Komórki jajnika o zróżnicowanym potencjale różnicowania

Transkrypt

1 GinPolMedProject 3 (53) 2019: ARTYKUŁ POGLĄDOWY Komórki jajnika o zróżnicowanym potencjale różnicowania Michał Czerwiński 1 (AEF), Katarzyna Olszak-Wąsik 2 (AEF), Anna Bednarska-Czerwińska 1 (AEF), Anita Olejek 2 (F) 1 GynCentrum Klinika Leczenia Niepłodności i Badań Prenatalnych, Katowice, Polska 2 Katedra i Oddział Kliniczny Ginekologii, Położnictwa i Ginekologii Onkologicznej w Bytomiu, Śląski Uniwersytet Medyczny, Katowice, Polska STRESZCZENIE WKŁAD AUTORÓW: (A) Projekt badania (B) Zbieranie Danych (C) Analiza Statystyczna (D) Interpretacja Danych (E) Przygotowanie Rękopisu (F) Gromadzenie Piśmiennictwa (G) Gromadzenie Funduszy Nabłonek powierzchni jajnika jest potencjalnym źródlem komórek macierzystych i germinalnych. Badania nad tkanką jajnika dorosłych ssaków potwierdziły w nim obecność komórek macierzystych, wykazano je również w nabłonku jajnika ludzkiego. W artykule przedstawiono najważniejsze informacje dotyczące komórek macierzystych jajnika, domniemanych komórek macierzystych oraz komórek germinalnych. Komórki te, o dużym potencjale różnicowania są ciekawym obiektem badań w zakresie możliwości ich wykorzystania w wielu dyscyplinach medycznych, w tym także w leczeniu niepłodności. Słowa kluczowe: komórki macierzyste jajnika; mezynchymalne komórki macierzyste; macierzyste komórki rozrodcze jajnika; niepłodność Adres do korespondencji: Gyncentrum, ul. Żelazna 1, Katowice czerwinski.m92@gmail.com Liczba słów: 1316 Tabele: 0 Ryciny: 1 Piśmiennictwo: 45 Received: Accepted: Published: WSTĘP Komórki macierzyste (SC stem cells) często określane, jako totipotencjalne, pluripotencjalne, multipotencjalne, oligopotencjalne czy unipotencjalne uczestniczą w utrzymywaniu tkankowej homeostazy. W dojrzałych tkankach komórki macierzyste mogą dzielić się na komórki potomne zapewniając ciągłość populacji komórek macierzystych oraz mogą przeobrażać się w inne typy komórek zastępując te zniszczone czy umierające [1,2]. SC mogą zostać pozyskane z zarodków w stadium bruzdkowania oraz blastocysty (zarodkowe komórki macierzyste, ESC embryonic stem cells), jak również z tkanek pozazarodkowych, takich jak pępowina, łożysko czy płyn owodniowy [3-5]. SC u dorosłych ssaków są także obecne, jako tzw. somatyczne SC w szpiku kostnym, krwi, tkance tłuszczowej, skórze i jądrach [6-10]. W artykule przedstawiono informacje dotyczące kilku rodzajów komórek macierzystych obecnych w ludzkim jajniku. KOMÓRKI MACIERZYSTE JAJNIKA (ovarian stem cells OSCs) Komórki macierzyste jajnika OSCs wywodzą się z nabłonka powierzchni jajnika (ovarian surface epithelium OSE) [11]. Komórki macierzyste OSE obecne są zawsze w jajniku płodów na etapie około 20. tygodnia ciąży i sporadycznie są obecne w normalnym jajniku dorosłej kobiety. Tak zwane przejście mezenchymalno-nabłonkowe komórek mezenchymalnych uzyskanych z osłonki białawej jajnika świadczy o ich możliwości proliferacji [2,12]. Bhartiya i wsp. uważają, iż komórki OSC to dwie populacje, z których jedna to, tak zwane very small embryonic like stem cells (VSELs) oraz większe rozrodcze komórki jajnika (GSCs ovarian germ stem cells) o cechach progenitorowych [13]. Ludzkie komórki macierzyste OSE są bipotencjalnymi komórkami progenitorowymi dla 39

