 |
Extracellular matrix in enteric nervous system development and stem cell transplantation for neurointestinal diseases
|
Help 
Print 
|
Here you can view and search the projects funded by NKFI since 2004
Back »
|
| |
Details of project |
|
|
| Identifier |
124740 |
| Type |
K |
| Principal investigator |
Nagy, Nándor |
| Title in Hungarian |
Extracelluláris mátrix funkciója a fejlődő bélidegrendszerben és a neurointestinalis betegségek őssejtes kezelésében |
| Title in English |
Extracellular matrix in enteric nervous system development and stem cell transplantation for neurointestinal diseases |
| Keywords in Hungarian |
bélidegrendszer, extracelluláris mátrix, embryo, őssejt, sejtvándorlás |
| Keywords in English |
enteric nervous system, extracellular matrix, embryo, stem cell, migration |
| Discipline |
| Developmental neurobiology (Council of Medical and Biological Sciences) | 45 % | | Ortelius classification: Animal embryology | | Molecular and cellular neuroscience (Council of Medical and Biological Sciences) | 45 % | | Stem cell biology (Council of Medical and Biological Sciences) | 10 % |
|
| Panel |
Cellular and Developmental Biology |
| Department or equivalent |
Department of Anatomy, Histology and Embryology (Semmelweis University) |
| Participants |
Bódi, Ildikó
Dóra, Dávid
Minkó, Krisztina
Szászné dr. Kocsis, Katalin
|
| Starting date |
2017-10-01 |
| Closing date |
2021-09-30 |
| Funding (in million HUF) |
30.728 |
| FTE (full time equivalent) |
12.00 |
| state |
closed project |
Summary in Hungarian A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára
Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára.
A bélidegrendszer (ENS) neuronokból és gliasejtekből álló kiterjedt hálózat, amely kritikus fontossággal bír a bélmotilitás regulációjában. A funkcionális gasztrointesztinális rendellenességek széles spektruma tartozik az ENS-t érintő rendellenességek közé. Ide soroljuk a Hirschsprung kórt (HSCR) is, aminek hátterében az dúcléc eredetű őssejtek bélben történő migrációjának zavar áll, s ami változó hosszúságú disztális intesztinális aganglionózishoz vezet. A HSCR jelenlegi kezelése az aganglionotikus vastagbél sebészi eltávolításából áll, azonban sok gyermek szenved utólag konstipációtól és enterocolitistől. Az elmúlt évtizedben végzett őssejtkutatások felvetik annak a lehetőségét, hogy a bél-eredetű neurális őssejteket (ENSCs) HSCR-ban szenvedő betegek kezelésére alkalmazzák, s ebben a törekvésben mi is aktívan részt veszünk. Miközben az ENSC-eket sikeresen izoláltuk rágcsáló és humán posztnatális bélből, másokhoz hasonlóan mi is rendszeresen megfigyeltük, hogy az ENSC-ek in vivo recipiens vastagbélbe juttatva minimális migrációt mutatnak. Előzetes tanulmányaink alapján feltételezzük, hogy a felnőtt bélben megváltozott extracelluláris környezet korlátozza a transzplantált ENSC-ek vándorlását és ez a folyamat negatívan befolyásolja a funkcionális neuronhálózat kialakulását.
Pályázatunk célkitűze: (1) azonosítani az embryonális bél, valamint a fejlődő dúcléc sejtek által expresszált exracelluláris mátrix (ECM) összetételét, forrását. (2) in vitro, ex vivo és in vivo körülmények között meghatározni, hogy az ECM fehérjék miként hatnak a posztnatális bélből izolált ENSC-ek migrációjára, proliferációjára és a differenciációjára.
Mi a kutatás alapkérdése?
Ebben a részben írja le röviden, hogy mi a kutatás segítségével megválaszolni kívánt probléma, mi a kutatás kiinduló hipotézise, milyen kérdéseket válaszolnak meg a kísérletek.
