Моделът осветява основните механизми, стоящи зад болестта

Изследователи от Медицинския факултет на Университета Кобе са разработили първия в света вродена хипофизна хипоплазия (CPH) (* 1, * 2) модел, използващ получени от пациента iPS клетки. Изследователската група, състояща се от доцент TAKAHASHI Yutaka, медицински изследовател MATSUMOTO Ryusaku и професор AOI Takashi et al. успя да използва модела за осветяване на механизмите, лежащи в основата на CPH. Екипът се опитва да приложи този модел за други заболявания на хипофизата и откриване на лекарства.

вродена

Резултатите от това проучване са публикувани в Американското научно списание „J Clinical Investigation“ на 17 декември 2019 г.

Предистория на изследването

Хипопитуитаризмът, причинен от CPH, не е рядкост и понякога е животозастрашаващ. Пациентите с това заболяване се нуждаят от хормонална заместителна терапия през целия живот. Причините и основните механизми не са добре разбрани.

Предварителни изследвания на заболявания на хипофизата се провеждат главно с животински модели, като нокаутирана мишка (* 5). Понякога обаче има разлики във фенотиповете между животни и хора. Това означава, че човешките модели са необходими, за да се разберат напълно механизмите на подобни заболявания.

През последните години iPS (индуцирани плурипотентни стволови клетки) се използват при разработването на модели на болести, регенеративна медицина и откриване на лекарства. В допълнение е разработен метод, използващ iPS клетки за индуциране на диференциация както на хипофизата, така и на хипоталамуса in vitro; обаче тепърва трябваше да се прилага за моделиране на заболявания на хипофизата.

Имайки това предвид, изследователите от Медицинския факултет на университета Кобе са приложили тази стратегия за разработване на човешки модел на CPH in vitro, използвайки iPS клетки, за да разберат патофизиологията и причините за заболяването.

методология на изследването

iPS клетки са генерирани от кръвни проби, взети от пациент с CPH. Този пациент проявява вродена хипофиза на хипофизата и е подложен на заместителна терапия с хипофизен хормон. Тези получени от пациента iPS клетки бяха използвани за изясняване на основните механизми in vitro. Интересното е, че контролните iPS клетки се диференцират в клетки, произвеждащи хормони, но получените от пациента iPS клетки CPH не са в състояние да се диференцират в тези клетки. По-нататъшен анализ на процеса на диференциация разкрива, че транскрипционният фактор LHX3, който е от съществено значение за диференциацията на хипофизата, не е експресиран в хипофизния предшественик от получени от пациента iPS клетки. Анализът на секвениране на екзома разкри мутация в гена OTX2 и че неговата функция е нарушена. Корекция на мутацията на OTX2 в получени от пациента iPS клетки възстанови способността за диференциация на хипофизата, демонстрирайки, че мутацията на OTX2 е отговорна.

Взаимодействията между хипофизата и съседния хипоталамус са от съществено значение за диференциацията и регулирането на хипофизата. Предимство на този модел е, че той може едновременно да развива хипофизата и хипоталамуса in vitro от iPS клетки. Това позволи на изследователите да изследват значението на взаимодействието между тези тъкани. Те поясниха, че хипоталамусът е отговорен за заболяването, като извърши експерименти за образуване на химера, използвайки както получени от пациента iPS клетки, така и здрави iPS клетки. Последващият анализ показа, че FGF10 (фибробластен растежен фактор 10) от хипоталамуса играе ключова роля в експресията на транскрипционния фактор LHX3 в хипофизата. Освен това, нивата на експресия на LHX3 бяха възстановени чрез добавяне на FGF10 in vitro. Тези резултати демонстрират, че дефицитът на FGF10 в хипоталамуса, свързан с мутация на OTX2, е отговорен.

Колективно мутацията на OTX2 причинява намаляване на хипоталамусния FGF10, което води до липса на LHX3 експресия в оралния ектодерм, който е предшественик на хипофизата. Следователно загубата на LHX3 причинява апоптоза на прекурсорните клетки, поради което причинява нарушено развитие на хипофизата. Тези основни механизми бяха осветени за първи път от това проучване.

