Komórki macierzyste Rodzaje i w³a ciwo ci
advertisement
Nr 10/2007 KWAS FOLIOWY SK£ADNIK AKTYWNY KOSMETYKÓW Kaszel klasyfikacja i leczenie Komórki macierzyste Rodzaje i w³aciwoci Stem cells Types and properitis dr n. med. Aleksandra Mielczarek-Palacz student Robert Kubina dr hab. n. med. Zdzis³awa Kondera-Anasz, mgr Justyna Sikora Katedra i Zak³ad Immunologii i Serologii, l¹ski Uniwersytet Medyczny w Katowicach Kierownik Katedry i Zak³adu: dr hab. n. med. Zdzis³awa Kondera-Anasz Streszczenie Komórki macierzyste (Stem Cells – SC) są komórkami niezróżnicowanymi, posiadającymi zdolność do samoodnawiania, a także różnicowania w komórki potomne o wielorakich funkcjach. Istnieje wiele typów komórek macierzystych, które różnią się pomiędzy sobą zdolnościami proliferacji i kierunkiem różnicowania. Ze względu na zdolność do różnicowania komórki macierzyste dzieli się na: totipotencjalne, pluripotencjalne, multipotencjalne i unipotencjalne. Natomiast, ze względu na pochodzenie wyróżnia się: embrionalne komórki macierzyste, komórki macierzyste płynu owodniowego oraz somatyczne komórki macierzyste. Słowa kluczowe: komórki macierzyste Komórki macierzyste (ang. Stem Cells – SC) to komórki niezróżnicowane, posiadające zdolność samoodnawiania, a także różnicowania się. Wszystkie rodzaje komórek macierzystych cechuje: • klonogenność klonogenność, czyli zdolność pojedynczej komórki do utworzenia kolonii identycznych genetycznie komórek potomnych, • plastyczność, czyli zdolność ukierunkowanych tkankowo komórek macierzystych do odróżnicowania się w komórki macierzyste swoiste dla innych narządów [1]. Wyróżnia się wiele typów komórek macierzystych, różniących się aktywnością proliferacyjną oraz kierunkiem różnicowania. Ze względu na zdolność do różnicowania komórki macierzyste dzieli się na: • totipotencjalne totipotencjalne, czyli takie które mogą różnicować się do każdego typu komórek. Przykładem takiej komórki jest zygota, dająca początek zarówno komórkom zarodka jak i łożyska [2], • pluripotencjalne, dają początek komórkom macierzystym poszczególnych listków zarodkowych, natomiast komórki te nie mogą tworzyć Abstract Stem cells are undifferentiated cells, capable of self-renewal and differentiation into descent cells, which posses multiple functions. There exist many types of stem cells, which differ in proliferation abilities and dimension of differentiation. On account of the diversification abilities, stem cells may be divided into four kinds: totipotential, pluripotential, multipotential and unipotential. While, with regard to stem cell origin, embryonic stem cells, stem cells of amniotic liquid and adult stem cells may be distinguished. Key words words: stem cells łożyska. Przykładem są tu komórki węzła zarodkowego blastocysty [3], multipotencjalne, • czyli takie które mogą dać początek kilku różnym typom komórek, z reguły o podobnych właściwościach i pochodzeniu. Różnicowanie zachodzi tylko w obrębie jednego listka zarodkowego, • unipotencjalne, czyli inaczej prekursorowe, które mogą różnicować się tylko do jednego typu komórek. Od komórek somatycznych odróżnia je aktywność proliferacyjna. Proces różnicowania komórek macierzystych przedstawia r ycina 1. Rycina 1 Podział komórek macierzystych ze względu na zdolność do różnicowania [2] Farmaceutyczny Przegl¹d Naukowy % Komórki macierzyste Rodzaje i w³aciwoci Ze względu na pochodzenie wyróżnia się: omórki macierzyste, to komór• embrionalne kkomórki ki uzyskane z wnętrza blastocysty wykazujące właściwości toti- lub pluripotencjalne [4] • komórki macierzyste płynu owodniowego, to komórki multipotencjalne znajdujące się w płynie otaczającym płód. omórki macierzyste, to komór• somatyczne kkomórki ki znajdowane w ukształtowanych narządach. Komórki te mają właściwości multi- lub unipotentne. Embrionalne komórki macierzyste Ludzkie embrionalne komórki macierzyste (ang. human embryonic stem cells hESC) wyizolowano po Nr 10/2007 raz pierwszy w 1998 roku. Otrzymuje się je z wnętrza 5 dniowej blastocysty (ang. inner cell mass ICM) powstałej w drodze zapłodnienia in vitro lub z blastocysty otrzymanej z zarodkowych komórek płciowych (ryc. 2) [6]. Embrionalne komórki macierzyste są pluripotancjalne. Proces różnicowania tych komórek prowadzi do powstania trzech listków zarodkowych [5]. Komórki hESC są zdolne do różnicowania się w komórki takie jak: kardiomiocyty, progenitory hematopoetyczne, komórki pęcherzyka