Mejora de la supervivencia de injertos derivados de células madre embrionarias mediante la inducción de tolerancia inmunológica

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Detalles de la concesión de la subvención

Tipo de subvención:

Nueva Facultad I

Conceder número:

RN1-00554

Investigador(es):

Nombre:

Dra. Jennifer O Manilay

Institución:

Universidad de California, Merced

Tipo:

Uso de células madre humanas:

Células madre embrionarias

Valor del premio:

$1,576,389

Estado:

Cerrado

Informe de progreso

Período de información:

Los estudiantes de Year 2

El objetivo general de nuestro proyecto es mejorar la supervivencia de las terapias basadas en células madre al comprender si pueden ser rechazadas por la respuesta inmune y, de ser así, cómo manipular la respuesta inmune para evitar el rechazo. Actualmente, estamos utilizando células madre embrionarias de ratón (ESC) y de ratón adulto como prototipo de terapia celular y en un paciente humano que requiere células madre sanguíneas. En el año 1, establecimos un cultivo de ESC de ratón en el laboratorio y comenzamos a generar supuestas células madre sanguíneas, o progenitores hematopoyéticos (HP), utilizando métodos de cultivo establecidos. Sin embargo, notamos que nuestro rendimiento de HP era demasiado bajo para lo que se necesita para el trasplante. En el año 2, comparamos diferentes métodos de cultivo para generar una mayor cantidad de HP y encontramos un método de cultivo mejorado que es más fácil de ampliar y requiere menos manipulación, lo que ha aumentado nuestros rendimientos de HP y al mismo tiempo reduce el riesgo de una posible contaminación. Además, hemos descubierto que los HP que utilizan este método mejorado parecen ser similares a los HP que se encuentran en la médula ósea adulta natural. Estos resultados sugieren que los HP derivados de ESC podrían funcionar de manera similar a los del adulto, y defenderemos esta hipótesis. Además, en el año 2 hemos desarrollado una estrategia para predecir si el HP derivado de ESC estimulará el sistema inmunológico de los pacientes. Es importante evaluar esto porque si el sistema inmunológico rechaza las células derivadas de ESC, la terapia basada en células podría fallar en pacientes enfermos. Nuestros datos sugieren que el método de cultivo utilizado para derivar HP de ESC se correlaciona con su potencial inmunogenicidad, y planeamos probar experimentalmente esta idea en el próximo período de informe. Otro desafío que podría afectar la supervivencia de las terapias basadas en células madre en pacientes puede denominarse "incompatibilidad del desarrollo". Los HP derivados de ESC son de naturaleza embrionaria o fetal y, en las terapias celulares, se espera que estos tejidos de tipo embrionario sobrevivan en un entorno celular adulto maduro. Hasta la fecha, hay muy poca evidencia que demuestre que el HP derivado de ESC pueda sobrevivir a largo plazo en un adulto, y hay escasez de información sobre cómo los tejidos derivados de ESC interactúan a nivel celular con microambientes o "nichos" de adultos. En el año 2, hemos desarrollado sistemas modelo in vitro que podemos utilizar para responder algunas de estas preguntas. Por ejemplo, hemos desarrollado un sistema que utiliza células formadoras de hueso u osteoblastos, que son una célula adulta de “nicho” para las células madre sanguíneas, y hemos establecido que la etapa de maduración de los osteoblastos se correlaciona con su capacidad para sustentar la hematopoyesis en adultos. Otro tipo de célula que se genera a partir de células madre sanguíneas son los linfocitos T, que interactúan con las células epiteliales del timo (TEC) en el ratón adulto. Las TEC podrían considerarse células de “nicho” para el desarrollo de linfocitos T. También hemos ideado un método mejorado para aislar TEC de ratones adultos, con el objetivo de diseñar un sistema in vitro similar al sistema de osteoblastos descrito anteriormente. Nuestro próximo objetivo es aplicar estos sistemas modelo al estudio de las interacciones ES-HP/células nicho.

Período de información:

Los estudiantes de Year 3

El objetivo general de nuestro proyecto es evaluar la respuesta inmune a los tejidos derivados de células madre embrionarias. Estamos utilizando células madre embrionarias de ratón (ESC) y el ratón adulto como prototipo de terapia celular y un paciente humano que requiere células madre sanguíneas. También nos estamos preparando para utilizar ratones diabéticos adultos como otro modelo de enfermedad en el futuro. En los años 1 y 2, optimizamos nuestros protocolos para crear progenitores hematopoyéticos derivados de células madre embrionarias (ES-HP). Este año (año 3), trasplantamos ES-HP a una cepa de ratón inmunodeficiente y comparamos su capacidad de injerto, supervivencia y desarrollo de células inmunitarias con la de células adultas trasplantadas de médula ósea. Observamos que ES-HP sobrevivió hasta 3 semanas después del trasplante, y que las células sanguíneas derivadas de ES-HP se ubicaron primariamente en el bazo y el timo de adultos. Por el contrario, las células adultas de la médula ósea reconstituyeron la sangre, la médula ósea, el bazo y el timo de los huéspedes inmunocomprometidos. Además, los ratones que recibieron ES-HP mostraron bazos grandes, lo que es indicativo de una respuesta inmune local por parte de los macrófagos. Los ratones que recibieron células adultas de la médula ósea no mostraron este fenotipo. Artículos recientes en la literatura científica también sugieren que el sistema inmunológico innato (que incluye macrófagos) puede responder a tejidos derivados de ESC. Además, nuestra observación de que las células derivadas de ES-HP estaban presentes en el timo receptor y mostraron evidencia de maduración de células T sugiere que el timo adulto puede apoyar el desarrollo de células T. Aunque la presencia en el timo fue transitoria, el desarrollo de células T a partir de ES-HP sería un gran paso adelante en el trasplante y la inducción de tolerancia inmune a los tejidos derivados de ESC. En el año 3, también ampliamos nuestros estudios a las células productoras de insulina derivadas de ESC (ESC-IPC), células que se han sugerido como reemplazo de las células beta disfuncionales y como tratamiento para la diabetes. Hemos tenido éxito en el cultivo de ESC-IPC y hemos obtenido datos funcionales y fenotípicos similares a los de otros grupos. Por lo tanto, ahora estamos listos para probar la función y la inmunogenicidad de ESC-IPC para investigar qué tan bien podrían tolerarse estas células después del trasplante. Nuestro laboratorio publicó dos artículos científicos y un artículo de revisión invitado relacionados con este proyecto en el año 3.

Período de información:

Los estudiantes de Year 4

El objetivo general de nuestro proyecto es evaluar la respuesta inmune a los tejidos derivados de células madre embrionarias. Estamos utilizando células madre embrionarias de ratón (ESC) y el ratón adulto como prototipo de terapia celular y un paciente humano que requiere células madre sanguíneas. También nos estamos preparando para utilizar ratones diabéticos adultos como otro modelo de enfermedad en el futuro. En los años 1 y 2, optimizamos nuestros protocolos para crear progenitores hematopoyéticos derivados de células madre embrionarias (ES-HP). En el año 3, trasplantamos ES-HP a una cepa de ratón inmunodeficiente y comparamos su capacidad de injerto, supervivencia y desarrollo de células inmunitarias con la de células adultas de médula ósea trasplantadas. Observamos que ES-HP sobrevivió hasta 3 semanas después del trasplante, y que las células sanguíneas derivadas de ES-HP se ubicaron primariamente en el bazo y el timo de adultos. Además, los ratones que recibieron ES-HP mostraron bazos grandes, lo que es indicativo de una respuesta inmune local por parte de los macrófagos. También logramos cultivar células productoras de insulina derivadas de ESC (ESC-IPC), que se han sugerido como reemplazo de las células beta disfuncionales y como tratamiento para la diabetes. En el año 4, nuestros objetivos principales fueron evaluar las capacidades de injerto de ES-HP y la inducción de tolerancia en el huésped, y mejorar el cultivo de células productoras de insulina ESC (ESC-IPC) en el laboratorio para experimentos in vivo. Hemos determinado que el aumento de la dosis de irradiación mejora el injerto de ES-HP, pero los macrófagos del huésped fagocitan específicamente ES-HP, lo que podría afectar su supervivencia a largo plazo, y ahora estamos listos para confirmar y determinar los mecanismos por los cuales los macrófagos previenen el injerto de ES-HP. in vivo, en el año 5. Hemos mejorado la salud de nuestros cultivos de ESC-IPC pero aún tenemos los mismos problemas de baja liberación de insulina, y mediremos directamente el efecto de ESC-IPC en ratones diabéticos, también mediante trasplante directo y evaluación de la supervivencia, el injerto y la función de ESC-IPC en el año 5. El año pasado, publicamos un capítulo de libro sobre terapias con células madre para la diabetes y publicamos otro artículo de un proyecto distinto que está relacionado con este trabajo. También presentamos otro artículo que está actualmente en revisión y presentamos nuestros resultados en presentaciones de carteles, charlas breves y seminarios de investigación invitados en varias conferencias científicas y universidades en California, Nueva York y Massachusetts.

