Komórki macierzyste dziś i... jutro
advertisement
DENTAL TRIBUNE Badania Polish Edition Komórki macierzyste dziś i... jutro Źródła, stan badań, możliwości pozyskiwania i wykorzystania – przegląd piśmiennictwa. Hanna Bagińska, Dental Tribune Polska Naukowców od zawsze fascynowały zagadnienia związane z możliwościami regeneracji i zwalczania chorób siłami natury. Już dawno odkryto, że takie właściwości mają komórki mezenchymalne nazywane macierzystymi. W ciągu ostatnich 7-8 lat doszło do ogromnego rozwoju wiedzy o pozyskiwanych z organizmu ludzkiego komórkach macierzystych zdolnych do różnicowania i odbudowy uszkodzonych tkanek. Początkowo badacze wyróżniali 2 rodzaje takich komórek: embrionalne i typu dorosłego. Embrionalne komórki macierzyste mogą ulegać różnicowaniu w dowolne linie komórkowe organizmu, jednak ich pozyskanie wymaga zniszczenia zarodka, a temu przeciwstawiają się obrońcy życia poczętego. Innym źródłem takich komórek, choć bardzo krótko dostępnym, jest krew pępowinowa. Wprawdzie komórki macierzyste typu dorosłego (niezarodkowego, znajdujące się np. w szpiku kostnym lub miazdze) pozwalają na uniknięcie wspomnianych problemów, ale za to ich możliwości są bardziej ograniczone. Jednym z pierwszych, dokładniej zbadanych zagadnień były zdolności odtwórcze komórek macierzystych pozyskanych z miazgi zębów. Doświadczenia z udziałem zwierząt wykazywały m.in., że komórki takie wytwarzają podczas rozwoju wiele czynników neurotropowych, co sugeruje, że mogą uczestniczyć w tworzeniu włókien nerwu trójdzielnego unerwiających miazgę zębową. Po ich wszczepieniu ektopowym do przedniej komory oka szczurów, ulegały unerwieniu i powodowały wzrost gęstości katecholaminergicznych włókien nerwowych w tęczówce. Z kolei wszczepienie tkanek miazgi zęba do rdzenia kręgowego po hemisekcji przyczynia się do zwiększenia liczby przeżywających motoneuronów, co wskazuje na funkcjonalną bioaktywność czynników neurotropowych wytwarzanych przez komórki miazgi zębów wobec przeżywających motoneuronów. Na podstawie uzyskanych wyników stwierdzono, że czynniki neurotropowe pochodzenia miazgowego odgrywają istotną rolę w sterowaniu rozwojem unerwienia miazgi zębów (Nosrata I.V. i wsp.). Również w innych badaniach dowiedziono zdolności ludzkich komórek macierzystych, pochodzących z miazgi zębów do samoodtwarzania i różnicowania w linie komórkowe. Z przeszczepionych pierwotnie komórek macierzystych uzyskiwano w warunkach hodowlanych komórki zrębowe, które wszczepiano ponownie myszom poddanym immunosupresji, otrzymując tkanki przypominające kompleks zębinowo-miazgowy. W ten sposób potwierdzano zdolność komórek do samoodtwarzania. Wykazano także, że komórki takie mogą ulegać różnicowaniu do adipocytów i komórek przypominających neurony (Gronthos S. i wsp.) Komórki macierzyste SHED Odkrycia w dziedzinie wyłonienia nowego i łatwo dostępnego źródła komórek macierzystych do- konał dr Songtao Shi (pedodonta z National Institutes of Dental and Craniofacial Research Health w Bethesda, USA), który już 9 w 2000 r. opisał istnienie komórek mezenchymalnych w miazdze zębów mądrości usuniętych pacjentom dorosłym. Kiedy jego 6-letniej córce wypadł pierwszy ząb mleczny postanowił – zauważywszy przedtem w środku „coś czerwonego” – sprawdzić, czy zawiera on żywą miazgę. Badanie laboratoryjne potwierdziło jego domysły. Po kilku dniach, gdy dziewczynka straciła kolejny ząb, Shi był już lepiej przy- ª AD DENTAL TRIBUNE 10 Badania ª gotowany. Umieścił ząb w płynnym podłożu do