Научная электронная библиотека

Монографии, изданные в издательстве Российской Академии Естествознания

ПАРАТГОРМОН-РОДСТВЕННЫЙ ПРОТЕИН

Курзанов А. Н., Ледванов М. Ю., Быков И. М., Медведев В. Л., Стрыгина Е. А., Бизенкова М. Н., Заболотских Н. В., Ковалев Д. В., Стукова Н. Ю.,

5.4.2.3. Тканевая инженерия хряща с использованием стволовых клеток

Аутологичная имплантация хондроцитов обеспечивает временное облегчение пациентам. Эти подходы неспособны восстановить функциональность поврежденной ткани в течение длительного времени (Redman S.N., et al., 2005; Schek R.M., et al., 2004). Проблемы, связанные с использованием первичных хондроцитов могут быть решены путем использования альтернативного источника клеток для лечения хряща которым являются стволовые клетки и технологий тканевой инженерии для создания функционально значимых хрящевых трансплантатов. Применение стволовых клеток для тканевой инженерии хряща постоянно увеличивается по сравнению с использованием хондроцитов (Ahmed T.A., Hincke M.T., 2014). В контексте тканевой инженерии хряща основными источниками стволовых клеток являются взрослые мезенхимальные стволовые клетки и эмбриональные стволовые клетки (Heng B.C. et al., 2004). Благодаря перепрограммированию с использованием определенных генных и белковых факторов последние достижения в биологии стволовых клеток позволили генерировать индуцированные источники плюрипотентных стволовых клеток (iPSC) из соматических клеток, таких как фибробласты кожи, которые легко доступны (Takahashi K. et al., 2007). Это потенциально позволяет персонализировать терапию, специфичную для пациента.

Взрослые стволовые клетки, полученные из различных тканей, рассматриваются в качестве предшественников различных типов клеток (Pittenger M.F., et al., 1999). Среди взрослых мультипотентных стволовых клеток мезенхимальные стволовые клетки являются перспективными клетками-кандидатами для тканевой инженерии (Griffith L.G., Naughton G., 2002) из-за легкости с которой они могут быть изолированы и размножены (Kuo C.K., Tuan R.S., 2003) и их возможности многоуровневой дифференциации (Bruder S.P., et al., 1997). Из-за мультипотентности МСК могут расти не теряя способности проходить хондрогенную дифференцировку и поэтому являются источниками клеток для восстановления поврежденных тканей хряща (Weissman I.L. 2000; Sekiya et al., 2002; Pelttari et al., 2006). Большая изменчивость в способности дифференциации существует среди тканеспецифических стволовых клеток, (Pizzute T., et al., 2014), которые могут обеспечить основу для регенерации гиалинового хряща высокого качества с минимальным потенциалом для гипертрофии (Jones B.A., Pei M., 2012).

Мезенхимальные стволовые клетки могут быть потенциально подходящими заменителями в качестве источника клеток, поскольку они присутствуют в больших количествах в жировой ткани, костном мозге, синовиальной и хрящевой тканях, желе Wharton (Wang H.S., et al., 2004) и амниотической жидкости [49] (Williams R. et al., 2010; De Coppi P., et al., 2007). Мало что известно о МСК человеческих дыхательных путей, но МСК легких человека имеют сходный профиль транскрипции с костномозговыми МСК (Sinclair K., et al., 2016). Взрослый костный мозг содержит МСК, которые способствуют регенерации мезенхимальных тканей, таких как кость, хрящ, мышца, связка, сухожилия, жировая ткань, строма костного мозга и другие соединительные ткани (Pittenger M.F., et al., 1999; Caplan A.I. 1990) и могут быть получены c использованием минимально инвазивных методов. Мезенхимальные стволовые клетки, выделенные из костного мозга, жировой ткани, или пуповины демонстрируют значительные перспективы для использования при восстановлении хряща (Yoo J.U., et al., 1998).