Período de información:

Los estudiantes de Year 5

Hemos derivado células progenitoras sanguíneas y células de tipo pancreático a partir de células madre embrionarias de ratón (ESC) in vitro. Uno de nuestros objetivos este año era identificar si el sistema inmunológico podría rechazar los progenitores sanguíneos después del trasplante en receptores adultos, de forma similar a lo que podría ocurrir en un trasplante de médula ósea. Descubrimos que los macrófagos, que son un componente del sistema inmunológico, son una barrera para el injerto de progenitores hematopoyéticos derivados de células madre embrionarias (ES-HP) después del trasplante. Descubrimos esto utilizando una combinación de ensayos de cultivo celular y el agotamiento de macrófagos antes del trasplante ES-HP. Estos datos sugieren que es posible que sea necesario agotar o inhibir los macrófagos del huésped para que el trasplante de ES-HP sea clínicamente exitoso. Otro objetivo importante nuestro era identificar si las ESC podrían diferenciarse en células productoras de insulina (IPC) y funcionar como tales después del trasplante in vitro. Al igual que en otros grupos, pudimos diferenciar las ESC en IPC, pero estas células no parecían liberar bien insulina y formaron teratomas in vivo, lo que limitaría su uso clínico. Para evitar este problema, identificamos una población de células derivadas de ESC que parecían similares a los progenitores pancreáticos (PP) inmaduros que se encuentran en el embrión de ratón en desarrollo. Hasta donde sabemos, ningún otro grupo ha descrito este ESC-PP in vitro. Aislamos ESC-PP y los trasplantamos a ratones, y descubrimos que expresaban insulina y no formaban teratomas. Los próximos pasos son probar la longevidad y la función de estos ESC-PP en respuesta a la hiperglucemia. Estos datos pueden tener relevancia para el tratamiento de la diabetes. Estos datos se han compartido en conferencias nacionales e internacionales de inmunología y células madre, y apoyaron la formación de un doctorado. estudiante así como dos estudiantes investigadores de pregrado en el último año.

Detalles de la solicitud de subvención

Titulo de la aplicación:

Mejora de la supervivencia de injertos derivados de células madre embrionarias mediante la inducción de tolerancia inmunológica

Resumen público:

Aunque las terapias basadas en ESC son muy prometedoras para la cura de una amplia diversidad de enfermedades degenerativas, el rápido progreso hacia ensayos clínicos reales en humanos se ve obstaculizado por la falta de datos preclínicos para terapias basadas en ESC específicas. Mi objetivo es hacer avanzar el proceso estableciendo un protocolo en el que las células del sistema inmunológico se produzcan de manera reproducible a partir de ESC y se prueben in vivo para la inducción y el mantenimiento de la tolerancia inmunológica a las células terapéuticas derivadas de ES. Usaré el ratón como sistema modelo para probar este protocolo, ya que el ratón es el sistema modelo elegido para el estudio del sistema inmunológico debido a la disponibilidad de cepas genéticamente idénticas y modelos bien estudiados de enfermedades humanas. Además, el diseño de mi protocolo reflejará las estrategias ya utilizadas para el trasplante de órganos exitoso, haciendo que el protocolo sea adecuado para uso clínico.

El sistema inmunológico es la principal barrera para la aceptación de cualquier terapia basada en células madre embrionarias (ESC). Las células del sistema inmunológico se derivan de una célula madre de la sangre que tiene el potencial de diferenciarse en varios tipos de células maduras, como glóbulos rojos, macrófagos, granulocitos, linfocitos B (células B) y linfocitos T (células T). Durante el desarrollo, las células B y T son educadas para reconocer lo que es "propio" y lo que es "extraño". Esta educación precisa regula la activación de la respuesta inmune durante una infección viral o bacteriana. Por ejemplo, las células T pueden distinguir entre células sanas e infectadas y destruir selectivamente las infectadas dejando intactas las sanas. La ruptura de este reconocimiento, o autotolerancia, ocurre en enfermedades autoinmunes como la diabetes tipo I y la esclerosis múltiple, lo que resulta en la destrucción de las células pancreáticas y neurales por parte del propio sistema inmunológico del cuerpo. En el trasplante clínico de órganos, para aceptar el órgano trasplantado es necesario superar la “autotolerancia” y reeducar el sistema inmunológico del paciente para que reconozca el órgano donado como “propio”. Mi hipótesis es que este también será el caso de las terapias basadas en ESC, en las que el ESC y sus derivados pueden considerarse como un "trasplante" que el sistema inmunológico del paciente debe aprender a reconocer como "propio". Independientemente de la enfermedad que se intente tratar con terapias basadas en ESC, si no se logra la tolerancia inmune, todos los injertos derivados de ESC serán destruidos y la enfermedad persistirá.

El último objetivo del proyecto es validar si mi protocolo puede utilizarse como una terapia real basada en ESC para la diabetes tipo I. Aunque la diabetes es mi enfoque inicial, la inducción de la tolerancia inmune a las ESC terapéuticas es un requisito general pero necesario para el éxito de cualquier terapia basada en ESC. Por tanto, si tiene éxito, esta investigación podría aplicarse a una amplia variedad de enfermedades degenerativas, como la distrofia muscular, el Alzheimer, el Parkinson, la esclerosis múltiple, el cáncer y las inmunodeficiencias.

