Управління диференціюванням стволових клітин
Стовбурові клітини унікальні тим, що вони мають вибір: продовжувати розвиток шляхом самооновлення чи диференціюватися в спеціалізовані клітини будь-якої тканини. Відомо, що вибір шляхів розвитку стовбурової клітини визначається унікальними сигналами, що містяться в її мікрооточенні. Потенціал використання стовбурових клітин у регенеративній медицині залежить від можливості збереження властивостей цих клітинin vitroдо їхньої трансплантації в організм реципієнта.
Оскільки мезенхімні стовбурові клітини «відчують» фізичні властивості матриксу, існує механізм передачі сигналу від матриксу всередину клітини. Головними «підозрюваними» на пост зв'язкового виявилися актинові структури, що утворюють фокальні контакти (Beningo et al., 2001; Tamada et al., 2004). Під фокальними контактами розуміють макромолекулярні динамічні комплекси, що включають до 100 різних білків, з яких передаються регуляторні сигнали від позаклітинного матриксу до клітини. Складні мембранні молекули, такі як гепарансульфатні протеоглікани (heparan sulfate proteoglycans – HSPGs), беруть участь у передачі просторової інформації від мікрооточення до клітини, викликаючи залежно від сигналу адгезію або міграцію. Клітини отримують сигнал до міграції або фокальної адгезії шляхом взаємодії мембранних клітинних рецепторів (наприклад, інтегринів) з білками позаклітинного матриксу (через гепарансульфатні бічні ланцюги протеогліканів) з одного боку, і білками цитоскелета (за допомогою цитоплазматичних доменів гепарансульф al., 2001; Bishop et al., 2007). Таким чином, «прийняття» клітиною доленосних рішень залежить від поєднання сигналів, що надходять від зв'язування з гепарансульфатними протеогліканами, та механізмів адгезії,опосередкованих інтегринами (Bishop et al., 2007).
Значення гепарансульфатних протеогліканів в ембріогенезі та фізіології ссавців добре освітлено в декількох оглядах (Bishop et al., 2007; Bulow and Hobert, 2006; Hacker et al., 2005; Haltiwanger and Lowe, 2004). Гепарансульфатні бічні ланцюги можуть пов'язувати не тільки ростові фактори, цитокіни та хемокіни, але й морфогени – сигнальні молекули, що безпосередньо впливають на формування тканин та локалізацію спеціалізованих клітин усередині тканини (такі як сигнальні білки Wnt та Shh; Dhoot et al., 2001), позаклітинного матриксу (Perrimon and Bernfield, 2000), а також комплекси протеаз та інших ферментів (Cool and Nurcombe, 2006; Nurcombe and Cool, 2007). Таким чином, гепарансульфати беруть участь в управлінні формуванням тканини в ембріогенезі та її репарацією за допомогою точного регулювання молекулярних взаємодій, що включають передачі сигналів від позаклітинного матриксу. За це гепарансульфатні протеоглікани називають каталізаторами молекулярних взаємодій (catalysts of molecular encounter) (Lander, 1998).
Відомо, що такі відмінні властивості стовбурових клітин, як самооновлення і плюрипотентність, також ґрунтуються на створюваному ними мікрооточенні. Нещодавно було продемонстровано, що самооновлення та плюрипотентність людських ембріональних стовбурових клітин (ЧЕСК) можна підтримувати за допомогою аутологічних похідних ЧЕСК - клітин, подібних до людських ембріональних фібробластів (hES fibroblast-like cells, hdFs). Бендел С. К. (Bendall et al., 2007) передбачає, що зростання і диференціювання чЕС клітин регулюється паракриновими факторами (в основному інсулін-подібним фактором росту, IGF-II), що вивільняються клітинами hdFs, які спонтаннодиференціюються з ческа, формуючи їх мікрооточення (регуляторну нішу). Незважаючи на те, що концепція регуляторних ніш не нова, у цьому дослідженні вперше було показано формування аутологічного мікрооточення ческа після їх вилучення з бластоцисти.
Перед застосуванням результатів досліджень, проведенихin vitro, у репаративній терапії, необхідно оцінити виживання стовбурових клітин у реципієнтному організмі та реакцію на них імунної системи господаря. При трансплантації людських стовбурових мезенхімних клітин під шкіру мишам з індукованим імунодефіцитом виявилося, що основна частина трансплантованих клітин гине протягом шести тижнів (Luong-Van et al., 2007). Цей експеримент наголошує на необхідності контролю реакції реципієнтного організму на трансплантацію. Можливо, більш результативним було б використання гомогенної популяції стовбурових клітин, наприклад, з амніотичної рідини (Kolambkar et al., 2007), або клітин, що пройшли селекцію поверхневими маркерами (Rider et al., 2007). Мезенхімні стовбурові клітини, виділені з кісткового мозку, являють собою гетерогенну клітинну популяцію. За допомогою селекції з альфа-1-інтегрину (CD49a) ізолювали однорідну групу мезенхімних стовбурових клітин, які мали найкращу виживаність і найбільший диференціювальний потенціал (Rider et al., 2007). Одним з підходів, що дозволяє уникнути низької виживаності пересаджених клітин, є трансплантація безклітинної біоактивної конструкції, що містить молекули, що стимулюють диференціювання аутологічних стовбурових клітин реципієнтного організму, таких як гепарансульфат (Kumarasuriyar et al., 2000 al., 2000; Nur. , 2007) або хондроїтинсульфат (Hui et al., 2007). Гепарансульфат, вміщений у складіфібринового гідрогелю в місце пошкодження кістки в моделі на щурах, значно покращував загоєння кісток і володів остеогенним ефектом (Woodruff et al. 2007). Експеримент продемонстрував просту альтернативу аутологічному пересадженню кісток та терапії за допомогою ростових факторів. Внутрішньосуглобові ін'єкції гідрогелю з хондроїтинсульфатом у пошкоджені колінні суглоби кроликів показали швидке відновлення суглобової тканини та високу біосумісність гідрогелю з тканинами організму (Hui et al., 2007). Додавання хондроїтинсульфату в культуру хондроцитів (клітин хрящової тканини)in vitroстимулювало проліферацію клітин.
