Komorki macierzyste kluczem do dlugowiecznosci – nadzieje i

FIZJOLOGIA REGENERACJI
01
Innowacyjne metody wykorzystania komórek macierzystych w medycynie
arsawa, 09.01.2010
Dlaczego będziemy mówić o fizjologii
regeneracji?
• Przyszłość medycyny – leczenie szeregu schorzeń, przedłużenie
komfortu życia
• Szczecin staje sie wiodącym w kraju ośrodkiem gdzie rozwijane
są podstawy medycyny regeneracyjnej
• Komórki macierzyste są bezpośrednim obiektem
zainteresowania medycyny regeneracyjnej
• Założenia i koncepcje medycyny regeneracyjnej się zmieniają
dynamicznie
Dobra koncepcja – Zły projekt……
Ludzie zawsze marzyli o długowieczności,
lecz….
?
- Ambrozja jest
pokarmem bogów,
a nie zwykłych ludzi,
- Święty Graal nie
został niestety
odnaleziony…
Fontanna młodości pozostaje nadal tylko fantazją
artystów…..
Łukasz Cranach (starszy) (1546 rok)
Regenerująca wątroba Prometeusza
Płazy ogoniaste - salamandra
blastema
Dlaczego się nie regenerujemy jak salamandra?
• Regeneracja – nowotwory?
• Inna filozofia ewolucji i przystosowania do
środowiska?
• Poziom regeneracji tkanek jest
wystarczający?
Drzewo Oliwne
Jeanne Louise Calment
Tui Malila
Rekordziści długowieczności:
1.
2.
3.
4.
5.
Zółw
Człowiek
Jesiotr
Płetwal błękitny
Słoń afrykański
188 lat
122 lata
~ 100 lat
~ 80 lat
77 lat
“Długowieczność - Regeneracja”
• Długowieczność = Regeneracja = Komórki Macierzyste
• Starzenie = Spadek regeneracji = Spadek
liczby/czynności komórek macierzystych?
Czy komórki macierzyste okażą się naszą ambrozją?
Chcę ambrozji !!!
Regenerujemy się cały czas…
•
•
•
•
Nabłonek jelita
Naskórek
Krwinki czerwone
Krwinki białe
– 2 dni
– 14 dni
– 150 dni
– 4-7 dni
NADZIEJE….
Wykorzystanie komórek macierzystych
• Obecnie:
• KM Krwiotwórcze – hematologia transplantacyjna
• KM Naskórka – oparzenia
• KM Tkanki łącznej – ubytki kostne
• Nowe potencjalne zastosowania kliniczne:
•
•
•
•
•
•
•
Zawał mięśnia sercowego
Udar mózgu
Parkinsonizm
Uszkodzenia rdzenia kręgowego
Cukrzyca
Miopatie
Uszkodzenia wątroby
Wykorzystanie komórek macierzystych
• Obecnie:
• KM Krwiotwórcze – hematologia transplantacyjna
• KM Naskórka – oparzenia
• KM Tkanki łącznej – ubytki kostne
• Nowe potencjalne zastosowania kliniczne:
•
•
•
•
•
•
•
Zawał mięśnia sercowego
Udar mózgu
Parkinsonizm
Uszkodzenia rdzenia kręgowego
Cukrzyca
Miopatie
Uszkodzenia wątroby
Wykorzystanie komórek macierzystych
• Obecnie:
• KM Krwiotwórcze – hematologia transplantacyjna
• KM Naskórka – oparzenia
• KM Tkanki łącznej – ubytki kostne
• Nowe potencjalne zastosowania kliniczne:
•
•
•
•
•
•
•
Zawał mięśnia sercowego
Udar mózgu
Parkinsonizm
Uszkodzenia rdzenia kręgowego
Cukrzyca
Miopatie
Uszkodzenia wątroby
Komórki macierzyste – “panaceum
na wszystko” ?
WIEDZA….
• U progu 3-go tysiąclecia człowiek posiadł
technologie, które do tej pory były
przypisywane istotom najwyższym…
- energia jądrowa
- klonowanie zarodków
Komórka jajowa zapłodnienie
Komórka macierzysta
(Zygota)
Ponad 200 różnych rodzajów
komórek
Embriogeneza
Zygota
Morula
Blastula
(Blastocysta)
Gastrula
Hierarchia komórek macierzystych (KM)
Totipotencjalne KM
(TKM)
Dają początek zarówno ciału zarodka, jak i tkankom łożyska.
W warunkach naturalnych totipotencjalnymi komórkami są zapłodniony
oocyt (zygota) oraz pierwsze blastomery.
W warunkach sztucznych totipotencję zachowuje odpowiednik zygoty –
tzw. klonota, powstały na skutek transferu jądra komórki somatycznej do
oocytu (ang. nuclear transfer).