żółciowego, mięśnie szkieletowe, mięśnie gładkie, adipocyty, hepatocyty, chondrocyty, komórki śródbłonkowe, melanocyty, neurony, komórki gleju i komórki trzustkowe. Wykazano, że kierunek różnicowania większości ko- Tabela I. Czynniki wpływające na proces różnicowania komórek macierzystych [8] CZYNNIK WYNIK RÓŻNICOW ANIA RÓŻNICOWANIA Czynnik wzrostu nerwów NGF • ektoderma • endoderma • mezoderma Czynnik wzrostu hepatocytów HGF • ektoderma • endoderma • mezoderma Naskórkowy czynnik wzrostu EGF • ektoderma • mezoderma Zasadowy czynnik wzrostu fibroblastów bFGF • ektoderma • mezoderma Kwas retinowy RA • ektoderma • mezoderma Białko BMP-4 • ektoderma • mezoderma Czynnik martwicy nowotworów TGF->1 • mezoderma Aktywina A • mezoderma Kolagenaza typu IV • komórki nabłonkowe jelita • chrząstka • kości • mięśnie gładkie • mięśnie prążkowane Czynnik wzrostu fibroblastów FGF • komórki hematopoetyczne & Farmaceutyczny Przegl¹d Naukowy Nr 10/2007 Komórki macierzyste Rodzaje i w³aciwoci Rycina 2 Proces różnicowania zapłodnionej komórki jajowej[5] mórek embrionalnych zależy od obecności odpowied- Komórki macierzyste p³ynu owodniowego nich czynników wzrostu i różnicowania [7,8] (tabela I). Komórki macierzyste płynu owodniowego otaczaLudzkie komórki macierzyste hESC mają zdolność jącego płód są najnowszym odkryciem naukowców do nieograniczonej liczby symetrycznych podziałów bez w dziedzinie biologii komórki. Można je otrzymać przy różnicowania się. Zawierają pełen diploidalny zestaw okazji zabiegów amniopunkcji, w wyniku biopsji kochromosomów [8]. Wykazują wysoki stosunek jądro- smówki, a także podczas biposji łożyska po porodzie wo cytoplazmatyczny, mają dużą liczbę jąderek, a także Stanowią ok. 1% wszystkich komórek obecnych w pływysoki poziom aktywności telomerazy oraz prawidło- nie owodniowym. Posiadają antygen c-kit, będący rewy kariotyp [6]. Komórki hESC długo pozostają w fa- ceptorem dla czynników stymulujących komórki zie S cyklu komórkowego [5]. Wykazują aktywność macierzyste. Na swojej powierzchni wykazują także transkrypcyjną i translacyjną. Niestety komórki hESC ekspresję markerów charakterystycznych zarówno dla wykazują dużą zmienność genomu, co może prowa- embrionalnych jak i dorosłych komórek macierzystych. dzić do nieprzewidywalnego różnicowania. Uzyskane komórki są multipotencjalne, co oznacza, Podczas rozwoju embrionalnego zdolność komó- że nie mogą zmieniać się w komórki nowotworowe, rek zarodkowych do wielokierunkowego różnicowa- a jednocześnie zdolne są do przekształcania w wiele nia zanika. Ukierunkowane komórki macierzyste po- typów komórek. Komórki te rosną bardzo szybko i w wstałe w wyniku asymetrycznego podziału pluripo- warunkach optymalnych podwajają swą liczbę w ciątencjalnej komórki macierzystej, dają początek komórkom progenitorowym o ograniczonej zdolności różnicowania [9,10]. Proces różnicowania tkanek wywodzących się z poszczególnych listków zarodkowych przedstawia rycina 3. Markerami pomocnymi w rozpoznawaniu hESC są: fosfataza zasadowa, ECMA-7, SSEA-3, SSEA-4, Tra-1-60, Tra1-81, GCMT-2, TG 343, Tra 254 [6,11,12]. Komórki hESC wykazują także ekspresję cząsteczki CD9 (ang. cluster of differentation), a także antygenów klasy I głównego układu zgodności tkankowej (ang. major histocompatibility complex MHC-I) oraz specyficznych czynników transkrypcji zarodka: Oct-4, Sox-2, NaRycina 3 Różnicowanie poszczególnych listków zarodkowych w komórki somatyczne [5] nog, Rex-1 [13,14,15]. Farmaceutyczny Przegl¹d Naukowy ' Komórki macierzyste Rodzaje i w³aciwoci Nr 10/2007 gu 36 godzin. Przez okres potrzebny do 250 podziałów komórkowych zachowują prawidłową długość telomerów oraz prawidłowy kariotyp [16]. Somatyczne komórki macierzyste Somatyczne komórki macierzyste (ang. adult stem cells ASC) znajdują się w tkankach, które wymagają regeneracji i odbudowy. Komórki ASC są unipotencjalne i wykazują ograniczoną plastyczność. W warunkach fizjologicznych ASC nie rozwijają się w sposób niekontrolowany. Chroni to przed procesami różnicowania, które mogą doprowadzić do rozwoju nowotworu. Badania wykazują jednak, że komórki ASC posiadają potencjał, który w odpowiednich warunkach umożliwia im przekształcanie się w tkanki innego pochodzenia [17,18]. Rodzaje somatycznych komórek macierzystych przedstawiono na rycinie 4. Rycina 4 Rodzaje somatycznych komórek macierzystych Hemopoetyczne komórki macierzyste Hemopoetyczne komórki macierzyste (ang. hemopoetic stem cells HSC) biorące udział w procesie krwiotworzenia tworzą dwie populacje: 1. Komórki macierzyste o właściwościach wielopotencjalnych. Są one zdolne do asymetrycznych podziałów, w wyniku których jedna komórka pozostaje pluripotencjalną komórką macierzystą, a druga ulega różnicowaniu w komórkę ukierunkowaną. 