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