Wpływ bupiwakainy na żywotność komórek macierzystych krwi pępowinowej in vitro badanie pilotowe

Transkrypt

1 Perinatologia, Neonatologia i Ginekologia, tom 6, zeszyt 4, , 2013 Wpływ bupiwakainy na żywotność komórek macierzystych krwi pępowinowej in vitro badanie pilotowe KAROLINA KULIŃSKA 1, MACIEJ KURPISZ 2, KRZYSZTOF SAWIŃSKI 3, KATARZYNA CZERNIAK 1, STEFANIA BURKOWSKA 4, HANNA BILLERT 1 Streszczenie Bupiwakaina, anestetyk lokalny stosowany powszechnie w celu uśmierzenia bólu porodowego przechodzi do krążenia płodowego i może wywierać efekty biologiczne. Nie wiadomo jednak, czy ma zdolność modyfikowania żywotności komórek macierzystych krwi pępowinowej. Celem badania była ocena wpływu bupiwakainy oraz anestetyku referencyjnego, lidokainy, na żywotność komórek macierzystych krwi pępowinowej in vitro. Z krwi pępowinowej izolowano komórki jednojądrowe (MNC). Następnie metodą cytometrii przepływowej identyfikowano komórki macierzyste o fenotypie CD34+CD133+ oraz CD34+CD133! oraz oceniano apoptozę i nekrozę przy użyciu aneksyny V oraz 7-aminoaktynomycyny (7-AAD). Wykazano wzrost ilości komórek wczesnoapoptotycznych w subpopulacjach komórek macierzystych CD34+CD133+ oraz CD34+CD133! pod wpływem bupiwakainy w stężeniach odpowiednio 5 mm oraz 1 mm. W najniższym stężeniu istotnym klinicznie bupiwakaina nie wpływała na żywotność komórek macierzystych. Lidokaina nie modyfikowała ich żywotności w żadnym z użytych stężeń. Wniosek: Bupiwakaina w stężeniu istotnym klinicznie nie wpływa na żywotność komórek macierzystych krwi pępowinowej in vitro. Kluczowe słowa: anestetyki lokalne, komórki macierzyste, cytotoksyczność, krew pępowinowa Wstęp Blokady centralne, w tym blokada zewnątrzoponowa, stanowią złoty standard analgezji porodu, będąc najskuteczniejszymi i bezpiecznymi metodami walki z bólem porodowym. Środki podawane matce do przestrzeni zewnątrzoponowej, m.in. anestetyki lokalne, przechodzą do jej krążenia układowego i, dyfundując przez łożysko, także do krążenia płodu. Do najczęściej stosowanych należy bupiwakaina. Wyjaśnienia wymaga bezpośredni wpływ tych środków na komórki dziecka [1, 2]. Anestetyki lokalne, poza efektem analgetycznym związanym z czasowym blokowaniem przewodzenia w komórkach nerwowych, już w niskich stężeniach istotnych klinicznie wywołują szereg efektów alternatywnych oraz cytotoksycznych. Wykazano zdolność tych środków, w tym bupiwakainy, do indukowania śmierci komórek, szczególnie procesu apoptozy, który reprezentując rodzaj śmierci programowanej ma kluczowe znacznie dla zachowania homeostazy ustroju [3]. Efekty propapototyczne udokumentowano m.in. w komórkach mięśniowych, nerwowych, limfocytach i chondrocytach już w niskich stężeniach istotnych klinicznie [4-6]. Okazuje się też, że środki znieczulenia miejscowego, w tym także bupiwakaina, mogą działać toksycznie na komórki macierzyste, kluczowe dla proliferacji tkanek i znajdujące w medycynie coraz więcej zastosowań [7]. Ostatnio pojawiły się sugestie dotyczące indukcji apoptozy komórek macierzystych w wyniku ekspozycji na anestetyki lokalne [8-10]. Nie wiadomo jednak, czy leki te, zwłaszcza stosowane w anestezjologii położniczej, indukują apoptozę w komórkach macierzystych krwi pępowinowej. Bankowanie krwi pępowinowej jako źródła komórek macierzystych i progenitorowych do transplantacji stanowi atrakcyjną