Результати останніх робіт вселяють оптимізм щодо використання знань про вплив мікрооточення стовбурових клітин на їх подальшу долю. Новий механістичний погляд, швидше за все, дозволить вирішити проблеми, що виникають на шляху впровадження стовбурових клітин у регенеративну медицину.
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 і FGF є cooperatively established regulatory stem cell niche of pluripotent human cells in vitro. Nature 448(7157): 1015-21. 2. Beningo KA, Dembo M, Kaverina I, Small JV, Wang YL (2001). Насцент focal adhesions є відповідальними для створення сильних спонукальних сил в міграційних фібробластів. J Cell Biol 153 (4): 881-8. 3. Bishop JR, Schuksz M, Esko JD (2007). Heparan sulphate proteoglycans fine-tune mammalian physiology. Nature 446(7139): 1030-7. 4. Bulow HE, Hobert O (2006). Молекулярна diversity glucosaminoglycans shapes animal development. Annu Rev Cell Dev Biol 22: 375-407. 5. Cool SM, Nurcombe V (2006). Heparan sulfate regulation of progenitor cell fate. J CellBiochem 99(4): 1040-51. 6. Couchman JR, Chen L, Woods A (2001). Синдекани та клітинна адгезія. Int Rev Cytol 207: 113-50. 7. Dhoot GK, Gustafsson MK, Ai X, Sun W, Standiford DM, Emerson CP Jr (2001). Регуляція передачі сигналів Wnt і формування патерну ембріона позаклітинною сульфатазою. Наука 293(5535): 1663-6. 8. Енглер AJ, Sen S, Sweeney HL, Discher DE (2006). Еластичність матриці керує визначенням походження стовбурових клітин. Cell 126(4): 677-89. 9. Фукс Е, Тумбар Т, Гуаш Г (2004). Спілкування з сусідами: стовбурові клітини та їхня ніша. Клітинка 116(6): 769-78. 10. Хакер U, Nybakken K, Perrimon N (2005). Протеоглікани гепарансульфату: солодка сторона розробки. Nat Rev Mol Cell Biol 6(7): 530-41. 11. Haltiwanger RS, Lowe JB (2004). Роль глікозилювання в розвитку. Annu Rev Biochem 73: 491-537. 12. Hui JH, Chan SW, Li J, Goh JC, Li L, Ren XF, Lee EH (2007). Внутрішньосуглобове введення хондроїтинсульфату для лікування дефектів суглобів у моделі кролика. J Mol Histol (у пресі). 13. Коламбкар Ю.М., Пейстер А., Сокер С., Атала А., Гульдберг Р.Е. (2007). Хондрогенна диференціація стовбурових клітин амніотичної рідини. J Mol Histol. doi:10.1007/s10735-007-9118-1378. 14. Kumarasuriyar A, Dombrowski C, Rider DA, Nurcombe V, Cool SM (2007). Нове використання TAT-EGFP для перевірки методів зміни експресії глікозаміноглікану на клітинній поверхні остеосаркоми. J Mol Histol. doi:10.1007/s10735-007-9136-z. 15. Ландер А. Д. (1998). Протеоглікани: основні регулятори молекулярної зустрічі? Matrix Biol 17(7): 465-72. 16. Luong-Van E, Grondahl L, Song Song, Nurcombe V, Cool S (2007). Оцінка in vivo нового скелета, що містить гепарансульфат, для тканинної інженерії з мезенхімальними стовбуровими клітинами людини. J Mol Histol (у пресі). 17. Nurcombe V, Cool SM (2007).Гепарансульфат контролює проліферацію та диференціацію в ніші стовбурових клітин. Crit Rev Eukaryot Gene Expr 17(2): 159-71. 18. Nurcombe V, Goh FJ, Haupt LM, Murali S, Cool SM (2007). Тимчасові та функціональні зміни експресії глікозаміноглікану під час остеогенезу. J Mol Histol. doi:10.1007/s10735-007-9123-4. 19. Перрімон Н., Бернфілд М. (2000). Особливості протеогліканів гепарансульфату в процесах розвитку. Nature 404(6779): 725-8. 20. Rider DA, Nalathamby T, Nurcombe V, Cool SM (2007). Відбір за допомогою інтегрину альфа-1 (CD49a) посилює мультипотенційність популяції мезенхімальних стовбурових клітин із гетерогенних стромальних клітин кісткового мозку. J Mol Histol. doi:10.1007/s10735-007-9128-z. 21. Тамада М., Шітц М.П., Савада Ю. (2004). Активація сигнального каскаду шляхом розтягування цитоскелету. Dev Cell 7(5): 709-18. 22. Watt FM, Hogan BL (2000). Out of Eden: стовбурові клітини та їх ніші. Наука 287(5457): 1427-30. 23. Вудрафф М.А., Рат С.Н., Сусанто Н., Гаупт Л., Хатмахер Д.В., Нуркомб В., Кул С.М. (2007). Тривале вивільнення та остеогенний потенціал скелетів фібринового клею, легованого гепарансульфатом, у моделі черепа щура. J Mol Histol. doi:10.1007/s10735-007-9137-y.