Pluripotencjalne KM
(PKM)
Dają początek komórkom wszystkich trzech listków zarodkowych po
przeszczepieniu do rozwijającej się blastocysty. Pluripotencjalnymi są
komórki wewnętrznej masy blastocysty oraz epiblastu.
Multipotencjalne KM
(MKM)
Dają początek komórkom jednego listka zarodkowego (mezodermy,
ektodermy lub endodermy).
Monopotencjalne KM
lub ukierunkowane
tkankowo komórki
macierzyste
(UTKM)
Obejmują tzw. komórki ukierunkowane tkankowo, dające początek
komórkom tylko jednej linii. Należą tu m.in. KM nabłonka jelit,
krwiotwórcze KM, KM naskórka, KM nerwowe, KM wątroby oraz KM
mięśni szkieletowych.
Komórka macierzysta
•
•
•
•
Totipotencjalna - zarodek + łożysko
Pluripotencjalna - trzy listki zarodkowe
Multipotencjalna - jeden listek zarodkowy
Monopotencjalna - dana tkanka
KM Monopotencjalne
KM
Multipotencjalne
KM
Pluripotencjalne
KM
Totipotentcjalna
naskórek
wątroba
mięśnie
krew
układ
nerwowy
inne
Ukierunkowanie tkankowe (Commitment)
Pochodzenie tkanek z poszczególnych listków
zarodkowych
Ektoderma
Mózg, zwoje nerwowe, nerwy obwodowe,
oko, naskórek, przydatki skórne, komórki
barwnikowe, miazga zęba
Mezoderma Układ kwrwiotwórczy i limfatyczny, śródbłonki
naczyń, mięśnie szkieletowe, serce, tkanka
tłuszczowa, tkanka łączna (kości, ścięgna,
chrząstka), mięśniówka gładka, komórki
nabłonka cewek nerkowych
Endoderma Wątroba, trzustka, płuca, jelita, tarczyca
Cechy komórki macierzystej
• Samoodnawianie
• Stan “uśpienia” w cyklu komórkowym
• Zwiększona oporność na promieniowanie
i cytostatyki
• Cechy morfologiczne (duże jądro,
euchromatyna, wąski rąbek cytoplazmy)
PODZIAŁ KM
SYMETRYCZNY
NIESYMETRYCZNY
Nisza Komórki Macierzystej:
Wyspecjalizowany obszar mikrośrodowiska potrzebny dla prawidłowego
funkcjonowania
Hormony
Nisze Narządowe Komórek Macierzystych
•
•
•
•
•
•
•
•
Szpik kostny
Mięśnie szkieletowe
Mięsień sercowy
Mózg
Wątroba
Jelito
Naskórek
Nerka
Nisza KM – w naskórku i krypcie jelitowej
Nisze KM – w mózgu
1. Hipokamp
2. Komory mózgu
Nisze KM – w wątrobie
Rodzaje Ukierunkowanych Tkankowo Komórek
Macierzystych Izolowanych
z Tkanek Dorosłych Osobników
• Krwiotwórcze komórki macierzyste
• Komórki progenitorowe naskórka
• Komórki Mezenchymalne
• Komórki Macierzyste Mięśnia Sercowego
Rodzaje Ukierunkowanych Tkankowo Komórek
Macierzystych Izolowanych
z Tkanek Dorosłych Osobników
• Krwiotwórcze komórki macierzyste
• Komórki progenitorowe naskórka
• Komórki Mezenchymalne
• Komórki Macierzyste Mięśnia Sercowego
Szpik Kostny
Krew Mobilizowana
Krew Pępowinowa
Rodzaje Ukierunkowanych Tkankowo Komórek
Macierzystych Izolowanych
z Tkanek Dorosłych Osobników
• Krwiotwórcze komórki macierzyste
• Komórki progenitorowe naskórka
• Komórki Mezenchymalne
• Komórki Macierzyste Mięśnia Sercowego
3 weeks after
Keratinocytes - cell suspension
in fibrin-glue
cell
transplantation
3 months after
Rodzaje Ukierunkowanych Tkankowo Komórek
Macierzystych Izolowanych
z Tkanek Dorosłych Osobników
• Krwiotwórcze komórki macierzyste
• Komórki progenitorowe naskórka
• Komórki Mezenchymalne
• Komórki Macierzyste Mięśnia Sercowego
Komórki Mesenchymalne do leczenia ubytków
kostnych
Rodzaje Ukierunkowanych Tkankowo Komórek
Macierzystych Izolowanych
z Tkanek Dorosłych Osobników
• Krwiotwórcze komórki macierzyste
• Komórki progenitorowe naskórka
• Komórki Mezenchymalne
• Komórki Macierzyste Mięśnia Sercowego
Komórki Macierzyste w Leczeniu Zawału
Serca
Komórki Macierzyste w Leczeniu Zawału
Serca
W poszukiwaniu
idealnej komórki
macierzystej
(pluripotencjalnej)
Pluripotencjalna Komórka Macierzysta (PKM) Kryteria
• In vitro
– Duże jądro wypełnione euchromatyną
– Ekspresja markerów PKM (np. Oct-4, Nanog)
– Różnicuje się w komórki wszystkich trzech listków
zarodkowych
• In vivo
− Komplementacja rozwoju blastocysty
− Tworzy potworniaki u zwierzat doswiadczalnych
Potworniak u myszy doswiadczalnej
Test Komplementacji Blastocysty
Test Komplementacji Blastocysty
Nienastrzyknięta
blastocysta
Nastrzyknięta blastocysta
komórkami GFP+
Green fluorescent protein (GFP)
znajduje się w otoczce skórnej
meduzy - Aequorea victoria.
