Dynamic formation of microvillus inclusions during enterocyte differentiation in Munc18-2 deficient intestinal organoids

Cellular and Molecular Gastroenterology and Hepatology - in press
https://www.cmghjournal.org/inpress

- English -Microvillus inclusion disease (MVID) is a congenital disorder that impairs nutrient absorption by the intestinal epithelial brush border. This has fatal consequences in newborn kids and there are only limited therapy options. Defective vesicular trafficking has been identified as the underlying cellular mechanism, but there is a lack of cellular models that can recapitulate this pathology. For example, intracellular microvillus inclusions (MVIs), the hallmark of this disorder, have been very rarely observed in vitro, and how these structures form remains a subject of debate. In an international collaboration Mosa and colleagues have now taken advantage of the 3D intestinal organoid model to study MVID. Human mutations in the MUNC18-2/STXBP2 protein cause various degrees of MVID. Using mouse mutant organoids it could now be demonstrated that the intestinal cell differentiation is a key factor for this variability. MVIs could be induced in vitro in a synchronous and highly efficiently manner, which has not been achieved in previous cellular models. By time-lapse microscopy the process of MVIs formation could be visualized for the first time. This revealed that MVIs can form in the cytoplasm or by plasma membrane invagination. The described assays and protocols could improve diagnosis of MVID using patient-derived organoids and might offer a platform to test therapeutic interventions.

- Deutsch -
Microvillus Inclusion Disease (MVID) ist eine angeborene Krankheit, welche die Nährstoffaufnahme über den Bürstensaum des Darms (sog. Microvilli) beeinträchtigt. Dies hat fatale Auswirkungen für Neugeborene und es bestehen nur begrenzte Therapiemöglichkeiten. Als zugrundeliegender Mechanismus wurde ein defekter zellulärer Transport von Vesikeln identifiziert. Aber es besteht ein Mangel an geeigneten zellulären Modellen um die zugrunde liegenden Ursachen zu untersuchen. Zum Beispiel können die intrazellulären Mikrovillus-Einschlüsse (sog. Microvillus Inclusions), das Kennzeichen dieser Krankheit, in Zellkultur nur selten beobachtet werden. In einer internationalen Kollaboration haben Mohammed Mosa und seine Kollegen nun das 3D-Darmorganoid-Kulturmodell zur Untersuchung von MVID genutzt. Humane Mutationen im MUNC18-2/STXBP2-Protein verursachen verschiedene Grade von MVID. In Maus-Organoiden konnte nun gezeigt werden, dass die Differenzierung der Darmzellen ein Schlüsselfaktor für diese Variabilität darstellt. In Organoiden gelang es MVIs in synchroner und effizienter Weise zu bilden, was in früheren zellulären Modellen nicht möglich war. Mit Hilfe von Video-Mikroskopie konnte der Prozess der MVI-Bildung zum ersten Mal in Echtzeit visualisiert werden. Dies zeigte einen unerwarteten Mechanismus MVIs Bildung im Zytoplasma oder durch Einschluss von Plasmamembranen. Die beschriebenen Protokolle und Modelle könnten die Diagnose von MVID verbessern und eine Plattform darstellen um therapeutische Interventionen patientenspezifisch zu testen.

Mohammed H. Mosa1,2,3, Ophélie Nicolle4,§, Sophia Maschalidi5,6,§, Fernando E. Sepulveda5,6, Aurelien Bidaud-Meynard4, Constantin Menche2, Birgitta E. Michels1,2,3,7 , Grégoire Michaux4*, Geneviève de Saint Basile5,6,8,#,* and Henner F. Farin1,2,3,#,*

1German Cancer Consortium (DKTK), Germany; 2Georg-Speyer-Haus, Institute for Tumor Biology and Experimental Therapy, Frankfurt am Main, Germany; 3German Cancer Research Center (DKFZ), Heidelberg, Germany; 4University Rennes, CNRS, IGDR UMR6290, Rennes, France; 5INSERM UMR1163, Laboratory of Normal and Pathological Homeostasis of the Immune system, Paris, France; 6Paris Descartes University-Sorbonne Paris Cité, Imagine Institute, Paris, France; 7Faculty of Biological Sciences, Goethe University Frankfurt, Germany.?8Centre d’Etudes des Déficites Immunitaires, Assistance Publique-Hôpitaux de Paris, France; § Equal contribution; #Last authors

