Regenerative Hepatologie
Ludovic Vallier
Unser Labor nutzt die einzigartigen Eigenschaften menschlicher induzierter pluripotenter Stammzellen und Organoide, um die Biologie und Organogenese der Leber zu erforschen. Dieses Grundlagenwissen wollen wir in die klinische Anwendung überführen, indem wir Krankheitsmechanismen aufklären und daraus neue regenerative Therapien entwickeln.
Forschungsschwerpunkte
Die Leber enthält Reserven an Eisen, Vitaminen und Mineralien, entgiftet Alkohol, Drogen und andere Chemikalien und produziert Albumin, das häufigste Protein im Blutplasma, sowie Blutgerinnungsfaktoren. Außerdem hat die Leber eine wesentliche Stoffwechselfunktion, indem sie Glykogen und Lipide speichert.
Krankheiten, die diese Funktionen beeinträchtigen, sind lebensbedrohlich. Chronische Lebererkrankungen erfordern eine lebenslange Behandlung, schränken die Lebensqualität erheblich ein, und schreiten unter Umständen fort zum hepatozellulären Karzinom, einer Krebsart mit sehr schlechter Prognose. Obwohl das therapeutische Arsenal in den letzten Jahrzehnten erweitert wurde, sind die Behandlungsmöglichkeiten für akutes Leberversagen und chronische Lebererkrankungen im Endstadium nach wie vor begrenzt.
Das übergreifende Ziel unserer Forschung ist es, die grundlegenden Mechanismen zu verstehen, die die menschliche Entwicklung und die Leberbiologie steuern, um neue Therapien gegen Lebererkrankungen zu entwickeln. Zu diesem Zweck kombinieren wir In-vitro-Plattformen auf der Grundlage induzierter pluripotenter Stammzellen (hIPSCs) und Organoiden mit Patientendaten und Tiermodellen.
hIPSCs und Organoide können von fast allen Patienten gewonnen und unbegrenzt in großen Mengen vermehrt werden, was Untersuchungen ermöglicht, die sonst unmöglich wären. Von besonderem Interesse sind unsere Experimente zum Funktionsgewinn und -verlust durch CRISPR/Cas9-Genom-Editierung, gefolgt von Phänotypisierungsanalysen, bei denen wir die modernsten Technologien für Einzelzelltranskriptomik und Epigenomik nutzen. Anschließend validieren wir die in vitro gewonnenen Daten anhand von Patientenproben und Tiermodellen für Krankheiten.
Dieser Ansatz ermöglicht es uns, detaillierte molekulare Mechanismen zu untersuchen und die Möglichkeiten klinischer Anwendungen, einschließlich der Entwicklung von Medikamenten und der regenerativen Medizin, auszuloten.
Akkordeon
Ausgewählte Publikationen
Brevini T, Maes M, Webb GJ, Fuchs CD, Buescher G, Wang L, Griffiths C, Brown M, Scott W, Pereyra-Gerber P, Gelson WTH, Brown S, Dillon S, Muraro D, Sharp J, Neary M, Box H, Tatham L, Stewart J, Curley P, Pertinez H, Forrest S, Mlcochova P, Varankar SS, Darvish-Damavandi M, Mulcahy VL, Kuc RE, Williams TL, Heslop JA, Rossetti D, Galanakis V, Vila-Gonzalez M, Tysoe OC, Crozier TWM, Bargehr J, Sinha S, Upponi SS, Fear C, Swift L, Saeb-Parsy K, Davies SE, Clements D, Humphreys P, Herriott J, Kijak E, Cox H, Bramwell C, Valentijn A, Illingworth CJR, UK-PBC research consortium, Marjot T, Barnes E, Moon AM, Barritt AS, Gupta RK, Baker S, Davenport AP, Corbett G, Buczacki SJA, Lee JH, Matheson NJ, Trauner M, Fisher AJ, Gibbs P, Butler AJ, Watson CJE, Mells GF, Dougan G, Owen A, Lohse AW, Vallier L* and Sampaziotis F*. FXR inhibition reduces ACE2 expression, SARS-CoV-2 infection and may improve COVID-19 outcome. Nature in press. *joint authorship.