2 GinPolMedProject 3 (53) 2019: oocytów i komórek ziarnistych jajnika [2,14]. Komórki ziarniste oraz tekalne wspomagają już na tym etapie komórki rozrodcze w rozwijającym się pęcherzyku [15]. Podczas okresu płodowego, który jest pierwszym stadium rozwoju układu rozrodczego powstające oocyty oraz pęcherzyki pierwotne są źródłem odnowy dalszych kohort pęcherzyków jajnikowych [2]. W przeciwieństwie do większości nabłonków, komórki OSE wykazują ekspresję zarówno markerów typowych dla komórek nabłonka, jaki i komórek mezenchymalnych. W jajniku prawidłowym ten specjalny nabłonek pokrywa tylko jego niektóre fragmenty, natomiast w jajniku nieaktywnym jest on rozproszony po całej jego powierzchni. Takie zjawisko jest obserwowane w jajniku u kobiet menopauzalnych, w zespole policystycznych jajników, w sklerotycznym jajniku, w sytuacjach braku owulacji [16]. Okresowa odnowa pęcherzykowa zmniejsza się między rokiem życia, a pozostająca pula pęcherzyków pierwotnych wyczerpuje się w czasie premenopauzalnym [2]. Prawidłowy nabłonek jajnika jest nabłonkiem jednowarstwowym w budowie od płaskiego do sześciennego [17]. Nabłonek powierzchni jajnika dorosłej kobiety może być źródłem komórek rozrodczych powstających dzięki asymetrycznym podziałom komórek OSE [2,14]. Możliwe właściwości regeneracyjne SCs w OSE, tj. różnicowanie w inne typy komórek (włączając tu komórki mezenchymalne, nabłonkowe, ziarniste, nerwowe) oraz oogeneza w warunkach in vitro, czynią z tych komórek interesujący obiekt badań w aspekcie wykorzystania w terapiach zindywidualizowanych (zwłaszcza w leczeniu niepłodności i raków nabłonkowych jajnika) [2,18,19]. Dzięki profilowaniu ekspresji genów udowodniono hipotezę dotyczącą multipotencjalnego charakteru komórek OSE w jajniku oraz ich zdolności do inicjowania rozwoju raka jajnika. Niemniej jednak, jak wykazali Bowen i wsp. geny zaangażowane w utrzymanie komórek macierzystych dorosłych o właściwościach multipotencjalnych nie ulegały ekspresji wcale lub tylko nieznacznej w przypadkach gruczolakoraków [20]. MEZENCHYMALNE KOMÓRKI MACIERZYSTE (mesenchymal stem cells MSC) Mezenchymalne komórki macierzyste (będące somatycznymi komórkami macierzystymi) obecne są w wielu narządach w okresie postnatalnym oraz w tkance łącznej [21]. Lokalizują się okołonaczyniowo przy małych naczyniach, co ułatwia im migrację [22]. MSC obecne są w osłonce białawej jajnika [23,24]. Stimpfel i wsp. odnotowali, że w warunkach in vitro również tkanka pochodząca z dojrzałego jajnika może być źródłem komórek o właściwościach MSC [25]. Multipotencjalne MSC mogą również powstawać z ludzkich embrionalnych komórek macierzystych (hpescs human embryonic stem cells) [26]. Dorosłe MSC z ich potencjałem do intensywnej samoodnowy i możliwościami różnicowania się w odmienne linie tkankowe opuszczają swoją niszę by migrować do tkanek w celu ich naprawy i regeneracji [27,28]. MSC obecne w osłonce białawej także potrafią odróżnicować się w kierunku nabłonka powierzchniowego uczestniczącego w odnowie pęcherzykowej w jajniku dorosłej kobiety [23,24]. Wykazano ponadto, że progenitorowe komórki mezenchymalne cytokeratynowo-pozytywne z osłonki białawej mogą różnicować się do elementów pęcherzyka pierwotnego (pierwotnych komórek ziarnistych i rozrodczych) [14]. Elementy tworzące pęcherzyk pierwotny, pierwotne komórki ziarniste i rozrodcze, kolejno różnicują się i powstają de novo z progenitorowych komórek mezenchymalnych zasiedlających