Światło białe
Światło ultrafioletowe
ETYKA….
Wojna o Komórki Macierzyste
?
?
Nie doczekałem
wykorzystania komórek
embrionalnych w terapii
a Ty?
Ja byłem z kolei
zarodkiem
doświadczalnym
Czy jest szansa,
ze bede znowu
chodzila?
Klonowanie terapeutyczne
Klonowanie reprodukcyjne
Klonowanie reprodukcyjne
Klonowanie reprodukcyjne
Jest Pan oskarzony
o klonowanie ludzi
– jaki jest wyrok
lawy przysieglych?
NIEWINNY !!!
Klonowanie reprodukcyjne
Komórki pluripotencjalne izolowane
z zarodków
• Komórki izolowane z zarodków – tworzą w organizmie biorcy
potworniaki
• Strategia budzi w naszym kręgu kulturowo-religijnym szereg
kontrowersji
• Dotychczasowe wyniki u zwierzat eksperymentalnych są
zdecydowanie “przereklamowane”
• Pojawiają się inne alternatywne strategie pozyskania komórek
pluripotencjalnych
Potworniak
Komórki pluripotencjalne izolowane
z zarodków
• Komórki izolowane z zarodków – tworzą w organizmie biorcy
potworniaki
• Strategia budzi w naszym kręgu kulturowo-religijnym szereg
kontrowersji
• Dotychczasowe wyniki u zwierzat eksperymentalnych są
zdecydowanie “przereklamowane”
• Pojawiają się inne alternatywne strategie pozyskania komórek
pluripotencjalnych
Komórki pluripotencjalne izolowane
z zarodków
• Komórki izolowane z zarodków – tworzą w organizmie biorcy
potworniaki
• Strategia budzi w naszym kręgu kulturowo-religijnym szereg
kontrowersji
• Dotychczasowe wyniki u zwierzat eksperymentalnych są
zdecydowanie “przereklamowane”
• Pojawiają się inne alternatywne strategie pozyskania komórek
pluripotencjalnych
Komórki pluripotencjalne izolowane
z zarodków
• Komórki izolowane z zarodków – tworzą w organizmie biorcy
potworniaki
• Strategia budzi w naszym kręgu kulturowo-religijnym szereg
kontrowersji
• Dotychczasowe wyniki u zwierzat eksperymentalnych są
zdecydowanie “przereklamowane”
• Pojawiają się inne alternatywne strategie pozyskania komórek
pluripotencjalnych
Różne potencjalne źródła pluripotencjalnych komórek
macierzystych (PKM).
PKM
izolowane z
bankowanych
zarodków
otrzymanych drogą
zapłodnienia in vitro
PKM
izolowane z
zarodków
otrzymanych
poprzez klonowanie
terapeutyczne
PKM
uzyskane w wyniku
transformacji
komórek
somatycznych
(indukowane PKM)
Ryzyko powstania
potworniaków
+
+
+
Problem
niezgodności
tkankowej
+
-
-
Wymagany dawca
komórki jajowej
+
+
-
Zastrzeżenia natury
etycznej
tak
tak/nie*
nie
* Problem różnie postrzegany przez różne główne religie światowe. Szereg religii potencjalnie
akceptuje klonowanie terapeutyczne (np. islam, buddyzm, judaizm) ale zdecydowana większość
odrzuca klonowanie reprodukcyjne.
Komórki macierzyste
izolowane z dorosłych
tkanek
Komórki macierzyste izolowane z dorosłych
tkanek (np. szpik kostny, krew pepowinowa)
- Jedyne komórki jak do tej pory stosowane w
klinice
- Czy są w dorosłych tkankach komórki
pluripotencjalne/multipotencjalne?
Koncepcja “plastyczności” KKM
Koncepcja “plastyczności” KKM
?
