Komunikacja międzykomórkowa w obrębie niszy. LaBarge M A Clin Cancer Res 2010;16:

Transkrypt

1 The basic concept of a stem cell niche. Komunikacja międzykomórkowa w obrębie niszy LaBarge M A Clin Cancer Res 2010;16:

2 Zaburzenia homeostazy organizmów wielokomórkowych są funkcją zaburzeń komunikacji między komórkami a ich niszami Nisza Kompleks powierzchniowy 33 2

3 Ontogeneza i organogeneza organizmów wielokomórkowych Interakcje między komórkami a ich mikrośrodowiskiem, czyli niszą, w toku organogenezy NiezróŜnicowane komórki progenitory wysyłają sygnały (ECM, GFs) do środowiska powodując zmianę jego właściwości Zmiany właściwości niszy prowadzą do ukierunkowanego róŝnicowania komórek w jej obrębie To zaś skutkuje modyfikacją właściwości niszy skutkującą utrwaleniem fenotypu specyficznego tkankowo 3

4 Nisza jako mikrośrodowisko komórek pozostające z nimi w stanie ciągłej wymiany informacji Komunikacja międzykomórkowa Mediatory wymiany informacji między komórką a niszą : - czynniki humoralne (np. czynniki wzrostowe i cytokiny oddziaływania krynne - adhezja komórkowa (ścieŝki sygnałowe zaleŝne od integryn, kadheryn etc. - wymiana bodźców mechanicznych (za pośrednictwem białek adhezji międzykomórkowej i receptorów ECM) -bezpośrednia wymiana metabolitów (złącza szczelinowe) Czyz J., Wobus A.M. Differentiation (2001) 68:

5 Jądro a cytoplazma micro.magnet.fsu.edu/cells/nucleus/nucleus.html 5

6 "Es liegt also am Eiplasma, nicht an den Kernen, zu welchem Teil des Embryos sich die Teile des Keimes entwickeln." Hans Spemann, 1914 'It depends on the plasma, not on the nuclei, into which part of the embryo the parts of the egg develop.' To cytoplazma, a nie jądro decyduje o tym, w jaką część zarodka rozwinie się dany fragment komórki jajowej 6

7 Podział asymetryczny neuroblastów Knoblich lab ( 7

8 Typy symetrii podziałów komórek (1) Podział symetryczny generujący dwie komórki macierzyste namnaŝanie komórek macierzystych (2) Podział asymetryczny generujący jedną komórkę macierzystą i jedną róŝnicującą lub zróŝnicowaną homeostaza/status quo (3) Podział symetryczny generujący dwie identyczne komórki róŝnicujące lub zróŝnicowane namnaŝanie progenitorów kosztem komórek macierzystych (4) Podział asymetryczny generujący nie identyczne komórki róŝnicujące lub zróŝnicowane róŝnicowanie tkanki 8

9 Populacja komórek macierzystych determinuje samoodnowę tkanki regulując równowagę miedzy podziałami symetrycznymi i asymetrycznymi 1 P1 1P2 2P1 9

10 Podział asymetryczny Yamashita Y M et al. Cold Spring Harb Perspect Biol 2010;2:a

11 Asymetria podziałów komórek macierzystych a ich interakcje w obrębie niszy 1. Segregacja białek i organelli - neuroblasty Drosophila dziedziczące atypową izoformę PKC zachowują fenotyp komórki macierzystej - spektrosom pozostaje w komórce macierzystej.. hipoteza nieśmiertelnego centrosomu 3. Orientacja wrzeciona kariokinetycznego - zwykle równoległa do warstwy podścieliska, lub błony podstawnej choć zdarzają się fluktuacje o niezidentyfikowanym znaczeniu - powoduje to, Ŝe komórki potomne wystawione są na gradienty morfogenów, np. czynników z rodziny 11 BMP Iwasaki, Suda, Cancer Sci, 2009; 100:1166; Morrison&Spradling, Cell; 2008

12 Nisze stabilne i systemy regulacji podziału asymetrycznego A) Osłabienie sygnału hamującego róŝnicowanie B) Indukcja określonego wzoru róŝnicowania przez komórkę macierzystą Morrison&Spradling, Cell 132 (2008) 12