2. Komórki macierzyste ukierunkowane, które w wyniku podziału nie dają komórek macierzystych, lecz przekształcają się w komórki krwi [19, 20]. Proces różnicowania hemopoetycznej komórki macierzystej HSC przedstawia rycina 5. Farmaceutyczny Przegl¹d Naukowy Rycina 5 Schemat krwiotworzenia [22] Badania potwierdziły, że krwinki białe, czyli leukocyty posiadają wspólną prekursorową komórkę macierzysta HSC. Różnicując przekształca się ona w limfoidalną komórkę progenitorową, oraz wielopotencjalną progenitorową komórkę macierzystą CFUMix (ang. multilineage colony-forming units) [5]. Pod wpływem bodźców zewnątrz- i wewnątrzpochodnych takich jak: SCF (ang. stem cells factor), czy interleukin: IL-1, IL-2, IL-3, IL-4, IL-5 i IL-6, z komórek progenitorowych limfocytarnych powstają progenitory limfocytów B i limfocytów T. Natomiast z komórki CFU-Mix, która jest progenitorem komórek mieloidalnych powstają: • BFU-E (ang. erythroid burst-forming units), prekursor erytrocytów, • CFU-GM (ang. granulocyte-macrophage colonyforming units), prekursor neutrofili i monocytów, • CFU-Eo (ang. eosinophil colony-forming units), prekursor eozynofili, • CFU-Bas (ang. basoophil colony-forming units), prekursor bazofili, • CFU-Meg (ang. megakaryocyte colony-forming units), prekursor megakariocytów [21,22,23]. W warunkach fizjologicznych większość komórek macierzystych pozostaje w fazie G0 cyklu komórkowego. Jeżeli komórka wchodzi w fazę aktywną, wzmaga się w niej synteza DNA i bierze ona udział w dwóch procesach: • odtwarzania populacji HSC, • różnicowania, czyli przejścia do populacji ukierunkowanej. Prawidłowy przebieg hemopoezy jest zabezpieczo- Nr 10/2007 Komórki macierzyste Rodzaje i w³aciwoci ny poprzez ustalenie się równowagi pomiędzy komórkami macierzystymi znajdującymi się w fazie spoczynkowej, a komórkami dzielącymi się i różnicującymi się do postaci ukierunkowanej. Badania z użyciem przeciwciał monoklonalnych komórek macierzystych wyizolowanych ze szpiku kostnego pozwoliły na określenie ich antygenów powierzchniowych. Przyjmuje się, że u ludzi wczesna komórka macierzysta posiada następujące markery: CD34+, c-kit+, HLA-DR, CD45RO+, CD38-, MDR1+, LDM- [24]. Najlepiej poznanymi są: • CD34+ jest najwcześniejszym markerem służącym do różnicowania pierwotnych ludzkich komórek macierzystych. Marker ten występuje na powierzchni 1-4% komórek jądrzastych szpiku kostnego oraz poniżej 0,1% komórek jądrzastych krwi obwodowej [28], • c-kit to receptor kinazy tyrozynowej, określany jako czynnik komórek macierzystych (ang. stem cells factor SCF), • HLA-DR jest to determinanta głównego układu zgodności tkankowej obecna na powierzchni większości komórek HSC, • MDR-1+ (ang. multidrug resistance is responsible) Komórki macierzyste o fenotypie CD34+ posiadają w swojej błonie molekułę oporności wielolekowej (MDR) [21]. Tabela II. Czynniki wzrostu i interleukiny powodujące różnicowanie HSC [21,27] NAZWA NAZW A POCHODZENIE FUNKCJA Interleukina-1 (IL-1) Produkowana głównie poprzez monocyty i makrofagi z tkanek. Najsilniejszych czynnikiem indukującym uwalnianie IL-1 są liposacharydy ściany bakterii G(-) Pobudza głównie uwalnianie czynników stymulujących kolonizacje: G-CSF, GM-CSF, M-CSF Interleukina-3 (IL-3) Produkowana jest przez aktywne monocyty krwi obwodowej, aktywowane komórki NK oraz niektóre linie limfocytów T Działa na spoczynkowe komórki SC, podtrzymując ich zdolność do tworzenia kolonii komórek prekursorowych. Optymalny system stymulacji komórek macierzystych wymaga współdziałania Il-3, IL-6, IL-1 oraz czynników wzrostu działających w późniejszych etapach hemopoezy Interleukina-6 (IL-6) Produkowana jest przez liczne komórki m.in. fibroblasty, komórki śródbłonkowe, keratynocyty, chondrocyty, komórki owodni, monocyty, niektóre linie limfocytów T i B Posiada zdolność do wprowadzania komórek SC w cykl komórkowy, działa synergistycznie na IL-3 oraz GM-CSF w czasie proliferacji komórek macierzystych Stem cells factor (SCF) Produkowany jest przez komórki podścieliska szpikowego Dodany do hodowli komórek macierzystych zawierającej IL-3 oraz GM-CSF, zwiększa wielokrotnie liczbę