Az őssejtterápia az enterális neuropátiák, köztük a HSCR kezelésének egy újszerű megközelítését teszi lehetővé. Annak ellenére, hogy a bél-eredetű neurális őssejteket (ENSC) rágcsáló és humán gastrointestinalis traktusból rutinszerűen izolálni és szaporítani tudjuk, a sejt-transzplantációs erőfeszítések nem eredményezték differenciált neuronok és gliasejtek jelentős méretű és működőképes hálózatát. A sikeres őssejt-transzplantáció egyik korlátozó tényezője, hogy ellentétben az embryonális béllel, a postnatális környezet a beültetett ENSC sejtekre negatív hatással van, kevésbé segíti elő az enterális neurogenezist. Korábbi kutatások kiemelten az őssejtek szerepére helyezték a hangsúlyt és elhanyagolták a fogadó szövet extracelluláris mikrokörnyezetének (ECM) szerepét.
Előzetes kutatásainkra alapozva feltételezzük, hogy a megengedő (permisszív) és a korlátozó ECM fehérjék helyes egyensúlya meghatározó szereppel bír az ENS fejlődésben, és ezeknek a fehérjéknek az aránya befolyásolja őssejtterápia sikerességét. Pályázatunk kiemelt célja, hogy jellemezzük a bél-eredetű dúcléc sejtek, illetve a posztnatális eredetű ENSC sejtek és az ECM kölcsönhatását, majd a megszerzett információk alkalmazásával farmakológiai stratégiát dolgozzunk ki arra, hogy az ENSC-k transzplantációjakor fokozzuk a sejtek migrációját és proliferációját. A tervezett kutatások sikeres kivitelezésével jobban megérthetjük azt a mikrokörnyezetet, amely elősegíti az ENSC sejtek túlélését, migrációját és differenciációját, és ezzel a tudással olyan új terápiát fejleszthetünk ki, amellyel hatékony ENSC transzplantáció érhető el.
Mi a kutatás jelentősége?
Röviden írja le, milyen új perspektívát nyitnak az alapkutatásban az elért eredmények, milyen társadalmi hasznosíthatóságnak teremtik meg a tudományos alapját. Mutassa be, hogy a megpályázott kutatási területen lévő hazai és a nemzetközi versenytársaihoz képest melyek az egyediségei és erősségei a pályázatának!
Azok a veleszületett és szerzett betegségek, amelyekben zavart szenved a bélidegrendszer (ENS) fejlődése vagy működése, a bélidegrendszer neuronjainak hiányához vagy diszfunkciójához vezetnek, és végső soron gastrointestinalis működési rendellenességeket okoznak. Ilyen rendellenességek a Hirschsprung kór (HSCR), intestinalis pseudo-obstructio, esophagealis achalasia, gastroparesis, vagy az idiopátiás constipatio egyes esetei.
Pályázatunk kihasználja az ENS embryonális fejlődéséről szerzett tudásunkat ahhoz, hogy az embryonális mikrokörnyezetet modellezve felnőtt bélben elősegítsük a transzplantált neurális őssejtek túlélését, proliferációját, migrációját és differenciációját. Munkánk során meghatározzuk azokat a vastagbélben található ECM-hez köthető faktorokat, amelyek az ENS kialakulását szabályozzák, majd erre alapozva olyan új terápiás módszereket fogunk kidolgozni, ahol a mikrokörnyezeti faktorokat módosítva növelni lehet a felnőtt bélbe történő ENSC transzplantáció sikerét. A bélben található vándorló dúcléc ősssejtek transzkripciós kódjának meghatározása előfeltétele annak, hogy teljesen megértsük a sejtvándorlás-ECM kölcsönhatását az ENS fejlődésében és neurointestinalis betegségekben. Úgy gondoljuk, hogy a bél extracelluláris mikrokörnyezet optimalizálásával megnövelhetjük a transzplantált ENSCs sejtek neurogén és glia-irányú fejlődését, és ez közelebb visz majd bennünket ahhoz, hogy klinikai vizsgálatokat indíthassunk a neurointestinális betegségek őssejtterápiájával való kezeléséhez.