Alternatywne wyjaśnienia zjawiska transróżnicowania lub
„plastyczności” krwiotwórczych komórek macierzystych (KKM)
Fuzja komórkowa
Bardzo rzadkie zjawisko, w którym przeszczepione KKM ulegają
fuzji z komórkami uszkodzonej tkanki, tworząc heterokariony.
Powstałe heterokariony wykazują ekspresję markerów KKM
przeszczepu i uszkodzonych komórek tkanek gospodarza
(pseudochimeryzm).
Stymulacja parakrynna
KKM stanowią źródło różnych czynników wzrostowych i
angiopoetycznych, mogących promować regenerację
tkanek/organów.
Przeniesienie białek przez
mikrofragmenty błonowe
Niektóre doniesienia o „plastyczności” komórek macierzystych
mogą być wyjaśnione za pomocą zjawiska czasowej zmiany
fenotypu komórkowego, będącego wynikiem przeniesienia
receptorów, cytoplazmatycznych białek oraz mRNA między KKM a
uszkodzoną komórką, za pomocą mikrofragmentów
komorkowych.
Obecność heterogenicznej
populacji komórek
macierzystych w szpiku
kostnym
Oprócz KKM, szpik kostny zawiera także populacje innych
komórek macierzystych. Regeneracja uszkodzonych tkanek może
zostać wyjaśniona obecnością komórek progenitorowych dla
śródbłonka naczyń, które stymulują neowaskularyzację, jak
również obecnością innych komórek macierzystych, w tym
komórek pluripotencjalnych (np. VSELs). Może to tłumaczyć brak
efektu „plastyczności” przy zastosowaniu wysoko oczyszczonej
populacji KKM.
Alternatywne wyjaśnienia zjawiska transróżnicowania lub
„plastyczności” krwiotwórczych komórek macierzystych (KKM)
Fuzja komórkowa
Bardzo rzadkie zjawisko, w którym przeszczepione KKM ulegają
fuzji z komórkami uszkodzonej tkanki, tworząc heterokariony.
Powstałe heterokariony wykazują ekspresję markerów KKM
przeszczepu i uszkodzonych komórek tkanek gospodarza
(pseudochimeryzm).
Stymulacja parakrynna
KKM stanowią źródło różnych czynników wzrostowych i
angiopoetycznych, mogących promować regenerację
tkanek/organów.
Przeniesienie białek przez
mikrofragmenty błonowe
Niektóre doniesienia o „plastyczności” komórek macierzystych
mogą być wyjaśnione za pomocą zjawiska czasowej zmiany
fenotypu komórkowego, będącego wynikiem przeniesienia
receptorów, cytoplazmatycznych białek oraz mRNA między KKM a
uszkodzoną komórką, za pomocą mikrofragmentów
komorkowych.
Obecność heterogenicznej
populacji komórek
macierzystych w szpiku
kostnym
Oprócz KKM, szpik kostny zawiera także populacje innych
komórek macierzystych. Regeneracja uszkodzonych tkanek może
zostać wyjaśniona obecnością komórek progenitorowych dla
śródbłonka naczyń, które stymulują neowaskularyzację, jak
również obecnością innych komórek macierzystych, w tym
komórek pluripotencjalnych (np. VSELs).
Efekty Parakrynne Komórek Macierzystych
Poziom wydzielanych czynnikow w pg/ml
Ratajczak et al. Blood 2001;97:3075-3085
Alternatywne wyjaśnienia zjawiska transróżnicowania lub
„plastyczności” krwiotwórczych komórek macierzystych (KKM)
Fuzja komórkowa
Bardzo rzadkie zjawisko, w którym przeszczepione KKM ulegają
fuzji z komórkami uszkodzonej tkanki, tworząc heterokariony.
Powstałe heterokariony wykazują ekspresję markerów KKM
przeszczepu i uszkodzonych komórek tkanek gospodarza
(pseudochimeryzm).
Stymulacja parakrynna
KKM stanowią źródło różnych czynników wzrostowych i
angiopoetycznych, mogących promować regenerację
tkanek/organów.
Przeniesienie białek przez
mikrofragmenty błonowe
Niektóre doniesienia o „plastyczności” komórek macierzystych
mogą być wyjaśnione za pomocą zjawiska czasowej zmiany
fenotypu komórkowego, będącego wynikiem przeniesienia
receptorów, cytoplazmatycznych białek oraz mRNA między KKM a
uszkodzoną komórką, za pomocą mikrofragmentów
komorkowych.
Obecność heterogenicznej
populacji komórek
macierzystych w szpiku
kostnym
Oprócz KKM, szpik kostny zawiera także populacje innych
komórek macierzystych. Regeneracja uszkodzonych tkanek może
zostać wyjaśniona obecnością komórek progenitorowych dla
śródbłonka naczyń, które stymulują neowaskularyzację, jak
również obecnością innych komórek macierzystych, w tym
komórek pluripotencjalnych (np. VSELs).
