Costruzione di organoidi di isolotti derivati ​​da cellule staminali vascolarizzate / Building vascularized stem cell-derived islet organoids

Costruzione di organoidi di isolotti derivati ​​da cellule staminali vascolarizzate / Building vascularized stem cell-derived islet organoids

Segnalato dal Dott. Giuseppe Cotellessa / Reported by Dr. Giuseppe Cotellessa

È stato sviluppato un modello organoide vascolarizzato di cellule pancreatiche che secernono ormoni, con il potenziale di migliorare la ricerca sul diabete e le terapie cellulari.

Un gruppo internazionale di ricercatori, guidato dalla Professoressa Maike Sander, Direttrice Scientifica del Max Delbrück Center, ha sviluppato per la prima volta un modello organoide di isole pancreatiche derivate da cellule staminali pluripotenti umane (ISOLE SC) con vascolarizzazione integrata. Le isole sono agglomerati cellulari nel pancreas che ospitano diversi tipi di cellule che secernono ormoni, tra cui le cellule beta che producono insulina. I ricercatori del laboratorio Sander presso l' Università della California, San Diego (CA, USA), hanno scoperto che gli organoidi di isole SC con vasi sanguigni contenevano un numero maggiore di cellule beta mature e secernevano più insulina rispetto alle loro controparti non vascolarizzate. Gli organoidi vascolarizzati imitavano più da vicino le cellule insulari presenti nell'organismo. Lo studio è stato pubblicato su Developmental Cell. 

"I nostri risultati evidenziano l'importanza di una rete vascolare nel supportare la funzione delle cellule delle isole pancreatiche", afferma Sander. "Questo modello ci avvicina alla replicazione dell'ambiente naturale del pancreas, essenziale per lo studio del diabete e lo sviluppo di nuove terapie".

Ingegneria delle isole di cellule staminali vascolarizzate

Gli organoidi di cellule insulari SC – mini-organi che riproducono gli ammassi cellulari che producono insulina al di fuori del corpo – sono ampiamente utilizzati per studiare il diabete ed altre malattie endocrine pancreatiche. Tuttavia, le cellule beta in questi organoidi sono tipicamente immature, il che li rende modelli subottimali per l' ambiente in vivo, afferma Sander. Sebbene siano stati sviluppati diversi approcci per promuovere la maturazione delle cellule beta, i loro effetti sono stati modesti, aggiunge.

Per imitare al meglio l' ambiente in vivo, i ricercatori hanno aggiunto cellule endoteliali umane, che rivestono i vasi sanguigni, e fibroblasti, cellule che contribuiscono alla formazione del tessuto connettivo, agli organoidi delle isole staminali. Il gruppo ha sperimentato diversi terreni di coltura cellulare fino a trovare un cocktail efficace. Le cellule non solo sono sopravvissute, ma sono maturate e hanno sviluppato una rete di vasi sanguigni tubulari che hanno inglobato e penetrato le isole staminali.

"La nostra svolta è stata l'elaborazione della ricetta", afferma Sander. "Ci sono voluti cinque anni di sperimentazione su diverse condizioni, con il coinvolgimento di un gruppo dedicato di biologi e bioingegneri specializzati in cellule staminali".

Gli organoidi delle isole di cellule staminali vascolarizzate sono più maturi

Confrontando gli organoidi vascolarizzati con quelli non vascolarizzati, i ricercatori hanno scoperto che i primi secernevano più insulina quando esposti ad alti livelli di glucosio. "Le cellule beta immature non rispondono bene al glucosio. Questo ci ha suggerito che il modello vascolarizzato conteneva più cellule mature", afferma Sander.

I ricercatori hanno poi voluto esplorare in che modo specifico la vascolarizzazione aiuti gli organoidi a maturare. Hanno scoperto due meccanismi chiave: le cellule endoteliali ed i fibroblasti contribuiscono a costruire la matrice extracellulare, una rete di proteine ​​e carboidrati sulla superficie cellulare. La formazione della matrice stessa è un segnale che segnala alle cellule di maturare. In secondo luogo, le cellule endoteliali secernono la proteina morfogenetica ossea (BMP), che a sua volta stimola la maturazione delle cellule beta.

Riconoscendo che anche le forze meccaniche stimolano la secrezione di insulina, il gruppo ha quindi integrato gli organoidi in dispositivi microfluidici, consentendo il pompaggio diretto del mezzo nutritivo attraverso le loro reti vascolari. Hanno scoperto che la percentuale di cellule beta mature è ulteriormente aumentata.

"Abbiamo trovato un gradiente", afferma Sander. "Gli organoidi non vascolarizzati presentavano il maggior numero di cellule immature, una percentuale maggiore maturava con la vascolarizzazione ed un numero ancora maggiore maturava con l'aggiunta di flusso di nutrienti attraverso i vasi sanguigni. Un modello cellulare umano di isole pancreatiche che replica fedelmente la fisiologia in vivo apre nuove strade per indagare i meccanismi alla base del diabete", aggiunge.

In una fase finale, i ricercatori hanno dimostrato che le isole SC vascolarizzate secernono anche più insulina in vivo. I topi diabetici innestati con isole SC non vascolarizzate hanno ottenuto risultati peggiori rispetto a quelli innestati con cellule SC vascolarizzate, con alcuni topi che non hanno mostrato segni di malattia a 19 settimane dal trapianto. La ricerca supporta altri studi che hanno dimostrato che la pre-vascolarizzazione migliora la funzionalità delle isole SC trapiantate.