*Corresponding Authors: Grégoire Michaux: gregoire.michaux@univ-rennes1.fr; Geneviève de Saint Basile: genevieve.de-saint-basile@inserm.fr; or Henner F. Farin: farin@gsh.uni-frankfurt.de

Wie Krebszellen Winterschlaf halten

Bundesweites Schwerpunktprogramm erforscht Entstehung von Knochenmetastasen

In den kommenden sechs Jahren arbeiten Wissenschaftler aus ganz Deutschland eng zusammen, um Knochenmetastasen nach einer vorherigen Brust- oder Prostatakrebserkrankung frühzeitig zu erkennen und deren Entstehung zu verhindern. Insgesamt 7,8 Millionen Euro stehen für das von der Universitätsmedizin Dresden aus koordinierte, bundesweite DFG-Schwerpunktrogramm 2084 „μBONE – Kolonisierung und Interaktionen von Tumorzellen innerhalb der Knochenmikroumgebung“ in den kommenden 3 Jahren zur Verfügung. Das Georg-Speyer-Haus ist mit einem Projekt unter der Leitung von Dr. Hind Medyouf und Dr. Lisa Sevenich beteiligt.

Jede achte Frau sowie jeder achte Mann erkrankt im Laufe des Lebens an Brust- beziehungsweise Prostatakrebs. Diese beiden Karzinome sind bei den beiden Geschlechtern somit die am häufigsten auftretenden Krebsarten. „Es ist leider oft klinischer Alltag, dass wir Patientinnen mit Brustkrebs und Patienten mit Prostatakrebs sehen, deren Tumorerkrankung bereits vor mehreren Jahren besiegt schien, bei denen die Krankheit aber in Form von Knochenmetastasen zurückkehrt“, sagt Prof. Lorenz Hofbauer, Altersmediziner und Knochenspezialist am Universitätsklinikum Carl Gustav Carus Dresden und Koordinator des µBONE-Konsortiums. Die Folge sind Knochenbrüche, starke Schmerzen und eine Einschränkung der Lebensqualität. „Gerade das Mammakarzinom und das Prostatakarzinom neigen bei fortgeschrittener Erkrankung in bis zu 80 Prozent zur Ansiedlung in den Knochen.“ Die Krebszellen halten im menschlichen Körper im Knochenmark über Jahre eine Art „Winterschlaf“ und zerstören nach dem Erwachen den Knochen relativ rasch. Die Forscher wollen die Prozesse verstehen, die zu dieser Entwicklung führen.

„Die genauen Mechanismen und die einzelnen Entwicklungsschritte der Knochen- und Tumorzellen auf dem Weg zur klinisch erkennbaren Knochenmetastase sind unzureichend erforscht, stellen aber eine Grundvoraussetzung für eine frühzeitige Diagnose sowie eine verbesserte Prävention und Therapie dar“, sagt Dr. Hind Medyouf. Ziel ist es, die Entstehung von Knochenmetastasen besser zu verstehen.

Schwerpunktprogramm 2084 der Deutschen Forschungsgemeinschaft

Im Rahmen des Schwerpunktprogramms sollen Schlüsselmechanismen der Knochenbesiedlung durch Tumore und die nachgeschaltete Kommunikation zwischen den Zellen aufgeklärt werden. Dieses Wissen soll dazu dienen, bessere Strategien zur Behandlung von Knochenmetastasen zu entwickeln. Neben dem Georg-Speyer-Haus sind weitere renommierte Forschungseinrichtungen an dem Programm beteiligt. Darüber hinaus arbeiten die Frankfurter Wissenschaftler mit Kollegen aus Dresden, Hamburg, Heidelberg, Erlangen, Lübeck, Würzburg, Berlin, Regensburg, und Münster zusammen.

www.dfg.de/gefoerderte_projekte/programme_und_projekte/listen/

Kontakt für Journalisten
Universitätsklinikum Carl Gustav Carus der TU Dresden
Zentrum für Gesundes Altern
Prof. Dr. Lorenz Hofbauer
Tel.: 0351 458 3173
Email: theresa.reiche@uniklinikum-dresden.de
Web: http://www.bone-lab.de

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Dynamic formation of microvillus inclusions during enterocyte differentiation in Munc18-2 deficient intestinal organoids

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