Существует большая вариабельность дифференциальной емкости между тканевыми стволовыми клетками, которые могут варьироваться в пределах одного и того же типа клеток (Pizzute T., et al., 2014; Demoor M., et al., 2014). Оптимальный выбор стволовой клетки необходим для получения благоприятных результатов в регенеративной медицине. Для тканевой инженерии на основе стволовых клеток, необходимо использовать наиболее подходящий тип МСК, наиболее соответствующий задачам исследования. Сравнение функциональности и фенотипической устойчивости хрящевых тканей, сконструированных с использованием стволовых клеток, полученных из костного мозга, из жировой ткании, и стволовых клеток, полученных из синовиальной мембраны, культивированных в хондрогенной среде, дополненной трансформирующим фактором роста β3 показало, что после 49 дней культивирования in vitro конструкции из стволовых клеток синовиальной мембраны накапливали самые высокие уровни сульфатированного гликозаминогликана и коллагена и были механически более жесткими, чем конструкции, сконструированные с использованием других типов клеток (Vinardell T., et al., 2012). Синовиальные стволовые клетки обладают большой способностью к пролиферации и хондрогенной дифференциации, малым потенциалом гипертрофии и являются тканеспецифичными для восстановления хряща. Утверждается, что синовиальные стволовые клетки являются наиболее подходящим источником стволовых клеток для хрящевой инженерии и регенерации (Jones B.A, Pei M., 2012). Утверждается, что для инженерии тканей хряща клетки костного мозга, синовиума и перистостеума обладают наибольшей способностью к хондрогенезу (Sakaguchi Y., et al., 2005; Yoshimura H., et al., 2007). В последнее время больше внимания уделяется превосходной способности синовиальных МСК генерировать компоненты внеклеточного матрикса, включая коллаген II типа и аггрекан после добавления соответствующих ростовых факторов стимулирующих хондрогенез (Sampat S.R., et al., 2011; Kim J.H., et al., 2011; Fan J., et al., 2009).

Биоактивные паракринные факторы, секретируемые МСК, участвуют в регуляции некоторых, если не всех, полезных эффектов при модуляции микроокружения поврежденной ткани, что приводит к более благоприятным условиям для их регенерации (Park C.W., et al., 2009). МСК выделяют пул паракринных факторов, которые в совокупности называются assecretome, состоящий из различных белков для различных биологических функций, включая иммунную регуляцию, ангиогенез, антиапоптоз, антиоксидантные эффекты, клеточное самонаведение и стимулирование клеточной дифференцировки (Liang X., et al., 2014). МСК высвобождают цитокины, инициирующие восстановление хряща, за которым следует хондрогенная пролиферация вместе с секрецией протеаз внеклеточного матрикса и факторами роста. Эти факторы в совокупности составляют важную часть секреции МСК и стимулируют восстановление хряща. Недавнее исследование показало, что МСК выделяли различные лиганды хемокинов, сосудистый эндотелиальный фактор роста A и интерлейкин 6 при экспонировании синовиальной жидкости пациентов с ранней и поздней стадией остеоартрита (Gomez-Aristizabal A., et al., 2017). Секретируемые паракринные факторы могут быть обнаружены во внеклеточных транспортных средствах, которые состоят из различных молекул, включая липиды, белки, РНК (мРНК и некодирующие РНК) и подтипы ДНК (Raposo G., Stoorvogel W., 2013).

Несмотря на то, что МСК продемонстрировали большие перспективы в регенерации хряща очень важно обеспечить их эффективную дифференцировку в хондроциты и поддерживать этот дифференцированный фенотип перед имплантацией. При правильных условиях культивирования, содержащих определенные экзогенные факторы роста, которые способствуют хондрогенезу или демонстрируют хондрогенный эффект как in vivo, так и in vitro, МСК могут быть индуцированы на хондрогенную дифференциацию. Утверждается, что разработка эффективных протоколов дифференциации может обеспечить контролируемую дифференциацию МСК в функциональные хондроциты и позволит уменьшить спонтанную дифференциацию стволовых клеток до расходящихся линий, отличающихся от желаемой хондрогенной линии и это особенно важно для лучшей терапевтической эффективности при восстановлении хряща (Toh W., 2014; Toh W.S. et al., 2014). Кроме направления дифференциации стволовых клеток в хондрогенную линию, контроль фенотипической стабильности образования хряща после дифференциации также имеет решающее значение. Часто факторы дифференциации и условия, которые усиливают хондрогенную дифференциацию стволовых клеток, также предрасполагают дифференцированные хондроцитоподобные клетки к преждевременной гипертрофии, с терминальной прогрессией к апоптозу и замещением костным образованием в физиологическом процессе, известном как эндохондральная оссификация. Функциональная хондрогенная дифференциация и стабильность фенотипа образования хряща являются критическими факторами в клиническом применении стволовых клеток для восстановления хряща.