Un modello migliore per studiare il diabete di tipo 1

Sander ora prevede di utilizzare modelli di organoidi di isole SC vascolarizzate per studiare il diabete di tipo 1, causato dalle cellule immunitarie che attaccano e distruggono le cellule beta del pancreas, a differenza del diabete di tipo 2 in cui il pancreas produce meno insulina nel tempo e le cellule del corpo diventano resistenti agli effetti dell'insulina.

Lei ed il suo gruppo al Max Delbrück Center stanno coltivando organoidi vascolarizzati a partire dalle cellule di pazienti con diabete di tipo 1. Stanno trasferendo gli organoidi su chip microfluidici ed aggiungendo le cellule immunitarie dei pazienti. "Vogliamo capire come le cellule immunitarie distruggono le cellule beta", spiega Sander. "Il nostro approccio fornisce un modello più realistico della funzione delle cellule insulari e potrebbe contribuire allo sviluppo di trattamenti migliori in futuro".

ENGLISH

A vascularized organoid model of hormone-secreting cells in the pancreas has been developed, with potential to improve diabetes research and cell-based therapies.

An international team of researchers led by Max Delbrück Center Scientific Director Professor Maike Sander has for the first time developed an organoid model of human pluripotent stem cell-derived pancreatic islets (SC-islets) with integrated vasculature. Islets are cell clusters in the pancreas that house several different types of hormone-secreting cells, including insulin-producing beta cells. Researchers in the Sander lab at the University of California, San Diego (CA, USA), found that SC-islet organoids with blood vessels contained greater numbers of mature beta cells and secreted more insulin than their non-vascularized counterparts. The vascularized organoids more closely mimicked islet cells found in the body. The study was published in Developmental Cell. 

“Our results highlight the importance of a vascular network in supporting pancreatic islet cell function,” says Sander. “This model brings us closer to replicating the natural environment of the pancreas, which is essential for studying diabetes and developing new treatments.”

Engineering vascularized stem cell islets

SC-islet cell organoids – mini-organs that mirror the insulin producing cell clusters outside the body – are widely used to study diabetes and other pancreatic endocrine diseases. But beta cells in these organoids are typically immature, making them suboptimal models for the in vivo environment, says Sander. Although several approaches have been developed to promote beta cell maturation, their effects have been modest, she adds.

To better mimic the in vivo environment, the researchers added human endothelial cells, which line blood vessels, and fibroblasts, cells that help form connective tissue, to islet organoids grown from stem cells. The team experimented with different cell culture media until they found a cocktail that worked. The cells not only survived but matured and grew a network of tube-like blood vessels that engulfed and penetrated the SC-islets.

“Our breakthrough was devising the recipe,” Sander says. “It took five years of experimenting with various conditions, involving a dedicated team of stem cell biologists and bioengineers.”

Vascularized stem cell islet organoids are more mature

When the researchers compared vascularized organoids to non-vascularized organoids, they found the former secreted more insulin when exposed to high levels of glucose. “Immature beta cells don’t respond well to glucose. This told us that the vascularized model contained more mature cells,” says Sander.

The researchers next wanted to explore how specifically vasculature helps organoids to mature. They found two key mechanisms: endothelial cells and fibroblasts help build the extracellular matrix – a web of proteins and carbohydrates at cell surfaces. The formation of the matrix itself is a cue that signals cells to mature. Secondly, endothelial cells secrete Bone Morphogenetic Protein (BMP), which in turn stimulates beta cells to mature.

Recognizing that mechanical forces also stimulate insulin secretion, the team then integrated the organoids into microfluidic devices, allowing nutrient medium to be pumped directly through their vascular networks. They found that the proportion of mature beta cells increased even further.

“We found a gradient,” says Sander. “Non-vascularized organoids had the most immature cells, a greater proportion matured with vascularization, and even more matured by adding nutrient flow through blood vessels. A human cell model of pancreatic islets that closely replicates in-vivo physiology opens up novel avenues for investigating the underlying mechanisms of diabetes,” she adds.

In a final step, the researchers showed that vascularized SC-islets also secrete more insulin in vivo. Diabetic mice grafted with non-vascularized SC-islets fared poorly compared to those grafted with vascularized SC-islet cells, with some mice showing no signs of the disease at 19-weeks post-transplant. The research supports other studies that have shown that pre-vascularization improves the function of transplanted SC-islets.

A better model to study Type 1 diabetes

Sander now plans to use vascularized SC-islet organoid models to study Type-1 diabetes, which is caused by immune cells attacking and destroying beta cells in the pancreas – in contrast to Type-2 in which the pancreas produces less insulin over time and the body’s cells become resistant to the effects of insulin.

She and her team at the Max Delbrück Center are growing vascularized organoids from the cells of patients with Type-1 diabetes. They are transferring the organoids onto microfluidic chips and adding patients’ immune cells. “We want to understand how the immune cells destroy beta cells,” Sander explains. “Our approach provides a more realistic model of islet cell function and could help develop better treatments in the future.”

Da:

https://www.biotechniques.com/cell-and-tissue-biology/building-vascularized-stem-cell-derived-islet-organoids/?utm_campaign=BioTechniques%20-%20Daily%20NL&utm_medium=email&_hsenc=p2ANqtz-8aRq2a49dnJwzimiRlCY6oRvIaonzw9Vw-JNqHWLGXMwv8Rd2-yvQJbUiV-daa7uC4LJMHOEWK92JF5E3Zz_Heig9RNaYv_yLNuU5V4k-c84irmKo&_hsmi=363895448&utm_content=363881655&utm_source=hs_email