osłonkę białawą jajnika. Wydaje się, że mezenchymalne komórki progenitorowe najpierw uczestniczą w powstawaniu komórek nabłonkowych podobnych do komórek ziarnistych, a następnie te komórki tworzą gniazda nabłonka schodzące do głębszych warstw kory jajnika. Proces oogenezy postępuje dalej. W tym czasie progenitorowe komórki mezenchymalne różnicują się do OSE o charakterze komórek Ryc. 1. Elementy pęcherzyka pierwotnego pierwotne komórki ziarniste i rozrodcze jajnika. Opracowano na podstawie [24] 40

3 M. Czerwiński et al. Komórki jajnika o zróżnicowanym potencjale różnicowania zarodkowych, pokrywając zarówno powierzchnię jajnika, jak i wnikając do krypt nabłonkowych. Komórki te stają się źródłem komórek rozrodczych, które gromadząc się ze skupiskami komórek ziarnistych tworzą pierwotny pęcherzyk [24]. Fenomen przejścia mezenchymalno-nabłonkowego umożliwia komórkom mezenchymalnym z osłonki białawej na przemianę w życiu dorosłym z powrotem do OSE w określonych warunkach, ale nie przed okresem pokwitania [2]. Komórki te, łatwe do wyizolowania i hodowli, podobnie do komórek macierzystych jajnika są obiecującym przedmiotem technik medycyny regeneracyjnej z uwagi na multipotencjalny charakter oraz właściwości do ekspansji i działania immunosupresyjnego [27]. DOMNIEMANE KOMÓRKI MACIE- RZYSTE (putative stem cells PSC) W kilku badaniach przedstawiono informacje na temat obecności domniemanych komórek macierzystych (putative stem cells) w tkance jajnika dorosłego ssaka [29-33]. Stwierdzono, że PSCs mogą bezpośrednio uczestniczyć w oogenezie już w życiu postnatalnym. Badania Parte i wsp. wykazały, że komórki te zwiększając swój rozmiar potrafią różnicować się w małe struktury podobne do oocytów otaczając się wyraźną warstwą podobną do osłonki przejrzystej [34]. Podobnie Virant-Klun i wsp. odnotowali rozwój domniemanych komórek macierzystych PSCs do komórek podobnych do oocytów [11,35]. Źródłem komórek PSCs u kobiet z nieczynnym jajnikiem mogą również być komórki OSE [36]. Komórki PCSs różnią się pomiędzy sobą rozmiarami. Te mniejsze, z natury pluripotencjalne, rozmiarów 1-3 µm, nazywane są zarodkowo podobnymi PSCs i wykryte zostały na powierzchni nabłonka jajnikowego (VSELs very small embryonic like stem cells) [37]. VSELs są mniejsze niż erytrocyty, charakteryzują się wysokim stosunkiem jądro cytoplazma, jądro wypełnione jest euchromatyną, z otwartą ramką dla OCT-4 i promotora Nano, antygenem powierzchniowym SSEA-4 i innymi markerami pluripotencji. VSELs należą do tzw. cichych komórek macierzystych, przechodzących asymetryczny podział dając początek progenitorowym komórkom macierzystym, które dzielą się intensywnie i zapewniają tkankową homeostazę [13,39]. De Felici stwierdził, że VSELs są pierwotnymi komórkami rozrodczymi, które migrują do grzebieni płciowych w trakcie wczesnego rozwoju zarodkowego i potrafią przetrwać do wieku dojrzałego [31]. Komórki te wykazują ekspresję kilku genów związanych z możliwościami pluripotencji, rozwoju zarodkowego oraz linii komórek rozrodczych [37]. VSELs mogą różnicować się w każdy rodzaj komórki potomnej, w zależności od potrzeb organizmu, np. w struktury podobne do oocytów, do struktur partenogenetycznych, ciałek zarodkowych, komórek o fenotypie komórek nerwowych, czy kolonii komórek podobnych do zarodkowych komórek macierzystych [40]. Na tej podstawie autorzy postulują, iż