Введение к работе
доктор биологических наук М.А. Левинских
Актуальность проблемы
Мультипотентные мезенхимальные стромальные клетки (ММСК) были открыты почти 40 лет назад в лаборатории А.Я. Фриденштейна (Фриденштейн, Лурия, 1980) при анализе клеточных популяций костного мозга по способности формировать колонии фибробластоподобных клеток и по аналогии с гемопоэтическими стволовыми были названы КОЕ-ф (колониеобразующие единицы фибробластов). В настоящее время ученые многих стран обнаружили высокую пластичность этих предшественников, заключающуюся в способности дифференцироваться в клетки разных типов тканей взрослого организма, а также выяснили, что они присутствуют не только в костном мозге. Близкие по свойствам к ММСК клетки выделены из целого ряда тканей и органов, таких как жировая ткань, синовиальная жидкость, скелетные мышцы, легкие, Вартоновский студень пупочного канатика, периодонтальные связки, пульпа зуба и др. (Caplan, 1991; Crisan et al., 2008; Da Silva Meirelles et al., 2006; Fraser et al., 2006; Griffiths et al., 2005; Beltrami et. al., 2003; Josse et al., 2010), что свидетельствует о широком распространении их в организме как тканеспецифичного резерва малодифференцированных мезенхимальных клеток, которые способствуют поддержанию и регенерации этих тканей.
Хорошо известны такие свойства ММСК in vitro, как, например, дифференцировка в клетки различных тканей мезенхимального происхождения, ( et al., 2000; Zuk et. al., 2002; Gimble et al., 2008), однако существует мало информации относительно естественного распределения и биологии этих клеток в организме, а также возможных изменений их свойств в процессе экспансии in vitro.
Внедрение клеточных технологий, основанных на использовании уникальных свойств ММСК, в клиническую практику является актуальной задачей современной медицины и требует проведения многочисленных исследований. При этом быстро развивающиеся технологии предоставляют широкие возможности для контролируемого изменения параметров культивирования различных типов клеток. Однако чаще всего эти изменения касаются химических компонентов ростовой среды (содержание питательных веществ, факторов роста, солей и аминокислот). Газовый состав традиционно остается наиболее консервативным параметром при культивировании, при этом уровень СО2 приближается к тканевому, тогда как содержание кислорода в обычных СО2–инкубаторах соответствует содержанию кислорода в воздухе (около 20%).
Вопрос о том, какая концентрация кислорода является физиологической для клеток in vitro, активно обсуждается в научной литературе. В связи с этим предпринимаются попытки изучения состояния культивируемых клеток при различном содержании кислорода (Cooper et. al., 1999; Das et. al., 2001; Bosch et.al., 2006; Grayson et. al., 2006; Буравкова, Анохина, 2007; Буравкова и др., 2009). Однако нет единого мнения о том, какую концентрацию кислорода надо использовать, какое время клетки должны подвергаться воздействию измененного содержания кислорода, как при этом следует учитывать такие факторы, как состав среды, плотность субкультивирования клеток и др. Высказываются предположения, что физиологическое содержание кислорода (около 4%-7%) будет оптимальным для культивируемых клеток (Буравкова и др., 2009; Fehrer et. al., 2007), а более низкий уровень приведет к гипоксическому состоянию.
Особый интерес исследователей к ММСК, как наиболее перспективному клеточному элементу для тканевой инженерии и восстановительной медицины, диктует необходимость проведения исследований, посвященных оценке функционального состояния ММСК в процессе их экспансии ex vivo, а также оптимизации процесса культивирования с целью приближения к условиям физиологического микроокружения этих клеток.
Цель и задачи исследования
Целью данной работы является оценка влияния различного процентного содержания кислорода на морфофункциональное состояние мультипотентных мезенхимальных стромальных клеток жировой ткани.
В соответствии с указанной целью были поставлены следующие экспериментальные задачи:
Задачи исследования:
-
Сравнить эффект, оказанный различным содержанием кислорода (20%, 5%, 3%, 1% О2), на морфологию ММСК жировой ткани человека in vitro;
-
Провести сравнительный анализ жизнеспособности ММСК, культивируемых при пониженной до 5%, 3% и 1% концентрации кислорода;
-
Изучить влияние газовой среды с измененным уровнем содержания кислорода на число КОЕ-ф и пролиферативную активность ММСК;
-
Исследовать экспрессию маркерных поверхностных антигенов ММСК, культивируемых при различном содержании кислорода;
-
Сравнить остеогенный и адипогенный дифференцировочный потенциал ММСК в стандартных условиях и при пониженном до 5% и 1% уровне содержания кислорода;
-
Оценить влияние пониженного содержания кислорода (5%, 3%, 1% О2) на метаболизм глюкозы в процессе гликолиза;
-
Исследовать обратимость эффектов пониженного содержания кислорода на ММСК жировой ткани;
8. Исследовать влияние газовой среды с различным содержанием кислорода (20% и 5% О2) на уровень дифференциальной экспрессии генов ММСК.
Научная новизна
Впервые проанализировано влияние постоянного воздействия различного содержания кислорода (20%, 5%, 3%, 1%) на метаболизм глюкозы и морфофункциональное состояние ММСК, а также проведен сравнительный анализ дифференциальной экспрессии генов при различном содержании кислорода в среде культивирования.
