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