13 Szlak sygnałowy zaleŝny Lateralne hamowanie od Notch Indukcja lateralna - Lateral inhibition - Inductive signalling Lasky & Wu, 2005, Pediatric Research, 57:104R 13

14 Pozycja centrosomu determinowana dystrybucją adherens junctions decyduje o płaszczyźnie podziału komórki w niszy stromalnej i epithelialnej Marthiens V et al. J Cell Sci 2010;123:

15 KadherynozaleŜne kontakty międzykomórkowe determinują płaszczyznę wrzeciona kariokinetycznego Baum B, Georgiou M J Cell Biol 2011;192: Marthiens V et al. J Cell Sci 2010;123:

16 Pozycja centrosomu determinowana dystrybucją adherens junctions decyduje o płaszczyźnie podziału komórki w niszy stromalnej i epithelialnej Marthiens V et al. J Cell Sci 2010;123:

17 Spekulatywny model interakcji między szlakami sygnałowymi zaleŝnymi od integryn i kadheryn w determinowaniu asymetrii podziałów komórkowych Marthiens V et al. J Cell Sci 2010;123:

18 Zaburzenia adhezji a topografia niszy Marthiens V et al. J Cell Sci 2010;123:

19 Zaburzenia funkcji niszy komórek macierzystych mogą wspomagać rozwój choroby nowotworowej Neo P S P2 2 P3 3 Wnts 3 Komórki macierzyste lub wczesne progenitory tkankowe dają początek nowotworowi Czyz J., Wobus A.M. Differentiation (2001) 68: Zaburzenia komunikacji miedzy komórkami macierzystymi a ich mikrośrodowiskiem prowadzą do zaniku kontroli asymetrii podziałów, a w konsekwencji do rozwoju nowotworu 19 Li&Neaves; Cancer Res; (2006); 66:4553

20 Od komórki do organu Od komórki do guza 20

21 21

22 ZaangaŜowanie komórek macierzystych w homeostazę tkanek A. Niejednolita (skóra) lub jednolita (krew) populacja komórek macierzystych determinuje samoodnowę tkanki 1 P1 1P2 2P1 Stopień zróŝnicowania Populacja komórek macierzystych daje początek wszystkim komórkom tkanki 22

23 B. Rezydentna populacja komórek macierzystych zdolna jest do róŝnicowania we wszystkie (?) fenotypy charakterystyczne dla tkanki nie podlegającej samoodnowie Tkanka nerwowa Skala zróŝnicowania Przedział komórek macierzystych Progenitory P1 Komórki zróŝnicowane P2 23

24 Zmutowane somatyczne komórki macierzyste jako źródło nowotworów Inicjacja nowotworu Rozwój guza pierwotnego Czynniki inicjujące Mutacje genów regulatorowych Zaburzenia proporcji między podziałem symetrycznym i asymetrycznym Inwazyjna komórka macierzysta MoŜliwe cechy odpowiedzialne za inwazyjność komórek nowotworowych: - Ruchliwość - Cechy reologiczne - Aktywność enzymów proteolitycznych - Ekspresja białek adhezji - Koneksyny - Reaktywność na chemoatraktanty Guz wtórny 24

25 OdróŜnicowane komórki efektorowe jako źródło nowotworów Skala zróŝnicowania Przedział komórek macierzystych Progenitory P1 Komórki zróŝnicowane P2 Nowotwór 25

26 Wniosek: Somatyczne komórki macierzyste lub/i aktywne proliferacyjnie progenitory tkankowe mogą być zdolne do transformacji nowotworowej - Zahamowanie róŝnicowania komórek macierzystych lub/i progenitorowych w dojrzałe fenotypy - Anaplazja-odróŜnicowanie komórek 26

27 Autostrada komórkowa W dorosłych organizmach rezydować moŝe populacja komórek o fenotypie embrionalnym, która podejrzewana jest o to, Ŝe stanowi pogotowie ratunkowe dla uszkodzonych tkanek Te same komórki mogą dawać początek specyficznym tkankowo nowotworom Blau et al., Cell

28 W toku ontogenezy następuje stopniowe przesunięcie równowagi między komórkami wykazującymi fenotyp charakterystyczny dla komórek macierzystych a komórkami terminalnie zróŝnicowanymi, na korzyść tych drugich Komórki o charakterze embrionalnym wciąŝ mogą rezydować w niektórych tkankach współdecydując o ich zdolności do regeneracji 28

