Opracowanie innowacyjnej, wysokoprzepustowej platformy do funkcjonalnych badań przesiewowych ludzkich komórek endokrynnych trzustki.

Funkcjonalne wyspy trzustkowe z komórek macierzystych – nowe narzędzie do badań nad cukrzycą

Jak skutecznie modelować choroby człowieka w warunkach laboratoryjnych, aby przyspieszyć odkrywanie nowych terapii? Odpowiedzią na to wyzwanie jest projekt badawczy kierowany przez dr hab. Małgorzatę Borowiak, prof. UAM z Zakładu Ekspresji Genów Uniwersytetu im. Adama Mickiewicza w Poznaniu, w konsorcjum z naukowcami z Uniwersytetu Warszawskiego oraz Uniwersytetu Jagiellońskiego w Krakowie. Celem tej współpracy jest stworzenie udoskonalonych modeli organoidów trzustkowych, które pozwolą na bardziej precyzyjną ocenę skuteczności i bezpieczeństwa potencjalnych leków przeciwcukrzycowych. Modele te stanowią alternatywę dla obecnie stosowanych metod opartych na zwierzęcych lub transformowanych liniach komórkowych, które, choć szeroko stosowane, często nie oddają w pełni funkcji ani molekularnych cech ludzkich komórek trzustki. Projekt jest finansowany przez Fundację na rzecz Nauki Polskiej w działaniu TEAM NET z programu Fundusze Europejskie dla Nowoczesnej Gospodarki 2021-2027 (FENG).

Osią badań są komórki beta, czyli wyspecjalizowane komórki trzustki odpowiedzialne za produkcję insuliny – hormonu regulującego poziom glukozy we krwi. U dorosłych osób komórki te niezwykle rzadko się, co powoduje brak regeneracji komórek beta w cukrzycy. Jest to istotny problem, zwłaszcza w kontekście współczesnej diety bogatej w cukry, która zwiększa obciążenie dla komórek beta i przyczynia się do rozwoju cukrzycy typu 2, czego efektem jest szybko rosnąca zachorowalność na tę chorobę na całym świecie.

Podczas wcześniejszych badań (wspieranych przez Fundację na Rzecz Nauki Polskiej w ramach projektu TEAM) zespół dr hab. Małgorzaty Borowiak zidentyfikował mechanizmy molekularne umożliwiające zwiększenie namnażania się (czyli proliferacji) i dojrzewania komórek beta. Badacze zauważyli, że wkrótce nowo-powstałe komórki beta mają większą zdolność do podziałów, choć ich funkcjonalność jest jeszcze ograniczona. Jest to okres- okno- które możemy wykorzystać do wytworzenia komórek beta w dużej ilości co jest niezbędne do komercyjnych badan nad nowymi lekami. Optymalne odtworzenie tych warunków rozwojowych w laboratorium może stanowić klucz do wydajnego namnażania wytworzonych komórek.

„Naszym celem jest stworzenie w laboratorium organoidów trzustki czyli w pełni funkcjonalnych miniaturowych modeli ludzkiej trzustki. Organoidy te będziemy wytwarzać z pluripotencjalnych komórek macierzystych (hPSC), które mogą różnicować się w dowolny typ komórek ciała. Wykorzystując nowo odkryte mechanizmy będziemy w stanie nie tylko zwiększyć wydajność produkcji komórek beta in vitro, ale również poprawić ich funkcjonalność – w tym bardzo ważną zdolność do odpowiedzi na zmieniające się stężenie glukozy we krwi” – mówi dr hab. Małgorzata Borowiak.

Ważnym elementem projektu jest rozwinięcie zaawansowanej platformy badawczej, opartej na technologiach mikroprzepływowych oraz badaniach wysokoprzepustowych. Naukowcy zamierzają wykorzystać specjalnie zaprojektowane mikroreaktory, w których w kontrolowanych warunkach komórki beta będą traktowane różnymi kombinacjami białek, w tym nowo zidentyfikowanymi czynnikami, które wykazują zdolność do zwiększania zarówno proliferacji, jak i wydzielania insuliny przez komórki beta. Funkcjonalność komórek będzie monitorowana z wykorzystaniem nowoczesnych technik, takich jak m.in. cytometria obrazowa. Z kolei pełna charakterystyka molekularna uzyskanych komórek zostanie przeprowadzona metodami sekwencjonowania pojedynczych komórek (scRNA-seq).