komórki VSELs są najbardziej prymitywnymi pluripotencjalnymi komórkami macierzystymi jajnika i dają początek specyficznym dla tej tkanki OSE. VSELs obecne są w starzejącym się nie funkcjonującym jajniku a ich pozyskanie ze zdrowej niszy może umożliwiać odnowienie tkanki jajnika i podjęcie próby wykorzystania tych właściwości w leczeniu niepłodności [41]. MACIERZYSTE KOMÓRKI ROZ- RODCZE JAJNIKA (ovarian germ stem cells OGSCS) Primordialne komórki rozrodcze (primordial germ cells PGCs) w epiblaście tworzącego się zarodka kolonizują grzebień płciowy. Prawdopodobnie komórki PGCs w dojrzałej gonadzie (żeńskiej lub męskiej) utrzymują się jako VSELs i przechodzą asymetryczne podziały celem samoodnowy oraz dają początek gonadalnym komórkom rozrodczym OGSCs w jajniku [40]. OGSCs rozmiaru 5-7 µm powstają z PGCs lub VSELs [31,34,42]. OGSCs są progenitorowymi komórkami macierzystymi namnażają się tworząc gniazda komórek rozrodczych, które następnie różnicują się do oocytów otoczonych komórkami somatycznymi i tak powstają pęcherzyki primordialne [39]. Progenitorowe komórki przechodzą następnie kolejne podziały mejotyczne czego efektem jest powstanie haploidalnej gamety żeńskiej [13]. OGSCs zlokalizowane są na powierzchni jajnika i wykazują ekspresję markerów dla niezróżnicowanych GSCs [43]. PODSUMOWANIE Do czasu odkrycia domniemanych komórek GSCs dominowało przekonanie o braku moż- 41

4 GinPolMedProject 3 (53) 2019: liwości postnatalnej oogenezy w jajnikach ssaków [44]. Badania nad komórkami macierzystymi jajnika nie są liczne. Z tego powodu obszar ten wymaga szerszych badań, zwłaszcza w zakresie przywracania płodności (włączając tu leczenie przeciwnowotworowe), niepłodności i opóźniania menopauzy. Komórki macierzyste mają ogromny potencjał terapeutyczny w medycynie regeneracyjnej, ale także w związku z możliwością powstawania guza nowotworowego z kilku nowotworowo zmienionych komórek macierzystych, w terapiach mających na celu właśnie niszczenie nowotworowych komórek macierzystych [2,45]. PIŚMIENNICTWO 1. Avasthi S, Srivastava RN, Singh A et al. Stem Cell: past, present and future: a review article. Internet Journal of Medical Update 2008;3: DOI: /ijsc Hou S, Singh SR. Study Origin of Germ Cells and Formation of New Primary Follicles in Adult Human and Rat Ovaries. Germline stem cells 2008;16: De Coppi P, Bartsch G Jr, Siddiqui MM et al. Germ stem cells in the mammalian adult ovary: considerations by a fan of the primordial germ cells. Molecular Human Reproduction 2010; 6(9): DOI: /molehr/gaq McGuckin CP, Forraz N, Baradez MO et al. Production of stem cells with embryonic characteristics from human umbilical cord blood. Cell Proliferation 2005;38: DOI: /j x. 5. Miki T, Lehmann T, Cai H et al. Stem cell characteristics of amniotic epithelial cells. Stem Cells 2005;23: DOI: /stemcells Alonso L, Fuchs E. Stem cells of the skin epithelium. