Управление дифференцировкой стволовых клеток

Стволовые клетки уникальны тем, что у них есть выбор: продолжать развитие по пути самообновления или дифференцироваться в специализированные клетки какой-либо ткани. Известно, что выбор пути развития стволовой клетки определяется уникальными сигналами, содержащимися в ее микроокружении. Потенциал использования стволовых клеток в регенеративной медицине зависит от возможности сохранения свойств этих клеток in vitro до их трансплантации в организм реципиента.

Успех применения стволовых клеток в регенеративной медицине во многом зависит от знаний о составе микроокружения этих клеток (Fuchs et al., 2004; Watt and Hogan, 2000). Важно, чтобы стволовые клетки сохраняли способность к регенерации тканей после их изъятия из естественной среды, культивирования in vitro и трансплантации. Например, находясь в костном мозге, человеческие мезенхимные стволовые клетки (human mesenchymal stem cells - hMSC) сохраняют плюрипотентность, а при культивировании in vitro часто спонтанно дифференцируются, что происходит, видимо, из-за резкой смены микроокружения. До недавнего времени считалось, что для управления свойствами стволовых клеток in vitro достаточно определенных молекулярных факторов. Однако, как было показано в работе, недавно опубликованной в журнале Cell (Engler et al., 2006), эластичность матрикса также может направлять дифференцировку мезенхимных стволовых клеток. Так, мягкие матриксы, подобные по механическим свойствам внеклеточным матриксам нервной ткани, обладают нейрогенным эффектом; более жесткие – миогенным эффектом; жесткие матриксы, сходные с матриксом костной ткани, стимулируют дифференцировку мезенхимных стволовых клеток в остеоциты (клетки костной ткани). Интересно, что только на первой неделе культивирования мезенхимных стволовых клеток на этих матриксах возможно репрограммирование клеток с помощью растворимых факторов, а по прошествии нескольких недель дифференцировка клеток определяется только эластичностью матрикса. Таким образом, физические свойства микроокружения могут определять морфологические изменения клеток и направление их дифференцировки.

Поскольку мезенхимные стволовые клетки «чувствуют» физические свойства матрикса, существует некий механизм передачи сигнала от матрикса внутрь клетки. Главными «подозреваемыми» на пост связного оказались актиновые структуры, образующие фокальные контакты (Beningo et al., 2001; Tamada et al., 2004). Под фокальными контактами понимают макромолекулярные динамические комплексы, включающие до 100 различных белков, посредством которых передаются регуляторные сигналы от внеклеточного матрикса к клетке. Сложные мембранные молекулы, такие как гепарансульфатные протеогликаны (heparan sulfate proteoglycans – HSPGs), участвуют в передаче пространственной информации от микроокружения к клетке, вызывая, в зависимости от сигнала, адгезию или миграцию. Клетки получают сигнал к миграции или к фокальной адгезии путем взаимодействия мембранных клеточных рецепторов (например, интегринов) с белками внеклеточного матрикса (через гепарансульфатные боковые цепи протеогликанов) с одной стороны, и белками цитоскелета (посредством цитоплазматических доменов гепарансульфатных протеогликанов) с другой стороны (Couchman et al., 2001; Bishop et al., 2007). Таким образом, «принятие» клеткой судьбоносных решений зависит от сопряжения сигналов, поступающих от связывания с гепарансульфатными протеогликанами, и механизмов адгезии, опосредованных интегринами (Bishop et al., 2007).

Значение гепарансульфатных протеогликанов в эмбриогенезе и в физиологии млекопитающих хорошо освещено в нескольких обзорах (Bishop et al., 2007; Bulow and Hobert, 2006; Hacker et al., 2005; Haltiwanger and Lowe, 2004). Гепарансульфатные боковые цепи могут связывать не только ростовые факторы, цитокины и хемокины, но и морфогены – сигнальные молекулы, непосредственно влияющие на формирование тканей и локализацию специализированных клеток внутри ткани (такие как сигнальные белки Wnt и Shh; Dhoot et al., 2001), гликопротеины внеклеточного матрикса (Perrimon and Bernfield, 2000), а также комплексы протеаз и прочих ферментов (Cool and Nurcombe, 2006; Nurcombe and Cool, 2007). Таким образом, гепарансульфаты участвуют в управлении формированием ткани в эмбриогенезе и ее репарацией при помощи точной регулировки молекулярных взаимодействий, включающих передачу сигналов от внеклеточного матрикса. За это гепарансульфатные протеогликаны называют «катализаторами молекулярных взаимодействий» («catalysts of molecular encounter») (Lander, 1998).