alternatywę dla komórek macierzystych szpiku i krwi obwodowej [11]. Wśród komórek macierzystych i progenitorowych krwi pępowinowej można wyodrębnić kilkadziesiąt subpopulacji zróżnicowanych fenotypowo i czynnościowo. Do mniej zróżnicowanych należą komórki o fenotypie CD34+ CD133+ (bardzo małe komórki o charakterze embrionalnym oraz młodsze formy progenitorów endotelialnych i hematopoetycznych), fenotyp CD34+CD133! charakteryzuje komórki wyżej zróżnicowane (progenitory endotelialne i hematopoetyczne) [12, 13]. Krew pępowinowa jest łatwo dostępna w dużych ilościach na całym świecie, a ryzyko odrzucenia przeszczepu komórek macierzystych pochodzących z krwi pępowinowej jest niższe w porównaniu z komórkami pochodzącymi ze szpiku (m.in. w związku z niższą ekspresją antygenu HLA-DR w porównaniu ze szpikiem) [11]. Okazuje się, że czynniki położnicze mogą w pewnym stopniu wpływać na charakterystykę biologiczną krwi pępowinowej i jej przydatność do celów transplantologicznych [14]; problem znieczulenia nie był jak dotychczas poruszany. Istnieje zatem koniecz- 1 Zakład Anestezjologii Doświadczalnej, Katedra Anestezjologii i Intensywnej Terapii, Uniwersytet Medyczny im. Karola Marcinkowskiego w Poznaniu 2 Zakład Biologii Rozrodu i Komórek Macierzystych, Instytut Genetyki Człowieka PAN, Poznań 3 Klinika Hematologii i Transplantacji Szpiku, Uniwersytet Medyczny im. Karola Marcinkowskiego w Poznaniu 4 Oddział Porodowy Ginekologiczno-Położniczego Szpitala Klinicznego, Uniwersytet Medyczny im. Karola Marcinkowskiego w Poznaniu

2 216 K. Kulińska, M. Kurpisz, K. Sawiński, K. Czerniak, S. Burkowska, H. Billert ność zbadania wpływu środków anestetycznych podawanych matce w czasie porodu na żywotność komórek macierzystych krwi pępowinowej. Celem projektu była ocena wpływu bupiwakainy na żywotność komórek macierzystych krwi pępowinowej o fenotypie CD34+ CD133+ oraz CD34+CD133- in vitro. Materiał i metody Badania zostały przeprowadzone na komórkach krwi pępowinowej (n = 6) pobranej od dzieci urodzonych fizjologicznie, których dobrostan został oceniony na > 8 punktów w skali Apgar. Izolację komórek jednojądrowych (MNC) przeprowadzono według procedury wirowania w gradiencie gęstości z wykorzystaniem preparatu Gradisol L (Aqua-Med). Wyizolowane komórki poddano czterogodzinnej inkubacji (37EC, 5% CO 2 ) z bupiwakainą i lidokainą jako anestetykiem referencyjnym w stężeniach odpowiednio: 1: 05; 005 mm oraz 4: 2; 02 mm. Najniższe zastosowane stężenie bupiwakainy odpowiadało wartościom występującym we krwi pępowinowej w warunkach analgezji zewnątrzoponowej porodu [2]. Wartości stężeń lidokainy były czterokrotnie wyższe, odpowiadając różnicom w efekcie farmakologicznym [15]. Identyfikację komórek macierzystych przeprowadzono w cytometrze przepływowym (FACS Canto II, BD) z wykorzystaniem przeciwciał monoklonalnych : CD34-PE oraz anty CD133-APC (Miltenyi). Ocenę apoptozy oraz nekrozy przeprowadzono z zastosowaniem barwienia błon komórkowych aneksyną V skoniugowaną z FITC (Pharmingen, BD) oraz jąder komórkowych 7-AAD (Pharmingen, BD). Aneksyna V wiąże się z fosfatydyloseryną fosfolipidem błonowym, który we wczesnym stadium apoptozy ulega przeniesieniu z warstwy wewnętrznej do warstwy zewnętrznej błony komórkowej. 