Jelen pályázat vezető kutatója Prof. Allan Goldsteinnel (Harvard Medical School, USA) kollaborációban az elmúlt évtizedben azt kutatta, hogyan befolyásolják a környezeti szignálok, többek között a növekedési faktorok és ECM fehérjék az embryonális ENS fejlődését. Közép-Kelet Európában ezen a tudományterületen nem dolgozik másik laboratórium, de számos nemzetközi laboratórium ilyen irányú viszgálatokat szerte a világban: Dr. P. de Santa-Barbara (Franciaország), Prof. R. Kapur (USA), Prof. H. Young (Ausztrália), Prof. S. Dufour (Franciaország), Prof. N. Pilon (Kanada), és Dr. A. Burns (UK).
A kutatás összefoglalója, célkitűzései laikusok számára
Ebben a fejezetben írja le a kutatás fő célkitűzéseit alapműveltséggel rendelkező laikusok számára. Ez az összefoglaló a döntéshozók, a média, illetve az érdeklődők tájékoztatása szempontjából különösen fontos az NKFI Hivatal számára.
A bélidegrendszer (ENS) vagy, ahogy az utóbbi időben nevezik “hasi agy”, a gasztrointesztinális (GI) traktus falában található neuronokból és gliasejtekből álló hálózat, mely kritikus fontossággal bír a bélműködés szabályozásban. A funkcionális GI rendellenességek jelentős része az ENS fejlődési hibájából származik. Ide soroljuk a Hirschsprung kórt is, aminek hátterében a dúcléc eredetű őssejtek embryonális bélben történő migrációjának zavara áll és ez változó hosszúságú disztális intesztinális aganglionózishoz vezet. Annak ellenére, hogy a legújabb tanulmányok a bélműködés helyreállításának őssejtterápiás megvalósíthatóságát vizsgálják, a jelenlegi kezelések egyelőre az idegszövet-hiányos vastagbélszakasz sebészi eltávolítására korlátozódnak.
Habár a bél-eredetű neurális őssejtek (ENSC) felnőtt bélből kinyerhetők és tenyészthetők, mégis a működő ENS helyreállítására tett sejt-transzplantációs erőfeszítések eddig sikertelennek bizonyultak. Feltételezzük, hogy a születés utáni szöveti környezet negatívan befolyásolja transzplantált idegi őssejtekből (ENSC) induló regenerációt. A felnőtt szövetek célzott átprogramozása, hogy az befogadóbb legyen a donor őssejtekre nézve, javíthatja a neurointesztinális betegségekben tervezett őssejt-terápia sikerességét. Pályázatunk célja: 1) meghatározni a normál és aganglionotikus bél extracelluláris mátrix (ECM) összetételét; 2) módosítani az ECM-al összefüggő komponenseket és meghatározni, hogyan befolyásolják a transzplantált ENSC-k vándorlását és osztódását. Eredményeink jelentős mértékben elősegíthetik a humán GI rendellenességek hatékony őssejt-transzplantációját.
| Summary Summary of the research and its aims for experts
Describe the major aims of the research for experts.
The enteric nervous system (ENS) is an extensive network of neurons and glial cells within the gut wall that is critically important in regulating gut motility and other fundamental aspects of gut function. Abnormalities of the ENS include a wide spectrum of functional gastrointestinal disorders, including Hirschsprung disease (HSCR), which is caused by the failure of enteric neural crest-derived cells to complete their migration along the intestine, leaving variable lengths of distal intestine aganglionic. Current treatment involves surgical resection of the aganglionic colon, but many children suffer from constipation and enterocolitis. Stem cell research over the past decade has raised the prospect of using enteric neuronal stem/progenitor cells (ENSCs) to treat children with HSCR, and we are actively engaged in these efforts. While we have successfully isolated ENSCs from rodent and human postnatal intestine, we and others have consistently observed minimal migration of these cells from the site of their implantation into recipient colon in vivo. Based on our prior and preliminary studies we hypothesize that altered expression of extracellular matrix (ECM) in the adult gut restricts its permissiveness to ENSC migration following transplantation and affects the formation of a functional neuronal network.
We here propose the following specific aims: (1) to identify the ECM-associated factors expressed by the embryonic gut and developing enteric neural crest cells and (2) to determine how ECM proteins affect the migration, proliferation, and differentiation both ex vivo and in vivo of ENSCs isolated from the postnatal intestine.
