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Aug 14, 2023

Stammzelle

Der Fortschritt gilt als entscheidender erster Schritt hin zu neuartigen Behandlungen zur Reparatur und Regeneration von Zähnen. Leila Gray, 206.475.9809, [email protected] Organoide wurden mittlerweile aus Stammzellen zur Sekretion hergestellt

Der Fortschritt gilt als entscheidender erster Schritt hin zu neuartigen Behandlungen zur Reparatur und Regeneration von Zähnen.

Leila Gray, 206.475.9809, [email protected]

Mittlerweile wurden aus Stammzellen Organoide hergestellt, die die Proteine ​​absondern, die den Zahnschmelz bilden, die Substanz, die die Zähne vor Schäden und Karies schützt. Ein multidisziplinäres Team von Wissenschaftlern der University of Washington in Seattle leitete diese Bemühungen.

„Dies ist ein entscheidender erster Schritt auf dem Weg zu unserem langfristigen Ziel, stammzellbasierte Behandlungen zu entwickeln, um beschädigte Zähne zu reparieren und verlorene Zähne zu regenerieren“, sagte Hai Zhang, Professor für restaurative Zahnheilkunde an der UW School of Dentistry und einer der co-Autoren des Artikels, der die Forschung beschreibt.

Die Ergebnisse werden heute in der Zeitschrift Developmental Cell veröffentlicht. Ammar Alghadeer, ein Doktorand im Labor von Hannele Ruohola-Baker in der Abteilung für Biochemie der UW School of Medicine, war der Hauptautor des Artikels. Das Labor ist dem UW Medicine Institute for Stem Cell and Regenerative Medicine angeschlossen.

Die Forscher erklärten, dass der Zahnschmelz die Zähne vor den mechanischen Belastungen beim Kauen schützt und ihnen hilft, Karies zu widerstehen. Es ist das härteste Gewebe im menschlichen Körper.

Zahnschmelz wird während der Zahnbildung durch spezialisierte Zellen, sogenannte Amelobasten, hergestellt. Wenn die Zahnbildung abgeschlossen ist, sterben diese Zellen ab. Folglich hat der Körper keine Möglichkeit, beschädigten Zahnschmelz zu reparieren oder zu regenerieren, und Zähne können anfällig für Brüche oder zum Verlust werden.

Um Ameloblasten im Labor zu erzeugen, mussten die Forscher zunächst das genetische Programm verstehen, das fötale Stammzellen dazu bringt, sich zu diesen hochspezialisierten schmelzproduzierenden Zellen zu entwickeln.

Dazu nutzten sie eine Technik namens Single-Cell Combinatorial Indexing RNA Sequencing (sci-RNA-seq), die aufdeckt, welche Gene in verschiedenen Stadien der Zellentwicklung aktiv sind.

Dies ist möglich, weil RNA-Moleküle, sogenannte Messenger-RNA (mRNA), die Anweisungen für Proteine, die in der DNA aktivierter Gene kodiert sind, zu den molekularen Maschinen übertragen, die Proteine ​​zusammenbauen. Aus diesem Grund verraten Veränderungen im mRNA-Spiegel in verschiedenen Stadien der Zellentwicklung, welche Gene in den einzelnen Stadien ein- und ausgeschaltet werden.

Durch die Durchführung von sci-RNA-seq an Zellen in verschiedenen Stadien der menschlichen Zahnentwicklung konnten die Forscher eine Reihe von Schnappschüssen der Genaktivierung in jedem Stadium erhalten. Anschließend verwendeten sie ein hochentwickeltes Computerprogramm namens Monocle, um den wahrscheinlichen Verlauf der Genaktivitäten zu konstruieren, die auftreten, wenn sich undifferenzierte Stammzellen zu vollständig differenzierten Ameloblasten entwickeln.

„Das Computerprogramm sagt voraus, wie man von hier nach dort gelangt, die Roadmap, den Bauplan, der zum Bau von Ameloblasten erforderlich ist“, sagte Ruohola-Baker, der das Projekt leitete. Sie ist Professorin für Biochemie und stellvertretende Direktorin des UW Medicine Institute for Stem Cell and Regenerative Medicine.

Nachdem dieser Weg vorgezeichnet war, gelang es den Forschern nach vielen Versuchen, undifferenzierte menschliche Stammzellen dazu zu bringen, Ameloblasten zu werden. Dazu setzten sie die Stammzellen chemischen Signalen aus, von denen bekannt ist, dass sie verschiedene Gene in einer Sequenz aktivieren, die den durch die sci-RNA-seq-Daten aufgedeckten Weg nachahmt. In einigen Fällen nutzten sie bekannte chemische Signale. In anderen Fällen entwickelten Mitarbeiter des UW Medicine Institute for Protein Design computerdesignte Proteine, die eine verstärkte Wirkung hatten.