Впервые установлено, что снижение гетерогенности популяции ММСК и увеличение в ней доли веретенообразных клеток при культивировании в условиях пониженного содержания кислорода (5%-1% О2) сопровождается изменением экспрессии генов таких структурных и регуляторных белков цитоскелета как, -тубулин, супервиллин, анкерин, тропомиозин, актинин, кальпонин, эффекторные белки Rho-ГТФазы, трансгелин и саркогликан-.
Получены новые данные, свидетельствующие о стимулирующем эффекте пониженного содержания кислорода в среде (5% О2) на пролиферацию ММСК, что соотносится с изменением экспрессии регуляторов клеточного цикла (белки семейства Fos, формирующие транскрипционный фактор AP1, ядерный антиген пролиферирующих клеток, циклин D2, регуляторная единица циклин-зависимой киназы и ингибитор циклин-зависимой киназы).
Впервые показано, что культивирование ММСК при пониженной концентрации кислорода приводит к уменьшению потребления глюкозы клетками и увеличению молярного соотношения продуцируемого лактата и потребляемой глюкозы, что сопровождается снижением трансмембранного потенциала митохондрий и увеличением экспрессии генов, кодирующих все ферменты гликолитического расщепления глюкозы.
Впервые продемонстрирована обратимость изменений, вызванных пониженной концентрацией кислорода в среде, заключающаяся в восстановлении остеогенного дифференцировочного потенциала, уменьшении пролиферативной активности ММСК и способности к формированию КОЕ-ф.
Теоретическая и практическая значимость работы
Проведенное исследование позволило продемонстрировать, что содержание кислорода в среде культивирования может быть использовано как фактор, модулирующий свойства ММСК, что имеет большое значение для дальнейших фундаментальных и прикладных исследований в области физиологии прогениторных клеток. Представленные результаты вносят существенный вклад в изучение основных механизмов вовлечения ММСК в процессы репарации с учетом специфики их локального микроокружения.
Полученные в настоящей работе данные показали, что использование низкого парциального давления в среде культивирования позволяет в 2-3 раза увеличить прирост клеточной массы по сравнению с условиями стандартного содержания кислорода в среде культивирования (20% О2). Получен патент на изобретение № 2418066 от 26.04.2010.
Данные настоящего исследования демонстрируют возможность поддержания недифференцированного статуса активно пролиферирующей популяции ММСК в условиях пониженного содержания кислорода, что может иметь большое значение для использования в тканевой инженерии и регенеративной медицине.
Положения, выносимые на защиту
-
Снижение концентрации кислорода (до 5%-1%) в среде культивирования оказывает протективное действие на ММСК жировой ткани человека, что выражается в увеличении жизнеспособности клеток, а также снижает гетерогенность популяции, активирует пролиферацию и смещает метаболизм глюкозы ММСК в сторону гликолитической составляющей.
-
Концентрация кислорода в среде культивирования около 5% является наиболее оптимальной для постоянной экспансии in vitro и моделирования физиологической ниши прогениторных клеток жировой ткани, тогда как более низкое содержание кислорода ( 1% О2) может быть использовано для сокращения времени экспансии и получения большего количества клеток для нужд регенеративной медицины.
-
Вызванное низким парциальным давлением кислорода в среде культивирования увеличение пролиферативной, клоногенной активности и сохранение менее коммитированного состояния ММСК является обратимым.
Апробация работы
Основные результаты и положения диссертации доложены и обсуждены на: 8-й – 10-й конференциях молодых ученых и специалистов, аспирантов и студентов, посвященных Дню космонавтики (Москва, 2009 - 2011); 6-й Всероссийской конференции с международным участием “Гипоксия: механизмы, адаптация, коррекция” (Москва, 2011); 7-й Международной конференции “Молекулярная генетика соматических клеток” (Звенигород, 2009); Всероссийской научной школе по биомедицинской инженерии «БМИ – 2010» (Санкт-Петербург, 2010); Всероссийской научной школе-конференции для молодежи «Аутологичные стволовые клетки: экспериментальные и клинические исследования» (Москва, 2009); 4-й Всероссийской научной школе-конференции «Стволовые клетки и регенеративная медицина» (Москва, 2011); XXI съезде физиологического общества им. И.П. Павлова (Калуга, 2010); French-Russian-Belarussian Conference «Neurovascular impairment induced by environmental conditions: molecular, cellular and functional approach» (Angers, France, 2010); 2nd International Conference on Medical Physiology «Recent researches in modern medicine» (Cambridge, UK, 2011); World Conference on Regenerative Medicine (Leipzig, Germany, 2011).
По теме диссертации опубликовано 14 печатных работ, в том числе 2 статьи в журналах из перечня ВАК РФ.
Работа выполнена при поддержке программы поддержке программы ОБН РАН и гранта Минобрнауки РФ № 11.G34.31.0006.
Диссертация апробирована на заседании секции Ученого совета ГНЦ РФ – ИМБП РАН “Космическая физиология и биология” 24.10.2012 г.
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из глав: «Введение», «Обзор литературы», «Материалы и методы», «Результаты и обсуждение», «Заключение», «Выводы» и «Список литературы». Текст диссертации изложен на 166 страницах машинописного текста, сопровождается 39 рисунками и 13 таблицами. Список литературы содержит 371 источника, из них 34 на русском и 337 на иностранном языке.