7-AAD wnika do jąder komórek późnoapoptotycznych oraz nekrotycznych interkalując DNA i wykazując emisję światła fluorescencji w zakresie możliwym do oceny za pomocą cytometru przepływowego. Komórki żywe i wczesnoapoptotyczne posiadające nienaruszoną błonę komórkową nie przyjmują 7-AAD [3]. Uzyskane wyniki przedstawiono jako medianę i rozstęp interkwartylowy sześciu niezależnych eksperymentów. Analizę statystyczną przeprowadzono przy użyciu programu Statistica10.0. Do oceny wpływu anestetyków na komórki wykorzystano test kolejności par Wilcoxona, w analizie różnic żywotności między badanymi subpopulacjami w próbie kontrolnej zastosowano test Manna-Whitneya. Poziom istotności p < 5. Wyniki Komórki macierzyste stanowiły 0,5-2,5% populacji komórek MNC. W ocenie cytometrycznej wyodrębniono dwie subpopulacje komórek o fenotypie CD34+CD133+ oraz CD34+CD133! (ryc. 1). Ryc. 1. Wyodrębnienie subpopulacji komórek macierzystych o fenotypie CD34+CD133+ oraz CD34+CD133! w puli komórek MNC przy użyciu cytometru przepływowego Ryc. 2. Ocena apoptozy w komórkach macierzystych CD34+ CD133+(A) oraz CD34+CD133-(B). Barwienie aneksyną V-FITC oraz 7-AAD. AneksynaV-/7-AAD- (lewy dolny kwadrat) komórki żywe; aneksynav+/7-aad- (prawy dolny kwadrat) komórki wczesnoapoptotyczne; aneksynav+/7-aad+ (prawy górny kwadrat) komórki późnoapoptotyczne; aneksynav-/7-aad+ (lewy górny kwadrat) komórki nekrotyczne

3 Wpływ bupiwakainy na żywotność komórek macierzystych krwi pępowinowej in vitro 217 Tabela 1. Wpływ bupiwakainy i lidokainy na żywotność komórek macierzystych: A) o fenotypie CD34+CD133+; B) o fenotypie CD34+CD133!CD34+CD133+ A. CD34+CD133+ Żywotność komórek Żywe Wczesna Późna Nekroza 0 8 (52,6-93,7) 17,5 (5,6-46,4) (-0,9) (-0,6) Stężenie anestetyku [mm] Bupiwakaina Lidokaina ,7 (57,0-94,3) 18,1 (5,4-42,1) (0,2-0,9) (-0,2) 74,8 (42,5-86,3) 25,1* (12,7-57,3) (-0,4) (-0,2) 65,2 (46,4-91,5) 34,7 (8,0-53,5) 0,2 (-) (-) 73,4 (57,9-83,2) 25,9 (16,3-42,1) 0,2 (-0,5) (-) 73,3 (64,1-85,3) 26,6 (13,8-34,8) 0,5 (-1,0) (-) 74,7 (54,5-82,3) 25,0 (17,2-45,4) 0,4 (0,2-0,6) (-) B. CD34+CD133! Żywotność komórek Żywe Wczesna Późna Nekroza 0 74,9 (56,4-90,4) 22,6 (6,2-34,6) (1,5-2,7) 0,9 (-6,5) Stężenie anestetyku [mm] Bupiwakaina Lidokaina ,4 (58,5-91,3) 2 (7,0-38,4) (0,6-3,0) 0,7 (-2,6) 74,0 (49,8-87,5) 23,5 (7,8-46,8) (0,4-3,4) (-) 65,1 (45,7-90,6) 33,1** (7,7-49,2) (1,5-4,7) (-0,7) 7 (61,4-85,7) 25,2 (8,5-35,6) (1,8-2,9) (-4,9) 72,9 (63,3-85,2) 25,8 (7,1-3) 2,0 (0,6-3,5) 0,5 (-5,5) 71,6 (51,5-83,2) 25,5 (14,1-41,1) (0,7-4,9) 1,5 (-2,7) Ocena wpływu bupiwakainy i lidokainy w sześciu niezależnych eksperymentach. Mediana (rozstęp interkwartylowy). Test kolejności par Wilcoxona porównanie par zmiennych: wartości kontrolnej bez dodatku anestetyku z wartościami uzyskanymi po inkubacji z poszczególnymi stężeniami anestetyków;*p = 28; **p = 46. Dzięki barwieniu aneksyną V oraz 7-AAD uzyskano w obrębie każdej subpopulacji: komórki żywe niewybarwione ani aneksyną V, ani 7-AAD; wczesnoapoptotyczne wybarwione aneksyną V, ale niewybarwione 7-AAD; późnoapoptotyczne wybarwione aneksyną V i 7-AAD; oraz nekrotyczne wybarwione wyłącznie 7-AAD (ryc. 2). Bardziej zróżnicowane komórki progenitorowe CD34+ CD133! charakteryzowały się wyższym odsetkiem komórek późnoapoptotycznych w kontroli w porównaniu z populacją komórek mniej zróżnicowanych CD34+CD133+ ( vs. ; Mann-Whitney; p < 05). Wyniki sześciu niezależnych eksperymentów wskazują