FIZJOLOGIA REGENERACJI Czesc I
U progu 3-go tysiąclecia człowiek posiadł technologie, które do tej pory były przypisywane istotom najwyższym - energia jądrowa - klonowanie zarodków
Drzewo Oliwne
Płazy ogoniaste Salamandra blastema
Płazy ogoniaste Traszka
Ludzie zawsze marzyli o długowieczności, lecz.? - Ambrozja jest pokarmem bogów, a nie zwykłych ludzi, - Święty Graal nie został niestety odnaleziony
Fontanna młodości pozostaje nadal tylko fantazją artystów.. Łukasz Cranach (starszy) (1546 rok)
Wątroba Prometeusza
Dlaczego sie nie regenerujemy jak traszka? Regeneracja nowotwory? Inna filozofia ewolucji i przystosowania do srodowiska? Poziom regeneracji tkanek jest wystarczajacy?
Długowieczność - Starzenie Długowieczność = Regeneracja = Komórki Macierzyste Starzenie = Spadek regeneracji = Spadek liczby/czynności komórek macierzystych? Czy komórki macierzyste okażą się naszą ambrozją? Chcę ambrozji!!!
Cechy komórki macierzystej Samoodnawianie Stan uśpienia w cyklu komórkowym Zwiększona oporność na promieniowanie i cytostatyki Cechy morfologiczne (duze jądro, euchromatyna, wąski rąbek cytoplazmy)
NADZIEJE.
Dobra koncepcja Zły projekt
Regenerujemy się cały czas Nabłonek jelita 2 dni Naskórek 14 dni Krwinki czerwone 150 dni Krwinki białe 4-7 dni
Jeanne Louise Calment Tui Malila Rekordziści długowieczności: 1. Zółw 188 lat 2. Człowiek 122 lata 3. Jesiotr ~ 100 lat 4. Płetwal błękitny ~ 80 lat 5. Słoń afrykański 77 lat
Wykorzystanie komórek macierzystych Obecnie: KM Krwiotwórcze hematologia transplantacyjna KM Naskórka oparzenia KM Tkanki łącznej ubytki kostne Nowe potencjalne zastosowania kliniczne: Zawał mięśnia sercowego Udar mózgu Parkinsonizm Uszkodzenia rdzenia kręgowego Cukrzyca Miopatie Uszkodzenia wątroby
Wykorzystanie komórek macierzystych Obecnie: KM Krwiotwórcze hematologia transplantacyjna KM Naskórka oparzenia KM Tkanki łącznej ubytki kostne Nowe potencjalne zastosowania kliniczne: Zawał mięśnia sercowego Udar mózgu Parkinsonizm Uszkodzenia rdzenia kręgowego Cukrzyca Miopatie Uszkodzenia wątroby
Wykorzystanie komórek macierzystych Obecnie: KM Krwiotwórcze hematologia transplantacyjna KM Naskórka oparzenia KM Tkanki łącznej ubytki kostne Nowe potencjalne zastosowania kliniczne: Zawał mięśnia sercowego Udar mózgu Parkinsonizm Uszkodzenia rdzenia kręgowego Cukrzyca Miopatie Uszkodzenia wątroby
WIEDZA.
Komórka jajowa - zapłodnienie Komórka macierzysta (Zygota) Ponad 200 różnych rodzajów komórek
Dorosły ssak rozwija się z najwcześniejszej komórki macierzystej, jaką jest zapłodniona komórka jajowa (zygota). Obliczono, że z zapłodnionej zygoty po około 47 podziałach powstaje podczas rozwoju embrionalnego łącznie ~ 10 14 komórek należących do 200 różnych rodzajów komórek tworzących tkanki i organy ciała człowieka.
Embriogeneza Zygota Morula Blastula (Blastocysta) Gastrula
Mysz
Migracja VSELs do roznych narządów podczas embriogenezy Zarodek Ektoderma pozazardokowa Wątroba płodowa Szpik kostny Pierwotna Endoderma EPIBLAST (pierwotna ektoderma) Kierunek migracji (gradient stężeń SDF-1) Komórki Oct-4 + pochodzące z epiblastu (VSELs, PGCs?)
Hierarchia komórek macierzystych (KM) Totipotencjalne KM (KMT) Dają początek zarówno ciału zarodka, jak i tkankom łożyska. W warunkach naturalnych totipotencjalnymi komórkami są zapłodniony oocyt (zygota) oraz pierwsze blastomery. W warunkach sztucznych totipotencję zachowuje odpowiednik zygoty tzw. klonota, powstały na skutek transferu jądra komórki somatycznej do oocytu (ang. nuclear transfer). Pluripotencjalne KM (PKM) Dają początek komórkom wszystkich trzech listków zarodkowych po przeszczepieniu do rozwijającej się blastocysty. Pluripotencjalnymi są komórki wewnętrznej masy blastocysty oraz epiblastu. Multipotencjalne KM (MKM) Dają początek komórkom jednego listka zarodkowego (mesodermy, ektodermy lub endodermy). Monopotencjalne KM lub ukierunkowane tkankowo komórki macierzyste (UTKM) Obejmują tzw. komórki ukierunkowane tkankowo, dające początek komórkom tylko jednej linii. Należą tu m.in. KM nabłonka jelit, krwiotwórcze KM, KM naskórka, KM nerwowe, KM wątroby oraz KM mięśni szkieletowych.