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America 2003; 100(1): DOI: /pnas Barnes DWH., Loutit JF. Haemopoietic stem cells in the peripheral blood. The Lancet 1967;2: DOI: 8. Guan K, Nayernia K, Maier LS et al. Pluripotency of spermatogonial stem cells from adult mouse testis. Nature 2006; 440: DOI: /nature Pittenger MF, Mackay AM, Beck SC et al. Multilineage potential of adult human mesenchymal stem cells. Science 1999; 284: DOI: /science Zuk PA, Zhu M, Ashjian P et al. Human adipose tissue is a source of multipotent stem cells. Molecular biology of the cell 2002;3: DOI: /mbc.E Virant-Klun I, Zech N, Rozman P et al. Putative stem cells with an embryonic character isolated from the ovarian surface epithelium of women with no naturally present follicles and oocytes. Differentiation 2008;76: DOI: /j x. 12. Dunlop CE, Telfer EE, Anderson RA. Ovarian stem cells - Potential roles in infertility treatment and fertility preservation. Maturitas 2013;76: DOI: /j.maturitas Bhartiya D, Sriraman K, Parte S. Stem Cell Interaction with Somatic Niche May Hold the Key to Fertility Restoration in Cancer Patients. Obstetrics and Gynecology International 2012; 11. Article ID DOI: / 2012/ Bukovsky A, Svetlikova M, Caudle MR. Oogenesis in cultures derived from adult human ovaries. Reproductive Biology and Endocrinology 2005;3:17. DOI: / Chang HL, MacLaughlin DT, Donahoe PK. Somatic stem cells of the ovary and their relationship to human ovarian cancers. In: StemBook. Cambridge (MA): Harvard Stem Cell Institute 2009: Auersperg N, Wong AST, Choi KC et al. Ovarian surface epithelium: biology, endocrinology and pathology. Endocrine Reviews 2001;22: DOI: /edrv Ahmed N, Thompson EW, Quinn MA. Epithelial-mesenchymal interconversions in normal ovarian surface epithelium and ovarian carcinomas: an exception to the norm. Journal of Cellular Physiology 2007; 213: DOI: /jcp Bukovsky A, Caudle MR, Virant-Klun I et al. Immune physiology and oogenesis in fetal and adult humans, ovarian infertility, and totipotency of adult ovarian stem cells. Birth Defects Research. Part C, Embryo Today 2009; 87: DOI: /bdrc Virant-Klun I, Skutella T. Stimpfel M et al. Ovarian Surface Epithelium in Patients with Severe Ovarian Infertility: A Potential Source of Cells ExpressingMarkers of Pluripotent/Multipotent Stem Cells. Journal of Biomedicine and Biotechnology 2011: DOI: /2011/ Bowen NJ, Walker LD, Matyunina LV. Gene expression profiling supports the hypothesis that human ovarian surface epithelia are multipotent and capable of serving as ovarian cancer initiating cells. BMC Medical Genomics 2009; 2(71). DOI: Maleki M, Ghanbarvand F, Behvarz MR et al. Comparison of Mesenchymal Stem Cell Markers in Multiple Human Adult Stem Cells. International Journal of Stem Cells 2014; 7(2): DOI: /ijsc Abedin M, Tintut Y, Demer LL. Mesenchymal stem cells and the artery wall. Circulation Research 2004; 95: DOI: /01.RES Bukovsky A, Keenan JA, Caudle MR et al. Immunohistochemical studies of the adult human ovary: possible contribution of immune and epithelial factors to folliculogenesis. American Journal of Reproductive Immunology 1995; 33: DOI: /j tb Bukovsky A, Caudle MR, Svetlikova M et al. Origin of germ cells and formation of new primary follicles in adult human ovaries. Reproductive Biology and Endocrinology 2004;2:20. DOI: / Stimpfel M, Cerkovnik P, Novakovic S et al. Putative mesenchymal stem cells isolated from adult human ovaries. Journal of Assisted Reproduction and Genetics 2014;31: DOI: /s Chen Y, Ai A, Ya Tang Z et al. Mesenchymal-Like Stem Cells Derived from Human Parthenogenetic Embryonic Stem Cells. Stem Cells and Development 2012; 21:1. DOI: /scd Fu X, Li H. Mesenchymal stem cells and skin wound repair and regeneration: possibilities and questions. Cell and Tissue Research 2009;335: DOI: /s Klingemann H, Matzilevich D, Marchand J. Mesenchymal stem cellssources and clinical applications. Transfusion Medicine and Hemotherapy 2008; 35: DOI: / Oktem O, Oktay K. Current knowledge in the renewal capability of germ cells in the adult ovary. Birth defects research. Part C, Embryo Today: Reviews 2009; 87: DOI: /bdrc

