DMSO-Priming steigert die Nierenorganoid-Bildung aus Stammzellen

Nierenorganoide, die aus menschlichen induzierten pluripotenten Stammzellen (hiPSCs) gewonnen werden, bieten enormes Potenzial für die Modellierung von Nierenerkrankungen, das Screening nephrotoxischer Medikamente und letztendlich die Unterstützung der regenerativen Medizin. Bestehende Differenzierungsprotokolle bleiben jedoch ineffizient und inkonsistent zwischen verschiedenen Zelllinien, was die Suche nach einfachen Interventionen motiviert, die die Qualität der Ausgangszellen vor Beginn der Differenzierung verbessern.

Diese Studie des MERLN Institute der Universität Maastricht untersuchte, ob eine kurze Dimethylsulfoxid-(DMSO-)Behandlung in niedriger Dosierung hiPSCs „konditionieren" könnte, um effizienter in Nierenorganoide zu differenzieren. Drei validierte hiPSC-Linien (LUMC, H101, H107) wurden 24 Stunden lang mit 0 %, 1 % oder 2 % DMSO behandelt und anschließend dem etablierten schrittweisen 2D-Monolayer-Protokoll nach Morizane et al. 2017 unterzogen, das über 21 Tage die Stadien primitiver Streifen, intermediäres Mesoderm, Nephronvorläufer und schließlich Nierenorganoide durchläuft.

Die DMSO-Behandlung bewirkte mehrere bemerkenswerte Veränderungen in hiPSCs vor der Differenzierung. Bei Konzentrationen von 1–2 % regulierte DMSO wichtige Pluripotenz-Transkriptionsfaktoren (OCT4, SOX2) herunter und veränderte Pluripotenz-Oberflächenmarker (TRA-1-60, TRA-1-81, SSEA3, SSEA4), gemessen mittels Durchflusszytometrie. Es wurde ein epigenetisches Remodeling detektiert, was mit der bekannten Fähigkeit von DMSO übereinstimmt, die Chromatinzugänglichkeit zu beeinflussen. Die Kolonmorphologie veränderte sich merklich, wobei die Zellen ein kompakteres und einheitlicheres Erscheinungsbild aufwiesen. Die Zellzyklusanalyse bestätigte eine G1-Phasen-Synchronisation, was mit früheren Berichten übereinstimmt, dass DMSO die Retinoblastom-Phosphorylierung über die PI3K-Signalweg-Modulation hemmt und die Zellen effektiv in einem für Differenzierungssignale empfänglicheren Zustand pausiert.

Die nachgelagerten Differenzierungsergebnisse wurden erheblich verbessert. Am Tag 9 des Protokolls zeigten DMSO-behandelte hiPSCs eine signifikant gesteigerte Expression von SIX2, dem definierenden Marker metanephrischer Mesenchym-Nephronvorläuferzellen. Am Ende des 21-tägigen Protokolls lieferten DMSO-konditionierte Kulturen mehr Nierenorganoide mit klar definierten tubulären Strukturen – einschließlich proximaler Tubuli, distaler Tubuli, glomerulusähnlicher Strukturen und Sammelrohrmarkern (PODXL, LRP2, GATA3) – im Vergleich zu unbehandelten Kontrollen. Der Effekt wurde über mehrere unabhängige hiPSC-Linien hinweg beobachtet, was darauf hindeutet, dass der Nutzen nicht linienspezifisch ist.

Die Autoren schlagen vor, dass der Einfluss von DMSO auf den PI3K-Signalweg, die Zytoskelettdynamik, die Zelladhäsion und den epigenetischen Zustand hiPSCs kollektiv in Richtung eines transitionalen pluripotenten Zustands vorbereitet, der empfänglicher für die im Morizane-Protokoll verwendete Wnt-(CHIR99021)-, Activin-A- und FGF9-Signalgebung ist. Die niedrigen Kosten, die Einfachheit und die breite Anwendbarkeit eines 24-stündigen DMSO-Vorbehandlungsschritts machen diesen zu einer leicht adaptierbaren Modifikation. Zu den Einschränkungen zählen der Bedarf an weiterer mechanistischer Analyse der epigenetischen Zielstrukturen von DMSO, das Fehlen von Einzelzell-Auflösungsdaten zur Charakterisierung der Organoidzusammensetzung sowie offene Fragen dazu, ob auch abseits liegende Zellpopulationen zu späteren Kulturzeitpunkten reduziert werden.