29 Embrionalne pochodzenie nowotworów -Potworniaki (teratocarcinoma) przypominają morfologicznie wczesne zarodki (Virchov, 1863, 1885) - Pluripotencja komórek teratocarcinoma Kucia et al. ES cells VSELs The Internet Pathology Library Nowotwór 29

30 Sca-1+Lin-CD45- BM-derived VSELs are viable and diploid cells Scanning Electron Microscopy (SEM) Zuba-Surma, et. al VSEL are diploid (posses normal number of chromosomes) M FL2-A AAD VSELs are viable (exclude 7-ADD) 30

31 VSELs Pluripotencjalne KM w Dorosłych Tkankach Embryonic-like bodies derived from VSELs PALP egfp Differentiation of sphere-derived cells 1. Ectoderm (pancreatic cells) c-peptide 2. Endoderm (neural cells) β-iii tubulin 3. Mesoderm (cardiomyocytes) α-actinin 31 Zuba-Surma, et. al. 2012

32 Wniosek: Komórki stanowiące pozostałość komórek embrionalnych dają początek niektórym nowotworom rozwijającym się we w pełni ukształtowanym organizmie Embryonal rest hypothesis. Teoria a rzeczywistość Jakie fakty przemawiają za tezą zakładającą, Ŝe komórki macierzyste dają początek nowotworom? 32

33 Rozwój choroby nowotworowej w kontekście niszy 1. Akumulacja zmian genetycznych w komórkach macierzystych 2. Zaburzenia komunikacji między komórkami a ich mikrośrodowiskiem, czyli niszą Mediatory komunikacji międzykomórkowej w obrębie niszy - oddziaływania krynne P1 ECM P2 GFs - oddziaływania baryczne Baneset al,, bezpośrednia międzykomórkowa wymiana metabolitów DiI Calcein Donor cell 22 33

34 Model karcinogenezy organizmów wielokomórkowych funkcja niszy Interakcje między komórkami macierzystymi a ich a ich niszami Zaburzenia komunikacji między komórkami a ich niszą decydują o34 toku rozwoju nowotworu

35 Funkcja Niszy czyli mikrośrodowiska komórek w transformacji nowotworowej Mediatory wymiany informacji między komórką a niszą wspomagające transformację nowotworową: Neo - zaburzenia funkcji endo- i egzogennych czynników humoralnych oddziaływania krynne P modyfikacje składu macierzy międzykomórkowej oraz ekspresji receptorów adhezji komórkowej, np. integryn i kadheryn Wnts S P2 P zmiany równowagi mechanochemicznej w obrębie niszy, prowadzące do zaburzeń wymiany bodźców mechanicznych między komórka a jej mikrośrodowiskiem -deregulacja bezpośredniej wymiany metabolitów za pośrednictwem złącz szczelinowych 35 Czyz J., Wobus A.M. Differentiation (2001) 68:

36 Nisza a rozwój raka A) LICs compete with residual normal HSCs for the survival signalling conferred by the niche. Alternatively, leukemic cells occupy HSC niches to re-install LIC characteristics. (B) Leukemic cells alter the microenvironment in such a way that it cooperates in leukemic progression. (C) Primary dysfunction of the niche is required for oncogenesis. This can occur through promoting malignant transformation by increasing the target cell pool size or inducing genomic instability in normal HSPC (C1) Alternatively, an aberrant niche may be required for clonal expansion and further malignant transformation of genetically aberrant (preleukemic) cells ( interclonal oncogenic cooperation ) (C2). Haematologica (7):

37 Podobieństwa między somatycznymi komórkami macierzystymi a komórkami nowotworowymi Kucia&Ratajczak, J. Physiol. Pharmacol,

38 Somatyczne komórki macierzyste i komórki nowotworowe charakterystyczne dla danej tkanki wykazują podobną ekspresję markerów powierzchniowych Tkanka Typ nowotworu Markery SSCs Markery CSCs Krew Gruczoł sutkowy Mózg Skóra Leukemia CD34 + CD38 - Thy1 - Lin - CD34 + CD38 - Thy1 - Lin - Carcinoma CD24 med CD44 + CD24 -/low ESA + Lin - Neuroblastoma CD133 + Lin - CD133 + Nestin + - Melanoma CD133 + Lin - CD133 + Nestin + - Prostata Carcinoma CD133 + α 2 β 1 hi CD44 + CD133 + α 2 β 1 hi SSCs - normalne komórki macierzyste CSCs rakowe komórki macierzyste 38 (Li et al., 2007, Vaish, 2007)

