Deciphering the trajectory of iPSC-derived hepatic stellate cells in physiology and disease

Abstract

[eng] Hepatic stellate cells (HSCs) are mainly responsible for liver fibrosis, a common feature in all liver diseases, regardless of their etiology, and which currently has no treatment. In addition, fibrosis is directly correlated with the prognosis and survival of patients with chronic liver disease. For this reason, understanding the physiology and pathophysiology of these cells is essential for the development of new antifibrogenic treatments. This doctoral thesis focuses on the study of the differentiation of hepatic stellate cells (diHSCs) derived from induced pluripotent stem cells (iPSCs), with the aim of understanding the pathophysiology of liver fibrosis. Throughout this work, the key aspects for the production, characterization and large-scale application of diHSCs have been addressed. It has been shown that diHSCs can be passed and cryopreserved without losing the phenotype of crashed cells as well as preserving their responsiveness to probiotic stimuli, making them valuable models for the study of fibrogenesis and for large-scale drug screening trials. In addition, the study of the proteomic and genomic profile of these cells along the differentiation trajectory has revealed that differentiation occurs in three phases, partially recapitulating the embryonic phenotypes associated with the differentiation of hepatic stellate cells. One of the key findings of this thesis is the role of the transcription factor RORA (Retinoic Acid Receptor-Related Orphan Receptor A) in metabolic regulation during the differentiation and activation of diHSCs. Proper modulation of RORA is essential to guide the transition of cells to the mesoderm and maintain the quiescence profile of diHSCs. On the contrary, its dysregulation exacerbates liver fibrosis, both in vitro human models and in vivo animal models. In addition, the use of a RORA agonist has been shown to have therapeutic potential, not only for the treatment of liver fibrosis, but also in models of extrahepatic fibrosis, suggesting that the study of this receptor could be key for the treatment of fibrotic diseases in general. This thesis also reflects that the differentiation protocol developed partially reproduces the heterogeneity of liver tissue, which would allow the study of the manipulation of the cellular behavior of HSCs for therapeutic purposes. In addition, the differences between hepatic and pancreatic stellate cells have been studied, demonstrating that they present tissue-specific markers, thus underlining the influence of environmental signals on the development of these organs. Finally, this thesis has shown that the interactions between epithelial and mesenchymal cells during differentiation are essential for the modulation of the differentiation trajectory of cells and the acquisition of specific organ characteristics. In addition, scRNA-seq studies validate the use of in vitro models for the study of these developmental and differentiation processes.

[cat] Les cèl·lules estrellades hepàtiques (HSCs) són les principals responsables de la fibrosi hepàtica, una característica comuna en totes les malalties hepàtiques, independentment de la seva etiologia, i que actualment no té tractament. A més, la fibrosi es correlaciona directament amb el pronòstic i la supervivència dels pacients amb malalties hepàtiques cròniques. Per aquest motiu, comprendre la fisiologia i patofisiologia d’aquestes cèl·lules és fonamental pel desenvolupament de nous tractaments antifibrogènics. Aquesta tesi doctoral es centra en l’estudi de la diferenciació de cèl·lules estrellades hepàtiques (diHSCs) derivades de cèl·lules mare pluripotents induïdes (iPSCs), amb l’objectiu d’entendre la patofisiologia de la fibrosis hepàtica. Al llarg d’aquest treball, s’han abordat els aspectes clau per la producció, caracterització i aplicació a gran escala de les diHSCs. S’ha demostrat que les diHSCs poden ser passades i criopreservades sense perdre el fenotip de cèl·lules estrallada així com preservar la seva capacitat de resposta a estímuls profibròtics, convertint-les en models valuosos per a l’estudi de la fibrogènesi i per a assajos de cribratge de fàrmacs a gran escala. A més, l’estudi del perfil proteòmic i genòmic d’aquestes cèl·lules al llarg de la trajectòria de diferenciació ha revelat que la diferenciació es produeix en tres fases, recapitulant parcialment els fenotips embrionaris associats a la diferenciació de les cèl·lules estrellades hepàtiques. Un dels descobriments clau d’aquesta tesi és el paper del factor de transcripció RORA (Retinoic Acid Receptor-Related Orphan Receptor A) en la regulació metabòlica durant la diferenciació i l’activació de les diHSCs. La modulació adequada de RORA és essencial per guiar la transició de les cèl·lules cap al mesoderma i mantenir el perfil de quiescència de les diHSCs. Per contra, la seva desregulació exacerba la fibrosi hepàtica, tant en models humans in vitro com en models animals in vivo. A més, l’ús d’un agonista de RORA ha demostrat tenir potencial terapèutic, no només per al tractament de la fibrosi hepàtica, sinó també en models de fibrosi extrahepàtica, suggerint que l’estudi d’aquest receptor podria ser clau per al tractament de malalties fibròtiques en general. Aquesta tesi també reflecteix que el protocol de diferenciació desenvolupat reproduïx parcialment la heterogeneïtat del teixit hepàtic, cosa que permetria l’estudi de la manipulació del comportament cel·lular de les HSCs amb fins terapèutics. A més, s’han estudiat les diferències entre les cèl·lules estrellades hepàtiques i pancreàtiques, demostrant que presenten marcadors específics segons el teixit, subratllant així la influència de les senyals ambientals en el desenvolupament d’aquests òrgans. Finalment, aquesta tesi ha demostrat que les interaccions entre cèl·lules epitelials i mesenquimals durant la diferenciació són essencials per la modulació de la trajectòria de diferenciació de les cèl·lules i l’adquisició de característiques específiques dels òrgans. A més, els estudis de scRNA-seq validen l’ús de models in vitro per a l’estudi d’aquests processos de desenvolupament i diferenciació.