hodowli komórek, przewiózł go do laboratorium i wydobył z niego miazgę. Wkrótce, gdy udało się wyizolować żywe komórki macierzyste z pozyskanej tkanki, Shi zaczął gromadzić wypadające zęby mleczne swojej córki i innych dzieci. Następnie, wraz z zespołem naukowców, podjął badania miazgi wydobytej z mlecznych zębów siecznych stwierdzając, że w każdym mieści się 12-20 komórek macierzystych. W wyniku hodowli, wraz z innymi czynnikami wzrostu, zdołano pobudzić je do różnicowania w kierunku odontoblastów (komórek odpowiedzialnych za powstawanie zębów), komórek nerwowych oraz komórek tkanki tłuszczowej. Zróżnicowane komórki zachowywały żywotność po wszczepieniu pod skórę lub do mózgu myszy poddanych immunosupresji. Doktor Shi stwierdził także, że uzyskane komórki stymulują wzrost kości. Podejrzewał, że komórki macierzyste odgrywają znaczącą rolę w przygotowywaniu miejsca dla wyrzynających się zębów stałych: „Nie mamy na to obecnie żadnych dowodów, ale myślę, że musi być jakiś powód występowania komórek macierzystych właśnie tym miejscu” – mówi Shi. Najprawdopodobniej stanowią one żywe świadectwo wczesnych etapów rozwoju. Wniedługim czasie okazało się, że komórki macierzyste SHED, pochodzące z usuniętych ludzkich zębów mlecznych (stem cells from human exfoliated decidous teeth – SHED) wydają się szybciej rosnąć i wykazywać większy potencjał różnicowania do różnych linii komórkowych niż komórki macierzyste typu dorosłego. Inne badania Opinię Shi i wsp. podzielili naukowcy, którzy opublikowali wyniki swych badań w wydaniu internetowym czasopisma Proceedings of the National Academy of Sciences w 2003 r. stwierdzając, że komórki SHED posiadają cechy wyjątkowe, odróżniające je od komórek macierzystych typu dorosłego, izolowanych z innych okolic ciała. Charakteryzują się długim okresem życia, szybko rosną w hodowli, a ostrożnie stymulowane w warunkach laboratoryjnych mogą indukować powstawanie dojrzałej zębiny, kości oraz komórek nerwowych. Pozwala to sądzić, że komórki takie będą mogły być wykorzystywane do naprawy uszkodzonych zębów, stymulowania procesów regeneracji kości, czy też leczenia urazów lub chorób tkanki nerwowej. Miura M. i wsp. stwierdzili: „Na podstawie przeprowadzonego badania wykazano, że zęby ludzkie, wypadające z przyczyn naturalnych zawierają populację komórek macierzystych różniących się całkowicie od poznanych wcześniej komórek tego typu. Wykazują większe zdolności szybkiego wzrostu, a hodowla częściej podwaja ich liczebność. Sugeruje to, że komórki SHED mogły zatrzymać się na wcześniejszym etapie rozwoju niż komórki macierzyste typu dorosłego.” Komórki takie pobiera się z bardzo łatwo dostępnego źródła, w praktycznie nieograniczonej liczbie, co umożliwia ich szerokie, potencjalne zastosowanie kliniczne. Nosrat I. V i wsp. ogłosili m.in.: „Wydaje się, że miazga zębowa stanowi realne źródło łatwych do pozyskania komórek, które mogą być potencjalnie wykorzystywane do transplantacji autogennych. Wykazano także, że populacja komórek miazgi zębów pochodzących z wyrostka grzebieniastego charakteryzuje się budową morfologiczną i profilem ekspresji białek typowymi w warunkach in vitro dla neuronów. Oznacza to, mogą one ulec różnicowaniu do komórek nerwowych i przynosić dodatkowe korzyści po wszczepieniu do ośrodkowego układu nerwowego.” W wyniku późniejszych badań Shi S. i wsp. doszli do następującego wniosku: „Mezenchymalne komórki macierzyste odnajdywane w miazdze zębów u osób dorosłych, w ludzkich zębach mlecznych oraz w