Stepwise differentiation of pancreatic acinar cells from mES cells by manipulating signalling pathway

Abstract

Tot i que es coneix l’involucrament de les cèl·lules pancreàtiques acinars en patologies exocrines (pancreatitis i càncer de pàncrees), la manca de models normals basats en cèl·lules ha limitat l’estudi de les alteracions que succeeixen en el programa de diferenciació pancreàtica. Hem demostrat prèviament que les cèl·lules mare embrionàries murines, que són pluripotents, poden adquirir un fenotip acinar in vitro. Això es va aconseguir, en part, amb una combinació de senyals que provenien del cultiu de pàncrees fetals que no era, però, específic del llinatge pancreàtic. L’objectiu d’aquest treball ha estat el de desenvolupar un protocol selectiu pel llinatge acinar basat en l’activació seqüencial de vies de senyalització que recapitulin el desenvolupament pancreàtic in vivo, a través de la formació definitiva de l’endoderm, l’especificació pancreàtica i acinar i l’expansió/diferenciació de progenitors acinars. El tractament de cossos embrionaris amb Activina A va promoure l’expressió de gens d’endoderm com està prèviament descrit. El tractament subsegüent amb àcid Retinoic, FGF10 i Ciclopamina, un inhibidor de la via de Hedgehog, va resutar en la inducció dels marcadors de progenitors pancreàtics Pdx1, Ptf1a i Cpa1 però també d’aquells expressats en el llinatge pancreàtic, que van ser reduïts amb la inhibició de BMPs. Les cèl·lules van ser a continuació cultivades en Matrigel utilitzant un sistema de cultiu en 3D en presència de fol·listatina, dexametasona i KGF comportant una inducció significativa dels nivells de mRNA i proteïna de marcadors acinars i una disminució de l’expressió dels de marcadors acinars. A més, es va veure que Amyl es secretava en el medi. Aquestes dades indiquen que l’activació selectiva del programa de diferenciació acinar en cèl·lules mare embrionàries es pot dur a terme mitjançant una inducció esgraonada de vies de senyalització involucrades en el desenvolupament pancreàtic exocrí proporcionant una eina potencial per estudiar la diferenciació pancreàtica i malalties relacionades amb el pàncrees.

Despite known involvement of pancreatic acinar cells in exocrine pathologies (pancreatitis and pancreatic cancer), the lack of normal cell-based models has limited the study of the alterations that occur in the acinar differentiation program. We have previously shown that mESC (murine embryonic stem cells), which are pluripotent, can acquire an acinar phenotype in vitro. This was achieved, in part, by a combination of signals provided by the culture of foetal pancreases which was, however, no specific for the acinar lineage. The aim of this work was to develop a protocol selective for the acinar lineage based on the sequential activation of signaling pathways that recapitulate pancreatic development in vivo, through the definitive endoderm formation, the pancreatic and acinar specification and the expansion/differentiation of acinar progenitors. Treatment of embryoid bodies with Activin A enhanced the expression of endodermal genes as previously described. Subsequent treatment with Retinoic acid, FGF10 and Cyclopamine, an inhibitor of the Hedgehog pathway, resulted in the enhancement of pancreatic progenitor markers Pdx1, Ptf1a and Cpa1 but also of those expressed in the hepatic lineage, which were reduced by BMPs inhibition. Cells were further cultured in Matrigel using a 3D culture system in the presence of follistatin, dexamethasone, and KGF leading to a significant enhancement of the mRNA and protein levels of acinar markers while decreasing the expression of endocrine ones. Moreover, active Amyl was released into the medium. These data indicate that the selective activation of the acinar differentiation program in ES cells can be achieved by stepwise induction of signaling pathways involved in pancreatic exocrine development providing a potential tool for studying pancreatic differentiation and pancreas-related diseases.