Differentiation of thyroid cells to parathyroid cells in coculture environment

Abstract

Paratiroid (Pt), kalsiyum ve fosfor homeostazını düzenleyen parathormonun (PTH) salgılanmasından sorumlu olan tek organdır. Vücuttaki birçok temel fizyolojik reaksiyon, bu homeostazın korunmasına bağlıdır. Serum kalsiyumundaki dengesizlik birçok metabolik soruna neden olur. Hipoparatiroidizm, serumda düşük PTH, düşük kalsiyum ve yüksek fosfat düzeyleri ile karakterize bir rahatsızlıktır. Hipoparatiroidizmde klasik tedavi kalsiyum ve D vitamini desteği ile sağlanır. Rekombinant insan PTH preparatları da kullanılabilir ancak maliyeti yüksek olduğu için çoğunlukla tercih edilmez. En etkili ve kalıcı tedavi seçeneği, paratiroid allo-transplantasyonudur (Pt allo-tx). Pt allo-tx'nda en büyük sorun uygun donör bulmak ve immun red cevabıdır. Bu sorunların aşılması için çeşitli doku mühendisliği çalışmaları yapılmaktadır ancak sorun halen tamamen çözülememiştir. Bu çalışmada embriyolojik kökeni paratiroidle aynı olan tiroid dokusunda yer alan kök hücrelerden kokültür ortamında paratiroid organoidi geliştirilmesi amaçlanmıştır. Dönüştürücü faktörler olarak Activin A ve sonic hedgehog (Shh) proteinleri kullanılmıştır. On dört günlük inkübasyondan sonra farklılaşma, qPCR kullanılarak gen ekspresyon profil analizi, biyokimyasal olarak PTH salgı ölçümü ve immunohistokimyasal analiz değerlendirmesi ile yapılmıştır. Oluşturulan kokültür organoidlerin gerçekte ölçülen PTH salım değerleri, beklenen PTH salım değerlerinden daha yüksek olarak ölçülmüş ve PTH salımında 2. gün ile 14. gün arasında istatistiksel olarak anlamlı artışlar gözlenmiştir. qPCR analiziyle, oluşturulan kokültür organoidlerin paratiroide özgü PTH ve CaSR gen ifadeleri incelenmiş ve tüm kokültür gruplarında PTH (4.0 ile 8.8 kat arasında) ve CaSR (1.2 ile 28.2 kat arasında) gen ifadelerinde artış gözlemlenmiştir. Tiroid dokusunda yer alan kök hücrelerin kokültür ortamında başarılı bir şekilde paratiroid benzeri hücrelere farklılaştırılması, aynı embriyolojik kökene sahip hücrelerin etkileşimi, eksosom gibi mikroçevresel faktörlere dayandırılabilir. Sonuçlarımız allojen Pt nakli yapılması halinde donör bulma sorunuyla birlikte immun red sorunun çözülebilmesi açısından ümit vericidir.

Parathyroid (Pt) is the only organ responsible for the secretion and release of parathormone (PTH), which regulates calcium and phosphorus homeostasis. Many essential physiological reactions in the body depend on the maintenance of this homeostasis. Imbalance in serum calcium causes many metabolic problems. Hypoparathyroidism is a condition characterized by low serum PTH, low calcium and high phosphate levels. The classical treatment of hypoparathyroidism consists of calcium and vitamin D supplementation. Recombinant human PTH preparations can also be used, but they are mostly not preferred because of their high cost. The most effective and permanent treatment option is parathyroid allo-transplantation (Pt allo-tx). The biggest problem in Pt allo-tx is finding a suitable donor and immune rejection. Various tissue engineering studies are carried out to overcome these problems, but still the problem has not been solved completely. In this study, it was aimed to create Pt organoid from stem cells of thyroid tissue, which has the same embryological origin as the parathyroid, in a coculture (COC) environment. Activin A and sonic hedgehog (Shh) were used as differentiation factors. After 14 days of incubation, differentiation was evaluated by gene expression profile analysis, biochemical PTH secretion measurement, and immunohistochemical (IHC) assessment. The actual measured PTH release values of the formed COC organoids were higher than the expected PTH release values, and statistically significant increases in PTH release were observed between day 2 and day 14. By qPCR analysis, Pt specific PTH and CaSR gene expressions of the COC organoids were examined and increase in PTH (between 4.0 and 8.8 fold) and CaSR (between 1.2 and 28.2 fold) gene expressions were observed in all COC groups. Successful differentiation of thyroid stem cells into Pt-like cells in coculture can be speculated to microenvironmental factors such as interaction of cells of the same embryological origin, exosomes, etc. Our results are promising in terms of solving the immune rejection problem together with the donor limitation in case of allogenous parathyroid transplantation.