Karakterizacija humanih mezenhimskih matičnih ćelija poreklom iz kostne srži i uticaj vitamina D3 na njihova funkcijska svojstva

Abstract

za poboljšanjem postojećih i uspostavljanjem novih terapijskih pristupa sa ciljem regeneracije oštećenih tkiva i organa nastalih usled traumatskih povreda ili starenja organizma. Pre više od pola veka ustanovljeno je da se u kosnoj srži, pored matičnih ćelija hematopoeze, nalaze i mezenhimske matične ćelije (MMĆ), a u periodu koji je sledio MMĆ su uspešno izolovane iz skoro svih perinatalnih i postnatalnih tkiva. Intenzivnim istraživanjima MMĆ ustanovljeno je da svojstva koja čine MMĆ optimalnim kandidatima za primenu u regenerativnoj medicini uključuju njihovu sposobnost diferencijacije u ciljne ćelije različitih tkiva, sposobnost migriranja na oštećena mesta u tkivu, parakrinu sekreciju brojnih signalnih molekula, poput citokina i faktora rasta, imunomodulatorni kapacitet uz odsustvo imunogenosti, kao i sposobnost samoobnavljanja. Dugogodišnji rad na optimizaciji metoda izolacije, kultivacije i diferencijacije MMĆ omogućio je da istraživanja ovih ćelija napreduju ka njihovoj potencijalnoj primeni za lečenje različitih bolesti i rekonstrukciju oštećenih tkiva. Međutim, na polju kliničke primene MMĆ još uvek postoje prepreke. Heterogenost MMĆ predstavlja glavni kamen spoticanja u boljem razumevanju i preciznijem definisanju bioloških osobina ovih ćelija. Uprkos ispunjavanju svih minimalnih kriterijuma za karakterizaciju koje je definisao Komitet za mezenhimske i tkivne matične ćelije Međunarodnog društva za ćelijsku terapiju, u literaturi se mogu naći raznovrsni podaci o potencijalu diferencijacije i proliferacije MMĆ, kao i njihovim imunomodulatornim sposobnostima. Heterogenost je uočena ne samo između MMĆ različitih organizama i tkiva iz kog su izolovane (kosna srž, masno tkivo ili zubna pulpa), već i između MMĆ poreklom iz istog tkiva različitih davalaca, pa čak i između klonova i pojedinačnih ćelija u okviru populacije tkivno-specifičnih MMĆ jednog davaoca. Dodatno otežano poređenje rezultata različitih istraživačkih grupa uslovljeno je i različitim metodološkim pristupima, odnosno odsustvom standardizacije metoda za izolovanje i kultivisanje MMĆ. Takođe, još uvek nisu u potpunosti poznati i definisani jedinstveni markeri na osnovu čije ekspresije bi se mogla izvršiti selekcija MMĆ pogodnih za terapijsku primenu. Zbog toga je veoma značajno detaljno uvrditi razlike koje postoje kod MMĆ zdravih davalaca i najbolji metodološki pristup za što efikasniji način procene istih. Ti podaci bi mogli da doprinesu razvoju personalizovane medicine, omogućavajući donošenje odluke o izboru adekvatnog uzorka za potencijalnu terapijsku primenu. Zbog relativno niske zastupljenosti MMĆ u tkivima, za potrebe istraživanja neophodna je in vitro kultivacija izolovanih ćelija koja takođe može uticati na njihova funkcijska svojstva. Jedan od problema koji se javlja pri gajenju ćelija u kulturi je ćelijsko starenje, zbog čega su aktuelna brojna ispitivanja koja za cilj imaju „produžavanje života“ MMĆ in vitro. Optimizacija uslova kultivacije i modifikovanje ključnih signalnih puteva (genetičkim inženjerstvom ili primenom hemijskih aktivatora/inhibitora) su glavne strategije koje istraživači koriste kako bi usporili proces ćelijskog starenja i podstakli sposobnosti proliferacije i diferencijacije MMĆ. Ispitivanja u kojima su korišćeni aktivni metaboliti vitamina D3 ukazuju na njihovu potencijalnu ulogu u procesu osteogene diferencijacije KS-MMĆ. Vitamin D3 (holekalcliferol) nephodan je za pravilnu regulaciju metabolizma kalcijuma i fosfora čime doprinosi održavanju homeostaze i čvrstine kostiju, a poznato je i da ovaj vitamin stimuliše ekspresiju specifičnih hormona i faktora rasta, diferencijaciju i proliferaciju osteoblasta, kao i da utiče na regulaciju imunskog sistema...

One of the main challenges facing modern society considers the need to improve existing and establish new therapeutic approaches to regenerate damaged tissues and organs caused by traumatic injuries or aging. More than half a century ago, it was found that the bone marrow represents residing site not only to hematopoietic stem cells, but to mesenchymal stem cells (MSCs) as well. During the period that followed, MSCs were successfully isolated from almost all perinatal and postnatal tissues. Intensive research of MSCs has shown that these cells have properties that make them optimal candidates for use in regenerative medicine. Those characteristics include their ability to differentiate into target cells of different tissues, ability to migrate to damaged tissue sites, paracrine secretion of numerous signaling molecules such as cytokines and growth factors, immunomodulatory capacity and lack of immunogenicity, as well as the ability to self-renew. Extensive work on optimizing the methodologies for MSCs isolation, cultivation and differentiation have enabled the research process to progress towards their potential application for the treatment of various diseases and the reconstruction of damaged tissues. However, there are still obstacles in the field of clinical application of MSCs. The heterogeneity of MSCs is a major limitation for better understanding and more precise definition of their biological properties. Despite meeting all the minimum criteria for characterization defined by the Committee for Mesenchymal and Tissue Stem Cells of the International Society for Cell Therapy, variable data can be found in the literature regarding the MSCs differentiation potential and proliferation, as well as their immunomodulatory properties. Heterogeneity was observed not only between MSCs of different organisms and diverse tissues from which they were isolated (for example bone marrow, adipose tissue or dental pulp), but also among MSCs originating from the same tissue of different donors, and even amongst clones and individual cells within a population of tissue-specific MSCs of one donor. It is additionally difficult to compare the results of different research groups due to different methodological approaches, and lacking of standardized procedures for MSCs isolation and cultivation. Also, unique markers for the selection of MSCs suitable for therapeutic use are not yet fully known and defined. Therefore, it is very important to determine in detail the differences of healthy donors MSCs and the best methodological approach for the most efficient way to evaluate them. These data could contribute to the development of personalized medicine, enabling the decision to select an adequate sample for potential therapeutic use. Due to the relatively low presence of MSCs in tissues, in vitro cultivation of isolated cells is necessary for research purposes. However, ex vivo expansion can also affect functional properties of these cells. One of the problems related to cells cultivation is cell aging, which propelled the numerous studies aimed to “prolonging the life" of MSCs in vitro. Optimizing cultivation conditions and modifying key signaling pathways (by genetic engineering or by the use of chemical activators/inhibitors) are the main strategies that researchers use to slow the cellular aging process and enhance the ability of MSCs to proliferate and differentiate. Studies using active metabolites of vitamin D3 indicated their potential role in the process of bone marrow mesenchymal stem cells (BM-MSCs) osteogenic differentiation. Vitamin D3 (cholecalciferol) is necessary for the proper regulation of calcium and phosphorus metabolism, which contributes to maintenance of bone homeostasis and strength...