Organoidy dróg oddechowych jako narzędzie do personalizowanej terapii mukowiscydozy z mutacjami nonsensownymi

Mukowiscydoza pozostaje jedną z najczęstszych chorób genetycznych u ludzi, a jej przyczyną są mutacje w genie CFTR, prowadzące do zaburzeń transportu jonów i przewlekłego stanu zapalnego w drogach oddechowych. Choć w ostatnich latach opracowano skuteczne modulatory CFTR dla pacjentów z mutacjami typu missens, osoby z mutacjami nonsensownymi – stanowiącymi około 10% przypadków – nadal pozostają bez skutecznych terapii. Najnowsze badania zespołu z Tajpej, kierowanego przez Ping-Hsinga Tsaia, Yi-Ping Yanga, Shih-Jie Chou oraz Shih-Hwa Chiou, we współpracy z Taipei Veterans General Hospital i National Yang Ming Chiao Tung University, opublikowane w czasopiśmie Biomedicine & Pharmacotherapy, wskazują na nowe możliwości wykorzystania organoidów dróg oddechowych wyprowadzonych z indukowanych pluripotencjalnych komórek macierzystych (iPSC) do analizy patogenezy i testowania leków.

Projekt badania i model komórkowy

Naukowcy wygenerowali organoidy dróg oddechowych na bazie iPSC uzyskanych od pacjenta z mutacją nonsensowną CFTR-S308X. Organoidy te odtwarzały podstawowe cechy nabłonka dróg oddechowych – obecność komórek podstawnych, wydzielniczych, rzęskowych i kubkowych. Analiza funkcjonalna wykazała brak aktywności kanału chlorkowego CFTR, co potwierdzono testem pęcznienia indukowanego forskoliną. Model wiernie odwzorowywał zatem fenotyp mukowiscydozy u pacjentów z mutacją nonsensowną.

Analiza transkryptomiczna na poziomie pojedynczych komórek

Badacze zastosowali sekwencjonowanie RNA pojedynczych komórek (scRNA-seq), co umożliwiło identyfikację 11 klastrów komórkowych, w tym komórek kubkowych, rzęskowych, neuroendokrynnych oraz jonocytów. Największe różnice między organoidami zdrowymi a chorymi obserwowano w komórkach kubkowych, które wykazywały nasilony profil prozapalny. Stwierdzono istotną aktywację szlaków TGF-β, TNF-α oraz EGF, związanych z przewlekłym stanem zapalnym i włóknieniem. Analizy dynamiki transkryptomicznej (RNA velocity) wykazały, że komórki kubkowe w miarę progresji choroby przechodzą od fazy odpowiedzi stresowej (autofagia, sygnalizacja relaksyny) do fazy utrwalonego zapalenia i włóknienia, z dominacją sygnałów TNF-α i TGF-β.

Interakcje międzykomórkowe i rola komórek kubkowych

Analizy z użyciem narzędzia CellChat ujawniły zaburzenia komunikacji między komórkami. Komórki podstawne wydzielały czynniki EGF, które oddziaływały na komórki kubkowe, stymulując ich patologiczne programy transkrypcyjne. Z kolei komórki kubkowe były głównym źródłem TGF-β, wpływającym na jonocyty. Utworzona w ten sposób oś sygnalizacyjna EGF → komórki kubkowe → TGF-β → jonocyty utrwalała środowisko prozapalne i prozwłóknieniowe w modelu mukowiscydozy.

Poszukiwanie potencjalnych terapii

Zespół wykorzystał dwie platformy obliczeniowe – ASGARD oraz scRANK – służące do repurposingu leków na podstawie sygnatur transkryptomicznych. W analizach wskazano kilka kandydatów o potencjale terapeutycznym: losartan, nintedanib oraz N-acetylocysteinę. Szczególnie obiecujący okazał się losartan, który selektywnie hamował aktywację szlaków TNF-α i TGF-β w komórkach kubkowych. W literaturze istnieją już dowody, że lek ten – poza klasycznym działaniem jako antagonista receptora angiotensyny II – poprawia funkcję kanałów jonowych i może synergizować z modulatorami CFTR.

Znaczenie wyników i ograniczenia

Badanie dowodzi, że iPSC-wyprowadzone organoidy dróg oddechowych są unikatowym narzędziem do modelowania rzadkich mutacji CFTR. Umożliwiają one badanie patogenezy na poziomie pojedynczej komórki, a także testowanie potencjalnych terapii. Autorzy podkreślają jednak ograniczenia – brak włączenia elementów układu immunologicznego i naczyń krwionośnych ogranicza pełną translację wyników. Przyszłe prace mogą uwzględniać integrację organoidów z modelami organ-on-a-chip czy kokultury z komórkami odpornościowymi.

Podsumowanie

Publikacja zespołu z Tajwanu dostarcza ważnych danych o patogenezie mukowiscydozy z mutacjami nonsensownymi. Wyniki wskazują na centralną rolę komórek kubkowych i zaburzonych szlaków sygnalizacyjnych TGF-β i TNF-α w rozwoju przewlekłego zapalenia i włóknienia. Identyfikacja losartanu, nintedanibu i N-acetylocysteiny jako potencjalnych leków otwiera drogę do nowych strategii terapeutycznych w grupie pacjentów, którzy dotychczas pozostawali bez skutecznych opcji leczenia.

Źródło: Biomedicine & Pharmacotherapy, Multimodal single-cell transcriptomics with patient-specific iPSC-derived airway organoids as a drug screening approach for cystic fibrosis with nonsense mutations
DOI: https://doi.org/10.1016/j.biopha.2025.118476