na istotny statystycznie (p < 5) wzrost odsetka komórek aneksyno-dodatnich w obu badanych subpopulacjach pod wpływem bupiwakainy. W komórkach o fenotypie CD34+ CD133+ indukcję wczesnej apoptozy obserwowano pod wpływem bupiwakainy w stężeniu 5 mm (25% vs 17% w przypadku komórek kontrolnych, test kolejności par Wilcoxona p = 46; tab. 1a). W puli komórek CD34+CD133! wyższy odsetek komórek w stadium wczesnej apoptozy stwierdzono przy zastosowaniu stężenia 1 mm (33% vs 22% w przypadku komórek kontrolnych, test kolejności par Wilcoxona, p = 28; tab. 1b). Lidokaina w żadnym z użytych stężeń nie wywoływała istotnych zmian w żywotności komórek (tab. 1a, b). Stężenia kliniczne obu badanych anestetyków lokalnych nie wpływały w sposób istotny na żywotność komórek macierzystych in vitro (tab. 1a, b). Dyskusja W ramach przeprowadzonych badań pilotowych in vitro zaobserwowaliśmy proapoptotyczny wpływ bupiwakainy na komórki macierzyste krwi pępowinowej, zarówno w odniesieniu do subpopulacji komórek bardziej, jak i mniej zróżnicowanych. W wyniku ekspozycji na bupiwakainę w stężeniu 5 mm (tj. dziesięciokrotnie wyższym od stężeń obserwowanych u płodu i noworodka w warunkach klinicznych) dochodziło do zwiększenia odsetka komórek aneksyno-dodatnich w subpopulacji CD34+CD133+ (tab. 1a), natomiast w przypadku komórek bardziej zróżnicowanych, CD34+ CD133!, efekt ten zaobserwowaliśmy w stężeniu 1 mm

4 218 K. Kulińska, M. Kurpisz, K. Sawiński, K. Czerniak, S. Burkowska, H. Billert (tab. 1b). Powyższe wyniki mogłyby wskazywać na większą podatność mniej zróżnicowanych form komórek macierzystych na indukcję apoptozy wywołaną bupiwakanią. Lidokaina natomiast we wszystkich zastosowanych stężeniach (równopotencjalnych w odniesieniu do bupiwakainy) pozostawała bez wpływu na żywotność komórek macierzystych krwi pępowinowej (tab. 1a, b). Najniższe stężenia anestetyków, które w warunkach klinicznych obserwuje się we krwi pępowinowej podczas znieczulenia zewnątrzoponowego porodu nie wywoływały efektów biologicznych w odniesieniu do komórek macierzystych (tab. 1a, b). Na temat toksycznego wpływu anestetyków lokalnych na komórki macierzyste istnieje bardzo niewiele informacji. Powszechnie stosowane w warunkach klinicznych anestetyki amino-amidowe bupiwakaina, ropiwakaina i lidokaina już w niskich stężeniach istotnych klinicznie (1- mm) hamują proliferację mezenchymalnych komórek macierzystych (MSC), a także zaburzają oddychanie mitochondrialne oraz obniżają produkcję ATP [10]. Co ciekawe, anestetyki wziewne wykazują zdolność hamowania śmierci komórek macierzystych [16]. Toksyczność anestetyków lokalnych wiąże się z ich wpływem na żywotność komórek w mechanizmie innym niż odpowiedzialny za efekty analgetyczne i anestetyczne tych środków, tj. blokowaniem kanałów sodowych. Dane z piśmiennictwa wskazują na ich wpływ na mitochondrialne procesy energetyczne, m.in. rozprzęgnięcie fosforylacji oksydacyjnej i uszkodzenie mitochondrialnego DNA, a także zaburzenie homeostazy wapniowej, co w konsekwencji prowadzi do śmierci komórek, [6, 17]. Środki znieczulenia miejscowego indukują apoptozę m.in. w komórkach nerwowych, limfocytach i chondrocytach w zależności od rodzaju anestetyku, stężenia oraz czasu inkubacji [4-6]. Badania Werdehausen i współpracowników przeprowadzone na linii komórek nerwowych potwierdzają większą cytotoksyczność bupiwakainy w porównaniu z lidokainą zastosowanymi w niskich stężeniach. 