Efekty Parakrynne Komórek Macierzystych
Mikrofragmenty Blonowe
100 nM - 1 M
30 -100 nM
(eksosomy)
Mikrofragmenty x 20 000
Mikrofragmenty blonowe – efekty parakrynne
Ratajczak MZ. Blood 2006;108:2885-2886
Alternatywne wyjaśnienia zjawiska transróżnicowania lub
„plastyczności” krwiotwórczych komórek macierzystych (KKM)
Fuzja komórkowa
Bardzo rzadkie zjawisko, w którym przeszczepione KKM ulegają
fuzji z komórkami uszkodzonej tkanki, tworząc heterokariony.
Powstałe heterokariony wykazują ekspresję markerów KKM
przeszczepu i uszkodzonych komórek tkanek gospodarza
(pseudochimeryzm).
Stymulacja parakrynna
KKM stanowią źródło różnych czynników wzrostowych i
angiopoetycznych, mogących promować regenerację
tkanek/organów.
Zmiana fenotypu przez
mikrofragmenty błonowe
Niektóre doniesienia o „plastyczności” komórek macierzystych
mogą być wyjaśnione za pomocą zjawiska czasowej zmiany
fenotypu komórkowego, będącego wynikiem przeniesienia
receptorów, cytoplazmatycznych białek oraz mRNA między KKM a
uszkodzoną komórką, za pomocą mikrofragmentów
komorkowych.
Obecność heterogenicznej
populacji komórek
macierzystych w szpiku
kostnym
Oprócz KKM, szpik kostny zawiera także populacje innych
komórek macierzystych. Regeneracja uszkodzonych tkanek może
zostać wyjaśniona obecnością komórek progenitorowych dla
śródbłonka naczyń, które stymulują neowaskularyzację, jak
również obecnością innych komórek macierzystych, w tym
komórek pluripotencjalnych (np. VSELs).
Ratajczak M.Z. et al. Leukemia 2012, 26, 1166 -- 1173.
Ratajczak M.Z. et al. Leukemia 2012, 26, 1166 -- 1173.
Komórki macierzyste izolowane z dorosłych
tkanek (np. szpik kostny, krew pepowinowa)
- Jedyne komórki jak do tej pory stosowane w
klinice
- Czy są w dorosłych tkankach komórki
pluripotencjalne/multipotencjalne?
Zarodek
Scenariusz 1
PKM
UTKM
Scenariusz 2
PKM
UTKM + uspione PKM
Zarodek
Scenariusz 1
PKM
UTKM
Scenariusz 2
PKM
UTKM + uspione PKM
Komórki pluripotencjalne/multipotencjalne w dorosłych
tkankach
• Multipotent Adult Stem Cells (MASC)
• Elutriation-, Lin-, after BM homing-derived cells (ELH)
• Multilineage-differentiating stress-enduring cells (Muse)
• Multipotent Adult Progenitor Cells (MAPC)
• Unrestricted Somatic Stem Cells (USSC)
• Marrow Isolated Adult Multilineage Inducible Cells (MIAMI)
• Omnicytes,
• UCB-derived Embryonic-like stem cells
• Spore like stem cells
Nanog
Oct4
SSEA-1
Kucia et al. Leukemia 2006,20:857-869
Komórka macierzysta krwiotwórcza
Sca-1+lin-CD45+
Sca-1+lin-CD45-
Komórka macierzysta VSEL
(Very Small Embryonic-Like stem cell)
VSELs sa obecne w roznych narzadach myszy (panel A) liczba
ich zmniejsza sie z wiekiem (panel B)
A
B
Content of VSELs [%]
0.08
0.07
0.06
0.05
0.04
0.03
0.02
0.01
0.00
2
4
7
10
12 18
Age of mice [months]
Zuba-Surma et al. Cytometry 2008, 73, 1116-1127.
Ratajczak et al. Exp. Gerontology 2008, 43, 1009-1017.
24
36
Krew pepowinowa - VSELs
1 m
1 m
1 m
Krew mobilizowana - VSELs
1 m
1 m
1 m
Alternatywne wyjaśnienia zjawiska transróżnicowania lub
„plastyczności” krwiotwórczych komórek macierzystych (KKM)
Fuzja komórkowa
Bardzo rzadkie zjawisko, w którym przeszczepione KKM ulegają
fuzji z komórkami uszkodzonej tkanki, tworząc heterokariony.
Powstałe heterokariony wykazują ekspresję markerów KKM
przeszczepu i uszkodzonych komórek tkanek gospodarza
(pseudochimeryzm).
Stymulacja parakrynna
KKM stanowią źródło różnych czynników wzrostowych i
angiopoetycznych, mogących promować regenerację
tkanek/organów.
