Komórki macierzyste dziś i... jutro

DENTAL TRIBUNE
Badania
Polish Edition
Komórki macierzyste dziś i... jutro
Źródła, stan badań, możliwości pozyskiwania i wykorzystania – przegląd piśmiennictwa.
Hanna Bagińska, Dental Tribune Polska
Naukowców od zawsze fascynowały zagadnienia związane
z możliwościami regeneracji
i zwalczania chorób siłami natury.
Już dawno odkryto, że takie właściwości mają komórki mezenchymalne nazywane macierzystymi.
W ciągu ostatnich 7-8 lat doszło
do ogromnego rozwoju wiedzy
o pozyskiwanych z organizmu
ludzkiego komórkach macierzystych zdolnych do różnicowania
i odbudowy uszkodzonych tkanek.
Początkowo badacze wyróżniali 2 rodzaje takich komórek: embrionalne i typu dorosłego. Embrionalne komórki macierzyste
mogą ulegać różnicowaniu w dowolne linie komórkowe organizmu, jednak ich pozyskanie wymaga zniszczenia zarodka, a temu
przeciwstawiają się obrońcy życia
poczętego. Innym źródłem takich
komórek, choć bardzo krótko dostępnym, jest krew pępowinowa.
Wprawdzie komórki macierzyste
typu dorosłego (niezarodkowego,
znajdujące się np. w szpiku kostnym lub miazdze) pozwalają na
uniknięcie wspomnianych problemów, ale za to ich możliwości są
bardziej ograniczone.
Jednym z pierwszych, dokładniej zbadanych zagadnień były
zdolności odtwórcze komórek macierzystych pozyskanych z miazgi
zębów. Doświadczenia z udziałem
zwierząt wykazywały m.in., że komórki takie wytwarzają podczas
rozwoju wiele czynników neurotropowych, co sugeruje, że mogą
uczestniczyć w tworzeniu włókien
nerwu trójdzielnego unerwiających miazgę zębową. Po ich
wszczepieniu ektopowym do
przedniej komory oka szczurów,
ulegały unerwieniu i powodowały
wzrost gęstości katecholaminergicznych włókien nerwowych w tęczówce. Z kolei wszczepienie tkanek miazgi zęba do rdzenia kręgowego po hemisekcji przyczynia się
do zwiększenia liczby przeżywających motoneuronów, co wskazuje
na funkcjonalną bioaktywność
czynników neurotropowych wytwarzanych przez komórki miazgi
zębów wobec przeżywających motoneuronów.
Na podstawie uzyskanych wyników stwierdzono, że czynniki neurotropowe pochodzenia miazgowego odgrywają istotną rolę w sterowaniu rozwojem unerwienia
miazgi zębów (Nosrata I.V. i wsp.).
Również w innych badaniach dowiedziono zdolności ludzkich komórek macierzystych, pochodzących z miazgi zębów do samoodtwarzania i różnicowania w linie
komórkowe. Z przeszczepionych
pierwotnie komórek macierzystych uzyskiwano w warunkach
hodowlanych komórki zrębowe,
które wszczepiano ponownie myszom poddanym immunosupresji,
otrzymując tkanki przypominające
kompleks zębinowo-miazgowy.
W ten sposób potwierdzano zdolność komórek do samoodtwarzania.
Wykazano także, że komórki takie
mogą ulegać różnicowaniu do adipocytów i komórek przypominających neurony (Gronthos S. i wsp.)
Komórki macierzyste SHED
Odkrycia w dziedzinie wyłonienia nowego i łatwo dostępnego
źródła komórek macierzystych do-
konał dr Songtao Shi (pedodonta
z National Institutes of Dental and
Craniofacial Research Health
w Bethesda, USA), który już
9
w 2000 r. opisał istnienie komórek
mezenchymalnych w miazdze zębów mądrości usuniętych pacjentom dorosłym.