1,5 mm bupiwakaina powodowała ok. 20% wzrost ilości komórek wczesnoapoptotycznych po 24 godzinach inkubacji, z kolei w przypadku lidokainy w stężeniu równopotencjalnym wzrost ten był o połowę mniejszy [5]. Badania Boselli i współpracowników przeprowadzone na linii komórkowej Jurkat (białaczkowe limfocyty T) wskazują na indukcję apoptozy już po czterogodzinnej inkubacji z 2,3 mm lidokainą [4]. Wydaje się, że indukcja apoptozy w komórkach macierzystych jest również zależna od czasu inkubacji z anestetykiem: w komórkach macierzystych ścięgna bupiwakaina w stężeniu 0,5% istotnie indukowała apoptozę już po 2 godzinach [9]. W naszych badaniach lidokaina nie wykazywała efektu proapoptotycznego po czterech godzinach inkubacji nawet w najwyższym zastosowanym stężeniu! 4 mm. Odmienna reakcja komórek na poszczególne anestetyki lokalne może wynikać z różnic we właściwościach fizykochemicznych tych związków oraz różnych mechanizmów aktywacji procesu apoptozy. Cytotoksyczność bupiwakainy może być związana z większą lipofilnością w porównaniu z lidokainą; bupiwakaina ma też większą zdolność blokowania kanałów potasowych i uchodzi za typowy protonofor [17]. Toksyczność bupiwakainy może być też związana ze wzmożoną produkcją wolnych rodników, w tym reaktywnych form azotu [7]. Przyczyny różnic w odpowiedzi na anestetyki lokalne pomiędzy subpopulacjami komórek macierzystych nie są znane. Konieczne jest wykonanie dodatkowych badań wyjaśniających to zjawisko. Podsumowanie Przeprowadzone przez nas badanie pozwala wzbogacić wiedzę na temat potencjalnego cytotoksycznego wpływu bupiwakainy stosowanej do znieczulenia i analgezji zewnątrzoponowej porodu na żywotność komórek macierzystych. W stężeniu istotnym klinicznie anestetyk ten nie powoduje zmian żywotności komórek macierzystych. Wydaje się zatem, że zastosowanie znieczulenia zewnątrzoponowego w trakcie porodu nie wpływa na jakość komórek macierzystych i nie jest przeciwskazaniem do bankowania tych komórek w celu ich późniejszego wykorzystania. Piśmiennictwo [1] Reynolds F. (2010) The effects of maternal labour analgesia on the fetus. Best. Pract. Res. Clin. Obstet. Gynaecol. 24: [2] Bader A.M., Fragneto R., Terui K. et al. (1995) Maternal and neonatal fentanyl and bupivacaine concentrations after epidural infusion during labor. Anesth. Analg. 81: [3] Baran J. (2012) Współczesne metody oceny apoptozy wiele dróg do celu. Cytom. Pol. 1: [4] Boselli E., Duflo F., Debon R., Allaouchiche B. et al. (2003) The Induction of Apoptosis by Local Anesthetics: A Comparison Between Lidocaine and Ropivacaine. Anesth. Analg. 96: [5] Werdehausen R., Fazeli S., Braun S. et al. (2009) Apoptosis induction by different local anaesthetics in a neuroblastoma cell line. BJA 103: [6] Grishko V., Xu M., Wilson G. et al. (2010) Apoptosis and mitochondrial dysfunction in human chondrocytes following exposure to lidocaine, bupivacaine, and ropivacaine. J. Bone Joint. Surg. 92: [7] Rahnama R., Wang M., Dang A.C. et al. (2013) Cytotoxicity of Local Anesthetics on Human Mesenchymal Stem Cells. J. Bone Joint. Surg. Am. 95: [8] Keck M., Zeyda M., Gollinger K. et al. (2010) Local anesthetics have a major impact on viability of preadipocytes and their differentiation into adipocytes. Plast. Reconstr. Surg. 126: [9] Haasters F., Polzer H., Prall W.C. et al. (2011) Bupivacaine, ropivacaine, and morphine: comparison of toxicity on human hamstring-derived stem/progenitor cells. Knee Surg. Sports Traumatol. Arthrosc. 19: [10] Lucchinetti E., Awad A.E., Rahman M. et al. (2012) Antiproliferative Effects of Local Anesthetics onmesenchymal Stem Cells:Potential Implications for Tumor Spreading and Wound Healing. Anestesiology. 116:

5 Wpływ bupiwakainy na żywotność komórek macierzystych krwi pępowinowej in vitro 219 [11] Azouna N.B., Berraeis L., Regaya Z. et al. (2011) Immunophenotyping of hematopoietic progenitor cells: Comparison between cord blood and adult mobilized blood grafts. World. J. Stem. Cells. 26: [12] Tura O., Barclay G.R., Roddie H. et al. (2007) Absence of a relationship between immunophenotypic and colony enumeration analysis of endothelial progenitor cells in clinical haematopoietic cell sources. J. Transl. Med. 5: [13] Zuba-Surma E.K., Łabędź-Masłowska A., Kamycka E. et al. (2012) Wieloparametrowa klasyczna i obrazowa cytometria przepływowa w identyfikacji komórek macierzystych. Cytom. Pol. 128: [14] Cervera A., Lillo R., García-Sánchez F. et al. (2006) Flow cytometric assessment of hematopoietic cell subsets in cryopreserved preterm and term cord blood, influence of obstetrical parameters, and availability for transplantation. Am. J. Hematol. 81: [15] Valvano M.N., Leffler S. (1996) Comparison of bupivacaine and lidocaine/bupivacaine for local anesthesia/digital nerve block. Ann. Emerg. Med. 27: [16] Kim J.H., Oh A.Y., Choi Y.M., et al. (2011) Isoflurane decreases death of human embryonic stem cell-derived, transcriptional marker Nkx2.5(+) cardiac progenitor cells. Acta Anaesthesiol. Scand. 55: [17] Irwin W., Fontaine E., Agnolucci L. et al. (2002) Bupivacaine myotoxicity is mediated by mitochondria. J. Biol. Chem. 277: J Karolia Kulińska Zakład Anestezjologii Doświadczalnej Uniwersytet Medyczny im. Karola Marcinkowskiego Poznań, św. Marii Magdaleny 14 kulinska@ump.edu.pl Effect of bupivacaine on the viability of umbilical cord blood stem cells in vitro a pilot study Bupivacaine, a local anesthetic commonly used for labor pain control passes into the fetal circulation potentially exerting biological effects. Whether the agent is able to influence viability of the cord blood stem cells is not clear. The aim of this study was to evaluate the effect of bupivacaine and a reference local anesthetic, lidocaine on the viability of cord blood stem cells in vitro. Mononuclear cells (MNC) were isolated from umbilical cord blood. Then, by flow cytometry stem cells of the phenotypes CD34+CD133+ and CD34+CD133! were identified; apoptosis andnecrosis were evaluated using AnnexinV and 7-aminoactinomycin (7-AAD) assay. We found an increase of early apoptotic cells among stem cell subpopulations CD34+CD133+ and CD34+CD133! under the influence of bupivacaine at the concentrations of 0.05 mm and 1 mm, respectively. At the lowest, clinically relevant concentration bupivacaine did not alter viability of stem cells. Lidocaine did not affect cell viability at any concentration investigated. Conclusion: Bupivacaine at clinically relevant concentration does not affect the viability of the cord blood stem cells in vitro. Key words: local anesthetics, stem cells, cytotoxicity, cord blood