Управление на диференциацията на стволовите клетки
Стволовите клетки са уникални с това, че имат избор: да продължат развитието си по пътя на самообновяването или да се диференцират в специализирани клетки от някаква тъкан. Известно е, че изборът на пътя на развитие на стволовата клетка се определя от уникалните сигнали, съдържащи се в нейната микросреда. Потенциалът за използване на стволови клетки в регенеративната медицина зависи от способността да се запазят свойствата на тези клеткиin vitroдокато бъдат трансплантирани в тялото на реципиента.
Тъй като мезенхимните стволови клетки "усещат" физическите свойства на матрицата, има някакъв механизъм за предаване на сигнал от матрицата в клетката. Актиновите структури, които образуват фокални контакти, се оказаха главните „заподозрени“ за пост-конектора (Beningo et al., 2001; Tamada et al., 2004). Фокалните контакти се разбират като макромолекулни динамични комплекси, включващи до 100 различни протеини, чрез които се предават регулаторни сигнали от извънклетъчния матрикс към клетката. Сложни мембранни молекули, като хепаран сулфат протеогликани (HSPG), участват в преноса на пространствена информация от микросредата към клетката, причинявайки, в зависимост от сигнала, адхезия или миграция. Клетките се сигнализират за миграция или фокална адхезия чрез взаимодействието на мембранни клетъчни рецептори (напр. интегрини) с извънклетъчни матрични протеини (чрез хепаран сулфатните странични вериги на протеогликаните), от една страна, и цитоскелетните протеини (чрез цитоплазмените домени на хепаран сулфат протеогликаните), от друга страна (Couchman et al., 2001; Bishop et др., 2 007). По този начин „вземането“ на съдбоносни решения от клетката зависи от конюгирането на сигнали, идващи от свързването с хепаран сулфат протеогликани и адхезионни механизми,медииран от интегрини (Bishop et al., 2007).
Значението на протеогликаните на хепаран сулфат в ембриогенезата и физиологията на бозайниците е добре обхванато в няколко рецензии (Bishop et al., 2007; Bulow and Hobert, 2006; Hacker et al., 2005; Haltiwanger and Lowe, 2004). Страничните вериги на хепаран сулфат могат да свързват не само растежни фактори, цитокини и хемокини, но и морфогени, сигнални молекули, които директно влияят на образуването на тъкани и локализирането на специализирани клетки в тъканите (като Wnt и Shh сигнализиращи протеини; Dhoot et al., 2001), гликопротеини на екстрацелуларния матрикс (Perrimon и Bernfield, 2000), както и комплекси от протеи ses и други ензими (Cool и Nurcombe, 2006; Nurcombe и Cool, 2007). По този начин хепаран сулфатите участват в контрола на образуването на тъкани в ембриогенезата и нейното възстановяване чрез фино регулиране на молекулярните взаимодействия, включително сигнализиране от извънклетъчния матрикс. За тази цел хепарансулфатните протеогликани се наричат „катализатори на молекулярна среща“ (Lander, 1998).
Известно е, че такива отличителни свойства на стволовите клетки като самообновяване и плурипотентност също се основават на микросредата, която създават. Наскоро беше демонстрирано, че самообновяването и плурипотентността на човешки ембрионални стволови клетки (hESCs) могат да се поддържат с помощта на автоложни производни на hESCs, hES фибробластоподобни клетки (hESCs) (hESCs) (Bendall et al., 2007). Bendall S.K. (Bendall et al., 2007) предполага, че растежът и диференциацията на hES клетки се регулира от паракринни фактори (главно инсулиноподобен растежен фактор, IGF-II), освободен от hdFs клетки, които спонтанносе диференцират от hESCs, образувайки тяхната микросреда (регулаторна ниша). Въпреки че концепцията за регулаторни ниши не е нова, това изследване е първото, което показва образуването на автоложна микросреда на hESCs след екстракцията им от бластоциста.
Преди да се използват резултатите отin vitroпроучвания в репаративната терапия, е необходимо да се оцени оцеляването на стволовите клетки в организма реципиент и отговорът на имунната система на гостоприемника към тях. Когато човешки мезенхимни стволови клетки бяха трансплантирани под кожата на мишки с индуциран имунен дефицит, беше установено, че по-голямата част от трансплантираните клетки умират в рамките на шест седмици (Luong-Van et al., 2007). Този експеримент подчертава необходимостта от контрол на реакцията на реципиентния организъм към трансплантацията. Може би би било по-ефективно да се използва хомогенна популация от стволови клетки, например от амниотична течност (Kolambkar et al., 2007) или клетки, избрани за повърхностни маркери (Rider et al., 2007). Мезенхимните стволови клетки, изолирани от костния мозък, представляват хетерогенна клетъчна популация. Използвайки селекция за алфа-1 интегрин (CD49a), беше изолирана хомогенна група от мезенхимни стволови клетки, които имаха най-добро оцеляване и най-висок потенциал за диференциация (Rider et al., 2007). Един подход за избягване на лошото оцеляване на трансплантираните клетки е трансплантацията на безклетъчна биоактивна конструкция, съдържаща молекули, които стимулират диференциацията на автоложни стволови клетки на реципиентния организъм, като хепаран сулфат (Kumarasuriyar et al., 2007; Nurcombe et al., 2007; Woodruff et al., 2007) или хондроитин сулфат (Hu i et al., 2007). Хепаран сулфат, поставен в съставафибриновият хидрогел на мястото на нараняване на костта при модел на плъх значително подобрява заздравяването на костите и има остеогенен ефект (Woodruff et al. 2007). Експериментът демонстрира проста алтернатива на автоложното костно присаждане и терапията с растежен фактор. Вътреставните инжекции на хидрогел с хондроитин сулфат в увредени коленни стави на зайци показват бързо възстановяване на ставната тъкан и висока биосъвместимост на хидрогела с телесните тъкани (Hui et al., 2007). Добавянето на хондроитин сулфат към култура от хондроцити (хрущялни клетки)in vitroстимулира клетъчна пролиферация.