Известно, что такие отличительные свойства стволовых клеток, как самообновление и плюрипотентность, также основываются на создаваемом ими же микроокружении. Недавно было продемонстрировано, что самообновление и плюрипотентность человеческих эмбриональных стволовых клеток (чЭСК) можно поддерживать с помощью аутологичных производных чЭСК - клеток, подобных человеческим эмбриональным фибробластам (hES fibroblast-like cells, hdFs) (Bendall et al., 2007). Бендэл С. К. (Bendall et al., 2007) предполагает, что рост и дифференцировка чЭС клеток регулируется паракриновыми факторами (в основном инсулин-подобным фактором роста, IGF-II), высвобождаемыми клетками hdFs, которые спонтанно дифференцируются из чЭСК, формируя их микроокружение (регуляторную нишу). Несмотря на то, что концепция регуляторных ниш не нова, в этом исследовании впервые было показано формирование аутологичного микроокружения чЭСК после их извлечения из бластоцисты.

Мы рассмотрим работы, освещающие ключевые элементы, задействованные в передаче сигналов, определяющих судьбу клетки. Скорее всего, имеющиеся данные не до конца раскрывают роль выявленных к настоящему времени сигнальных факторов в определении судьбы стволовой клетки из-за сложности взаимодействия клеток с их микроокружением. Возможно, с помощью специально сконструированных синтетических носителей можно будет воссоздавать микроокружение каждой отдельной стволовой клетки и индуцировать их направленную дифференцировку. Применение таких носителей поможет осуществлять адресную доставку стволовых клеток или биоактивных молекул в те органы и ткани, где необходимо стимулировать репарацию.

Перед применением результатов исследований, проведенных in vitro, в репаративной терапии, необходимо оценить выживаемость стволовых клеток в реципиентном организме и реакцию на них иммунной системы хозяина. При трансплантации человеческих мезенхимных стволовых клеток под кожу мышам с индуцированным иммунодефицитом обнаружилось, что основная часть трансплантированных клеток погибает в течение шести недель (Luong-Van et al., 2007). Этот эксперимент подчеркивает необходимость контроля реакции реципиентного организма на трансплантацию. Возможно, более результативным было бы использование гомогенной популяции стволовых клеток, например, из амниотической жидкости (Kolambkar et al., 2007), или клеток, прошедших селекцию по поверхностным маркерам (Rider et al., 2007). Мезенхимные стволовые клетки, выделенные из костного мозга, представляют из себя гетерогенную клеточную популяцию. С помощью селекции по альфа-1-интегрину (CD49a) изолировали однородную группу мезенхимных стволовых клеток, которые обладали наилучшей выживаемостью и наибольшим дифференцировочным потенциалом (Rider et al., 2007). Одним из подходов, позволяющим избежать низкой выживаемости пересаженных клеток, является трансплантация безклеточной биоактивной конструкции, содержащей молекулы, стимулирующие дифференцировку аутологичных стволовых клеток реципиентного организма, таких как гепарансульфат (Kumarasuriyar et al., 2007; Nurcombe et al., 2007; Woodruff et al., 2007) или хондроитинсульфат (Hui et al., 2007). Гепарансульфат, помещенный в составе фибринового гидрогеля в место повреждения кости в модели на крысах, значительно улучшал заживление костей и обладал остеогенным эффектом (Woodruff et al. 2007). Эксперимент продемонстрировал простую альтернативу аутологичной пересадке костей и терапии с помощью ростовых факторов. Внутрисуставные инъекции гидрогеля с хондроитинсульфатом в поврежденные коленные суставы кроликов показали быстрое восстановление суставной ткани и высокую биосовместимость гидрогеля с тканями организма (Hui et al., 2007). Добавление хондроитинсульфата в культуру хондроцитов (клеток хрящевой ткани) in vitro стимулировало пролиферацию клеток.

Результаты последних работ внушают оптимизм в отношении использования знаний о влиянии микроокружения стволовых клеток на их дальнейшую судьбу. Новый механистический взгляд, скорее всего, позволит решить проблемы, возникающие на пути внедрения стволовых клеток в регенеративную медицину.