Този модел на хипофизната болест, използващ човешки iPS клетки, изясни подробните подлежащи механизми, които животинските модели не успяха да разкрият.

Допълнителни изследвания

Това изследване разкри патофизиологията на CPH чрез специфични за заболяването iPS клетки (* 6). Освен това моделът е полезен и за разбиране на процеса на диференциация на хипофизата при хората.

Този изследователски екип също изследва причините, патогенезата и лечението на други заболявания на хипофизата (като автоимунни нарушения и тумори на хипофизата), използвайки същата стратегия. По-специално, те продължават да разработват модели на хипофизната болест, за да изследват патофизиологията и точните механизми, лежащи в основата на „синдрома на антитела срещу PIT-1“ (* 7), който е нов тип автоимунно заболяване на хипофизата, което екипът е установил като нова клинична единица. Използвайки този модел, те вече демонстрираха антигенното представяне на PIT-1 протеинов епитоп върху предните клетки на хипофизата, получени от iPS клетки на пациента.

Освен това има много други нелечими заболявания на хипофизата, причините за които остават неизвестни. Надяваме се, че тези iPS клетъчни изследователски методи за заболявания ще доведат до изясняване на основните механизми и откриване на лекарства.

Терминологичен речник

1. Хипофиза: Ендокринна жлеза, разположена в основата на мозъка. Състои се от задната и предната част на хипофизата и е отговорна за секрецията на различни жизненоважни хормони.

2. Вродена хипофиза на хипофизата: Разстройство, при което хипофизата не се формира правилно поради генетична мутация. Хормонално лечение през целия живот е необходимо за много пациенти.

3. Анализ на секвениране на екзома: Техника, която позволява да се анализират всички кодиращи протеина региони на гените в човешкия геном.

4. Хипоталамус: Разположен в близост до хипофизата, хипоталамусът играе важна роля в много функции, включително регулиране на телесната температура и освобождаване на хормони. В ранните етапи на развитие хипоталамусът контролира различни фактори, свързани с диференциацията на хипофизата. Хипоталамусните хормони също регулират хормоните, произвеждани от хипофизната жлеза.

5. Избита мишка: позволява да се изследва функцията на определен ген. Интересният ген се отстранява от мишката с помощта на генно инженерство.

6. Специфични за заболяването iPS клетки: Това са iPS клетки, генерирани от пациент, който има определено заболяване. Те могат да се използват за разбиране на причините за различни заболявания и при разработването на нови лечения.

7. Синдром на анти-PIT-1 антитела: Болест, открита от членовете на настоящия изследователски екип, която води до придобит хипопитуитаризъм. Този синдром се причинява от автоимунитет към транскрипционния фактор PIT-1 и се характеризира с недостатъци в GH, TSH и PRL. Транскрипционният фактор PIT-1 е от съществено значение за диференциацията и поддържането на тези клетки, произвеждащи хормони. При синдром на анти-PIT-1 антитела цитотоксичните Т-клетки унищожават клетки, експресиращи PIT-1, като по този начин причиняват специфичното увреждане на хипофизната жлеза. Основният механизъм, лежащ в основата на заболяването, включващ тимоми, все още не е напълно осветен.

8. Епитоп: част от антиген, който се разпознава от имунната система.

Благодарности

Професор ТАКАХАШИ би искал да изрази дълбоката си благодарност към своите съ-изследователи; Д-р SUGA Hidetaka (университет в Нагоя), професор HASEGAWA Tomonobu (университет Keio), д-р NARUMI Satoshi (Национален център за детско здраве и развитие), професор MUGURUMA Keiko (Медицински университет Kansai) и професор OGAWA Wataru (университет Kobe).

Това изследване беше подкрепено от безвъзмездни средства от AMED („Програмата за ускоряване на изследванията на неразрешими заболявания, използващи специфични за заболяването iPS клетки“), MEXT, JSPS, Фондация за паметници Uehara и Фондация Naito.