5 M. Czerwiński et al. Komórki jajnika o zróżnicowanym potencjale różnicowania 30. Tilly JL, Telfer EE. Purification of germline stem cells from adult mammalian ovaries: a step closer towardscontrol of the female biological clock. Molecular Human Reproduction 2009;15: DOI: /molehr/gap De Felici M. Germ stem cells in the mammalian adult ovary: considerations by a fan of the primordial germ cells. Molecular Human Reproduction 2010;16: DOI: /molehr/gaq Virant-Klun I, Skutella T. Stem cells in aged mammalian ovaries. Aging 2010; 2: 3 6. DOI: /aging Bukovsky A. How can female germline stem cells contribute to the physiological neo-oogenesis in mammals and why menopause occurs? Microscopy and Microanalysis 2011;17: DOI: /S X. 34. Parte S, Bhartiya D, Telang J et al. Detection, characterization, and spontaneous differentiation in vitro of very small embryonic-like putative stem cells in adult mammalian ovary. Stem Cells and Development 2011;20(8): DOI: /scd Virant-Klun I, Rozman P, Cvjeticanin B et al. Parthenogenetic embryolike structures in the human ovarian surface epithelium cell culture in postmenopausal women with no naturally present follicles and oocytes. Stem Cells and Development 2009;18(7): DOI: /scd Virant-Klun I, Stimpfel M, Cvjeticanin B et al. Small SSEA- 4-positive cells from human ovarian cell cultures: related to embryonic stem cells and germinal lineage? Journal of Ovarian Research 2013;6:24. DOI: / Virant-Klun I, Skutella T, Hren M et al. Isolation of Small SSEA-4-Positive Putative Stem Cells from the Ovarian Surface Epithelium of Adult Human Ovaries by Two Different Methods. BioMed Research International Article ID DOI: Shin DM, Zuba-Surma EK, Wu W et al. Novel epigenetic mechanisms that control pluripotency and quiescence of adult bone marrow-derived Oct4+ very small embryonic-like stem cells. Leukemia 2009;23(11): DOI: /leu Li L, Clevers H. Coexistence of quiescent and active adult stem cells in mammals. Science 2010;327 (5965): DOI: /science Bhartiya D, Unni S, Parte S et al. Very Small Embryonic- Like Stem Cells: Implications inreproductive Biology. Bio- Med Research International Article ID DOI: Bhartiya D, Hinduja I, Patel H et al. Making gametes from pluripotent stem cells a promising role for very small embryonic-like stem cells. Reprod Biol Endocrinol 2014; (24)12:114. doi: / Ratajczak MZ, Liu R, Marlicz W et al. Identification of very small embryonic/epiblast-like stem cells (VSELs) circulating in peripheral blood during organ/tissue injuries. Methods in Cell Biology 2011; 103: DOI: / B Ozakpinar OB, Maurer AM, Ozsavci D. Ovarian stem cells: From basic to clinical applications. World Journal of Stem Cells 2015;7(4): DOI: /wjsc.v7.i Pan Z, Sun M, Liang X et al. The Controversy, Challenges, and Potential Benefits of Putative Female Germline Stem Cells Research in Mammals. Stem Cells International 2016; Article ID DOI: /2016/ Marques-Mari AI, Lacham-Kaplan O, Medrano JV et al. Differentiation of germ cells and gametes from stem cells. Human Reproduction Update ; 5: DOI: /humupd/dmp