koloni potomnych Czynnik wzrostowy komórek o charakterze mielo-monocytowo/makrofagowym (GM-CSF) Wytwarzany jest przez limfocyty T i monocyty Podtrzymuje przeżycie populacji jak również stymuluje ich proliferacje z dalszym różnicowaniem do komórek potomnych o charakterze mieolo-monocytowo/makrofagowym Farmaceutyczny Przegl¹d Naukowy Komórki macierzyste Rodzaje i w³aciwoci W komórkach HSC stwierdzono także obecność enzymów pomocnych w identyfikacji tych komórek. Najważniejszym z nich jest dehydrogenaza aldehydowa (ALDH), której ekspresja pokrywa się z ekspresją antygenu CD34+ w komórkach macierzystych dojrzałego szpiku kostnego [25]. Liczba komórek HSC w szpiku kostnym jest 16krotnie większa niż liczba krążących komórek macierzystych we krwi obwodowej. Głównymi czynnikami indukującymi różnicowanie i uwalnianie HSC ze szpiku kostnego są: • G-CSF- czynnik stymulujący powstawanie kolonii granulocytów • GM-CSF - czynnik stymulujący tworzenie kolonii granulocytów i makrofagów • Flt3 - specyficzna kinaza tyrozynowa [24] Z badań wynika, że ważną rolę w procesie różnicowania przypisuje się niektórym cytokinom takim jak: IL-1, IL-3, IL6, które dodane do podłoża w różnych kombinacjach z czynnikami wzrostu np. SCF, G-CSF, GM-CSF, powodują różnicowanie komórek w określonym kierunku [21,26]. Tabela II przedstawia wpływ czynników wzrostu i interleukin na różnicowanie hemopoetycznej komórki macierzystej. Proliferację komórek HSC hamują niskie stężenia lub brak czynników wzrostu, a także obecność czynników hamujących proliferację do których zaliczamy: • transformujący czynnik wzrostu > (ang. transforming growth factor, TGF->), Rycina 6 Komórki powstałe z mezenchymalnej komórki macierzystej [29] Farmaceutyczny Przegl¹d Naukowy Nr 10/2007 • białko zapalne makrofagów (ang. macrophage inflammatory protein, 1MIP-- 1=), • czynnik martwicy nowotworów (ang. tumor necrosis factor, TNF), • interferon gamma (IFN-C), • prostaglandyny [21]. Nerwowe komórki macierzyste Nerwowe komórki macierzyste (ang. neural stem cells NSC) zostały odnalezione w centralnym układzie nerwowym, mimo iż wydawało się, że cechuje się on stosunkowo małą zdolnością regeneracyjną. Początkowo odnaleziono kilka rodzajów prekursorów komórek układu nerwowego niewykazujących jednak aktywności mitotycznej. W późniejszym czasie odnaleziono obszary, w których komórki wykazywały aktywność proliferacyjną. Komórki te odnaleziono w warstwie ziarnistej kory mózgu oraz zakręcie zębatym hipokampa [28,29,30]. Stwierdzono, że początkowo komórki NSC tworzą w procesie różnicowania dwa rodzaje komórek progenitorowych: • NP (ang. neural progenitor cells) – progenitory komórek nerwowych, • GP (ang. glial progenitor cells) – progenitory komórek glejowych. Dopiero z komórek NP i GP powstają dojrzałe komórki układu nerwowego. Komórki NP mogą różnicować się tylko w neurony, natomiast GP mogą dać początek astrocytom lub oligodendrocytom [9]. Nerwowe komórki macierzyste wykazują następujący fenotyp: CD133+, 5E12+, CD34-, CD45-, CD24-/low [29,31, 32]. Mezenchymalne komórki macierzyste Mezenchymalne komórki macierzyste (ang. mesenchymal stem cells MSC) są multipotencjalne. W wyniku różnicowania MSC powstają: osteocyty, chondrocyty, miocyty, kardiomiocyty, adipocyty, fibroblasty, oraz tenoblasty [33]. Najlepiej poznanym źródłem komórek MSC jest szpik kostny. Można je także wyizolować z innych źródeł, takich jak: mózg, oczy, skóra, mięśnie, miazga zębów, naczynia krwionośne oraz układ pokarmowy. Tkanki, które rozwijają się z mezenchymalnej komórki macierzystej szpiku kostnego, znacznie się od siebie różnią. Ich wspólną cechą jest jednak formowanie się z mezodermy. Komórki, które mają zdolność przekształcania się w komórki pochodzące z wszystkich trzech listków zarodkowych nazwano dorosłymi multipotencjalny- Nr 10/2007 mi komórkami progenitorowymi MAPC (multipotent adult progenitur cell). Przypuszcza się, że komórki MAPC wykazują podobną plastyczność do ESC i zachowały charakter zarodkowy [34]. Cechy mezenchymalnych komórek macierzystych: • łatwe do izolowania, • posiadają wysoki potencjał ekspansji, • mają stabilność genetyczną, • posiadają odtwarzalne cechy od izolacji do izolacji [35,36]. Do dziś nie odnaleziono konkretnego markera powierzchniowego służącego do identyfikacji MSC. Do markerów, które nie powinny znajdować się na powierzchni tych komórek należą: CD39(-), CD4(-), CD6(-), CD9(-), CD10(-), CD11a(-), CD14(-), CD15(-), CD18(-), CD21(-), CD25(-), CD31(-), CD34(-), CD36(-), CD38(-), CD45(-), CD49d(-), CD50(-), CD80(-), CD86(-), CD9(-). Do markerów, które mogą znajdować się na powierzchni komórek mezenchymalnych należą: CD13+, CD29+, CD44+, CD49a,b,c,e,f+, CD51+, CD54+, CD58+, CD71+, CD73+, CD90+, CD102+, CD105+, CD106+, CDw119+, CD120a+, CD123+, CD124+, CD126+, CD127+, CD140a+, CD166+, SSEA-3, SSEA-4, HLA-A,B,C [33,35].Rycina 6 przedstawia komórki powstałe w wyniku różnicowania mezenchymalnej komórki macierzystej. Spermatogonialne komórki macierzyste Spematogonialne komórki macierzyste (ang. spermatogonia stem cells SSC) to jedyne komórki, które przez całe życie mężczyzny ulegające samoodnawianiu i różnicowaniu. U osobnika dorosłego, gonada męska, jest organem, w którym przez cały okres rozrodczy muszą być obecne aktywne komórki macierzyste. Każdego dnia w jądrach powstają miliony plemników. Jest to niezaprzeczalny dowód na samoodnawianie się populacji komórek SSC. U ssaków, początkowo powstają zarodkowe komórki płciowe (primordial germ cells PGC), które następnie wędrują do kanalików nasiennych, gdzie stają się gonocytami. Po urodzeniu gonocyty migrują w kierunku błony podstawnej kanalika nasiennego plemnikotwórczego i różnicują się, w spermatogonialne komórki macierzyste. W przeciwieństwie do oocytów, gonocyty w czasie całego życia mężczyzny posiadają zdolności typowe dla komórek macierzystych. Przyjmuje się, że ok. 1% spermatogonii to komórki macierzyste, a reszta to komórki różnicujące się. [9,37,38,39]. Komórki macierzyste Rodzaje i w³aciwoci Niestety nieznane są obecnie mechanizmy molekularne odpowiedzialne za różnicowanie się i samoodnawianie komórek SSC. Dotychczas poznano jednak kilka czynników, bez których proces odnawiania populacji spermatogonialnych komórek macierzystych byłby niemożliwy. Jednym z podstawowych czynników kontrolujących ten proces jest GDNF (ang. glial cell line-derived factor) [40]. W¹trobowe komórki macierzyste Zdolność regeneracji wątroby, utrzymywana jest dzięki obecności trzech rodzajów komórek macierzystych. Są to: 1. Komórki macierzyste wątroby o właściwościach unipotencjalnymi, 2. Komórki owalne o właściwościach bipotencjalnych, cechujące się ograniczoną zdolnością do podziałów, 3. Egzogenne wątrobowe komórki macierzyste pochodzące ze szpiku kostnego. Są to komórki multipotencjalne posiadające zdolność do samoodnowy [42]. Komórki macierzyste oka W oku odnaleziono dwa rodzaje komórek macierzystych, z którymi klinicyści wiążą duże nadzieje. Komórki te odnaleziono w nabłonku rogówki oraz siatkówce oka. ach macieNa dzień dzisiejszy wiedza o k omórk omórkach rz ystych siatk ówki (ang. retinal stem cells) jest barrzystych siatkówki dzo uboga. Odnalezienie komórek SC w siatkówce oka szczura, zachęciło badaczy do poszukiwania tych komórek w ludzkim oku. Wyizolowanie komórek macierzystych siatkówki oka osiemdziesięcioletniej kobiety potwierdza ich obecności w komórkach receptorowych przez całe życie [43,44,45]. Nabłonek rogówki posiada bardzo duże zdolności regeneracyjne odpowiedzialne za jego stała odnowę podczas uszkodzeń. W odnowę komórek nabłonka przedniego rogówki zaangażowane są komórki rąbka. Komórki macierz yste rogówki (ang. corneal stem cell) macierzyste zostały odnalezione w miejscu zwanym niszą rąbka. Prawdopodobnie w wyniku asymetrycznego podziału komórki macierzystej powstają komórki migrujące. Odkryto, że komórki rąbka migrują do centralnej części rogówki, gdzie przechodzą do obwodowej części rogówki tworząc warstwę komórek podstawnych. Dotychczas nie odnaleziono specyficznego markera powierzchniowego komórek macierzystych rogówki, natomiast poznano białka powierzchniowe: K5/ K14 oraz p63 [46,47]. Farmaceutyczny Przegl¹d Naukowy ! Komórki macierzyste Rodzaje i w³aciwoci Komórki macierzyste skóry Komórki macierzyste skóry posiadają dużą zdolność regeneracyjną, co spowodowane jest ciągłym i szybkim złuszczaniem się zewnętrznej warstwy skóry- czyli naskórka. Naskórek jest utworzony przez nabłonek wielowarstwowy płaski rogowaciejący. Jego główną masę stanowią komórki nabłonkowe, zwane keratynocytami. Komórki te znajdują się na trójwarstwowej błonie podstawnej naskórka. W warunkach fizjologicznych liczba komórek złuszczających się jest równa liczbie komórek nowo powstających, dlatego też liczba komórek naskórka jest względnie stała. Keratynocyty w naskórku układają się w 5 warstw: podstawną, kolczastą, ziarnistą, jasną, oraz