Fredrik Carl Wieland

Complexe in vitro weefsels kunnen toepassingen vinden in het modelleren van de weefselontwikkeling en ziektes, het screenen en ontdekken van medicijnen, en als medische therapieën. Driedimensionale (3D) cel-clusters bootsen de in vivo omgeving beter na dan tweedimensionale kweekjes, met name betreffende de cel-cel- en cel-matrix-interacties. De klinische translatie kan hiermee worden bevorderd, aangezien preklinische studies veelal gebruikmaken van niet-menselijke diermodellen die niet altijd even juist de menselijke situatie nabootsen.

Met dit doel voor ogen bespreken we in Hoofdstuk 2 de complexe multi-cellulaire interacties binnen eilandjes van Langerhans in de alvleesklier en hun vertaling naar in vitro co-kweekjes, bekend als pseudo-eilandjes. We richten ons op hoe een dieper begrip van de eilandjesstructuur, cel-cel-interacties, ECM-eiwitten en paracriene signalering samen een optimale micro-omgeving voor eilandjescellen kunnen creëren. Hoofdstuk 2 benadrukt de nauwe relatie tussen ‘gap junctions’ en celfunctie, en endotheelcellen die cruciale ECM-eiwitten uitscheiden die de glucoseresponsiviteit van β-cellen beïnvloeden, wat het belang van een heterogeen celmengsel onderstreept. Uitleg wordt gegeven over hoe de structuur van eilandjes de glucoseresponsiviteit beïnvloedt, waarbij het belang van 3D celkweek en co-kweek met α- en endotheelcellen wordt benadrukt.

Het bestuderen van complexe cel-clusters vereist verschillende complexe benaderingen om cellulaire zelfassemblage en zelforganisatie te kwantificeren. Hoofdstuk 3 schetst de methodologie die in dit proefschrift is ontwikkeld om een microscopie-workflow te optimaliseren voor het bereiken van een resolutie op individueel celniveau binnen pseudo-eilandjes gekweekt in microplaten. Geleerde lessen zijn dat zorgvuldige overweging cruciaal is bij het selecteren van 3D kweek- en analyse-software, omdat elke opstelling verschillende resultaten kan opleveren. Hoewel Nikon GAP en Imaris-analyse-software beter presteerden dan Fiji en CellProfiler in onze studie, zijn ze mogelijk wel minder toegankelijk voor de gebruiker. We raden aan om de analysespecificaties duidelijk te definiëren en tests uit te voeren om de meest geschikte kweek- en softwareoplossing te bepalen.

Hoofdstuk 4 heeft als doel de organisatie van pseudo-eilandjes te verkennen en de relatie tussen alvleesklier-gerelateerde endocriene cellen en endotheelcellen beter te begrijpen. Door de relatieve verhoudingen en het totale aantal cellen te variëren, onderzocht de studie de impact op de samenstelling en organisatie van pseudo-eilandjes. De ruimtelijke organisatie tijdens zelfassemblage werd kwantitatief bepaald, waarbij inzichten werden verkregen over de regels die zelforganisatie van pseudo-eilandjes bepalen. Verrassend genoeg had de initiële zaai-verhouding geen invloed op de uiteindelijke celverdeling na een tien dagenlange kweek. Echter, de grootte van de pseudo-eilandjes beïnvloedde de inlijving van endotheelcellen, en het aantal α-cellen nam enigszins toe met de grootte van de pseudo-eilandjes. De toename van α-cellen suggereert dat deze een cruciale rol spelen in de functie van endotheelcellen, mogelijk door pseudo-eilandjes te helpen bij endotheelvorming. Specifiek werden endotheelcellen significant vaker naast α-cellen gevonden dan naast β-cellen. Deze bevinding is van belang voor regeneratieve geneeskunde, waar snelle vaatvorming rondom getransplanteerde β-cellen cruciaal is voor de levensvatbaarheid en functie.

De lessen uit Hoofdstuk 4 werden voortgezet in Hoofdstuk 5, waarin het effect van interacties tussen α- en endotheelcellen op de mate van oxidatieve stress in de pseudo-eilandjes werd onderzocht. Oxidatieve stress staat bekend om zijn nadelige effect op de levensvatbaarheid van β-cellen vanwege hun lage niveaus van antioxidante enzymen. De samenstelling van de pseudo-eilandjes, namelijk het opnemen van α- en endotheelcellen, bleek oxidatieve stress te verminderen, wat hun ondersteunende rol benadrukt. Het verkennen van celinteracties legde bloot dat de vermindering van oxidatieve stress wordt toegeschreven aan antioxidante enzymen die endotheel- en β-cellen beschermen via het incretine glucagon-achtig peptide-1 (GLP-1). Bovendien verminderde de aanwezigheid van α-cellen significant het aantal cellen dat oxidatieve stress ervoer, en het toevoegen van GLP-1 redde effectief de pseudo-eilandjes die α-cellen misten. Deze bevindingen onderstrepen de cruciale rol van α-cellen in het verminderen van oxidatieve stress binnen de pseudo-eilandjes. Ook heeft de studie implicaties voor de ontwikkeling van celtherapieën voor Diabetes type 1, wat aangeeft dat het opnemen van zowel α- als endotheelcellen de succesvolle transplantatie van nieuw afgeleide eilandjescellen in patiënten zou kunnen verbeteren.

Dit proefschrift richt zich op het verkennen van mogelijke manieren om de complexiteit van geaggregeerde cellen te specificeren en beter te begrijpen, het begrip omtrent de eigenschappen van zelfassemblage te verbreden, en het belang van ondersteunende cellen in alvleesklier-gerelateerde (pseudo)eilandjes te belichten. De toekomst van in vitro modellen ziet er veelbelovend uit, met vooruitgangen zoals zelfassemblage, 3D-bioprinting en genetische modificatie die tot beter gelijkende weefsels zullen leiden, vooral voor toepassingen in de regeneratieve geneeskunde.