Przeniesienie białek przez
mikrofragmenty błonowe
Niektóre doniesienia o „plastyczności” komórek macierzystych
mogą być wyjaśnione za pomocą zjawiska czasowej zmiany
fenotypu komórkowego, będącego wynikiem przeniesienia
receptorów, cytoplazmatycznych białek oraz mRNA między KKM a
uszkodzoną komórką, za pomocą mikrofragmentów
komorkowych.
Obecność heterogennej
populacji komórek
macierzystych w szpiku
kostnym
Oprócz KKM, szpik kostny zawiera także populacje innych
komórek macierzystych. Regeneracja uszkodzonych tkanek może
zostać wyjaśniona obecnością komórek progenitorowych dla
śródbłonka naczyń, które stymulują neowaskularyzację, jak
również obecnością innych komórek macierzystych, w tym
komórek pluripotencjalnych (np. VSELs).
Ratajczak M.Z. et al. Leukemia 2012, 26, 1166 -- 1173.
Koncepcja krążących KM
Komórki macierzyste krwiotwórcze
(KKM) krążą w krwi obwodowej w celu
utrzymania równowagi puli KKM w
różnych miejscach organizmu, ale...
...gromadzone są dowody, że
również PKM krążą we krwi...
CXCR4
SDF-1
gradient
SDF-1
gradient
SDF-1
gradient
SDF-1
gradient
SDF-1
gradient
VSELs kraza we krwi w stanach stresu i uszkodzen narzadowych
VSELs - nowa koncepcja
hierarchii komórek
macierzystych – nowe
spojrzenie na procesy
starzenia i nowotworzenia
?
VSEL
Heat-Map Analysis for
Ct Value from realtime
PCR
(Heatmap builder)
HSC
MNC ESC-D3
Pluripotency
Epiblast
Germ-line
Specification
Germ-line
Development
DNA
methylation
C/T antigen
Imprinted
genes
Cell Cycle
Shin et al. Leukemia 2010, 24, 1450–1461
VSEL
Heat-Map Analysis for
Ct Value from realtime
PCR
(Heatmap builder)
HSC
MNC ESC-D3
Pluripotency
Epiblast
Germ-line
Specification
Germ-line
Development
DNA
methylation
C/T antigen
Imprinted
genes
Cell Cycle
Shin et al. Leukemia 2010, 24, 1450–1461
I.
Najwcześniejsze rozwojowo
komórki w dorosłych tkankach
maja potencjał komórek lini
zarodkowej
Oocyt
Plemnik
+
Zygota
Morula
Trofoektoderma
Trofoektoderma
ICM
Epiblast
?
Mezoderma
Ektoderma
Endoderma
?
Pierwotne
komórki
gamet
(PGC)
Gamety
Ratajczak et al. Leukemia 2007, 21, 860-867.
Mezoderma
Ektoderma
Endoderma
Linia zrodkowa jest szkieletem
ukladu komorek macierzystych w
doroslym organizmie
Nervous System
Quiescence
extra-embryonic
ectoderm
1. Ectopic niche
2. Inhibitory factors
Muscles
PGC
precursors
3. Erasure of the somatic
Fetal Liver
Bone Marrow
EPIBLAST
(primitive ectoderm)
Embryo
VSEL status
imprint
Activation
1. Inflammation, tissue injury
Myocardium
2. Epigenetic changes
3. Reestablishment of the
somatic imprint
Legend:
SDF-1 gradient
CXCR4+ epiblast derived cells/PGC (VSEL)
Ratajczak et al. J Autoimmunity 2008:30;151-162.
Genital Ridges
Adrenal Glands
Oocyt
Plemnik
+
Zygota
Morula
Trofoektoderma
Trofoektoderma
ICM
Epiblast
Usunięcie
imprintu
?
Mezoderma
Ektoderma
Endoderma
?
Pierwotne
komórki
gamet
(PGC)
Gamety
Ratajczak et al. Leukemia 2007, 21, 860-867.
Usunięcie
imprintu
Mezoderma
Ektoderma
Endoderma
II.
Najwcześniejsze rozwojowo
komórki w dorosłych tkankach
podlegaja regulacji insulinowymi
czynnikami wzrostowymi
Primordial germ cells
Primordial germ cells
Primordial germ cells
Primordial germ cells
VSEL?
