Barrett-Ösophagus, modelliert in einem menschlichen Organchip

8. Juni 2023

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von der Harvard University

Bei vielen Menschen kommt es gelegentlich zu saurem Reflux, dem Rückfluss von Magensäure in den Schluckschlauch oder die Speiseröhre. Wenn es wiederholt auftritt und zu einem chronischen Problem wird, kann es zum „Barrett-Ösophagus“ (BE) führen, einem Zustand, bei dem Zellen in der Epithelauskleidung der Speiseröhre scheinbar die Identität von Magen- oder Darmzellen annehmen.

Dieser Prozess wird als „Metaplasie“ bezeichnet und ist mit einer erhöhten Inzidenz von Speiseröhrenkrebs verbunden – einem der tödlichsten Tumoren, der schätzungsweise die sechsthäufigste Krebstodesursache weltweit ist.

Um vorhersagen zu können, bei welchen Patienten mit Barrett-Ösophagus ein erhöhtes Risiko besteht, an Krebs zu erkranken, und um Medikamente zu finden, die diesen Übergang verhindern könnten, ist ein viel besseres Verständnis der zellulären und molekularen Auslöser erforderlich. Für die Untersuchung von BE sind Tiermodelle jedoch nicht nützlich, da sie eine andere Anatomie der Speiseröhre aufweisen und bestehende In-vitro-Modelle nicht in der Lage sind, die bei menschlichen Patienten beobachteten Veränderungen in der Zell- und Gewebestruktur zu reproduzieren, die charakteristisch für BE sind.

Die Speiseröhre ist von einer Schicht Epithelzellen ausgekleidet, die direkt dem Lumen der Speiseröhre zugewandt ist und von unten durch eine Mischung aus Fibroblastenzellen und der umgebenden extrazellulären Matrix, bekannt als „Stroma“, gestützt wird. Es ist bekannt, dass das Stroma nicht nur mechanische und ernährungsphysiologische Unterstützung bietet, sondern auch Signale an die Epithelzellen sendet, um deren Differenzierung und Funktion während der Entwicklung der Speiseröhre beim Fötus zu steuern.

Während das Stroma dem Ösophagusepithel ein Leben lang weiterhin Signale liefert, um die Gewebeerneuerung zu ermöglichen, ist ihr Beitrag zur Metaplasie, die der Krebsentstehung häufig vorausgeht, unbekannt.

Jetzt hat ein Forschungsteam am Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering an der Harvard University unter der Leitung von Wyss-Gründungsdirektor Donald Ingber, MD, Ph.D., in Zusammenarbeit mit Forschern der McGill University in Montreal, Kanada, und der University of California San Francisco (UCSF) zusammengearbeitet ) entwickelte ein Modell, das die Reaktionen eines BE-Epithels auf aus dem Stroma stammende Fibroblasten auf patientenspezifische Weise in vitro unter Verwendung der Organ-Chip-Technologie rekapituliert.

Organchips sind mikrofluidische Zellkulturgeräte, mit denen wichtige Strukturen und Funktionen von Organen, die aus verschiedenen Zell- und Gewebetypen bestehen, außerhalb des Körpers nachgeahmt werden können.

Das Team erstellte Chips, die mit Epithelzellen ausgekleidet waren und direkt auf einer stromaähnlichen Schicht mit eingebetteten Fibroblastenzellen gezüchtet wurden, wodurch eine tatsächliche in vivo-ähnliche Epithel-Stroma-Grenzfläche geschaffen wurde. Wichtig ist, dass sowohl die Epithelzellen als auch die Fibroblasten aus verschiedenen Regionen innerhalb derselben Speiseröhre eines Patienten mit Speiseröhrenkrebs isoliert wurden; Einige Regionen schienen gesund zu sein, während andere typische Anzeichen von BE zeigten oder sich zu Krebs entwickelt hatten.

Als sie die Epithel-Stroma-Schnittstelle mit Epithelzellen und Fibroblasten aus einer BE-Region wiederherstellten, formten die Zellen ein Gewebe neu, das stark dem BE-Gewebe ähnelte. Als sie jedoch BE-Epithelzellen mit Fibroblasten aus den Krebsregionen kombinierten, beobachteten sie, dass sich Zellen in der BE-Epithelschicht schneller vermehrten und unter dem Mikroskop präkanzeröse Veränderungen zeigten. Die Ergebnisse bilden die Grundlage für eine eingehende Analyse der Stroma-Epithel-Beziehung bei einzelnen Patienten. Sie werden in Gastro Hep Advances veröffentlicht.

Bei der Entwicklung seines BE Organ Chip-Modells baute Ingbers Team auf früheren Organ Chip-Modellen auf, die sie zur Untersuchung des Magen-Darm-Systems, einschließlich des Dickdarms, entwickelt hatten. sowie organoide Kulturmethoden, die sie für Ösophagusepithelzellen optimierten. Durch den Erhalt des Stammzellpotenzials der Patienten und die Differenzierung in funktionelle Epithelzellen in Organoiden schufen die Forscher eine langlebige Quelle für primäre menschliche Epithelzellen der Speiseröhre.

