Komórki macierzyste wykorzystane w modelu choroby, która powoduje nieprawidłowy wzrost kości

Naukowcy opracowali nowy sposób badań rozwoju i chorób kości przy zastosowaniu komórek macierzystych od pacjentów cierpiących na rzadką chorobą genetyczną kości. Podejście w oparciu o techniki wyróżnionej Nagrodą Nobla, mogłyby rzucić nowe światło na chorobę, w której przebiegu mięśnie i ścięgna stopniowo zamieniają się w kości lub podobny proces destrukcyjny obserwowany u coraz większej liczby weteranów, którzy odnieśli obrażenia w wyniku wybuchów - w tym amputacje w wyniku traumy, urazy mózgu i układu nerwowego. Te podstępne skostnienia pojawiają się także u niektórych pacjentów po zabiegu wszczepienia protezy stawowej lub poważnych uszkodzeniach kości.

Model choroby opisany w nowym badaniu przedstawionym przez naukowców z Uniwersytetu Kalifornijskiego w San Francisco (UCSF) wymagał pobrania komórek skóry od pacjentów z chorobą kości, przeprogramowaniu ich w warunkach laboratoryjnych do postaci zarodkowej i uzyskaniu z nich komórek macierzystych.

Gdy zespół badaczy pracował nad uzyskaniem tych komórek, zidentyfikowano mechanizm komórkowy stymulujący nieprawidłowy wzrost kości w dotychczas nieuleczalnej chorobie zwanej fibrodysplasia ossificans progressiva (FOP, postępujące kostniejące zapalenie mięśni). Ponadto odkryto, że niektóre substancje chemiczne mogą spowolnić nieprawidłowy wzrost kości w komórkach macierzystych, co może przydać się w opracowaniu leku na chorobę.

Klinicznie, według kierownika nowych badań, lekarza endokrynologa Edwarda Hsiao, choroba genetyczna i stan spowodowany przez uraz są bardzo podobne pod względem tworzenia się kości w mięśniach, powodujących ból i utrudnienia w poruszaniu się. Edward Hsiao leczy pacjentów z rzadkimi i nietypowymi chorobami kości w UCSF Metabolic Bone Clinic na Division of Endocrinology and Metabolism

„Przewiduje się, że model choroby oparty na komórkach ludzkich pomoże lepiej zrozumieć te zaburzenia i inne choroby” - powiedział Hsiao.

"Nowy model fibrodysplasia ossificans progressiva ma rzucić światło na proces chorobowy pokazując, że zmutowany gen może wpływać na różne etapy tworzenia kości. Te różne etapy stanowią potencjalne cele dla ograniczenia lub powstrzymania progresji choroby, jak również mogą być użyteczne w celu blokowania tworzenia się nieprawidłowych kości w innych stanach chorobowych. Opracowane linie ludzkich komórek macierzystych będą użyteczne w doborze leków, które zwalczają proces tworzenia kości u ludzi." - dodaje Hsiao.

Rozwój zespołu naukowego i eksperymentowanie z modelem choroby z ludzkich komórek macierzystych dla FOP opublikowane w grudniowym wydaniu Orphanet Journal of Rare Diseases, są realizacją obietnicy badań z wykorzystaniem komórek macierzystych o typie znanym jako indukowane pluripotencjalne komórki macierzyste ( iPS), nieśmiertelne komórki prawie nieograniczonego potencjału, nie pochodzące z embrionów, ale z dorosłych tkanek.Shinya Yamanaka, lekarz, profesor anatomii UCSF i starszy badacz związany UCSF Gladstone Institutes, jak i dyrektor Center for iPSCell badań i aplikacji (CiRA) i główny badacz na Uniwersytecie Kioto, otrzymał wspólnie nagrodę Nobla w 2012 roku za odkrycie tego, jak uzyskać komórki iPS z komórek skóry przy użyciu kilku białek - "czynników." Czynniki te prowadzą proces przeprogramowania przywracający komórki do etapu komórek zarodkowych, w którym mają taki potencjał, aby stać się praktycznie każdym rodzajem komórek.

Ponieważ urazy i zabiegi operacyjne mogą wywołać szybkie tworzenie się kości u pacjentów z fibrodysplazją, uzyskanie próbki tkanek do szeroko zakrojonych badań w laboratorium jest bardzo trudne. Ludzkie komórki iPS zapewniają unikalne rozwiązania, umożliwiając tworzenie potrzebnych tkanek w laboratorium. Hsiao i koledzy starannie zebrali próbki skóry od dawców, a następnie wyrosły z nich komórki skóry w hodowli laboratoryjnej, przed przekształceniem ich w komórki iPS za pomocą metody stworzonej przez Yamanaka .

Ponadto, aby zapewnić alternatywę dla embrionalnych komórek macierzystych do potencjalnego zastosowania w regeneracji chorych tkanek, komórki iPS są wykorzystywane do zapoznania się z chorobami, zwłaszcza powstających w wyniku uszkodzonych genów.

W przeciwieństwie do komórek skóry, z których pochodziły ludzkie komórki iPS od pacjentów chorych na FOP, wykazują zwiększone tworzenie się chrząstki i zwiększoną mineralizację kości - dwa istotne etapy, które są niezbędne w celu utworzenia dojrzałej kości. Białka morfogenetyczne kości ( BMP ) odgrywają kluczową rolę w tworzeniu się kości w obrębie mięśni. FOP wynika z mutacji genu, która powoduje wady w białku receptora które wiąże BMP, zwiększając w ten sposób proces tworzenia się kości.

„Komórki te będą podstawowym narzędziem do znajdowania sposobów stymulowania wzrostu kości i kontrolowania wzrostu ludzkich kości dla medycyny regeneracyjnej lub naprawy kości" – powiedział Hsiao. "Komórki iPS mogą również pomóc zidentyfikować metody leczenia bardziej powszechnych chorób, takich jak miażdżyca tętnic i zwapnienie naczyń, ponieważ te same ścieżki białek morfogenetycznych są obserwowane w wymienionych schorzeniach.Praca była wspólnym przedsięwzięciem grupy naukowców Hsiao w UCSF; Bruce Conklin – promotora habilitacji Hsiao w związanym z UCSF Gladstone Institutes; oraz zespół badaczy na Uniwersytecie Kioto, prowadzony przez Makoto Ikeya i Junya Toguchida. Badania były wspierane przez National Institutes of Health, the California Institute for Regenerative Medicine, the March of Dimes oraz the Ministry of Education, Culture, Sports, Science, and Technology of Japan.

Tłumaczenie artykułu Jeffreya Norrisa: Stem Cells Used to Model Disease that Causes Abnormal Bone Growth