Sygnałowanie Insulinowe
Proliferacja komórek
Efekty Metaboliczne
Piętno genomowe (imprint) w locus Ig2-H19
Ratajczak MZ et al. Leukemia 2013, 27:773-779
Piętno genomowe (imprint) w locus Ig2-H19
Jin-Yang locus
Ratajczak MZ et al. Leukemia 2013, 27:773-779
Usuniecie imprintingu
w locus Igf2-H19 w
VSELs – kontroluje ich
proliferację
Usunięcie pietna genomowego (imprintingu) w locus
IGF2-H19 w pierwotnych komórkach zarodkowych i
VSELs
Normal Somatic Imprint
Ratajczak MZ et al. Leukemia 2013, 27:773-779
Erasure of Imprint
Usunięcie piętna genomowego (imprintingu) w locus
IGF2-H19 w pierwotnych komórkach zarodkowych i
VSELs
Ratajczak MZ et al. Leukemia 2013, 27:773-779
Komórki VSEL wykazują zmniejszoną wrazliwość na
insulinopodobne czynniki wrostowe.
III.
Najwcześniejsze rozwojowo
komórki w dorosłych tkankach a
procesy starzenia i nowotworzenia
Sygnałowanie Insulinowe
Proliferacja komórek
Efekty Metaboliczne
Oś - Hormon wzrostu/Insulina/IGF-1
Hormon wzrostu
Restrykcja
kaloryczna
Insulina
Insulin-like growth factor-1
Oś - Hormon wzrostu/Insulina/IGF-1
Hormon wzrostu
Insulin-like growth factor-1
Restrykcja
kaloryczna
Insulina
Wydłużenie przeżycia
Mniejsze ryzyko nowotworzenia
Oś - Hormon wzrostu/Insulina/IGF-1
Hormon wzrostu
Insulin-like growth factor-1
Restrykcja
kaloryczna
Insulina
Wydłużenie przeżycia
Mniejsze ryzyko nowotworzenia
Dieta wysoko
Hormon wzrostu
kaloryczna
Insulina
Insulin-like growth factor-1
Oś - Hormon wzrostu/Insulina/IGF-1
Hormon wzrostu
Insulin-like growth factor-1
Restrykcja
kaloryczna
Insulina
Wydłużenie przeżycia
Mniejsze ryzyko nowotworzenia
Dieta wysoko
Hormon wzrostu
kaloryczna
Insulina
Insulin-like growth factor-1
Skrócenie przeżycia
Zwiększone ryzyko nowotworzenia
Insulina/Insulinowo podobne czynniki wzrostu a starzenie
Zmniejszone sygnałowanie w wyniku mutacji = wydłużone przeżycie
Drożdze
Robaki
Muszka owocowa
Myszy
Os Hormon Wzrostu/Insulina/IGF1 oraz IGF-2 w Starzeniu
Niski poziom IGF-1 we krwi – długożyjące myszy
- Laron dwarfs
- Ames dwarfs
- GH -/- mice
- PAPP-A -/- RasGRF1-/- mice
Wysoki poziom IGF-1 we krwi – krótkożyjące myszy
- bGH transgenic mice
- Igf-2 transgenic mice
*
GHR+/- GHR-/2 months old
Kucia M. et al. AGE 2013; 35:315–330
GHR+/- GHR-/2 years old
HSC ratio
*
No. of Sca-1+lin-CD45+ cells
per 106 BMMNC/body weight
VSEL ratio
No. of Sca-1+lin-CD45- cells
per 106 BMMNC/body weight
Wzrost VSELs (lewy panel) and KKM (prawy panel) u 2
miesięcznych i 2 letnich myszy karłow Larona (GHR-/-) w
porównaniu do myszy kontrolnych (GHR+/-).
*
*
GHR+/GHR-/2 months old
GHR+/- GHR-/2 years old
VSEL ratio
No. of Sca-1+lin-CD45- cells
per 106 BMMNC/body weight
HSC ratio
No. of Sca-1+lin-CD45+ cells
per 106 BMMNC/body weight
Spadek VSELs (lewy panel) and KKM (prawy panel) u 6
miesiecznych i 1 rocznych myszy transgenicznych z genem
hormonu wzrostu w porównaniu do myszy kontrolnych
normal
bGH
6 months
Kucia M. et al. AGE 2013; 35:315–330
normal
1 year
bGH
normal
bGH
6 months
normal
bGH
1 year
2-letnie myszy karły Larona sa płodne
Mysz kontrolna
Mysz karzeł Larona
Starzenie
Mam dużo
VSELs !!!
Ja już nie !!!
Liczba komórek VSEL w szpiku zmniejsza się z wiekiem
0.08
Zawartość VSELs [%]
0.07
0.06
0.05
0.04
0.03
0.02
0.01
Wiek myszy
[miesiące]
0.00
2
4
7
10
12
18
24
36
Liczba komórek VSEL w szpiku zmniejsza się z wiekiem
Wyzwanie dla nowoczesnej
farmakologii !!!
0.08
Zawartość VSELs [%]
0.07
0.06
0.05
0.04
0.03
0.02
0.01
Wiek myszy
[miesiące]
0.00
2
4
7
10
12
18
24
36
Nowotwory wywodzą się z populacji komórek
macierzystych
• Nowotwory wzrastają raczej ze zmutowanych komórek macierzystych,
niż z komórek somatycznych ulegających odróżnicowaniu. Komórki
macierzyste nowotworu są odpowiedzialne za jego wzrost, odnowę oraz
przerzutowanie.