What is the major research question?
Describe here briefly the problem to be solved by the research, the starting hypothesis, and the questions addressed by the experiments.
Stem cell therapy offers an innovative approach for the treatment of enteric neuropathies, including HSCR. Gut-derived enteric neural stem/progenitor cells (ENSCs) have been isolated from the GI tracts of rodents and humans, but despite the ability to isolate and expand multipotent ENSCs, the outcome of cell transplantation efforts have not resulted in a sizable and meaningful network of differentiated neurons and glia. As a result, to date, most in vivo transplantation efforts have been unsuccessful in restoring gut function. One major limitation is that ENSCs are negatively impacted by the postnatal environment, which, unlike the embryonic intestine, is much less supportive of enteric neurogenesis. Most prior work has focused on the cell autonomous role of the ENSCs and largely ignored the role of the ECM. Based on our prior studies, we hypothesize that the proper balance of permissive and non-permissive ECM proteins is critical during ENS development and that modulating the levels of these proteins in the postnatal environment can enhance the success of cell replacement therapy. The broad objective of this proposal is to characterize both embryonic enteric neural crest cell-ECM and postnatal ENSC-ECM interactions and to leverage this knowledge to develop pharmacological strategies to enhance cell migration and proliferation following ENSC transplantation into the postnatal gut. Successful completion of the proposed studies will augment our understanding of the embryologic milieu that favors survival, migration, and differentiation of ENCCs and to use this knowledge to develop innovative therapies to enhance the success of ENSC transplantation into the postnatal gut.
What is the significance of the research?
Describe the new perspectives opened by the results achieved, including the scientific basics of potential societal applications. Please describe the unique strengths of your proposal in comparison to your domestic and international competitors in the given field.
Congenital and acquired diseases that interrupt enteric nervous system (ENS) development or function can lead to loss of enteric neurons or result in neuronal dysfunction, ultimately causing functional gastrointestinal (GI) disorders, including Hirschsprung disease (HSCR), intestinal pseudo-obstruction, esophageal achalasia, gastroparesis, or some cases of idiopathic constipation. Our proposal leverages our knowledge of ENS development in order to simulate the embryonic microenvironment and thereby enhance the survival, proliferation, migration, and differentiation of transplanted enteric neuronal precursors. We will identify the ECM-related factors in the colon that regulate the formation of the ENS and use this knowledge to develop innovative therapies to modify these factors as potential microenvironmental adjuncts to enhance the success of ENSC transplantation into the postnatal gut. Deciphering the transcriptional code of migrating enteric neural crest cells (ENSC) is a pre-requisite to fully understand and address their role in ENS development and neurointestinal diseases. Successful completion of the proposed studies will significantly enhance our understanding of the embryologic milieu that favors survival, migration, and differentiation of enteric neural crest cells. We believe that by optimizing the environmental milieu, we can maximize the neurogenic and gliogenic potential of transplanted ENSCs and this will move us closer to initiating the first clinical trials of stem cell-based therapy for treating neurointestinal diseases. The PI of this grant proposal in collaboration with Prof. Allan Goldstein (Harvard Medical School, USA) has dedicated over a decade to studying how environmental signals, including growth factors, signaling molecules and ECM proteins control ENS development during embryogenesis. No other laboratory in Central-Eastern Europe is in this research field, while there are several international labs which work on this topic: Dr. P. de Santa-Barbara (France), Prof. H. Young (Australia), Prof. S. Dufour (France), Prof. N. Pilon (Canada), and Dr. A. Burns (UK).
Summary and aims of the research for the public
Describe here the major aims of the research for an audience with average background information. This summary is especially important for NRDI Office in order to inform decision-makers, media, and others.