39 Modele kancerogenezy 39

40 ŚcieŜki samoodnowy rakowych komórek macierzystych O'Brien C A et al. Clin Cancer Res 2010;16:

41 Potencjał kancerogenny CSC in vivo O'Brien C A et al. Clin Cancer Res 2010;16:

42 Postulowana rola nowotworowych komórek macierzystych w remisji choroby nowotworowej Komórki somatyczne Specyficzne tkankowo Komórki macierzyste Cechy funkcjonalne embrionalnych i somatycznych komórek macierzystych: - zdolność do samoodnawiania Komórki embrionalne Ratajczak et pluripotencja, multipotencja, unipotencja... - a przede wszystkim wolna proliferacja...pozostają równieŝ charakterystyczne dla komórek nowotworowych... 42

43 Wolna proliferacja komórek macierzystych stanowi o ich sile! - tkankowo specyficzne komórki macierzyste dzielą się wolno -..,.ale nieprzerwanie - dając początek subpopulacjom o róŝnych fenotypach Barker&Clevers, Genes&Development;

44 Bariery zastosowania komórek macierzystych w terapii - Bariery etyczne - Pozyskiwanie i propagacja - Ukierunkowane róŝnicowanie - Bariera immunologiczna - Integracja do tkanki komunikacja międzykomórkowa -Potencjał kancerogenny komórek macierzystych 44

45 Ukierunkowane róŝnicowanie komórek macierzystych pochodzenia embrionalnego w układach in vitro opiera się na próbach odtworzenia dynamiki ich nisz Składniki niszy: - komórki podścieliska - macierz zewnątrzkomórkowa - czynniki humoralne 45

46 Embrionalne komórki macierzyste (in vitro) Embrionalne komórki macierzyste ICM in vivo Zygota Blastocysta Blyszczuk P., Czyz J., Kania G., Wagner M., Roll U., St-Onge L., Wobus A.M. Proc. Natl. Acad. Sci. USA (2003) 100: Boheler K.R., Czyz J., Tweedie D., Yang H-T, Anisimov S.V., Wobus A.M. Differentiation of pluripotent embryonic stem cells into cardiomyocytes. Circ. Res. (2002) 91:

47 Technologie wykorzystania komórek macierzystych in vitro In Vivo Teratocarcinoma Plemnik Oocyt Zygota ICM Blastocysta EGC Komórki linii germinalnej ESC Embrionalne komórki macierzyste ECC Teratocarcinoma Embryo 12,5 d p.c. In Vitro Differentiation as cell aggregates ("embryoid bodies") "Embryoid body" 47 Differentiation into endodermal, ectodermal and mesodermal cells

48 Strategie wykorzystania komórek macierzystych w terapii Biopsja 2 RóŜnicowanie somatycznych KM in vivo Cytoplazma komórki jajowej lub embr. kom. macierzystej Jądro kom. 3 RóŜnicowanie somatycznych KM in vitro 1 Reprogramming i technologia wyk. embrionalne kom. macierzyste Blastocysta Transplantacja Generowanie nowych typów komórek in vitro Embrionalne kom. macierzyste Strategie nr 1 i 3 wymagają poznania tajników funkcji mikrośrodowiska w regulacji róŝnicowania komórek macierzystych, natomiast strategia nr 2 moŝe nam pomóc w zgłębianiu tychŝe tajników 48

49 Przeprogramowanie jąder komórek somatycznych po implantacji do cytoplazmy komórek jajowych prowadzi do rozwoju kompletnego organizmu Ian Wilmut i owca Dolly (1997) 49

50 Embrionalne komórki macierzyste vs. indukowane komórki progenitorowe NIH Report,

51 Komunikacja międzykomórkowa w ontogenezie i patogenezie Narzucanie zbiorowej pamięci historycznej jest cechą reŝimów autorytarnych i totalitarnych utopii Santos Julia komórki macierzyste a komórki nowotworowe 51

52 Komórki macierzyste stanowią potencjalne źródło nowych organów ale równieŝ nowotworów NIH Report,