zrogowaciałą. Przeprowadzone badania wykazały, że komórki macierzyste znajdują się tylko w warstwie podstawnej (rozrodczej), która złożona jest z komórek kształtu cylindrycznego, ułożonych prostopadle do powierzchni naskórka. Komórki tej warstwy dzielą się mitotycznie. Zważywszy na to, iż skóra człowieka złuszcza się całkowicie raz na dwa tygodnie, a komórki bazalne odnawiają się same 3 do 6 razy przed różnicowaniem, zdolność samoodnowy macierzystych komórek naskórka jest ogromna [48]. Komórki macierzyste nab³onka jelitowego Komórki macierzyste nabłonka jelitowego zostały odnalezione w kryptach jelitowych. Odkryto, że w okolicy dna krypty znajduje się kilka komórek macierzystych. W wyniku ich podziału powstają zawsze dwie komórki: macierzysta i różnicująca się. Komórki różnicujące dzielą się jeszcze w krypcie 2-7-krotnie, a następnie powstają z nich komórki nabłonkowe kosmka, takie jak: komórki absorpcyjne z rąbkiem szczoteczkowym, komórki kubkowe wytwarzające śluz, komórki wydzielnicze oraz komórki znajdujące się u podstawy krypty, tzw. komórki Paneth’a. W przypadkach konieczności odbudowy ubytków powstałych w jelicie, komórki różnicujące się, przekształcane są do szybko proliferujących komórek przejściowych, które przemieszczają się w kierunku środkowej części kosmka jelitowego, gdzie zachodzi ich różnicowanie [49,50]. Komórki macierzyste trzustki Podejrzewa się, że komórki macierzyste trzustki występują w przewodach trzustkowych lub znajdują się wśród komórek wysepkowych. Z multipotentnych komórek macierzystych przewodów trzustkowych powstają komórki endo- i egzokrynne oraz komórki budujące ten przewód. Pojedyncza komórka macierzysta może dać początek nowej wysepce. Równocze- " Farmaceutyczny Przegl¹d Naukowy Nr 10/2007 śnie stwierdzono, że komórki macierzyste występujące w wysepkach trzustki mogą różnicować się we wszystkie typy komórek wysepkowych. Odkryto, że in vitro trzustkowe komórki macierzyste pod wpływem odpowiednich czynników wykazują zdolność do różnicowania w kierunku hepatocytów. Wśród markerów powierzchniowych znajdujących się na komórkach macierzystych trzustki należy wymienić: cytokeratynę, beta-galaktozydazę, PDX-1, hydroksylazę tyrozynową, transporter glukozy GLUT 2 [8,50,51]. Komórki macierzyste miazgi zêba Regeneracja zębiny jest procesem, który wymaga aktywności wyspecjalizowanych komórek odontoblastów. Prekursory tych komórek wywodzą się z miazgi zęba. Nazwano je komórkami macierzystymi miazgi zęba (ang. human dental pulp stem cells DPSC). Komórki DPSC charakteryzują się znacznie wyższą zdolnością do proliferacji w porównaniu z komórkami szpiku. Transformujący czynnik wzrostu TGF, białka morfogenetyczne kości BMP2, BMP4 silne regulatory procesu kościotworzenia, są uważane za czynniki powodujące powstawanie odontoblastów. Komórki budujące miazgę zębów mlecznych stanowią pośredni typ komórek macierzystych i są stosunkowo łatwe w pozyskiwaniu. Odkryto, że obecne są w centralnej części miazgi wokół naczyń i nerwów. Stwierdzono, że komórki te rosną szybciej niż dojrzałe komórki macierzyste i mają większy potencjał różnicowania się w inne typy komórek. Tracone naturalnie zęby mleczne mogą być źródłem komórek macierzystych miazgi zęba. Tak pozyskana miazga zawiera 12-20 komórek macierzystych z jednego siecznego zęba mlecznego [52,53]. Komórki macierzyste miêni poprzecznie pr¹¿kowanych Komórki macierzyste mięśni poprzecznie prążkowanych tzw. komórki satelitarne są jednymi z lepiej poznanych komórek SC, mającymi do spełnienia dwie podstawowe funkcje: • regenerację tkanki mięśniowej • utrzymanie odpowiedniej liczby komórek satelitarnych [54] Na wyizolowanej frakcji komórek macierzystych mięśni poprzecznie prążkowanych zostały odkryte takie antygeny jak: • miozyna (typ fast) • desmina – białko specyficzne dla włókien mię- Nr 10/2007 śniowych. Pojawia się w początkowych etapach miogenezy. W czasie różnicowania się mięśni szkieletowych ekspresja desminy nie tylko poprzedza inne białka aparatu kurczliwego, ale także poprzedza czynniki odpowiedzialne za koordynację ekspresji mięśniowo specyficznych genów w rozwijającym się zarodku (myoD, myf 5, miogenin, mrf-4) • NCAM (ang. neural cell adhesion molekule, CD54+) –występuje na powierzchni komórek mięśni szkieletowych, ale także na komórkach glejowych oraz neuronach. Do grupy genów niezbędnych do powstania prekursorów mioblastów oraz ich różnicowania we włókna mięśniowe należą: myoD, myf-5, miogenina i mrf4 (myf-6, herulina). Geny te kodują białka należące do czynników transkrypcyjnych MRF (ang. miogenic regulatory factors). Pod ich wpływem powstają białka niezbędne dla rozwoju komórki mięśniowej: aktyna mięśniowa, miozyna, tropina, tropomiozyna, kineza kreatynowa i inne [55]. Komórki macierzyste macicy Komórki macierzyste macicy poszukiwane są w endometrium lub myometrium. Na istnienie komórek macierzystych w tej części macicy może wskazywać zmiana grubości śluzówki w trakcie cyklu menstruacyjnego. Dotychczas wyizolowano komórki zawierające markery charakterystyczne dla hemopoetycznej komórki macierzystej, jednakże nie wyizolowano komórek macierzystych charakterystycznych dla macicy. Odkrycie czynnika transkrypcyjnego zarodków Oct-4 wskazuje na istnienie pluripotencjalnych komórek macierzystych w macicy [56]. Podsumowanie Poszukiwania komórek macierzystych doprowadziły do odnalezienia ich w wielu narządach wewnętrznych człowieka. Poznanie biologii tych komórek umożliwi w przyszłości zastosowanie ich w terapii. Pimiennictwo: 1. Grove J., Bruscia E., Krause D. Plasticity of bone marrow- derived stem cells. Stem Cells 2004;22:487-500. 2. Ratajczak M., Goździk J. Komórki macierzyste- klucz do długowieczności. Med Dypl 2004; 13(12): 16-25. 3. Gilbert D. The future of human embryonic stem cells research: adressing ethical conflict with responsible Komórki macierzyste Rodzaje i Osteoporoza w³aciwoci scientific research. Med Sci Monit 2004;10:RA99-RA103. 4. Smits A. i wsp. The role of stem cells in cardiac regeneration. J Cell Mol Med 2005;9:25-36. 5. Hwang W. i wsp. Human embryonic stem cells and therapeutic cloning. J Vet Sci 2005; 6(2): 87-96. 6. Kirschstein R., Skirboll L. Stem cells: scientific progress and future research directions. National Institutes of Health Departament U.S. Department of Health & Human Services Washington 2001: 11-21. 7. Doss M. i wsp. Embryonic stem cells: a promising tool for cell replacement therapy. J Cell Mol Med. 2004; 8(4): 465-473. 8. Sikora M., Olszewski W. Stem cells – biology and therapeutic application. Post Hig Med Dośw 2004; 58: 202208. 9. Fiszer D., Rozwadowska N., Kurpisz M. Komórki macierzyste: perspektywy zastosowań klinicznych. Med Wet 2003; 59(9): 751-754. 10. Stojkovic M. i wsp. Derivation, growth and applications of human embryonic stem cells. Reproduction 2004; 128: 259-267. 11. Wobus A., Boheler K. Embryonic stem cells; Prospect for developmental biology and cell therapy. Physiol Rev 2005; 85: 635-678. 12. Stojkovic M. i wsp. Derivation of human embryonic stem cells from day-8 blastocysts recovered after threestep in vitro culture. Stem Cells 2004; 22: 790-797. 13. Pera M., Trounson A. Human embryonic stem cells: prospects for development. Comp Biol 2004; 131: 55155525. 14. Pereira L., Yi F., Merrill B.J. Repression of nanog gene transcription by Tcf3 limits embryonic stem cell selfrenewal. Mol Cell Biol 2006; 26(20): 7479-7491. 15. Ambrosi D., Rasmussen T. Reprogramming mediated by stem cell fusion. J Cell Mol Med 2005;9:320-330. 16. De Coppi P. i wsp. Isolation of amniotic stem cell lines with potential for therapy. Nat Biotech 2007; 25: 100 – 106. 17. Jiang Y. i wsp. Pluripotency of mesenchymal stem cells derived from adult marrow. Nature 2002; 418: 41-49. 18. Alison M. i wsp. Recipes for adult stem cell plasticity: fusion cuisine or readymade? J Clin Pathol 2004;57: 113-120. 19. Burgess A. Cytokine/growth factor responsiveness of early hemopoietic progenitor cells. Quesenberry P., Stein G., Forget B., Weissman S. red. Stem cell biology and gene therapy. Wiley-Liss, New York 1998: 15-39. 20. Trigg M. Hemopoietic stem cells. Pediatrics 2004;113:1051-1057. 21. Pituch-Noworolska A. Komórki macierzyste szpiku kostnego. Acta Haematol Pol 1995; 26(1): 27-31. 22. Takagi M. Cell processing engineering for ex-vivo expansion of hemopoietic cells. J Bioscience Bioengi 2005; Farmaceutyczny Przegl¹d Naukowy # Komórki macierzyste Rodzaje i w³aciwoci 99(3): 189-196. 23. Jansen J., i wsp.Transplantation of hematopoietic stem cells from the peripheral blood. J Cell Mol Med 2005; 9(1), 37-50. 24. Mackiewicz A., Iżycki D., Nawrocki S. Zastosowanie przeszczepów allogenicznych komórek macierzystych szpiku w kombinowanej immunoterapii nowotworów. Współ Onkol 2002; 6(7): 474-478. 25. Nemeth M., Bodine D. Hmgb3 regulates the balance between hematopoietic stem cell self-renewal and differentiation. Proc Natl Acad Sci 2006; 103(37): 1378313788. 