Kiedy jego 6-letniej córce wypadł pierwszy ząb mleczny postanowił – zauważywszy przedtem
w środku „coś czerwonego” –
sprawdzić, czy zawiera on żywą
miazgę. Badanie laboratoryjne potwierdziło jego domysły. Po kilku
dniach, gdy dziewczynka straciła
kolejny ząb, Shi był już lepiej przy-
ª
AD
DENTAL TRIBUNE
10 Badania
ª
gotowany. Umieścił ząb w płynnym podłożu do hodowli komórek,
przewiózł go do laboratorium i wydobył z niego miazgę. Wkrótce,
gdy udało się wyizolować żywe komórki macierzyste z pozyskanej
tkanki, Shi zaczął gromadzić wypadające zęby mleczne swojej córki
i innych dzieci. Następnie, wraz z
zespołem naukowców, podjął badania miazgi wydobytej z mlecznych zębów siecznych stwierdzając, że w każdym mieści się 12-20
komórek macierzystych. W wyniku hodowli, wraz z innymi czynnikami wzrostu, zdołano pobudzić
je do różnicowania w kierunku
odontoblastów (komórek odpowiedzialnych za powstawanie zębów), komórek nerwowych oraz
komórek tkanki tłuszczowej. Zróżnicowane komórki zachowywały
żywotność po wszczepieniu pod
skórę lub do mózgu myszy poddanych immunosupresji.
Doktor Shi stwierdził także,
że uzyskane komórki stymulują
wzrost kości. Podejrzewał, że komórki macierzyste odgrywają znaczącą rolę w przygotowywaniu
miejsca dla wyrzynających się zębów stałych: „Nie mamy na to obecnie żadnych dowodów, ale myślę, że
musi być jakiś powód występowania komórek macierzystych właśnie tym miejscu” – mówi Shi. Najprawdopodobniej stanowią one
żywe świadectwo wczesnych etapów rozwoju.
Wniedługim czasie okazało się,
że komórki macierzyste SHED, pochodzące z usuniętych ludzkich zębów mlecznych (stem cells from
human exfoliated decidous teeth –
SHED) wydają się szybciej rosnąć
i wykazywać większy potencjał
różnicowania do różnych linii komórkowych niż komórki macierzyste typu dorosłego.
Inne badania
Opinię Shi i wsp. podzielili naukowcy, którzy opublikowali wyniki swych badań w wydaniu internetowym czasopisma Proceedings
of the National Academy of Sciences w 2003 r. stwierdzając, że komórki SHED posiadają cechy wyjątkowe, odróżniające je od komórek macierzystych typu dorosłego,
izolowanych z innych okolic ciała.
Charakteryzują się długim okresem życia, szybko rosną w hodowli,
a ostrożnie stymulowane w warunkach laboratoryjnych mogą indukować powstawanie dojrzałej zębiny, kości oraz komórek nerwowych. Pozwala to sądzić, że komórki takie będą mogły być
wykorzystywane do naprawy uszkodzonych zębów, stymulowania
procesów regeneracji kości, czy też
leczenia urazów lub chorób tkanki
nerwowej.
Miura M. i wsp. stwierdzili:
„Na podstawie przeprowadzonego
badania wykazano, że zęby ludzkie, wypadające z przyczyn naturalnych zawierają populację komórek macierzystych różniących się
całkowicie od poznanych wcześniej komórek tego typu. Wykazują
większe zdolności szybkiego
wzrostu, a hodowla częściej podwaja ich liczebność. Sugeruje to, że
komórki SHED mogły zatrzymać
się na wcześniejszym etapie rozwoju niż komórki macierzyste typu
dorosłego.” Komórki takie pobiera
się z bardzo łatwo dostępnego
źródła, w praktycznie nieograniczonej liczbie, co umożliwia ich
szerokie, potencjalne zastosowanie kliniczne.
Nosrat I. V i wsp. ogłosili m.in.:
„Wydaje się, że miazga zębowa stanowi realne źródło łatwych do pozyskania komórek, które mogą być
potencjalnie wykorzystywane do
transplantacji autogennych. Wykazano także, że populacja komórek
miazgi zębów pochodzących z wyrostka grzebieniastego charakteryzuje się budową morfologiczną
i profilem ekspresji białek typowymi w warunkach in vitro dla neuronów. Oznacza to, mogą one ulec
różnicowaniu do komórek nerwowych i przynosić dodatkowe korzyści po wszczepieniu do ośrodkowego układu nerwowego.”