Im Rahmen dieses Projekts identifizierten die Wissenschaftler auch erstmals einen weiteren Zelltyp, den sogenannten Subodontoblasten, der ihrer Meinung nach ein Vorläufer der Odontoblasten ist, einem Zelltyp, der für die Zahnbildung entscheidend ist.

Die Forscher fanden heraus, dass diese Zelltypen zusammen dazu gebracht werden können, kleine, dreidimensionale, vielzellige Miniorgane, sogenannte Organoide, zu bilden. Diese organisierten sich in Strukturen, die denen in der Entwicklung menschlicher Zähne ähneln, und sonderten drei essentielle Schmelzproteine ​​ab: Ameloblastin, Amelogenin und Emailin. Diese Proteine ​​würden dann eine Matrix bilden. Es folgt ein Mineralisierungsprozess, der für die Bildung des Zahnschmelzes mit der erforderlichen Härte unerlässlich ist.

Zhang sagte, das Forschungsteam hoffe nun, das Verfahren zu verfeinern, um einen Zahnschmelz herzustellen, der in seiner Haltbarkeit mit der Haltbarkeit natürlicher Zähne vergleichbar sei, und Möglichkeiten zu entwickeln, diesen Zahnschmelz zur Wiederherstellung beschädigter Zähne zu verwenden. Ein Ansatz wäre, im Labor Zahnschmelz herzustellen, der dann zum Füllen von Hohlräumen und anderen Defekten verwendet werden könnte.

Ruohola-Baker weist darauf hin, dass ein weiterer ehrgeizigerer Ansatz darin bestünde, „lebende Füllungen“ zu schaffen, die in Hohlräume und andere Defekte hineinwachsen und diese reparieren könnten. Letztendlich besteht das Ziel darin, aus Stammzellen gewonnene Zähne zu schaffen, die verlorene Zähne vollständig ersetzen könnten.

Ruohola-Baker sagte, Zähne seien ein ideales Modell, um an der Entwicklung anderer Stammzelltherapien zu arbeiten.

„Viele der Organe, die wir gerne ersetzen würden, wie die menschliche Bauchspeicheldrüse, die Niere und das Gehirn, sind groß und komplex. Es wird einige Zeit dauern, sie sicher aus Stammzellen zu regenerieren“, sagte sie. „Zähne hingegen sind viel kleiner und weniger komplex. Sie sind vielleicht die tief hängenden Früchte. Es kann eine Weile dauern, bis wir sie regenerieren können, aber wir können jetzt die Schritte sehen, die wir brauchen, um dorthin zu gelangen.“

Sie prognostiziert: „Dies könnte endlich das ‚Jahrhundert der lebenden Füllungen‘ und der menschlichen regenerativen Zahnheilkunde im Allgemeinen sein.“

Neben Forschern der Abteilung für Mundgesundheitswissenschaften der UW School of Dentistry sind weitere Wissenschaftler des UW Brotman Baty Institute, der UW Allen School of Computer Science and Engineering, des Seattle Children's Research Institute, des Institute for Stem Cell and Regenerative Medicine, Institut für Proteindesign, die Abteilung für Ingenieurwissenschaften am UW College of Engineering, Bioingenieurwesen (eine gemeinsame Abteilung des College of Engineering und der School of Medicine der UW), Biochemie, Vergleichende Medizin und Pädiatrie, Genomwissenschaften, alle an der medizinischen Fakultät der UW, und die Alle Mitarbeiter des SRM Institute of Science and Technology, Chennai, Indien, haben an der Studie mitgewirkt.

Diese Arbeit wurde durch Mittel der US National Institutes of Health (1P01GM081619, R01GM097372, R01GM97372-03S1, R01GM083867, 5R24HD000836, T90DE021984, R01DE033016, U01DK127553, R01DK117914) unterstützt ), das National Heart, Lung and Blood Institute Progenitor Cell Biology Consortium (U01HL099997; UO1HL099993), dem Eunice Kennedy Shriver National Institute of Child Health and Human Development, dem UW Medicine Institute of Stem Cell and Regenerative Medicine Fellowships und dem Dr. Douglass L. Morell Research Fund. Die im Genomics Core des Instituts für Stammzellen- und Regenerative Medizin durchgeführten Arbeiten wurden durch eine Spende der John H. Tietze Foundation unterstützt

Geschrieben von Michael McCarthy

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Einzelheiten zu UW Medicine finden Sie unter http://uwmedicine.org/about.