Abstract
Human pluripotent stem cells represent a powerful tool to study human embryonic development
and disease but also open up novel strategies for cell replacement therapies. Their
capacity to give rise to every cell type of the human body, meanwhile, enables researchers
to generate high yields of mesodermal, ectodermal, but also endodermal-derived tissues
such as hepatic, pancreatic, or intestinal cells. Another progress in the field came
with the advent of 3-dimensional culture conditions, so-called organoids, which facilitate
maturation of stem cells and in turn more faithfully recapitulate human tissue architecture.
While several studies reported the derivation of organoid cultures from adult intestinal
tissue, the derivation of intestinal organoids derived from plucked human hair of
Crohn’s disease patients has not been reported. The current research project reports
such successful generation and characterization of induced pluripotent stem cells
(iPSCs) derived from hair sheet keratinocyte cultures of a patient with Crohn's disease.
Stepwise differentiation along the intestinal lineage showed no differences in intermediate
stages such as definitive endoderm formation. We also directed the patterned primitive
gut tube toward intestinal organoids resembling the cellular architecture of human
“miniguts”. As expected from current pathophysiological knowledge on Crohn's disease,
there were no obvious morphological differences in the “miniguts” derived from healthy
control and diseased patient-induced pluripotent stem cells. Taken together, our platform
will enable for detailed and complementary phenotyping of the pathophysiology of Crohn’s
disease in a novel disease-in-a-dish format.
Zusammenfassung
Humane pluripotente Stammzellen stellen ein wertvolles Instrument zur Erforschung
menschlicher Embryonalentwicklung und zahlreicher Erkrankungen dar; darüber hinaus
ergeben sich perspektivisch neuartige Strategien für Zellersatztherapien. Die Fähigkeit
von Stammzellen, sich in jede Zellart des menschlichen Körpers zu entwickeln, ermöglicht
es mittlerweile, aus allen drei Keimblättern (Mesoderm, Ektoderm und Endoderm) hochdifferenzierte
Gewebestrukturen wie etwa Leber-, Pankreas- oder Darmzellen in größeren Mengen zu
generieren. Ein weiterer Fortschritt trat mit der Einführung von 3-dimensionalen Kulturbedingungen
ein, die eine komplexe Ausreifung von Stammzellen erheblich erleichtern. Dadurch können
sog. Organoide entstehen, welche die menschliche Gewebsarchitektur sehr genau widerspiegeln.
Während mehrere Studien die Generierung von Organoiden aus adultem Darmgewebe beschreiben,
wurde bisher die Erzeugung von Organoiden aus Haarwurzel-Keratinozyten von Patienten
mit Morbus Crohn noch nicht beschrieben. In der hier vorliegenden Arbeit berichten
wir erstmalig über die erfolgreiche Herstellung und Charakterisierung von induzierten
pluripotenten Stammzellen (iPSCs) abstammend von einem Patienten mit M. Crohn. Die
schrittweise Differenzierung dieser iPS-Zellen hin zu Darmgewebe zeigte keine Unterschiede
bei der Erzeugung von Endoderm. Eine weitere Differenzierung des komplexen Gewebes
bis hin zur Entstehung von Strukturen, die Darmorganoiden („Miniguts“) in höchstem
Maße ähnlich sind, war möglich. Wie aufgrund des derzeitigen Wissenstands über M. Crohn
zu erwarten ergaben sich keine erkennbaren morphologischen Veränderungen im Vergleich
zu Organoiden einer gesunden Kontrollperson. Mit der vorliegenden Arbeit legen wir
die Grundlage für ein neues In-vitro-Modellsystem, das weitergehende Untersuchungen,
insbesondere der Interaktion von Zellen des Immunsystems, Antigenen, Inflammationsmediatoren
und den komplexen Darmorganoiden ermöglichen wird.
Schlüsselwörter
chronisch entzündliche Darmerkrankung - Morbus Crohn - induziert pluripotente Stammzellen
- intestinale Organoide
Key words
Inflammatory Bowel Disease - Crohn's Disease - induced pluripotent stem cells - intestinal
organoids