Wesley B, Ross A, Muraro D, Miao Z, Saxton S, Tomaz R, Morell C, Ridley K, Zacharis E, Petrus-Reurer S, Kraiczy J, Mahbubani K, Brown S, Garcia-Bernardo J, Alsinet C, Gaffney D, Tysoe O, Botting RA, Stephenson E, Popescu DM, MacParland S, Bader GA, Ortmann D, Sampaziotis F, Saeb-Parsy K, Haniffa M, Stevens K, Zilbauer M, Teichmann S, Vallier L (2022). Single-cell atlas of human liver development reveals pathways directing hepatic cell fates. Nature Cell Biology. 2022 Oct;24(10):1487-1498. doi: 10.1038/s41556-022-00989-7. PMID: 36109670
Bertero A, Brown S, Madrigal P, Osnato A, Ortmann D, Yiangou L, Kadiwala J, Hubner NC, de Los Mozos IR, Sadée C, Lenaerts AS, Nakanoh S, Grandy R, Farnell E, Ule J, Stunnenberg HG, Mendjan S, Vallier L (2018). The SMAD2/3 interactome reveals that TGFβ controls m6A mRNA methylation in pluripotency. Nature. 2018 Mar 8;555(7695):256-259. doi: 10.1038/nature25784.
Sampaziotis F, Justin AW, Tysoe OC, Sawiak S, Godfrey EM, Upponi SS, Gieseck RL 3rd, de Brito MC, Berntsen NL, Gómez-Vázquez MJ, Ortmann D, Yiangou L, Ross A, Bargehr J, Bertero A, Zonneveld MCF, Pedersen MT, Pawlowski M, Valestrand L, Madrigal P, Georgakopoulos N, Pirmadjid N, Skeldon GM, Casey J, Shu W, Materek PM, Snijders KE, Brown SE, Rimland CA, Simonic I, Davies SE, Jensen KB, Zilbauer M, Gelson WTH, Alexander GJ, Sinha S, Hannan NRF, Wynn TA, Karlsen TH, Melum E, Markaki AE, Saeb-Parsy K*, Vallier L*. (2017). Reconstruction of the mouse extrahepatic biliary tree using primary human extrahepatic cholangiocyte organoids. Nature Medicine. 2017 Jul 3. doi: 10.1038/nm.4360. PMID: 28671689. *joint authorship
Sampaziotis F, Cardoso de Brito M, Madrigal P, Bertero A, Saeb-Parsy K, Soares FAC, Schrumpf E, Melum E, Karlsen TH, Bradley JA, Gelson WTH, Davies S, Baker A, Kaser A, Alexander GJ, Hannan NRF* and Vallier L* (2015). Human Induced Pluripotent Stem Cell derived cholangiocytes for disease modeling and drug validation. Nature Biotechnology. Aug;33(8):845-52. doi: 10.1038/nbt.3275. *joint authorship
Yusa K*, Rashid ST*, Strick-Marchand H, Varela I, Liu PQ, Paschon DE, Miranda E, Ordóñez A, Hannan N, Rouhani FJ, Darche S, Alexander G, Marciniak SJ, Fusaki N, Hasegawa M, Holmes MC, Di Santo JP, Lomas DA*, Bradley A* and Vallier L* (2011). Targeted gene correction of α1-antitrypsin deficiency in induced pluripotent stem cells. Nature. 2011 Oct 12;478(7369):391-4. doi: 10.1038/nature10424. *joint authorship.
Forschungsprojekte
Organentwicklung der Leber.
Die aufeinanderfolgenden Differenzierungsschritte, die die Entstehung der Leber während der Entwicklung gewährleisten, wurden in Tiermodellen eingehend untersucht. Aus dem daraus resultierenden Wissen wurden Protokolle entwickelt, mit denen menschliche induzierte pluripotente Stammzellen (hiPSCs) in eine Vielzahl von Leberzelltypen differenziert werden können. Voll funktionsfähige Zellen mithilfe dieses Ansatzes herzustellen, insbesondere Hepatozyten, war jedoch eine Herausforderung. Dies ist zum Teil darauf zurückzuführen, dass die Mechanismen, die die Organreifung beim Menschen steuern, noch nicht vollständig verstanden sind. Unser Ziel ist es, diese Wissenslücke für die Organogenese der Leber zu schließen. Zu diesem Zweck kombinieren wir hiPSCs, primäre Hepatoblastenorganoide (Abbildung 1), Gain- und Loss-of-Function-Ansätze und Einzelzellanalysen, mit denen wir die menschliche Leberentwicklung in vitro untersuchen. Besonders interessieren wir uns dabei für (i) die molekularen Mechanismen, die die Spezifizierung von Hepatozyten und Cholangiozyten steuern, und (ii) die Faktoren, die die funktionelle Reifung dieser Zelltypen steuern.