Komórka macierzysta Totipotencjalna - Pluripotencjalna - Multipotencjalna - Monopotencjalna - zarodek + łozysko trzy listki zarodkowe jeden listek zarodkowy tkanka Zygota Morula Blastula (Blastocysta) Gastrula
KM Monopotencjalne KM Totipotentcjalna KM Pluripotencjalne KM Multipotencjalne naskórek wątroba mięśnie krew uklad nerwowy inne Ukierunkowanie tkankowe (Commitment)
Pochodzenie tkanek z poszczegolnych listkow zarodkowych Ektoderma Mezoderma Mozg, zwoje nerwowe, nerwy obwodowe, oko, naskorek, przydatki skorne, komorki barwinkowe Uklad kwrwiotworczy i limfatyczny, srodblonki naczyn, miesnie szkieletowe, serce, tkanka tluszczowa, tkanka laczna (kosci, sciegna, chrzastka), miesniowka gladka, komorki nablonka cewek nerkowych Endoderma Watroba, trzustka, pluca, jelita, tarczyca
PODZIAŁ KM SYMETRYCZNY NIESYMETRYCZNY
Scenariusz A Scenariusz B VSEL SOMA SOMA Pluripotencjalne komórki macierzyste (VSELs?) Tkankowo specyficzne komorki macierzyste
Nisze Narządowe Komórek Macierzystych Szpik kostny Mięsnie szkieletowe Mięsien sercowy Mózg Wątroba Jelito Naskórek Nerka
Nisza Krwiotwórcza: Wyspecjalizowany obszar mikrośrodowiska potrzebny dla prawidłowego funkcjonowania KKM czyli jej samoodnowy lub rożnicowania. - Kostna - Naczyniowa Dopelniacz Hormony
Nisza KM w naskorku i krypcie jelitowej
Nisze KM w mozgu Sites of adult neurogenesis (rodent studies) compared with appropriate human brain regions. Neurogenesis has been confirmed in two regions of the adult brain: the subventricular zone (SVZ) of the anterior lateral ventricles (the site of origin for olfactory bulb neurons) and the dentate gyrus of the hippocampus (a brain region involved in learning and memory). In the SVZ, progenitor cells migrate to the olfactory bulb, where they differentiate into neurons. In the dentate gyrus, cells divide along the subgranular zone (also see the figure in the sidebar, below) and migrate into the granule cell layer before terminally differentiating into granule cells.
Nisze KM w watrobie
Czynniki regulujące migrację KM Chemokina - SDF-1 Czynnik wzrostowy HGF/SF SDF-1 HGF/SF CXCR4 c-met
OŚ CXCR4-SDF-1 SDF-1 CXCR4 Adhesion Fak Paxillin p130 CAS PI-3K AKT IkB NF-kB MEK MAPK p42/44 Jak, Tyk Phosphatases SHIP 1 SHIP 2 CD45 NF-kB Elk-1 STAT Efekty biologiczne
SDF-1 (stromal derived factor-1) - chemokina wiążąca się z receptorem CXCR4. - Myszy z knock-outem SDF-1 lub CXCR4 giną wewnątrzmacicznie i nie wytwarzają prawidłowego szpiku kostnego - SDF-1 jest głównym chemoatraktantem dla KKM CXCR4 + KKM CXCR4 + KKM Marrow colonization Transplantation
Chemotaksja do SDF-1 Komórki jednojądrzaste szpiku Chemotaksja do SDF-1 (-) SDF-1
Receptor CXCR4 jest markerem wszystkich KM CXCR4 ulega ekspresji na i) Komórkach macierzystych embrionalnych, ii) Pierwotnych komórkach płciowych CXCR4 + komorki satelitowe iii) KM ukierunkowanych tkankowo Krwiotwórczych KM Endotelialnych KM KM Mieśni szkieletowych KM Mieśni serca KM Nerwowych KM Wątrobowych KM nabłonka siatkówki KM nabłonka kanalików nerkowych etc A B Ratajczak et al. Stem Cells 2003; 21: 363-371
ETYKA.
Czy można mieć jedno i drugie jednocześnie? Potrzeba bezpiecznego i politycznie poprawnego źródła KM do regeneracji
?