W wyniku późniejszych badań
Shi S. i wsp. doszli do następującego wniosku: „Mezenchymalne
komórki macierzyste odnajdywane
w miazdze zębów u osób dorosłych, w ludzkich zębach mlecznych
oraz w więzadle ozębnej identyfikuje się na podstawie zdolności
do generowania w warunkach hodowli skupisk komórek klonogennych. Ich populacje hodowane
w warunkach ex vivo wykazują ekspresję heterogennego zestawu markerów typowych dla mezenchymalnych komórek macierzystych,
zębiny, kości, mięśni gładkich,
tkanki nerwowej i śródbłonka.
Dane te dowodzą istnienia różnych
populacji mezenchymalnych komórek macierzystych związanych
z tkankami zębów, które wykazują
potencjał regeneracji zębów ludzkich w warunkach in vivo.”
Przechowywanie zębów
w celu pozyskiwania komórek
macierzystych
Podczas krajowej konferencji
Amerykańskiego Towarzystwa
Stomatologicznego (ADA) w 2005
r. przedstawiciel National Institutes
of Health poinformował, że zęby
mleczne i tzw. zęby mądrości,
podobnie jak kości szczęk i więzadła ozębnej, stanowią doskonałe
źródło komórek macierzystych,
które można przechowywać
w banku tkanek na wypadek pojawienia się możliwości ich wykorzystania w przyszłości.
Z kolei dr n. med. Pamela
Gehron Robey – dyrektor Działu
Chorób Twarzoczaszki i Układu
Kostnego w National Institute of
Dental and Craniofacial Research
stwierdziła, że komórki macierzyste pozyskiwane z wymienionych źródeł mogą być kiedyś wykorzystywane do odbudowy utraconych tkanek przyzębia, wypełniania rozszczepów podniebienia
(jednej z najczęściej występujących wad wrodzonych – leczenie
wymaga wykonywania wielu zabiegów chirurgicznych) lub odtwarzania komórek nerwowych,
zanikających w przebiegu takich
schorzeń, jak np. choroba Parkinsona (jednego z najczęstszych
schorzeń neurologicznych dotykających osoby w starszym wieku).
Komórki macierzyste wykazują
potencjał umożliwiający regenerację po urazach zębów i wzrost
kości szczęk. W perspektywie najpewniej czeka nas możliwość odtwarzania całych zębów.
Wg dr Robey, żywotność komórek macierzystych pochodzą-
cych z zębów mlecznych zależy od
momentu usunięcia zęba. Im dłużej
ząb pozostaje w jamie ustnej (do
chwili samoistnego wypadnięcia),
tym jest gorszym źródłem żywych
komórek macierzystych. Dr Robey
stwierdziła również: „Komórki
macierzyste występujące w kościach szczęk i zębów pochodzą
z tego samego źródła, co tkanka
nerwowa. Obecnie naukowcy
mogą za pomocą odpowiednich
bodźców stymulować je do tworzenia tkanki przypominającej tkankę
nerwową i uzyskać komórki wydzielające dopaminę niezbędną do
prawidłowego funkcjonowania komórek nerwowych. Wymaga to
jednak jeszcze czasu i dużego nakładu pracy.”
W celu pozyskania komórek
macierzystych od osób dorosłych,
badacze mogą pobrać tkanki więzadła ozębnej albo nawiercić ząb,
usunąć jego koronę i wydobyć
tkankę miazgi, umieszczając ją
w roztworze enzymatycznym w
celu wyizolowania komórek macierzystych. Można również pobrać szpik z kości szczęk, np. po zabiegu ekstrakcji zęba lub za pomocą biopsji.
Wszczepianie ludziom komórek
macierzystych z zębów
Dr Robey wskazała 3 kierunki
badań, podejmowane w różnych laboratoriach w celu umożliwienia
wszczepiania ludziom komórek
macierzystych pochodzących z zębów:
1. Wprowadzenie komórek macierzystych do formy w kształcie
korony zęba, wykonanej z substancji przypominającej szkliwo
wraz z materiałem stanowiącym
„rusztowanie” i przeprowadzenie przez tę konstrukcję naczyń
krwionośnych oraz wszczepienie jej w inną okolicę ciała aż do
czasu osiągnięcia dojrzałości.