Jednak, jak podkreśla naukowczyni, funkcjonalność trzustki nie zależy wyłącznie od samych komórek beta. Niezbędne jest również odpowiednie mikrośrodowisko, zwłaszcza obecność komórek śródbłonka tworzących naczynia krwionośne. Co więcej, jak pokazują najnowsze badania, komórki śródbłonka nie są identyczne w każdym narządzie, (inne są np. w mózgu, a inne w trzustce). Dlatego w projekcie będą generowane komórki śródbłonka charakterystycznego dla trzustki, które razem z komórkami beta będą tworzyć funkcjonalne organoidy. W ramach projektu zostanie opracowany protokół umożliwiający jednoczesną współ-hodowlę komórek śródbłonka i komórek beta w mikroreaktorach oraz prowadzenie systematycznych badań na dużą skalę, umożliwiających zrozumienie interakcji między komórkami śródbłonka a komórkami beta trzustki.

„Uzyskane w naszym projekcie udoskonalone organoidy trzustki będą stanowić niezwykle cenne narzędzie do badań przedklinicznych nowych kandydatów na leki przeciwcukrzycowe. Zastąpienie tradycyjnych modeli zwierzęcych precyzyjnymi modelami komórkowymi in vitro jest zgodne z aktualnymi trendami i zaleceniami agencji regulacyjnych, takich jak Food and Drug Administration” – mówi dr hab. Małgorzata Borowiak.

Dla sukcesu całego przedsięwzięcia niezwykle istotna jest mulitidyscyplinarna współpraca naukowców. I tak, komórki śródbłonka będą uzyskiwane w Zakładzie Biotechnologii Medycznej Wydziału Biochemii, Biofizyki i Biotechnologii Uniwersytetu Jagiellońskiego przez zespół prof. dr hab. Józefa Dulaka, który od lat specjalizuje się w medycynie regeneracyjnej opartej na ludzkich komórkach iPSC (indukowanymi pluripotencjalnymikomórkami macierzystymi, czyli komórkami z dorosłego organizmu przeprogramowanymi w laboratorium tak, aby odzyskały zdolność do przekształcania się w dowolny typ komórki w ciele). Natomiast zespół dr. Tomasza Kamińskiego z Wydziału Biologii Uniwersytetu Warszawskiego odpowiada za opracowanie mikroreaktorów do badań wielkoprzepustowych.

Projekt konsorcjum UAM, UW i UJ nie tylko przyczyni się do rozwoju badań nad cukrzycą, ale także otworzy zupełnie nowe możliwości w całej dziedzinie terapii komórkowych i w medycynie regeneracyjnej.

Dr hab. Małgorzata Borowiak, prof. UAM uzyskała tytuł magistra z wyróżnieniem na Uniwersytecie im. Adama Mickiewicza w Poznaniu. Następnie kontynuowała studia doktoranckie w Max-Delbrück Center for Molecular Medicine w Berlinie w Niemczech. Tytuł doktora uzyskała z wyróżnieniem na Wolnym Uniwersytecie (Frei Universitat) w Berlinie w Niemczech. Po ukończeniu studiów doktoranckich przeniosła się na Uniwersytet Harvarda w Cambridge w USA na staż podoktorancki, gdzie pracowała nad zastosowaniem ludzkich pluripotencjalnych komórek macierzystych i biologii chemicznej w medycynie regeneracyjnej. Następnie jako stypendystka McNair Medical Institute założyła swoją grupę badawczą w Baylor College of Medicine w Houston w USA, w ramach której prowadziła program badawczy dotyczący determinacji losu komórek trzustki i molekularnych podstaw nietypowej cukrzycy przy użyciu edycji genomych w modelach mysich, ludzkich pluripotencjalnychkomórek macierzystych oraz edycji genów. Wyniki badań jej zespołu zostały opublikowane w renomowanych czasopismach naukowych, takich jak Nature, Cell Stem Cell, Nature Biotechnology, Science Advances, Cell Reports i Nature Communications. Obecnie prof. Małgorzata Borowiak kontynuuje prace nad modelowaniem chorób metabolicznych i rozwojem ludzkiej trzustki na Uniwersytecie im. Adama Mickiewicza w Poznaniu. Posiada trzy patenty licencjonowane firmom biotechnologicznym.