Medicine (reNEW) i samarbejde med Niels Bohr Institutet ved Københavns Universitet kortlagt og gengivet den anden måde i laboratoriet. Dette er et vigtigt yderligere skridt på vejen mod at skabe kunstige organer.
Under fosterudviklingen er livets sande mirakel på spil, når celler udvikler sig og skridt for skridt bliver specialiseret til endelig at indgå i de forskellige organer.
Denne specialisering af cellerne er nødvendig at forstå, hvis vi en dag vil gøre det muligt at producere kunstige organer, som kan redde liv i forbindelser med en lang række sygdomme eller alderdom. Her skal man forestille sig, at man med kunstige organer kan erstatte en ødelagt lever, ødelagte lunger eller måske en del af en ødelagt tarm efter et kræftforløb.
Under udviklingen skaber kroppen de fleste af sine organer fra den embryonale tarm. Indtil for nylig troede forskere, at embryonale tarmceller dannedes ad en lignende vej, som var blevet beskrevet for de fleste andre væv og organer i kroppen.
Nylige opdagelser har dog afsløret, at de organer, der er forbundet med tarmen, såsom lunge, lever, bugspytkirtel og tarm, har en yderligere oprindelse. Nu har forskere kortlagt denne vej fra oprindelse til organdannelse, opdaget vigtige nye vartegn og er begyndt at bruge denne rute til stamcelleudvikling i en skål, hvilket bringer dem et skridt tættere på at realisere deres vision om at kunne skabe en kunstig embryonal tarm fra stamceller.
Forskningen er offentliggjort i Nature Cell Biology.
”Stamcellebiologer har i mange år forsøgt at producere organspecifikke celler i laboratoriet ved hjælp af et kort, der er baseret på klassisk udviklingsbiologi. Det, vi gjorde, var at spørge, hvordan celler udvikler sig gennem denne nye alternative rute i et embryo, og om celler nogensinde følger det, når forskere udvikler dem i en skål. Vi fandt ud af, at de stort set ikke gør det," forklarer Joshua Brickman, professor, Novo Nordisk Foundation Center for Stem Cell Medicine (reNEW), som har ledet forskningsindsatsen sammen med Ala Trusina, lektor, Niels Bohr Institutet, Københavns Universitet.
Vi spurgte derfor, om der var andre måder at lave organlignende strukturer på i laboratoriet.
To veje leder til dannelsen af tarme og mange organer
Når tarmene bliver dannet under fosterudviklingen, kan det foregå på to måder:
For det første kan det ske via ”den embryonale vej”. Her er cellerne programmeret allerede meget tidligt i udviklingen, på stadiet hvor embryoet kan bruges til at lave embryonale stamceller. Forskere troede også, at disse celler udviklede sig til hele mave-tarm-kanalen og organer som er forbundet med den, og embryonale stamceller er derfor blevet brugt i alle laboratoriebaserede forsøg på at lave organer i en skål.
I løbet af fosterudviklingen specialiserer embryocellerne sig trin for trin via den embryonale tarm til tarmen, leveren, bugspytkirtlen osv. Disse celler danner gradvist højt specialiserede celler med givne funktioner, eksempelvis i forhold til at trække næringsstoffer ud af tarmindholdet og sende dem videre med blodbanen eller at producere insulin som svar på ændringer i blodglukose.
Den anden vej blev imidlertid opdaget for omkring 10 år siden baseret på fremkomsten af moderne genetiske teknologier. Denne rute involverer celler, der menes at fortsætte med at være støttestrukturer, der hjælper med at give næringsstoffer til den voksende embryo. Det kræver blot, at de er på det rigtige sted på det rigtige tidspunkt.
”Dette forskningsarbejde har haft som formål at forstå, hvad der sker på det cellulære og molekylære niveau i denne transition, fra at cellerne har én funktion, til de får en anden,” forklarer en anden af forskerne bag studiet, ph.d.-studerende Martin Proks.
Kortlagde alternativ vej til dannelsen af tarme
For at få en bedre forståelse af, hvordan celler går fra at være støtteceller til at kunne indgå i den endelige tarm og organer, har forskerne lavet en lang række forsøg på forskellige niveauer.
Specifikke gener indeholder instruktioner til, hvordan man laver hver celle i vores krop. Nye teknikker inden for enkeltcelle-sekventering gør det muligt for forskere at bestemme, hvilke celler der bruger hvilke gener og hvornår. Undersøgelsen omfattede sekventering af enkeltceller, efterhånden som de udviklede sig mod organer fra levende museembryoner og fra celler dyrket i laboratoriet.
Ved at bruge disse data var forskerne i stand til at kortlægge, hvordan tusindvis af gener bliver tændt og slukket, i forbindelse med at støtteceller trin for trin overgår til at blive til den embryonale tarm eller organceller.
Hvert af disse trin har hver deres unikke molekylære signatur, som forskerne har kortlagt i det nye studie.
Som prikker på et stykke papir
Forskningsarbejdet har også involveret udvikling af komplekse computermodeller til at jonglere rundt med de mange data, der kom ud af alle forsøgene.
”Det fantastiske ved denne form for undersøgelser af enkeltcellers genetiske udtryk er, at det skaber enorme mængder data. Det betyder dog også, at det kræver rigtig meget databehandling. I dette forskningsarbejde har vi derfor haft to forskere til at udvikle nye metoder til at kunne analysere på data,” siger Alexander Nielsen, en anden ph.d.´-studerende bag studiet.
Forskningsarbejdet har mundet ud i en kortlægning af alle de trin, som en støttecelle skal igennem, før den kan blive til en tarmcelle.
”Før nu har man vidst, at cellerne eksisterede i tarmene, og hvor de kom fra, men man har ikke vidst, hvordan støttecellerne blev til tarmceller. De forskellige stadier er som prikker på et stykke papir, og i dette forskningsarbejde forbinder vi prikkerne med streger,” siger Martin Proks.
Ikke muligt uden et tværfagligt team
Den nye viden blev også brugt til at prøve at bestemme, hvordan celler i en skål udvikler sig. Forskerne fandt ud af, at de fleste forsøg på at udvikle organprogenitorer i laboratoriet fra embryonale stamceller ikke følger den nye vej, ”men at vi kunne skubbe en ny type stamceller afledt af støtteceller i den rigtige retning,” siger Michaela Rothova, endnu en vigtig bidragyder til undersøgelsen.
Dette tyder på, at forskere, der ønsker at forsøge at lave en kunstig tarm eller et kunstigt organ, måske vil prøve at bruge disse støttestamceller eller i det mindste en blanding af støttestamceller og embryonale stamceller til at skubbe dem i den nødvendige retning trin for trin.
”Hele dette forskningsfelt er drevet af et ønske om, at vi en dag kan lave kunstige tarme eller organer ud fra stamceller, men at producere modne funktionelle celletyper har vært besværligt indtil videre. Vi tror, at én grund til det kunne være, at vi kun havde halvdelen af startmaterialet,” konkluderer Josh Brickman.
Ala Trusina tilføjer: ”Ved at have en dyb forståelse af begge de veje, som leder fra enten stamceller til tarmceller eller fra støtteceller til tarmceller, håber vi på at kunne forbedre metoderne til at lave kunstige organer i fremtiden."
Studiet involverede også samarbejde med én af udviklerne af enkeltcelle-sekventeringsteknologi, Ido Amits laboratorium ved Weizmann Institute of Science, Rehovot, Israel.
"Intet af dette ville have været muligt uden et tværfagligt team af forskere, herunder molekylær- og udviklingsbiologer, fysikere og programmører,” slutter Ala Trusina