The enteric nervous system (ENS), or the “gut-brain” is a network of neurons and glial cells within the wall of the gastrointestinal tract that is critically important in regulating motility and other fundamental aspects of gut function. Abnormalities of the ENS include a broad spectrum of functional intestinal disorders, including Hirschsprung disease (HSCR), which is caused by the failure of neural crest-derived cells to complete their migration along the intestine, leaving variable lengths of distal intestine aganglionic. Current treatment involves surgical resection of the aganglionic colon, although recent studies are testing the feasibility of transplanting ENS stem cells as a novel treatment aimed at replace the missing nerve cells and restoring gut function. While it is clear that enteric neuronal stem/progenitor cells (ENSCs) can be recovered and expanded from adult intestine, the cell transplantation efforts have been unsuccessful in rebuilding a functional ENS. We hypothesize that the potential of ENSCs as a cell therapy is negatively influenced by the postnatal environment into which the cells are placed. Reprogramming the postnatal environment to make it more receptive to donor stem cells could enhance the success of cell replacement therapy for neurointestinal diseases. The goal of this project is to characterize the extracellular matrix (ECM) profile of the normal and aganglionic gut and to modify ECM-related components and determine how these impact ENSC engraftment, migration, and proliferation. These experiments will significantly advance this area of investigation and bring us closer to human application of this novel cell transplantation treatment.
|
|
|
|
|
|
|
|
| |
List of publications |
|
|
| Nagy N, Kovács T, Stavely R, Halasy V, Soós A, Szőcs E, Hotta R, Graham H, Goldstein AM.: Avian ceca are indispensable for hindgut enteric nervous system development, Development ;dev.199825. doi: 10.1242/dev.199825. Online ahead of print., 2021 | | co-first authors (Delalande JM, Nagy N), McCann C, Natarajan D, Julie E. Cooper, Carreno G, Campbell A, Laurent N, Thomas S, Alby C, Dóra D, Attié-Bitach T, Lyonnet S, Logan MP, Goldstein AM, Davey MG, Hofstra RMW, Thapar N and Burns AJ.: Talpid3 regulates multiple aspects of neuromuscular patterning during gastrointes, Frontiers in Molecular Neuroscience, 2021 | | Cheng LS, Hotta R, Graham KH, Belkind-Gerson J, Nagy N, Goldstein AM: Postnatal human enteric neuronal progenitors can migrate, differentiate, and proliferate in embryonic and postnatal aganglionic gut environments, PEDIATRIC RESEARCH 81: 838-846, 2017 | | Zhang, Dongcheng ; Rollo, Benjamin N. ; Nagy, Nandor ; Stamp, Lincon ; Newgreen, Donald F.: The enteric neural crest progressively loses capacity to form enteric nervous system, DEVELOPMENTAL BIOLOGY 446 : 1 pp. 34-42., 2019 | | Nagy N, Kovacs T, Hotta R, Goldstein AM: Essential role of the avian ceca for formation of the hindgut enteric nervous system, https://www.sdbonline.org/uploads/files/SDB78thAnnualMeeting-AbstractBook.pdf, 2019 | | Nándor Nagy, Jean-Marie Delalande, Alan Burns.: Talpid3 regulates multiple aspects of neuromuscular patterning during gastrointestinal development in animal models and human, Hungarian Molecular Life Sciences 2019, Eger, Hungary, 2019 March 29-31, 2019 | | Nagy Nándor: A bélidegrendszer eredetű szöveti őssejtek izolálása, karakterizálása és transzplantációja., 49. Membrán-transzport konferencia, Sümeg, 2019 május 14-17., 2019 | | Kovács Tamás, Viktória Halasy, Dávid Dóra, Lili Orbán, Nándor Nagy.: The role of BMP signaling and the embryonic ceca in the enteric nervous system development., FAME 2019 konferencia. Budapest. 