Nie doczekalem wykorzystania komorek embrionalnych w terapii a Ty? Ja bylem zarodkiem doswiadczalnym
Pluripotencjalna Komorka Macierzysta - Kryteria In vitro - Ekspresja markerow PKM (np. Oct-4, Nanog) - Roznicuje sie w komorki wszystkich trzech listkow zarodkowych In vivo - Komplementacja rozwoju blastocysty - Tworzy potworniaki
Test Komplementacji Blastocysty
Test Komplementacji Blastocysty Nienastrzyknieta blastocysta Nastrzyknieta blastocysta komorkami GFP + Green fluorescent protein (GFP) znajduje się w otoczce skórnej meduzy - Aequorea victoria. Swiatlo biale Swiatlo ultrafioletowe
Potworniak
Izolacja z zarodków Plemnik 1. Zapłodnienie Morula 2. Klonowanie terapeutyczne Komórka somatyczna + Oocyt Blastocysta Oocyt Zygota Klonota PLURIPOTENCJALNA KOMÓRKA MACIERZYSTA In vivo Komplementacja blastocysty In vitro Różnicowanie we wszystkie typy komórek
Klonowanie terapeutyczne
Blastocysta Klonowanie terapeutyczne
Zapłodnienie Klonowanie Zygota Klonota Klonota
Klonowanie reprodukcyjne
Klonowanie reprodukcyjne
Komórki pluripotencjalne izolowane z zarodków Komórki izolowane z zarodków tworzą w organizmie biorcy potworniaki Strategia budzi w naszym kręgu kulturowo-religijnym szereg kontrowersji Pojawiają się inne alternatywne strategie pozyskania komórek pluripotencjalnych
Komórki izolowane od dawców Transdukcja genami Izolacja z tkanek Oct-4, Nanog, c-myc, Klf-4 Komórka somatyczna Indukowana komórka pluripotencjalna (ips) PLURIPOTENCJALNE KOMÓRKI MACIERZYSTE VSEL In vivo Komplementacja blastocysty In vitro Różnicowanie we wszystkie typy komórek
Różne potencjalne źródła pluripotencjalnych komórek macierzystych (PKM). Ryzyko powstania potworniaków Problem niezgodności tkankowej Wymagany dawca komórki jajowej Zastrzeżenia natury etycznej PKM izolowane z bankowanych zarodków otrzymanych drogą zapłodnienia PKM izolowane z zarodków otrzymanych poprzez klonowanie terapeutyczne PKM izolowane z dorosłych tkanek PKM uzyskane w wyniku transformacji komórek somatycznych (indukowane PKM) + + -/? + + - - - + + - - tak tak/nie* nie nie * Problem różnie postrzegany przez różne główne religie światowe. Szereg religii potencjalnie akceptuje klonowanie terapeutyczne (np. islam, buddyzm, judaizm) ale zdecydowana większość odrzuca klonowanie reprodukcyjne.
WIEDZA.
Oocyt + Plemnik Trofoektoderma Zygota Morula ICM Epiblast Trofoektoderma?? Mezoderma Ektoderma Endoderma Ratajczak et al. Leukemia 2007, 21, 860-867. Pierwotne komórki gamet (PGC) Gamety Mezoderma Ektoderma Endoderma
Oocyt + Plemnik Trofoektoderma Zygota Morula ICM Epiblast Trofoektoderma Usuniecie imprintu?? Usuniecie imprintu Mezoderma Ektoderma Endoderma Ratajczak et al. Leukemia 2007, 21, 860-867. Pierwotne komórki gamet (PGC) Gamety Mezoderma Ektoderma Endoderma
Podstawy molekularne zjawiska imprintu somatycznego u ssaków łożyskowych Wyrózniamy ~80 genów posiadajacych imprint które odgrywaja kluczowa role w embriogenezie/rozwoju (ulegajac ekspresji tylko na matczynym lub tylko na ojcowskim chromosomie) Ich ekspresja jest regulowana przez tzw. imprinting control regions (ICRs) lub tzw. methylated regions (DMRs), które sa metylowane (na CpG islands) na jednym z dwóch rodzicielskich aleli. W wiekszosci ICR, metylacja aleliczna dotyczy matczynego chromosomu (np. Igf2R). W kilku tylko przypadkach powstaje podczas spermatogenezy (np. Igf2-H19). Usunięcie imprintu somatycznego kontroluje proliferację pluripotencjalnych KM (np. pierwotnych komórek plciowych (PGC) oraz VSEL) i chroni przed powstawaniem potworniaków.
Primordial germ cells
Primordial germ cells
Primordial germ cells
MOLECULAR BASIS OF ICR1/DMR1 (Igf2-H19) IMPRINT H19 is transcribed from maternal chromosome Igf2 is transcribed from paternal chromosome
MOLECULAR BASIS OF ICR1/DMR1 (Igf2-H19) IMPRINT Consequences of imprint erasure H19 over-expressed Igf2 - down-regulated
Igf2-H19 imprinting decyduje o proliferacji TKM Kaguya mysz partenogenetyczna