Differentiation of bone marrow stem cells into functional pancreatic insulin-producing cells
Diabetes mellitus (DM) is a common metabolic disorder affecting millions of people worldwide and is characterized by abnormally high levels of glucose in blood. Type 1 diabetes is caused by the destruction of pancreatic β-cells by T cells of the immune system. The common therapy of diabetes is daily injections of insulin. However, this therapy does not overcome the serious long-term complications that, result in overall shortened life expectancy of diabetic patients. Therefore, great efforts have been undertaken to develop novel strategies. A promising alternative to present treatments would be the generation and implantation of pancreatic islets from adult stem cells. Conditions were investigated that allow BM stem cells (BMSC) to differentiate into insulin-producing cells. A novel in vitro differentiation method was developed by using the histone deacetylase inhibitor (HDACi), Trichostatin A (TSA). BMSC, cultured in the presence of TSA. BMSCs differentiated into islet-like clusters under these culture conditions. These clusters were similar to the cells of the islets of the pancreas. The cells in the clusters showed endoderm specific gene expression typical for pancreatic β-cell development and function, such as insulin (I and II), glucagon, somatostatin, GLUT-2, pancreatic duodenal homeobox-1 (PDX-1), and Pax 4. To show that cells of the islet-like clusters synthesized pancreatic hormones, the co-localization of insulin and C-Peptide was analyzed by immunocytochemistry. Enzyme-linked immunosorbent assay (ELISA) analysis demonstrated that insulin secretion was regulated by glucose concentration. Western blot analysis showed the presence of intracellular stored insulin. Electron microscopy of the islet-like cells revealed that they possessed an ultrastructure similar to that of pancreatic β-cells, which contain insulin granules within secretory vesicles. These findings suggest that histone-deacetylating agents help to promote differentiation of BMSC into functional insulin-producing β-cells. In addition, gene expression analysis confirmed the presence of new signaling pathways that are important in endocrine pancreas development. A subset of known and novel genes was temporally regulated, including genes that spatially define developing endocrine cells from BMSC. The development of new protocols to stimulate the differentiation of BMSC into pancreatic β-like cells may contribute to future cell therapeutic treatments of type 1 diabetes.
Diabetes mellitus (DM) ist charakterisiert durch einen abnormal hohen Glukosespiegel im Blut. Diese Krankheit ist weit verbreitet und weltweit leiden Millionen von Menschen daran. Typ 1 Diabetes wird durch Zerstörung von Zellen des Pankreas durch T-Zellen des Immunsystems verursacht. Die allgemein übliche Therapie von Diabetes ist eine tägliche Injektion von Insulin. Jedoch löst diese Therapie nicht die gravierenden Probleme, wie verkürzte Lebenserwartung. Deshalb werden große Anstrengungen zur Entwicklung neuer Strategien der Therapie unternommen. Als eine alternative Strategie wird die Herstellung und Implantation von Zellen des Pankreas angesehen. Im Hinblick darauf wurde untersucht inwieweit Mesenchymale Zellen des Knochenmarks (BMSC) so kultiviert werden können, dass sie in Insulin produzierende Zellen differenzieren. Eine neue Methode wurde entwickelt unter Einsatz von einem Histone Deacetylase Inhibitor (HDACi), Trichostatin A (TSA). In Anwesenheit von TSA differenzierten BMSCs in Zellkluster. Diese Kluster zeigten eine Ähnlichkeit zu den Zell-Inseln des Pankreas. Die Zellen des Klusters zeigten Endoderm spezifische Gen Expression, wie sie typisch für Entwicklungsstadien und Funktion von pankreatischen ß Zellen ist. Transkripte für Insulin (I and II), Glucagon, Somatostatin, GLUT-2, pancreatic duodenal homeobox-1 (PDX-1), and Pax 4 konnten nachgewiesen werden. Um zu zeigen, daß die Zellkluster Pankeas spezifische Hormone synthetisieren , wurde Insulin und das C-peptid durch immunologische Methoden nachgewiesen. Mittels eines Enzym-gekoppelten Immunadsorbent Tests (ELISA) zeigte sich weiter, dass die Insulin Sekretion Glukose abhängig reguliert wird. Western Blot Analyse zeigte das Vorhandensein von intrazellulär deponiertem Insulin. Eine Analyse mittels Elektronen Mikroskopie zeigte, daß die Pankreas ähnlichen Zellen eine Ultrastruktur aufwiesen ähnlich wie ß- Zellen des Pankreas wobei Insulin Granuolen innerhalb von sekretorischen Vesikeln nachweisbar sind. Diese Ergebnisse lassen vermuten, daß Histon deacetylierende Agentien die Differenzierung von BMSCs in funktionell Insulin produzierende Zellen bewirken. Zusätzlich konnte mit Hilfe einer Gene Expressionsanalyse das Vorhandensein von neuen Signalwegen nachgewiesen werden, die eine wichtige Rolle bei der Entwicklung des Pankreas Gewebes sein könnten. Eine Untergruppe von Genen konnte als zeitlich reguliert in der Kultur von differenzierenden BMSCs nachgewiesen werden, einschließlich bekannter entwicklungsspezifischer Gene. Zusammenfassend, die Entwicklung dieses neuen Protokolls zur Zellkultivierung für die Stimulierung der Differenzierung von BMSCs zu pankreatischen ß-Zellen kann einen Beitrag für eine zukünftige Zelltherapie zur Behandlung von Diabetes 1 leisten.
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