Литература:

1. Bendall SC, Stewart MH, Menendez P, George D, Vijayaragavan K, Werbowetski-Ogilvie T, Ramos-Mejia V, Rouleau A, Yang J, Bosse M, Lajoie G, Bhatia M (2007). IGF and FGF cooperatively establish the regulatory stem cell niche of pluripotent human cells in vitro. Nature 448(7157): 1015-21.
2. Beningo KA, Dembo M, Kaverina I, Small JV, Wang YL (2001). Nascent focal adhesions are responsible for the generation of strong propulsive forces in migrating fibroblasts. J Cell Biol 153(4): 881-8.
3. Bishop JR, Schuksz M, Esko JD (2007). Heparan sulphate proteoglycans fine-tune mammalian physiology. Nature 446(7139): 1030-7.
4. Bulow HE, Hobert O (2006). The molecular diversity of glycosaminoglycans shapes animal development. Annu Rev Cell Dev Biol 22: 375-407.
5. Cool SM, Nurcombe V (2006). Heparan sulfate regulation of progenitor cell fate. J Cell Biochem 99(4): 1040-51.
6. Couchman JR, Chen L, Woods A (2001). Syndecans and cell adhesion. Int Rev Cytol 207: 113-50.
7. Dhoot GK, Gustafsson MK, Ai X, Sun W, Standiford DM, Emerson CP Jr (2001). Regulation of Wnt signaling and embryo patterning by an extracellular sulfatase. Science 293(5535): 1663-6.
8. Engler AJ, Sen S, Sweeney HL, Discher DE (2006). Matrix elasticity directs stem cell lineage specification. Cell 126(4): 677-89.
9. Fuchs E, Tumbar T, Guasch G (2004). Socializing with the neighbors: stem cells and their niche. Cell 116(6): 769-78.
10. Hacker U, Nybakken K, Perrimon N (2005). Heparan sulphate proteoglycans: the sweet side of development. Nat Rev Mol Cell Biol 6(7): 530-41.
11. Haltiwanger RS, Lowe JB (2004). Role of glycosylation in development. Annu Rev Biochem 73: 491-537.
12. Hui JH, Chan SW, Li J, Goh JC, Li L, Ren XF, Lee EH (2007). Intra-articular delivery of chondroitin sulfate for the treatment of joint defects in rabbit model. J Mol Histol (in press).
13. Kolambkar YM, Peister A, Soker S, Atala A, Guldberg RE (2007). Chondrogenic differentiation of amniotic fluid-derived stem cells. J Mol Histol. doi:10.1007/s10735-007-9118-1378.
14. Kumarasuriyar A, Dombrowski C, Rider DA, Nurcombe V, Cool SM (2007). A Novel Use of TAT-EGFP to validate techniques to alter osteosarcoma cell surface glycosaminoglycan expression. J Mol Histol. doi:10.1007/s10735-007-9136-z.
15. Lander AD (1998). Proteoglycans: master regulators of molecular encounter? Matrix Biol 17(7): 465-72.
16. Luong-Van E, Grondahl L, Song S, Nurcombe V, Cool S (2007). The in vivo assessment of a novel scaffold containing heparan sulfate for tissue engineering with human mesenchymal stem cells. J Mol Histol (in press).
17. Nurcombe V, Cool SM (2007). Heparan sulfate control of proliferation and differentiation in the stem cell niche. Crit Rev Eukaryot Gene Expr 17(2): 159-71.
18. Nurcombe V, Goh FJ, Haupt LM, Murali S, Cool SM (2007). Temporal and functional changes in glycosaminoglycan expression during osteogenesis. J Mol Histol. doi:10.1007/s10735-007-9123-4.
19. Perrimon N, Bernfield M (2000). Specificities of heparan sulphate proteoglycans in developmental processes. Nature 404(6779): 725-8.
20. Rider DA, Nalathamby T, Nurcombe V, Cool SM (2007). Selection using the alpha-1 integrin (CD49a) enhances the multipotentiality of the mesenchymal stem cell population fromheterogeneous bonemarrow stromal cells. J Mol Histol. doi:10.1007/s10735-007-9128-z.
21. Tamada M, Sheetz MP, Sawada Y (2004). Activation of a signaling cascade by cytoskeleton stretch. Dev Cell 7(5): 709-18.
22. Watt FM, Hogan BL (2000). Out of Eden: stem cells and their niches. Science 287(5457): 1427-30.
23. Woodruff MA, Rath SN, Susanto N, Haupt L, Hutmacher DW, Nurcombe V, Cool SM (2007). Sustained release and osteogenic potential of heparan sulfate-doped fibrin glue scaffolds within a rat cranial model. J Mol Histol. doi:10.1007/s10735-007-9137-y.


Статья Simon M. Cool «Control of cell fate decisions» опубликована в on-line версии журнала Journal of Molecular Histology 24 октября 2007.


Подготовила Дарья Червякова, Интернет-журнал «Коммерческая биотехнология».