więzadle ozębnej identyfikuje się na podstawie zdolności do generowania w warunkach hodowli skupisk komórek klonogennych. Ich populacje hodowane w warunkach ex vivo wykazują ekspresję heterogennego zestawu markerów typowych dla mezenchymalnych komórek macierzystych, zębiny, kości, mięśni gładkich, tkanki nerwowej i śródbłonka. Dane te dowodzą istnienia różnych populacji mezenchymalnych komórek macierzystych związanych z tkankami zębów, które wykazują potencjał regeneracji zębów ludzkich w warunkach in vivo.” Przechowywanie zębów w celu pozyskiwania komórek macierzystych Podczas krajowej konferencji Amerykańskiego Towarzystwa Stomatologicznego (ADA) w 2005 r. przedstawiciel National Institutes of Health poinformował, że zęby mleczne i tzw. zęby mądrości, podobnie jak kości szczęk i więzadła ozębnej, stanowią doskonałe źródło komórek macierzystych, które można przechowywać w banku tkanek na wypadek pojawienia się możliwości ich wykorzystania w przyszłości. Z kolei dr n. med. Pamela Gehron Robey – dyrektor Działu Chorób Twarzoczaszki i Układu Kostnego w National Institute of Dental and Craniofacial Research stwierdziła, że komórki macierzyste pozyskiwane z wymienionych źródeł mogą być kiedyś wykorzystywane do odbudowy utraconych tkanek przyzębia, wypełniania rozszczepów podniebienia (jednej z najczęściej występujących wad wrodzonych – leczenie wymaga wykonywania wielu zabiegów chirurgicznych) lub odtwarzania komórek nerwowych, zanikających w przebiegu takich schorzeń, jak np. choroba Parkinsona (jednego z najczęstszych schorzeń neurologicznych dotykających osoby w starszym wieku). Komórki macierzyste wykazują potencjał umożliwiający regenerację po urazach zębów i wzrost kości szczęk. W perspektywie najpewniej czeka nas możliwość odtwarzania całych zębów. Wg dr Robey, żywotność komórek macierzystych pochodzą- cych z zębów mlecznych zależy od momentu usunięcia zęba. Im dłużej ząb pozostaje w jamie ustnej (do chwili samoistnego wypadnięcia), tym jest gorszym źródłem żywych komórek macierzystych. Dr Robey stwierdziła również: „Komórki macierzyste występujące w kościach szczęk i zębów pochodzą z tego samego źródła, co tkanka nerwowa. Obecnie naukowcy mogą za pomocą odpowiednich bodźców stymulować je do tworzenia tkanki przypominającej tkankę nerwową i uzyskać komórki wydzielające dopaminę niezbędną do prawidłowego funkcjonowania komórek nerwowych. Wymaga to jednak jeszcze czasu i dużego nakładu pracy.” W celu pozyskania komórek macierzystych od osób dorosłych, badacze mogą pobrać tkanki więzadła ozębnej albo nawiercić ząb, usunąć jego koronę i wydobyć tkankę miazgi, umieszczając ją w roztworze enzymatycznym w celu wyizolowania komórek macierzystych. Można również pobrać szpik z kości szczęk, np. po zabiegu ekstrakcji zęba lub za pomocą biopsji. Wszczepianie ludziom komórek macierzystych z zębów Dr Robey wskazała 3 kierunki badań, podejmowane w różnych laboratoriach w celu umożliwienia wszczepiania ludziom komórek macierzystych pochodzących z zębów: 1. Wprowadzenie komórek macierzystych do formy w kształcie korony zęba, wykonanej z substancji przypominającej szkliwo wraz z materiałem stanowiącym „rusztowanie” i przeprowadzenie przez tę konstrukcję naczyń krwionośnych oraz wszczepienie jej w inną okolicę ciała aż do czasu osiągnięcia dojrzałości. Następnie trzeba usunąć utworzony ząb i wszczepić go do jamy ustnej. Naukowcom udało się już wykorzystać szpik kostny do hodowli kości w okolicy ramieniowej do czasu uzyskania przez nią dojrzałości. Później przeszczepiono ją, odtwarzając kość żuchwy. 