2019.06.05 -08., 2019 | | Dóra Dávid, Kovács Tamás, Nagy Nándor: The role of intestinal macrophages and the enteric nervous system in gut neuroimmunology. Basic science and clinical implications], ORVOSI HETILAP 161: (19) pp. 771-779., 2020 | | Jia Xinkai, Gábris Fanni, Jacobsen Óli, Bedics Gábor, Botz Bálint, Helyes Zsuzsanna, Kellermayer Zoltán, Vojkovics Dóra, Berta Gergely, Nagy Nándor, Jakus Zoltán, Balogh Péter: Foliate Lymphoid Aggregates as Novel Forms of Serous Lymphocyte Entry Sites of Peritoneal B Cells and High-Grade B Cell Lymphomas, JOURNAL OF IMMUNOLOGY 204: (1) pp. 23-36., 2020 | | Nagy Nandor, Busalt Florian, Halasy Viktoria, Kohn Marina, Schmieder Stefan, Fejszak Nora, Kaspers Bernd, Haertle Sonja: In and Out of the Bursa-The Role of CXCR4 in Chicken B Cell Development, FRONTIERS IN IMMUNOLOGY 11: 1468, 2020 | | Nandor Nagy, Richard A. Guyer, Ryo Hotta, Dongcheng Zhang, Donald F. Newgreen, Viktoria Halasy, Tamas Kovacs, Allan M. Goldstein: RET overactivation leads to concurrent Hirschsprung disease and intestinal ganglioneuromas, DEVELOPMENT 147: (21) dev190900, 2020 | | Dora, D., Ferenczi, S., Stavely, R., Toth, V. E., Varga, Z. V., Kovacs, T., Bodi, I., Hotta, R., Kovacs, K. J., Goldstein, A. M., & Nagy, N.: Evidence of a Myenteric Plexus Barrier and Its Macrophage-Dependent Degradation During Murine Colitis: Implications in Enteric Neuroinflammation., Cellular and molecular gastroenterology and hepatology, 12(5), 1617–1641., 2021 | | Brooks, E. C., Bonatto Paese, C. L., Carroll, A. H., Struve, J. N., Nagy, N., & Brugmann, S. A.: Mutation in the Ciliary Protein C2CD3 Reveals Organ-Specific Mechanisms of Hedgehog Signal Transduction in Avian Embryos., Journal of developmental biology, 9(2), 12., 2021 | | Stavely, R., Bhave, S., Ho, W., Ahmed, M., Pan, W., Rahman, A. A., Ulloa, J., Bousquet, N., Omer, M., Guyer, R., Nagy, N., Goldstein, A. M., & Hotta, R.: Enteric mesenchymal cells support the growth of postnatal enteric neural stem cells., Stem Cells, 39(9), 1236–1252., 2021 | | Cheng LS, Hotta R, Graham KH, Belkind-Gerson J, Nagy N, Goldstein AM: Postnatal human enteric neuronal progenitors can migrate, differentiate, and proliferate in embryonic and postnatal aganglionic gut environments, PEDIATR RES 2017: In press, 2017 | | Graham HK, Maina I, Goldstein AM, Nagy N: Intestinal smooth muscle is required for patterning the enteric nervous system, J ANAT 2017: doi: 10.1111/joa.12583, 2017 | | Dora D, Arciero E, Hotta R, Barad C, Bhave S, Kovacs T, Balic A, Goldstein AM, Nagy N.: Intraganglionic macrophages: a new population of cells in the enteric ganglia., J Anat. 2018 Oct;233(4):401-410., 2018 | | Nagy N, Barad C, Hotta R, Bhave S, Arciero E, Dora D, Goldstein AM.: Collagen 18 and agrin are secreted by neural crest cells to remodel their microenvironment and regulate their migration during enteric nervous system development., Development. 2018 May 8;145(9)., 2018 | | Nagy N, Marsiano N, Bruckner RS, Scharl M, Gutnick MJ, Yagel S, Arciero E, Goldstein AM, Shpigel NY.: Xenotransplantation of human intestine into mouse abdomen or subcutaneous tissue: Novel platforms for the study of the human enteric nervous system., Neurogastroenterol Motil. 2018 Mar;30(3)., 2018 | | Kugler S, Nagy N, Rácz G, Tőkés AM, Dorogi B, Nemeskéri Á.: Presence of cardiomyocytes exhibiting Purkinje-type morphology and prominent connexin45 immunoreactivity in the myocardial sleeves of cardiac veins., Heart Rhythm. 2018 Feb;15(2):258-264. doi: 10.1016/j.hrthm.2017.09.044., 2018 | | Dora D, Arciero E, Hotta R, Barad C, Bhave S, Kovacs T, Balic A, Goldstein AM, Nagy N.: Intraganglionic macrophages: a new population of cells in the enteric ganglia., J Anat. 2018 Oct;233(4):401-410., 2018 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