Declaración de beneficio para California:

Los resultados de mi proyecto de investigación propuesto beneficiarán al Estado de California y a sus ciudadanos en varios niveles. Impactos directos: Mi proyecto de investigación tiene como objetivo abordar una barrera obvia a la terapia ESC para cualquier enfermedad: evitar el rechazo inmunológico en el paciente. Si no se logra la tolerancia inmunológica a los injertos derivados de ESC, la ESC terapéutica se destruye y la enfermedad persiste. El sistema inmunológico se forma a partir de células madre hematopoyéticas (sangre), y los objetivos de mi investigación son establecer protocolos reproducibles para derivar células madre sanguíneas de ESC y promover el injerto de estas células madre sanguíneas derivadas de ES en un receptor para inducir tolerancia inmunológica a las ESC. -injertarlos y luego probarlos en un modelo de diabetes en ratones bien estudiado. Si tiene éxito, estos serían los primeros datos preclínicos que demostrarían que las terapias basadas en ESC pueden curar la diabetes. Como la tolerancia inmunológica es importante para todas las posibles terapias ESC, mi trabajo puede tener amplias aplicaciones en una amplia diversidad de enfermedades. El trabajo también tendrá impactos indirectos fuera de la investigación, como la notoriedad del CIRM como agencia financiadora de esta investigación innovadora, y será el trampolín para mejoras en la atención médica, aumento de los ingresos fiscales y mejoras en la educación de los residentes de California. Atención médica: probaré mis protocolos en un modelo bien estudiado de diabetes humana. El Programa de Diabetes de California informó que dos millones de californianos son diabéticos y hay muchos más que son prediabéticos. Si tiene éxito, mi investigación podría proporcionar terapias con células madre para estos pacientes, aliviando la necesidad de terapias con insulina y atención médica exhaustiva. Como esta investigación está financiada por CIRM, es muy probable que los californianos sean los principales destinatarios de las terapias diseñadas a partir de mi investigación. Además, mi plan de investigación está diseñado para tener una amplia aplicabilidad, de modo que a continuación se puedan evaluar las terapias ESC para otras enfermedades como el cáncer, el Alzheimer, el Parkinson, la esclerosis múltiple y las enfermedades cardiovasculares. Biotecnología: Mi investigación ya se basa en una serie de productos y herramientas fabricados y vendidos en el estado de California. Si tiene éxito, la investigación requerirá una versión ampliada de los protocolos diseñados en mis estudios. Esto podría atraer nuevas empresas de biotecnología al estado, aumentando los ingresos fiscales en el estado. Esto, a su vez, proporcionará nuevos puestos de trabajo para los residentes del estado de California. Educación: El establecimiento de terapias ESC exitosas en California alentará a las instituciones de educación superior a promover la educación científica para cubrir los puestos de trabajo creados por la investigación con células madre. Esto retendrá a los estudiantes de California en el estado que estén interesados en la investigación biomédica y las carreras médicas. Además, podría atraer a estudiantes de otros estados que busquen títulos que les permitan acceder a carreras en la investigación de células madre. Se prevé que esto llegue a los niveles K-12 y proporcione fondos para promover la educación científica en todos los niveles.

Publicaciones

J Bone Miner Res (2012): La ausencia de esclerostina afecta negativamente a la supervivencia de las células B. (PubMed: 22434688)
Más uno (2010): La eliminación de ADAM17 en las células epiteliales del timo altera la expresión del aire sin afectar la progresión del desarrollo de las células T. (PubMed: 20976004)
Curr Top Med Chem (2011): Células madre hematopoyéticas derivadas de células madre embrionarias: desafíos en el desarrollo, la diferenciación y la inmunogenicidad. (PubMed: 21446908)
Métodos J Immunol (2011): Aislamiento mejorado de subconjuntos de células epiteliales tímicas adultas para citometría de flujo multiparamétrica y análisis de expresión génica. (PubMed: 21354161)
Exp Hematol (2012): Las decisiones sobre el destino de las células madre hematopoyéticas están reguladas por antagonistas de Wnt: comparaciones y controversias actuales. (PubMed: 23022129)
Inmunol Cell Biol (2010): La inhibición de la proteólisis de Delta-like-1 no promueve ni reduce el potencial de desarrollo de las células T. (PubMed: 20231851)
Exp Hematol (2013): La migración de progenitores hematopoyéticos del hígado fetal a la médula ósea fetal: lecciones aprendidas y posibles aplicaciones clínicas. (PubMed: 23395775)