Następnie trzeba usunąć utworzony ząb i wszczepić go do jamy
ustnej. Naukowcom udało się już
wykorzystać szpik kostny do hodowli kości w okolicy ramieniowej do czasu uzyskania przez nią
dojrzałości. Później przeszczepiono ją, odtwarzając kość żuchwy.
2. Usunięcie tzw. zęba mądrości,
pozyskanie komórek macierzystych z miazgi i wszczepienie ich
bezpośrednio do zęba zniszczonego lub uszkodzonego. Jeśli np.
wskutek wypadku samochodowego dochodzi do poważnego
urazu zębów, to miazga obumiera i powstaje konieczność leczenia kanałowego. Celem terapii w takim przypadku byłaby
regeneracja miazgi zęba z wykorzystaniem komórek macierzystych. „Takie przywrócenie zębów do życia eliminowałoby konieczność leczenia kanałowego”
– twierdzi dr Robey.
3. W razie braku zęba (utraconego
na skutek wypadku, poważnej
choroby lub wad wrodzonych,
np. rozszczepu podniebienia)
można pobrać komórki macierzyste z niewyrżniętych zębów
mądrości, uformować je w odpowiedni, trójwymiarowy kształt,
wprowadzić do zębodołu i czekać aż ząb wyrośnie z kości.
Dr Robey ostrzega, że zanim
badania naukowe pozwolą na praktyczne wykorzystanie przechowywanych zębów i zawartych w nich
komórek macierzystych, może mi-
nąć wiele lat. Dodaje jednak:
„Możliwe, że ząbki dzieci, chowane teraz na pamiątkę, będą kiedyś warte znacznie więcej niż najcenniejszy prezent, a zachowane
zęby mądrości staną się własnym
źródłem komórek macierzystych.”
Przechowywanie komórek
macierzystych
Papaccio G. i wsp. ustalili, że po
2 latach przechowywania komórki
macierzyste zachowują zdolność
różnicowania, a uzyskane z nich
cytotypy ulegają proliferacji i wytwarzają strukturalną tkankę
kostną. Ponadto zaobserwowali na
tych komórkach ekspresję typowych antygenów powierzchniowych, co potwierdza, że uzyskały
one cechy charakterystyczne dla tej
linii komórkowej. Na tej podstawie
można stwierdzić, że komórki macierzyste pochodzące z miazgi zębów i uzyskane z nich osteoblasty
mogą być przez dłuższy czas przechowywane w stanie zamrożonym,
stanowiąc atrakcyjny materiał do
zastosowań klinicznych.
Badanie wykazało ponadto, że:
1. Komórki macierzyste pochodzące z miazgi zębów i uzyskiwane z nich drogą różnicowania
osteoblasty można w bezpieczny
sposób odzyskać po długotrwałym zamrożeniu.
2. Komórki podejmują szybko proliferację i wykazują wysokie
tempo podziałów, ekspresję
właściwych antygenów powierzchniowych oraz tworzenie
kości strukturalnej.
3. Uzyskane próbki kości można
bez trudu wszczepić in vivo,
gdzie ulegają remodelingowi do
kości gąbczastej.
Badacze dowiedli, że wymienione cechy i zdolności czynią z takich komórek atrakcyjny materiał
do terapeutycznej, trójwymiarowej
rekonstrukcji tkanek. Można go
przechowywać i odzyskiwać w zależności od potrzeb pacjenta.
Perspektywy
Odkrycie obecności komórek
macierzystych w miazdze zębów
mlecznych może przyczynić się do
znacznego postępu w wielu dziedziniach medycyny. Wystarczy przytoczyć kilka z kilkudziesięciu opublikowanych wniosków końcowych
z przeprowadzonyh badań.
Laino G. i wsp.: „Przeprowadzone badanie dostarczyło poważnych dowodów na to, że miazga zębów mlecznych stanowi łatwo dostępny swoisty magazyn zrębowych
komórek macierzystych i doskonałe źródło osteoblastów i tkanek
zmineralizowanych, gotowych do
wykorzystania w celu regeneracji,
przeszczepienia lub klinicznej terapii tkankowej. Mają wysoki potencjał klonogenny i proliferacyjny
oraz zdolność przeżycia przez
długi czas.”
„Chirurdzy stomatologiczni
i szczękowo-twarzowi codziennie
zmagają się z problemem pozyskiwania kości do przeszczepu autogennego. Komórki macierzyste pochodzące z miazgi zębów stanowią
potencjalne źródło kości autogennej
hodowanej w warunkach in vitro.”