Endogene Regeneration
Die Leber besitzt die bemerkenswerte Fähigkeit, sich nach einer akuten Verletzung vollständig zu regenerieren. Man nimmt an, dass diese Eigenschaft hauptsächlich durch die Proliferation von Hepatozyten gesteuert wird. Die Regeneration bei chronischen Verletzungen scheint jedoch, insbesondere beim Menschen, komplexer zu sein. Studien an Tiermodellen haben gezeigt, dass drei Mechanismen ablaufen könnten: (i) Aktivierung von Leberstammzellen, (ii) Dedifferenzierung/Redifferenzierung erwachsener Leberzellen und (iii) zelluläre Plastizität zwischen Cholangiozyten und Hepatozyten. Dass diese Mechanismen jedoch auch beim Menschen während des Fortschreitens einer chronischen Lebererkrankung existieren ist noch nicht bewiesen. Unser Ziel ist es, den Regenerationsprozess zu modellieren, der während der Progression der nichtalkoholischen Fettlebererkrankung (NALFD) zum Leberversagen auftritt, indem wir aus hIPSCs gewonnene Hepatozyten und Cholangiozyten-Organoide verwenden. Wir sind besonders daran interessiert, die molekularen Mechanismen zu verstehen, die die zelluläre Plastizität kontrollieren und wie diese Mechanismen mit dem Entwicklungsprogramm zusammenhängen.
Lebererkrankung
Die am schnellsten ansteigende Ursache für Leberzirrhose ist die nichtalkoholische Fettlebererkrankung (NAFLD), die aller Wahrscheinlichkeit nach in Kürze die häufigste Indikation für eine Lebertransplantation sein wird. Die NAFLD hängt mit Fettleibigkeit und deren Folgeerscheinungen zusammen, einschließlich Diabetes mellitus Typ 2 und der damit verbundenen Insulinresistenz. Folglich führt die sich ausbreitende Adipositas-Epidemie zu einem raschen Anstieg der Fälle von NAFLD, von der vermutlich 20-40 % der Bevölkerung betroffen sein werden. Bei der NASH (nicht-alkoholische Fettleber) häufen sich toxische Lipide in den Hepatozyten an, dem wichtigsten Zelltyp der Leber. Dies führt zu einer Reihe von Reaktionen, einschließlich oxidativem Stress, mitochondrialer Dysfunktion und Stress des endoplasmatischen Retikulums. Schließlich mündet das Geschehen im Zelltod, was zu einer entzündungsfördernden Reaktion, Fibrose und schließlich zur Zirrhose führt. Die Entwicklung neuer Therapien, mit denen die Lipotoxizität behandelt werden könnte, ist derzeit schwierig. Denn es fehlen physiologisch relevante In-vitro-Modelle, mit denen NASH untersucht und potenzielle Angriffspunkte für Medikamente untersucht werden könnten. Infolgedessen gibt es bisher keine langfristig wirksamen Behandlungen für diese Erkrankung. Unser Ziel ist es, die Vorteile von hIPSCs und Organoiden zu nutzen, um NAFLD/NASH in vitro zu modellieren und Zielstrukturen für die Arzneimittelentwicklung zu validieren.
Zellbasierte Therapie.
Die Zelltherapie mit Hepatozyten wurde als Alternative zur Organtransplantation vorgeschlagen, die nach wie vor die erste Wahl bei der Behandlung von Lebererkrankungen im Endstadium ist. Allerdings sind diesem Ansatz Grenzen gesetzt, da es schwierig ist, erwachsene primäre Hepatozyten in vitro zu züchten. Aus diesem Grund haben wir Protokolle zur Herstellung von Hepatozyten und anderen Leberzellen aus humanen induzierten pluripotenten Stammzellen (hiPSCs) entwickelt. hiPSCs lassen sich leicht durch direkte Reprogrammierung von Haut- oder Blutzellen von fast allen Spendern gewinnen. Diese Zellen können in vitro unbegrenzt vermehrt werden und behalten dabei ihre Fähigkeit, sich in jeden Zelltyp zu differenzieren. Somit stellen hiPSCs eine einzigartige Quelle für die Produktion von Zellen für die zellbasierte Therapie dar. Dementsprechend nutzen wir hiPSCs, um eine selbstorganisierende biotechnologisch hergestellte Leber zu entwickeln, die wichtige Leberzelltypen enthält und die komplexe Architektur des natürlichen Organs nachahmt. Unsere Vision ist es, dass diese künstlichen Organe die Leber des Wirts bei chronischen Erkrankungen langfristig unterstützen.
TEAM | Berlin BIH
Team AG Vallier
TEAM | MPI MG
TEAM | MPI MG
- Irene Talon | Postdoc
TEAM | Cambridge
TEAM | Cambridge
- Carola Morell | Postdoc
- Christopher Gribben | Postdoc
- Charlotte Grey-Wilson | PhD Student
- Fabian Bachinger | PhD Student
- Floris Roos | Postdoc
- Iona Thelwall | PhD Student
- Laetitia Pinte | PhD Student
- Marta Vila Gonzalez | Postdoc
- Sabitri Ghimire | Postdoc
- Vasileios Galanakis | PhD Student
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