• Nowotworzenie wiąże się z nieprawidłowymi mechanizmami
kontrolującymi regenerację tkanek oraz samoodnowę komórek
macierzystych.
• Obecność nowotworów towarzyszących chronicznym stanom zapalnym
potwierdza model nowotworu, jako efektu ciągłych procesów
naprawczo-regeneracyjnych.
Teoria powstawania nowotworow z tzw. “resztek embrionalnych”
1829 – J. Recamier; 1854 – R. Remak; 1958 – R. Virchow
Zaproponowali, że nowotwory powstają z przetrwałych tkanek płodowych.
1874 – F. Durante; 1875 – J. Cohnheim – Sugerowali, że w tkankach znajdują się
embrionalne, które jeśli ulegną aktywacji, tworzą nowotwory.
1910 – Wright – Zaproponował, że guz Willmsa (nephroblastoma) wywodzi się
z komórek zarodkowych
1911 – J. Beard – Nowotwory powstają z trofoblastu lub przetrwałych komórek
zarodkowych
Rudolf Virchow
Julius Cohnheim
John Beard
komórki
Dane potwierdzające powstawanie nowotworów z komórek linii
zarodkowej
•
Obecność klasycznych guzów linii germinalnej – miednica, sródpiersie, mózg.
np. nasieniak, guzy jajnika, yolk sac tumor, teratoma, teratocarcinoma
•
Obecność tzw. Cancer Testis (C/T) Antigens w komórkach wielu guzow litych (np.,
guzach zoladka, pluc, watroby, pecherza moczowego, czerniaku, medulloblastoma,
miesakach dzieciecych).
50
40
30
20
MNC
0
HSC
10
VSEL
0
MNC
50
VSELs –
wykazują
ekspresje
C/T Antigens
Ssbx1
60
Fold difference (mRNA)
100
HSC
0
150
VSEL
100
MAGE-B3
200
Fold difference (mRNA)
200
MNC
MNC
0
HSC
50
300
HSC
100
400
VSEL
150
VSEL
Fold difference (mRNA)
200
MAGE-A10
500
Fold difference (mRNA)
MAGE-A2
250
•
Wykrywanie obecności gonadortopiny lozyskowej (hCG) oraz/lub antygenu
karcyembrionalnego (CEA) w przebiegu szeregu nowotworów
•
Ekspresja Oct-4 w komórkach wielu guzów nowotworowych (np. raka żołądka,
płuc, pęcherza moczowego, guzach sluzówki jamy ustnej).
Ratajczak et al. Am J Pathology 2009, 174, 1985-1992.
Utrata piętna genomowego w zespole
Beckwith-Wiedemanna
Normal Somatic Imprint
Ratajczak MZ et al. Leukemia 2013, 27:773-779
Loss of Imprint (LOI)
Utrata pietna genomowego w zespole
Beckwith-Wiedemanna
Ratajczak MZ et al. Leukemia 2013, 27:773-779
Karły Larona – Defekt receptora hormonu wzrostu w
wątrobie – bardzo niski poziom krązącego IGF-I w
surowicy krwi
Karły Larona – Defekt receptora hormonu wzrostu w wątrobie –
bardzo niski poziom krązącego IGF-I w surowicy krwi
Insulina – Insulino podobne czynniki
wzrostowe i ich wplyw na VSELs
Zmniejszenie stymulowania
insuliną oraz insulino
podobnymi czynnikami
wzrostowymi:
Przewlekłe stymulowanie
insuliną oraz insulino
podobnymi czynnikami
wzrostowymi :
- Chroni VSELs przed
przedwczesnym starzeniem
- Przedwczesne starzenie i
eliminacja VSELs z tkanek
- Zapewnia prawidłowa
regenerację narządów.
- Ryzyko ransformacji
nowotworowej.
Problemy do zapamiętania
• Komórka macierzysta totipotencjalna a pluripotencjalna
• Definicja komórki macierzystej ukierunkowanej tkankowo
• Potencjalne źródła komórek pluripotencjalnych dla medycyny
regeneracyjnej – plusy i minusy
• Plastyczność krwiotwórczych komórek macierzystych –
alternatywne mechanizmy wyjaśniające
• Nisze tkankowe KM
• Krążenie komórek macierzystych w ustroju
• Rola KM lokalnych i krążących w regeneracji narządów
• Komórki VSELs – pochodzenie i potencjalna rola w ustroju
w stanach fizjologii i patologii
• Metylacja regionu regulatorowego genu Igf2-H19 w fizjologii i
patologii KM