„Wyniki badania są bardzo ciekawe z punktu widzenia regeneracji tkanek, klinicznych metod terapii tkankowej i transplantologii.”
Polish Edition
Trubiani O. i wsp.: „Wykazano, że mezenchymalne komórki
macierzyste uzyskane z więzadła
ozębnej i miazgi zębowej mogą
przypominać komórki mezenchymalne szpiku kostnego. Ponieważ
uważa się, że mogą być wykorzystywane do regeneracji narządów,
konieczne jest poznanie mechanizmów ich różnicowania. Umożliwiłoby to rozwój wiarygodnych metod, które mogą znaleźć zastosowanie w implantologii (zastępowanie
implantów metalowych), chirurgii
stomatologicznej oraz zabiegach
odtwórczych w zakresie chirurgii
szczękowo-twarzowej.
Przyszłość zaczyna się już dziś
Laboratorium HopeStem, doskonale wyposażone w nowoczesne
i spełniające wszystkie wymogi
bezpieczeństwa urządzenia do zamrażania podejmuje się, za niewielką opłatą, pozyskiwania i przechowywania komórek macierzystych. Przy obecnym postępie nauki
można mieć uzasadnioną nadzieję,
że już za kilka lat materiały z „osobistego banku tkanek” będzie
można wykorzystywać w terapii
odtwórczej. Laboratorium Hope
Stem świadczy swoje usługi już od
ponad 25 lat i cieszy się na świecie
zasłużoną renomą. Więcej informacji o laboratorium można uzyskać na stronie: www.hopestem.com
DT
Piśmiennictwo:
1. Gronthos S. i wsp.: Stem cell properties
of human dental pulp stem cells. Journal
of Dental Research, sierpień 2002, 81, 8,
531-535.
2. Jo Y.Y. i wsp.: Isolation and characterization of postnatal stem cells from human
dental tissues. Tissue engineering, kwiecień 2007, 13, 4, 767-773.
3. Konferencja prasowa American Dental
Association (ADA) Nowy Jork, 8 czerwca 2005 r.
4. Konferencja Department of Health 21
kwietnia 2003 r.
5. Krebsbach P., Robey P.: Dental and skeletal stem cells: potential cellular therapeutics for craniofacial regeneration.
Journal of dental education, 2002, 66, 6,
766-773.
6. Laino G. i wsp.: In vitro bone production
using stem cells derived from human
dental pulp. Journal of Craniofacial Surgery, maj 2006, 17, 3, 511-515.
7. Laino G. i wsp.: An approachable human
adult stem cell source for hard-tissue engineering. Journal of Cellular Physiology, 2006, 206, 693-701.
8. Miura M. i wsp.: SHED – Stem cells
from human exfoliated deciduous teeth.
PNAS (Proceedings of the National Academy of the United States of America),
kwiecień 2003, 100, 5807-5812.
9. NewScientist konferencja prasowa z 1
kwietnia 2003 r.
10. Nosrat I.V. i wsp.: Dental pulp cells produce neurotrophic factors, interact with
trigeminal neurons in vitro, and rescue
motoneurons after spinal cord injury.
Developmental Biology, październik
2001, 238, 1, 120-132.
11. Nosrat I.V. i wsp.: Dental pulp cells provide neurotrophic support for dopaminergic neurons and differentiate into neurons in vitro; implications for tissue engineering and repair in the nervous system. European Journal of Neuroscience,
maj 2004, 19, 9, 2388-2398.
12. Papaccio G. i wsp.: Long-term cryopreservation of dental pulp stem cells
(SBPDPDCs) and their differentiated
osteoblasts: a cell source for tissue repair. Journal of cellular physiology,
2006, 208, 319-325.
13. Shi S. i wsp.: The efficacy of mesenchymal stem cells to regenerate and repair
dental structures. Orthodontics & Craniofacial Researcg, sierpień 2005, 8, 3,
191-199.
14. Trubiani O. i wsp.: Adult mesenchymal
stem cells in dental research: a new approach for tissue engineering. International Journal of Immunopathology and
Pharmacology, lipiec-wrzesień 2006,
19, 3, 451-460.