Biomedicinska ingenjörer och medicinska forskare vid UNSW Sydney har självständigt gjort upptäckter om skapandet av embryonala blodstamceller som en dag skulle kunna eliminera behovet av blodstamcellsgivare.

Framgångarna är en del av ett steg inom regenerativ medicin mot användning av "inducerade pluripotenta stamceller" för att behandla sjukdomar, där stamceller omvänds konstrueras från vuxna vävnadsceller snarare än att använda levande embryon från människor eller djur.

Men även om vi har känt till inducerade pluripotenta stamceller sedan 2006, har forskare fortfarande mycket kvar att lära sig om hur celldifferentiering i människokroppen kan efterliknas artificiellt och säkert i labbet i syfte att leverera riktad medicinsk behandling.

Två studier har framkommit från UNSW-forskare inom detta område som lyser nytt ljus på inte bara hur prekursorerna till blodstamceller förekommer hos djur och människor, utan även hur de kan induceras på konstgjord väg.

I en studie publicerad idag i Cell Reports , visade forskare från UNSW School of Biomedical Engineering hur en simulering av ett embryos slagande hjärta med hjälp av en mikrofluidisk enhet i labbet ledde till utvecklingen av mänskliga blodstamceller "prekursorer", som är stamceller på gränsen till att bli blodstamceller.

Och i en artikel publicerad i Nature Cell Biology i juli avslöjade forskare från UNSW Medicine &Health identiteten på celler i möss embryon som är ansvariga för att skapa blodstamceller.

Båda studierna är viktiga steg mot en förståelse för hur, när, var och vilka celler som är involverade i skapandet av blodstamceller. I framtiden kan denna kunskap användas för att hjälpa bland annat cancerpatienter som genomgått höga doser radio- och kemoterapi att fylla på sina utarmade blodstamceller.

Emulera hjärtat

I studien som beskrivs i Cellrapporter , beskrev huvudförfattaren Dr. Jingjing Li och andra forskare hur ett 3 cm x 3 cm mikrofluidsystem pumpade blodstamceller som producerats från en embryonal stamcellslinje för att efterlikna ett embryos slående hjärta och blodcirkulationens tillstånd.

Hon sa att under de senaste decennierna har biomedicinska ingenjörer försökt göra blodstamceller i laboratorierätter för att lösa problemet med brist på blodstamceller från donatorer. Men ingen har ännu lyckats uppnå det.

"En del av problemet är att vi fortfarande inte till fullo förstår alla processer som pågår i mikromiljön under embryonal utveckling som leder till skapandet av blodstamceller vid ungefär dag 32 i embryonal utveckling," sa Dr Li.

"Så vi gjorde en enhet som efterliknar hjärtslag och blodcirkulation och ett orbitalt skaksystem som orsakar skjuvspänning – eller friktion – av blodkropparna när de rör sig genom enheten eller runt i en skål."

Dessa system främjade utvecklingen av prekursorblodstamceller som kan differentiera till olika blodkomponenter - vita blodkroppar, röda blodkroppar, blodplättar och andra. De var glada över att se samma process – känd som hematopoiesis – replikeras i enheten.

Studiens medförfattare Docent Robert Nordon sa att han var förvånad över att enheten inte bara skapade blodstamcellsprekursorer som fortsatte att producera differentierade blodceller, utan den skapade också vävnadscellerna i den embryonala hjärtmiljön som är avgörande för denna process .

"Det som förvånar mig med det här är att blodstamceller, när de bildas i embryot, bildas i väggen på huvudkärlet som kallas aorta. Och de dyker i princip ut ur denna aorta och går in i cirkulationen, och sedan gå till levern och bilda vad som kallas definitiv hematopoiesis, eller definitiv blodbildning.

"Att få en aorta att bildas och sedan cellerna som faktiskt kommer från den aortan in i cirkulationen, det är det avgörande steget som krävs för att generera dessa celler."

"Vad vi har visat är att vi kan skapa en cell som kan bilda alla olika typer av blodkroppar. Vi har också visat att den är mycket nära besläktad med cellerna som kantar aortan - så vi vet att dess ursprung är korrekt - och att det förökar sig," A/Prof. sa Nordon.

Forskarna är försiktigt optimistiska om deras prestation i att emulera embryonala hjärttillstånd med en mekanisk anordning. De hoppas att det skulle kunna vara ett steg mot att lösa utmaningar som begränsar regenerativa medicinska behandlingar idag:brist på stamceller från donatorblod, avstötning av donatorvävnadsceller och de etiska frågorna kring användningen av IVF-embryon.

"Blodstamceller som används vid transplantation kräver donatorer med samma vävnadstyp som patienten," A/Prof. sa Nordon.

"Tillverkning av blodstamceller från pluripotenta stamcellslinjer skulle lösa detta problem utan behov av vävnadsmatchade donatorer som ger en riklig tillgång för att behandla blodcancer eller genetisk sjukdom."

Dr Li tillade, "Vi arbetar med att uppskala tillverkningen av dessa celler med hjälp av bioreaktorer."

Mysteriet löst

Samtidigt, och arbetar oberoende av Dr. Li och A/Prof. Nordon, UNSW Medicine &Healths professor John Pimanda och Dr. Vashe Chandrakanthan gjorde sin egen forskning om hur blodstamceller skapas i embryon.

I sin studie av möss letade forskarna efter mekanismen som används naturligt hos däggdjur för att göra blodstamceller från cellerna som kantar blodkärlen, så kallade endotelceller.

"Det var redan känt att denna process äger rum i däggdjurs embryon där endotelceller som kantar aorta förändras till blodkroppar under hematopoiesis," sade Prof. Pimanda. "Men identiteten på cellerna som reglerar denna process hade fram till nu varit ett mysterium."

I sin artikel beskrev Prof. Pimanda och Dr. Chandrakanthan hur de löste detta pussel genom att identifiera cellerna i embryot som kan omvandla både embryonala och vuxna endotelceller till blodceller. Cellerna – kända som "Mesp1-derived PDGFRA+ stromaceller" – bor under aortan och omger endast aortan i ett mycket smalt fönster under embryonal utveckling.

Dr Chandrakanthan sa att att känna till dessa cellers identitet ger medicinska forskare ledtrådar om hur endotelceller från däggdjur från vuxna kan utlösas för att skapa blodstamceller – något de normalt inte kan göra.

"Vår forskning visade att när endotelceller från embryot eller vuxen blandas med "Mesp1-härledda PDGFRA+ stromaceller", börjar de göra blodstamceller", sa han.

Även om det behövs mer forskning innan detta kan översättas till klinisk praxis – inklusive att bekräfta resultaten i mänskliga celler – kan upptäckten ge ett potentiellt nytt verktyg för att generera intransplanterbara hematopoetiska celler.

"Att använda dina egna celler för att generera blodstamceller kan eliminera behovet av donatorblodtransfusioner eller stamcellstransplantation. Upplåsningsmekanismer som används av naturen tar oss ett steg närmare att uppnå detta mål," sa Prof. Pimanda. + Utforska vidare

Mysterieceller som skapar blodstamceller i däggdjur identifierade