2. Usunięcie tzw. zęba mądrości, pozyskanie komórek macierzystych z miazgi i wszczepienie ich bezpośrednio do zęba zniszczonego lub uszkodzonego. Jeśli np. wskutek wypadku samochodowego dochodzi do poważnego urazu zębów, to miazga obumiera i powstaje konieczność leczenia kanałowego. Celem terapii w takim przypadku byłaby regeneracja miazgi zęba z wykorzystaniem komórek macierzystych. „Takie przywrócenie zębów do życia eliminowałoby konieczność leczenia kanałowego” – twierdzi dr Robey. 3. W razie braku zęba (utraconego na skutek wypadku, poważnej choroby lub wad wrodzonych, np. rozszczepu podniebienia) można pobrać komórki macierzyste z niewyrżniętych zębów mądrości, uformować je w odpowiedni, trójwymiarowy kształt, wprowadzić do zębodołu i czekać aż ząb wyrośnie z kości. Dr Robey ostrzega, że zanim badania naukowe pozwolą na praktyczne wykorzystanie przechowywanych zębów i zawartych w nich komórek macierzystych, może mi- nąć wiele lat. Dodaje jednak: „Możliwe, że ząbki dzieci, chowane teraz na pamiątkę, będą kiedyś warte znacznie więcej niż najcenniejszy prezent, a zachowane zęby mądrości staną się własnym źródłem komórek macierzystych.” Przechowywanie komórek macierzystych Papaccio G. i wsp. ustalili, że po 2 latach przechowywania komórki macierzyste zachowują zdolność różnicowania, a uzyskane z nich cytotypy ulegają proliferacji i wytwarzają strukturalną tkankę kostną. Ponadto zaobserwowali na tych komórkach ekspresję typowych antygenów powierzchniowych, co potwierdza, że uzyskały one cechy charakterystyczne dla tej linii komórkowej. Na tej podstawie można stwierdzić, że komórki macierzyste pochodzące z miazgi zębów i uzyskane z nich osteoblasty mogą być przez dłuższy czas przechowywane w stanie zamrożonym, stanowiąc atrakcyjny materiał do zastosowań klinicznych. Badanie wykazało ponadto, że: 1. Komórki macierzyste pochodzące z miazgi zębów i uzyskiwane z nich drogą różnicowania osteoblasty można w bezpieczny sposób odzyskać po długotrwałym zamrożeniu. 2. Komórki podejmują szybko proliferację i wykazują wysokie tempo podziałów, ekspresję właściwych antygenów powierzchniowych oraz tworzenie kości strukturalnej. 3. Uzyskane próbki kości można bez trudu wszczepić in vivo, gdzie ulegają remodelingowi do kości gąbczastej. Badacze dowiedli, że wymienione cechy i zdolności czynią z takich komórek atrakcyjny materiał do terapeutycznej, trójwymiarowej rekonstrukcji tkanek. Można go przechowywać i odzyskiwać w zależności od potrzeb pacjenta. Perspektywy Odkrycie obecności komórek macierzystych w miazdze zębów mlecznych może przyczynić się do znacznego postępu w wielu dziedziniach medycyny. Wystarczy przytoczyć kilka z kilkudziesięciu opublikowanych wniosków końcowych z przeprowadzonyh badań. Laino G. i wsp.: „Przeprowadzone badanie dostarczyło poważnych dowodów na to, że miazga zębów mlecznych stanowi łatwo dostępny swoisty magazyn zrębowych komórek macierzystych i doskonałe źródło osteoblastów i tkanek zmineralizowanych, gotowych do wykorzystania w celu regeneracji, przeszczepienia lub klinicznej terapii tkankowej. Mają wysoki potencjał klonogenny i proliferacyjny oraz zdolność przeżycia przez długi czas.” „Chirurdzy stomatologiczni i szczękowo-twarzowi codziennie zmagają się z problemem pozyskiwania kości do przeszczepu autogennego. Komórki macierzyste pochodzące z miazgi zębów stanowią potencjalne źródło kości autogennej hodowanej w warunkach in vitro.” „Wyniki badania