26. Świeboda-Sadlej A. Nowe preparaty krwiotwórczych czynników wzrostu. Wsp Onkol 2004; 8(2): 96-100. 27. Ratajczak M. Z.: Podstawy molekularne proliferacji najwcześniejszych komórek hemopoetycznych człowieka. Acta Haematol Pol 1995; 26(1), 34-43. 28. Clarke D. i wsp. Generalized potential of adult neural stem cells. Science 2000; 288: 1660-1663. 29. Dupin E, i wsp. Neural crest progenitors and stem cells. C R Biol 2007;330:521-9. 30. Magnus T., Rao M. Neural stem cells in inflammatory CNS diseases: mechanisms and therapy. J Cell Mol Med 2005;9:303-319. 31. Brazelton T. i wsp. From marrow to brain: expression of neuronal phenotypes in adult mice. Science 2000; 209: 1775-1779. 32. Kim H-T. i wsp. Gene and cell replacement via neural stem cells. Yonsei Med J 2004;45:32-39. 33. Baksh D., Song L., Tuan R. Adult mesenchymal stem cells: characterization, differentiation, and application in cell and gene therapy. J Cell Mol Med 2004; 8(3): 301-316. 34. Kamiya K, i wsp. Mesenchymal stem cell transplantation accelerates hearing recovery through the repair of injured cochlear fibrocytes. Am J Pathol. 2007; 171(1):214-26. 35. Pittenger M., Martin B. Mesenchymal stem cells and their potential as cardiac therapeutics. Circ Res 2004; 95: 9-20. 36. Bobis S, Jarocha D, Majka M. Mesenchymal stem cells: characteristics and clinical applications.Folia Histochem Cytobiol 2006;44(4):215-30. 37. Kubota H., Avarbock M., Brinster R. Spermatogonial stem cells share some, but not all, phenotypic and functional characteristics with other stem cells. Proc Natl Acad Sci USA 2003;100:6487–6492. 38. De Rooij D., van Bragt M. Leydig cells: Testicular side population harbors transplantable leydig stem cells. Endocrinology 2004;145: 4009-4010. 39. Kubota H., Avarbock M., Brinster R. Spermatogonial stem cells share some, but not all, phenotypic and func- $ Farmaceutyczny Przegl¹d Naukowy Nr 10/2007 tional characteristics with other stem cells. Proc Natl Acad Sci USA 2003;100:6487–6492. 40. Oatley J, Avarbock M. Brinster R. Glial cell line-derived neurotrophic factor regulation of genes essential for self-renewal of mouse spermatogonial stem cells is dependent on SRC family kinase signaling. J Biol Chem 2007;10:1-20. 41. Zhang Y., Bai X, Huang C. Hepatic stem cells: existence and orgin. World J Gastroenterol 2003; 9(2): 201-204. 42. Petersen B. i wsp. Bone marrow as a potential source of hepatic oval cells. Science 1999; 284, 1168-1171. 43. Bentley A.J. i wsp. Characterization of human corneal stem cells by synchrotron infrared micro-spectroscopy. Mol Vision 2007; 13: 237-242. 44. Ang L., Tan D. Ocular surface stem cells and disease: current concepts and clinical applications. Ann Acad Med Singapore 2004;33:576-580. 45. Canola K. i wsp. Retinal stem cells transplanted into models of late stages of retinitis pigmentosa preferentially adopt a glial or a retinal ganglion cell fate. Invest Ophthalmol Vis Sci 2007; 48(1): 446-454. 46. Amato M., Arnault E., Perron M. Retinal stem cells in vertebrates: parallels and divergenmces. Int J Dev Biol 2004;48:993-1001. 47. Moshiri A., Close J., Reh T. Retinal stem cells and regeneration. Int J Dev Biol 2004;48:1003-1014. 48. Drukała J., Majka M. Ratajczak M.Z. Postępy w metodach izolacji i namnażania komórek macierzystych naskórka ludzkiego. Post Biol Kom 2003; 30(21): 3749. 49. Leedham S. i wsp. Intestinal stem cells. J Cell Mol Med 2005; 9(1): 11-24. 50. Banner-Weir S., Sharma A. Pancreatic stem cell. J Pathol 2002; 197: 519-526. 51. Zhang Y., Kritzik M., Sarvetnick N.: Identification and expansion of pancreatic stem/progenitor cells. J Cell Mol Med 2005; 9(2): 331-344. 52. Wojtowicz A., Kisłowska-Syryczyńska M. Miazga zębów mlecznych-potencjalne źródło komórek macierzystych. Możliwości augmentacji kości w chirurgii stomatologicznej. Med Dydak Wychow 2003; 35: 27-30. 53. Zhang W,i wsp. Multilineage differentiation potential of stem cells derived from human dental pulp after cryopreservation. Tissue Eng 2006;12:2813-23. 54. Pupecka M. i wsp. Molekularna i immunologiczna charakterystyka komórek macierzystych izolowanych z mięśni szkieletowych. Wiad Lek 2004; 57(9-10): 556. 55. Galli R. i wsp.Skeletal myogenic potential of human and mouse neural stem Cells. Nature Neuroscien 2000;3:986-991. 56. Gargett C.G. Uterine stem cells: What is the evidence? Hum Repro Update 2007; 13(1): 87–101.
