Результаты этого исследования были опубликованы в американском научном журнале J Clinical Investigation 17 декабря 2019 г.
Предпосылки исследования
Гипопитуитаризм, вызванный ХПН, не редкость, а иногда и опасен для жизни. Пациентам с этим заболеванием требуется пожизненная заместительная гормональная терапия. Причины и лежащие в основе механизмы не совсем понятны.
Предыдущие исследования заболеваний гипофиза в основном проводились с использованием животных моделей, таких как нокаут-мыши (* 5).
Однако иногда наблюдаются различия в фенотипах животных и человека. Это означает, что для полного понимания механизмов таких заболеваний необходимы человеческие модели.
В последние годы iPS (индуцированные плюрипотентные стволовые) клетки использовались для разработки моделей заболеваний, регенеративной медицины и открытия новых лекарств. Кроме того, был разработан метод использования iPS-клеток для индукции дифференцировки гипофиза и гипоталамуса in vitro; однако его еще не применили к моделированию болезни гипофиза.
Имея это в виду, исследователи из Высшей школы медицины Университета Кобе применили эту стратегию для разработки человеческой модели CPH in vitro с использованием iPS-клеток, чтобы понять патофизиологию и причины заболевания.
Методология исследования
iPS-клетки были получены из образцов крови, взятых у пациента с ХПГ.
У этого пациента наблюдалась врожденная гипоплазия гипофиза, и он проходил заместительную гормональную терапию гипофиза. Эти ИПС-клетки, полученные от пациентов, были использованы для выяснения основных механизмов in vitro.
Интересно, что контрольные iPS-клетки дифференцировались в клетки, продуцирующие гормоны, однако iPS-клетки, полученные от пациентов с CPH, не могли дифференцироваться в эти клетки. Дальнейший анализ процесса дифференцировки показал, что фактор транскрипции LHX3, который необходим для дифференцировки гипофиза, не экспрессируется в предшественнике гипофиза из полученных от пациента iPS-клеток.
Анализ секвенирования экзома выявил мутацию в гене OTX2 и нарушение его функции. Коррекция мутации OTX2 в iPS-клетках, полученных от пациентов, восстановила способность гипофиза к дифференцировке, демонстрируя, что мутация OTX2 является ответственной.
Взаимодействия между гипофизом и прилегающим гипоталамусом необходимы для дифференцировки и регуляции гипофиза. Преимущество этой модели заключается в том, что она может одновременно развивать гипофиз и гипоталамус in vitro из iPS-клеток. Это позволило исследователям изучить важность взаимодействия между этими тканями. Они пояснили, что гипоталамус был ответственен за заболевание, выполнив эксперименты по формированию химер с использованием как полученных от пациентов iPS-клеток, так и здоровых iPS-клеток.
Последующий анализ показал, что FGF10 (фактор роста фибробластов 10) из гипоталамуса играет ключевую роль в экспрессии фактора транскрипции LHX3 в гипофизе. Кроме того, уровни экспрессии LHX3 восстанавливались путем добавления FGF10 in vitro.
Эти результаты продемонстрировали, что дефицит FGF10 в гипоталамусе, связанный с мутацией OTX2, является причиной.
В совокупности мутация OTX2 вызвала снижение гипоталамического FGF10, что привело к отсутствию экспрессии LHX3 в оральной эктодерме, которая является предшественником гипофиза.
Следовательно, потеря LHX3 вызвала апоптоз клеток-предшественников, что привело к нарушению развития гипофиза. Эти лежащие в основе механизмы были впервые освещены в этом исследовании.
Эта модель заболевания гипофиза с использованием человеческих iPS-клеток прояснила подробные основные механизмы, которые модели на животных не смогли выявить.
Дальнейшие исследования
Это исследование выявило патофизиологию CPH через специфические для болезни iPS-клетки (* 6). Кроме того, модель была также полезна для понимания процесса дифференцировки гипофиза у людей.
Эта исследовательская группа также исследует причины, патогенез и лечение других заболеваний гипофиза (таких как аутоиммунные заболевания и опухоли гипофиза), используя ту же стратегию. В частности, они продолжают разрабатывать модели заболевания гипофиза для изучения патофизиологии и точных механизмов, лежащих в основе «синдрома антител анти-PIT-1» (* 7), который является новым типом аутоиммунного заболевания гипофиза, которое команда установила в качестве основного новое клиническое учреждение. Используя эту модель, они уже продемонстрировали презентацию антигена эпитопа белка PIT-1 на клетках передней доли гипофиза, полученных из iPS-клеток пациента.
Кроме того, существует множество других неизлечимых заболеваний гипофиза, причины которых остаются неизвестными.
Есть надежда, что эти методы исследования заболеваний на основе iPS-клеток приведут к прояснению основных механизмов и открытию лекарств.
Глоссарий
1. Гипофиз: эндокринная железа, расположенная у основания головного мозга. Он состоит из задней и передней доли гипофиза и отвечает за выработку различных жизненно важных гормонов.
2. Врожденная гипоплазия гипофиза: заболевание, при котором гипофиз формируется неправильно из-за генетической мутации. Многим пациентам необходимо пожизненное гормональное лечение.
3. Анализ секвенирования экзома: метод, позволяющий анализировать все кодирующие белок участки генов в геноме человека.
4. Гипоталамус: расположенный рядом с гипофизом, гипоталамус играет важную роль во многих функциях, включая регулирование температуры тела и высвобождение гормонов.
На ранних стадиях развития гипоталамус контролирует различные факторы, связанные с дифференцировкой гипофиза. Гормоны гипоталамуса также регулируют гормоны, вырабатываемые гипофизом.
5. Нокаут-мышь: позволяет исследовать функцию определенного гена.
Интересующий ген удаляется из мыши с помощью генной инженерии.
6. Специфические iPS-клетки: это iPS-клетки, полученные от пациента, страдающего определенным заболеванием.
Их можно использовать для понимания причин различных заболеваний и при разработке новых методов лечения.
7. Синдром антител против PIT-1: заболевание, обнаруженное членами нынешней исследовательской группы, которое приводит к приобретенному гипопитуитаризму.
Этот синдром вызван аутоиммунитетом к фактору транскрипции PIT-1 и характеризуется дефицитом GH, TSH и PRL. Фактор транскрипции PIT-1 необходим для дифференциации и поддержания этих гормон-продуцирующих клеток. При синдроме антител к PIT-1 цитотоксические Т-клетки разрушают клетки, экспрессирующие PIT-1, вызывая тем самым специфическое повреждение гипофиза. Механизм, лежащий в основе этого заболевания, включая тимомы, еще полностью не выяснен.
8. Эпитоп: часть антигена, распознаваемая иммунной системой.
Благодарности
Профессор TAKAHASHI хотел бы выразить свою глубокую признательность своим соавторам; Доктор. СУГА Хидетака (Университет Нагоя), профессор ХАСЕГАВА Томонобу (Университет Кейо), доктор.
НАРУМИ Сатоши (Национальный центр здоровья и развития детей), профессор МУГУРУМА Кейко (Медицинский университет Кансай) и профессор ОГАВА Ватару (Университет Кобе).
Это исследование было поддержано грантами AMED (Программа ускорения исследований трудноизлечимых заболеваний с использованием iPS-клеток, специфичных для конкретных заболеваний), MEXT, JSPS, Мемориального фонда Уэхара и Фонда Найто.