są bardzo ciekawe z punktu widzenia regeneracji tkanek, klinicznych metod terapii tkankowej i transplantologii.” Polish Edition Trubiani O. i wsp.: „Wykazano, że mezenchymalne komórki macierzyste uzyskane z więzadła ozębnej i miazgi zębowej mogą przypominać komórki mezenchymalne szpiku kostnego. Ponieważ uważa się, że mogą być wykorzystywane do regeneracji narządów, konieczne jest poznanie mechanizmów ich różnicowania. Umożliwiłoby to rozwój wiarygodnych metod, które mogą znaleźć zastosowanie w implantologii (zastępowanie implantów metalowych), chirurgii stomatologicznej oraz zabiegach odtwórczych w zakresie chirurgii szczękowo-twarzowej. Przyszłość zaczyna się już dziś Laboratorium HopeStem, doskonale wyposażone w nowoczesne i spełniające wszystkie wymogi bezpieczeństwa urządzenia do zamrażania podejmuje się, za niewielką opłatą, pozyskiwania i przechowywania komórek macierzystych. Przy obecnym postępie nauki można mieć uzasadnioną nadzieję, że już za kilka lat materiały z „osobistego banku tkanek” będzie można wykorzystywać w terapii odtwórczej. Laboratorium Hope Stem świadczy swoje usługi już od ponad 25 lat i cieszy się na świecie zasłużoną renomą. Więcej informacji o laboratorium można uzyskać na stronie: www.hopestem.com DT Piśmiennictwo: 1. Gronthos S. i wsp.: Stem cell properties of human dental pulp stem cells. Journal of Dental Research, sierpień 2002, 81, 8, 531-535. 2. Jo Y.Y. i wsp.: Isolation and characterization of postnatal stem cells from human dental tissues. Tissue engineering, kwiecień 2007, 13, 4, 767-773. 3. Konferencja prasowa American Dental Association (ADA) Nowy Jork, 8 czerwca 2005 r. 4. Konferencja Department of Health 21 kwietnia 2003 r. 5. Krebsbach P., Robey P.: Dental and skeletal stem cells: potential cellular therapeutics for craniofacial regeneration. Journal of dental education, 2002, 66, 6, 766-773. 6. Laino G. i wsp.: In vitro bone production using stem cells derived from human dental pulp. Journal of Craniofacial Surgery, maj 2006, 17, 3, 511-515. 7. Laino G. i wsp.: An approachable human adult stem cell source for hard-tissue engineering. Journal of Cellular Physiology, 2006, 206, 693-701. 8. Miura M. i wsp.: SHED – Stem cells from human exfoliated deciduous teeth. PNAS (Proceedings of the National Academy of the United States of America), kwiecień 2003, 100, 5807-5812. 9. NewScientist konferencja prasowa z 1 kwietnia 2003 r. 10. Nosrat I.V. i wsp.: Dental pulp cells produce neurotrophic factors, interact with trigeminal neurons in vitro, and rescue motoneurons after spinal cord injury. Developmental Biology, październik 2001, 238, 1, 120-132. 11. Nosrat I.V. i wsp.: Dental pulp cells provide neurotrophic support for dopaminergic neurons and differentiate into neurons in vitro; implications for tissue engineering and repair in the nervous system. European Journal of Neuroscience, maj 2004, 19, 9, 2388-2398. 12. Papaccio G. i wsp.: Long-term cryopreservation of dental pulp stem cells (SBPDPDCs) and their differentiated osteoblasts: a cell source for tissue repair. Journal of cellular physiology, 2006, 208, 319-325. 13. Shi S. i wsp.: The efficacy of mesenchymal stem cells to regenerate and repair dental structures. Orthodontics & Craniofacial Researcg, sierpień 2005, 8, 3, 191-199. 14. Trubiani O. i wsp.: Adult mesenchymal stem cells in dental research: a new approach for tissue engineering. International Journal of Immunopathology and Pharmacology, lipiec-wrzesień 2006, 19, 3, 451-460.