„Viele In-vitro-BE-Modelle nutzen Patientenzellen, die genetisch manipuliert wurden, um unsterblich zu werden, aber sie verlieren auch einige ihrer Eigenschaften. Die Möglichkeit, primäre menschliche Zellen auf Organchips anzuwenden, ermöglicht es uns, viel näher an der menschlichen Situation zu bleiben.“ „, sagte Erstautor Elee Shimshoni, Ph.D., der als Postdoktorand in Ingbers Team an dem Projekt arbeitete.

Um die Wechselwirkungen zwischen menschlichem Epithel und Fibroblasten nachzuahmen und sie über einen längeren Zeitraum beobachten zu können, kultivierten Shimshoni und ihre Kollegen die Fibroblasten des Patienten in einem Kollagengel, das der natürlichen extrazellulären Matrix der Zellen im oberen Kanal eines Organchips ähnelt zwei parallele Kanäle, die durch eine poröse Membran getrennt sind.

Um den direkten Kontakt zwischen den beiden Zellpopulationen zu erleichtern, wurden die aus ihren Organoidkulturen entnommenen Ösophagusepithelzellen auf dem Fibroblasten enthaltenden Kollagengel im oberen Kanal gezüchtet. Durch einen abnehmbaren Deckel dieser Organ-Chip-Version konnten die Epithelzellen an einer sogenannten Luft-Flüssigkeits-Grenzfläche der Luft ausgesetzt werden, was für ihre vollständige Differenzierung und Bildung einer dichten Epithelschicht wichtig ist, genau wie es in der Speiseröhre geschieht vivo. Durch den unteren Kanal wurde kontinuierlich flüssiges Medium geleitet, um die kultivierten Zellen mit Nährstoffen zu versorgen.

Als die Forscher normale Fibroblasten mit normalen epithelialen Speiseröhrenzellen aus einer gesund erscheinenden Region in einer sogenannten „homotypischen Paarung“ kombinierten, führte dies zu einem mehrschichtigen Epithel mit normaler Morphologie und Zusammensetzung der Speiseröhrenzellen und normaler molekularer Markerexpression.

Andererseits erzeugte eine homotypische Paarung von BE-assoziierten Fibroblasten mit BE-Epithelzellen ein BE-ähnliches Epithel mit dickeren quaderförmigen Epithelzellen und dazwischenliegenden schleimproduzierenden Becherzellen, die normalerweise im Darm zu finden sind. Diese Ergebnisse zeigten, dass ihr Kultursystem in der Lage war, die normale und BE-Gewebebildung der Speiseröhre nachzubilden.

Allerdings „erst als wir die BE-Epithelzellen mit Speiseröhrenkrebs-assoziierten Fibroblasten aus einer Krebsstelle in der Speiseröhre desselben Individuums in einer ‚heterotypischen Paarung‘ gepaart haben, wurden BE-Epithelzellen in einen für eine Krebsvorstufe typischen hyperproliferativen Zustand gedrängt.“ Prozess – normale Fibroblasten und BE-spezifische Fibroblasten konnten diesen Effekt in heterotypischen und homotypischen Paarungen nicht erzeugen.“

Diese Modelle ermöglichen es Forschern, nicht nur die molekularen und zellulären Grundlagen von Epithel-Stroma-Wechselwirkungen zu untersuchen, die eine Schlüsselrolle beim Fortschreiten von Metaplasie zur Krebsentstehung spielen, sondern auch Wechselwirkungen, die die normale Entwicklung der Speiseröhre in einem hochrelevanten Gewebekontext steuern. „Nach unserem Kenntnisstand ist dies das erste In-vitro-System, in dem es möglich ist, die heterogenen Reaktionen des BE-Epithels auf Stromazellen aus verschiedenen Regionen desselben Organs desselben Patienten zu analysieren“, sagte der leitende Autor Donald Ingber, MD, Ph .D.

„Wenn dieser Ansatz für mehrere Patienten durchgeführt wird, könnte er es uns ermöglichen, frühe Biomarker für Veränderungen zu identifizieren, die auf das Fortschreiten des Krebses hinweisen, und vielleicht sogar zukünftige therapeutische Ziele. Er hat auch das Potenzial, die Auswahl von Therapeutika zu personalisieren.“

Ingbers Team unter der Leitung von Shimshoni arbeitete eng mit den Gruppen von Thea Tlsty, Ph.D., zusammen. an der UCSF und der klinische Wissenschaftler Lorenzo Ferri, MD, Ph.D. am McGill University Health Centre in Kanada.

Ferri ist Leiter der Abteilung für Thorax- und obere Magen-Darm-Chirurgie des Zentrums und behandelt Patienten mit Speiseröhren- und anderen Krebsarten sowie bösartigen Erkrankungen und ermöglichte den Zugang zu zelltypspezifischen Proben eines Patienten mit Speiseröhrenkrebs, während Tlsty die Beiträge von Stroma eingehend untersucht hat Wundheilung und bösartige Erkrankungen in multidisziplinären Ansätzen. Die Gruppen sind Teil eines Konsortiums, das sich auf die Schlüsselrolle konzentriert, die Stroma bei der Entwicklung von metaplastischem Gewebe zu Krebserkrankungen in verschiedenen Organen spielt.

Mehr Informationen: E. Shimshoni et al., Epithelial-Stromal Interactions in Barrett's Esophagus Modeled in Human Organ Chips, Gastro Hep Advances (2023). DOI: 10.1016/j.gastha.2023.03.009