Резултатите от скорошна работа вдъхват оптимизъм по отношение на използването на знанията за влиянието на микросредата на стволовите клетки върху бъдещата им съдба. Новият механистичен възглед вероятно ще реши проблемите, които възникват при въвеждането на стволови клетки в регенеративната медицина.
1. Bendall SC, Stewart MH, Menendez P, George D, Vijayaragavan K, Werbowetski-Ogilvie T, Ramos-Mejia V, Rouleau A, Yang J, Bosse M, Lajoie G, Bhatia M (2007). IGF и FGF съвместно установяват регулаторната ниша на стволови клетки на плурипотентни човешки клетки in vitro. Nature 448 (7157): 1015-21. 2. Beningo KA, Dembo M, Kaverina I, Small JV, Wang YL (2001). Зараждащите се фокални адхезии са отговорни за генерирането на силни пропулсивни сили в мигриращите фибробласти. J Cell Biol 153(4): 881-8. 3. Bishop JR, Schuksz M, Esko JD (2007). Хепаран сулфат протеогликаните прецизират физиологията на бозайниците. Nature 446(7139): 1030-7. 4. Bulow HE, Hobert O (2006). Молекулярното разнообразие на гликозаминогликаните оформя развитието на животните. Annu Rev Cell Dev Biol 22: 375-407. 5. Cool SM, Nurcombe V (2006). Хепаран сулфат регулира съдбата на прогениторните клетки. J клеткаBiochem 99(4): 1040-51. 6. Couchman JR, Chen L, Woods A (2001). Синдекани и клетъчна адхезия. Int Rev Cytol 207: 113-50. 7. Dhoot GK, Gustafsson MK, Ai X, Sun W, Standiford DM, Emerson CP Jr (2001). Регулиране на Wnt сигнализиране и моделиране на ембриони от извънклетъчна сулфатаза. Наука 293 (5535): 1663-6. 8. Engler AJ, Sen S, Sweeney HL, Discher DE (2006). Еластичността на матрицата насочва спецификацията на линията на стволовите клетки. Клетка 126(4): 677-89. 9. Fuchs E, Tumbar T, Guasch G (2004). Социализация със съседите: стволови клетки и тяхната ниша. Клетка 116(6): 769-78. 10. Хакер U, Nybakken K, Perrimon N (2005). Хепаран сулфат протеогликани: сладката страна на развитието. Nat Rev Mol Cell Biol 6(7): 530-41. 11. Haltiwanger RS, Lowe JB (2004). Роля на гликозилирането в развитието. Annu Rev Biochem 73: 491-537. 12. Hui JH, Chan SW, Li J, Goh JC, Li L, Ren XF, Lee EH (2007). Вътреставно доставяне на хондроитин сулфат за лечение на ставни дефекти в модел на заек. J Mol Histol (в печат). 13. Kolambkar YM, Peister A, Soker S, Atala A, Guldberg RE (2007). Хондрогенна диференциация на стволови клетки, получени от амниотична течност. J Mol Histol. doi:10.1007/s10735-007-9118-1378. 14. Kumarasuriyar A, Dombrowski C, Rider DA, Nurcombe V, Cool SM (2007). Нова употреба на TAT-EGFP за валидиране на техники за промяна на експресията на гликозаминогликан на клетъчната повърхност на остеосаркома. J Mol Histol. doi:10.1007/s10735-007-9136-z. 15. Ландер АД (1998). Протеогликани: главни регулатори на молекулярната среща? Matrix Biol 17(7): 465-72. 16. Luong-Van E, Grondahl L, Song S, Nurcombe V, Cool S (2007). Оценката in vivo на ново скеле, съдържащо хепаран сулфат за тъканно инженерство с човешки мезенхимни стволови клетки. J Mol Histol (в печат). 17. Nurcombe V, Cool SM (2007).Хепаран сулфат контролира пролиферацията и диференциацията в нишата на стволовите клетки. Crit Rev Eukaryot Gene Expr 17(2): 159-71. 18. Nurcombe V, Goh FJ, Haupt LM, Murali S, Cool SM (2007). Времеви и функционални промени в експресията на гликозаминогликан по време на остеогенезата. J Mol Histol. doi:10.1007/s10735-007-9123-4. 19. Perrimon N, Bernfield M (2000). Специфики на хепаран сулфат протеогликаните в процесите на развитие. Nature 404 (6779): 725-8. 20. Rider DA, Nalathamby T, Nurcombe V, Cool SM (2007). Селекцията с помощта на алфа-1 интегрин (CD49a) повишава мултипотенциалността на популацията от мезенхимни стволови клетки от хетерогенни стромални клетки на костен мозък. J Mol Histol. doi:10.1007/s10735-007-9128-z. 21. Tamada M, Sheetz MP, Sawada Y (2004). Активиране на сигнална каскада чрез разтягане на цитоскелета. Dev Cell 7(5): 709-18. 22. Watt FM, Hogan BL (2000). Out of Eden: стволови клетки и техните ниши. Наука 287 (5457): 1427-30. 23. Woodruff MA, Rath SN, Susanto N, Haupt L, Hutmacher DW, Nurcombe V, Cool SM (2007). Продължително освобождаване и остеогенен потенциал на фибриново лепило, легирано с хепаран сулфат, в черепен модел на плъх. J Mol Histol. doi:10.1007/s10735-007-9137-y.