Badania naukowców z Uniwersytetu Jagiellońskiego wykazały, że regeneracja niszy śródbłonkowej po przeszczepieniu szpiku opiera się głównie na plastyczności komórek śródbłonka, które mimo zróżnicowania mogą się ponownie namnażać i odbudowywać naczynia krwionośne. Ustalili, że 25 proc. komórek śródbłonka ma taką zdolność w warunkach stresu, co podważa wcześniejsze hipotezy o dominującej roli rzadkich komórek macierzystych w tym procesie.
Zrozumienie molekularnych mechanizmów plastyczności śródbłonka może się przyczynić do opracowania nowych terapii pacjentów transplantacyjnych i poprawy wyników przeszczepienia szpiku w różnych schorzeniach.
Kondycjonowanie jest konieczne, choć bardzo szkodzi
Przeszczepienie szpiku kostnego jest jednym z kluczowych elementów terapii stosowanej w leczeniu nowotworów krwi, takich jak białaczki czy chłoniaki. Procedura ta, choć skuteczna, wymaga skomplikowanego i agresywnego przygotowania biorcy, zwanego kondycjonowaniem. Niestety jest to proces agresywny, opierający się na chemioterapii lub radioterapii jonizującej, który niesie za sobą poważne skutki uboczne, w tym uszkodzenie tzw. niszy śródbłonkowej w szpiku kostnym.
„Nisza to takie wyspecjalizowane mikrośrodowisko w szpiku, niezbędne do prawidłowego funkcjonowania krwiotwórczych komórek macierzystych. Aby przeszczepione komórki się przyjęły i mogły pełnić swoją funkcję, nisza szpikowa biorcy po zakończonym procesie kondycjonowania musi się szybko zregenerować. Nasze badanie dotyczyło tego, jakie mechanizmy stoją u podstaw tej regeneracji i jaką rolę odgrywają w niej komórki śródbłonka, budujące wewnętrzną wyściółkę naczyń krwionośnych” – powiedział jeden z autorów badania dr Krzysztof Szade z Wydziału Biochemii, Biofizyki i Biotechnologii Uniwersytetu Jagiellońskiego.
Badania dr. Szade oraz jego zespołu opublikowano w czasopiśmie „Cell Reports” (https://doi.org/10.1016/j.celrep.2024.114779).
Nisza szpikowa – klucz do sukcesu przeszczepienia
Jak wyjaśnił dr Szade, krwiotwórcze komórki macierzyste, odpowiedzialne za produkcję krwi, są niezwykle wymagające i potrzebują specyficznych warunków, by pełnić swoje funkcje. Warunki takie zapewnia właśnie nisza szpikowa. Jednym z jej kluczowych elementów są komórki śródbłonka. Odpowiadają one nie tylko za strukturę naczyń, budując ich wewnętrzną warstwę, ale także dostarczają sygnały molekularne, niezbędne do prawidłowego funkcjonowania i regeneracji krwiotwórczych komórek macierzystych.
W trakcie kondycjonowania biorcy nisza śródbłonkowa ulega znacznemu uszkodzeniu. Jak wykazał zespół z UJ, aż 40 proc. komórek śródbłonka umiera w ciągu pierwszych 60 dni po przeszczepieniu, co stawia regenerację tej tkanki w centrum zainteresowania naukowców z całego świata.
Jednak od lat trwały wśród nich spory na temat tego, jak dokładnie przebiega taka regeneracja. Zdaniem części środowiska naukowego odpowiadają za nią rzadkie, wyspecjalizowane komórki macierzyste, stanowiące niewielką cześć całego śródbłonka. W opinii innych badaczy kluczową rolę odgrywa plastyczność całej gamy komórek śródbłonka, które w odpowiedzi na stres środowiskowy potrafią zacząć się dzielić i odbudowywać uszkodzone struktury.
Plastyczny śródbłonek niespodziewanym bohaterem regeneracji
Aby rzucić nowe światło na tę kwestię, zespół z UJ wykorzystał technologię sekwencjonowania RNA pojedynczych komórek (single-cell RNA sequencing, scRNA-seq) w śródbłonku szpiku kostnego. Badania przeprowadził na modelu mysim. „Zrobiliśmy analizę ekspresji genów na poziomie pojedynczej komórki. Czyli najpierw te komórki z myszy wyizolowaliśmy, w każdej z nich określiliśmy ekspresję wszystkich genów i ostatecznie – wśród różnych typów komórek – znaleźliśmy takie, które potencjalnie mogłyby być komórkami macierzystymi. I takie było nasze pierwsze podejrzenie: że istnieją jakieś komórki prekursorowe, od których wychodzi cała regeneracja” – opowiedział naukowiec.
Dalsze analizy funkcjonalne wykazały jednak, że wcale tak nie jest.
Na tym etapie badań naukowcy zajęli się określeniem zdolności regeneracyjnych poszczególnych typów komórek, które wcześniej zidentyfikowali w śródbłonku. „Izolowaliśmy pojedyncze z nich i sprawdzaliśmy ich zdolność do podziału oraz odbudowy fragmentów naczyń krwionośnych in vitro. Nikt wcześniej na świecie tak szczegółowo tego typu testów nie przeprowadzał” – podkreślił dr Szade.
Wyniki okazały się przełomowe: co najmniej 25 proc. zróżnicowanych i wyspecjalizowanych komórek śródbłonka w sytuacji stresowej potrafiło ponownie wejść w cykl komórkowy i odbudować fragmenty naczyń. To odkrycie podważyło wcześniejsze hipotezy, zakładające, że regeneracja opiera się wyłącznie na rzadkich komórkach macierzystych.
Tęczowe myszy
Następnie badacze użyli wyjątkowo efektownej metody, bazującej na tzw. tęczowych myszach. Były to specjalnie przygotowane zwierzęta, w których komórki śródbłonka losowo oznaczono fluorescencyjnymi białkami w różnych kolorach. W czasie kolejnych podziałów, komórki potomne dziedziczą przypisane początkowo białko, dzięki czemu można było śledzić, czy regeneracja wynikała z aktywności pojedynczych typów komórek (wówczas kolor powstającej tkanki byłby jednolity), czy wielu różnych komórek (co prowadziłoby do powstania mozaiki kolorów).
Zarówno obserwacje mikroskopowe, jak i późniejsza analiza ilościowa, wykazały, że regeneracja ma charakter mozaikowy, co dodatkowe potwierdziło hipotezę o plastyczności komórek śródbłonka i ich kluczowej roli w regeneracji niszy szpikowej.
Grafy i sieci neuronowe służbie biotechnologii
Dr Szade podkreślił, że jednym z najbardziej innowacyjnych elementów badań jego zespołu był model matematyczny opracowany przez byłego studenta biotechnologii na UJ Jana Morysa. Wykorzystując teorię grafów oraz sieci neuronowe, Morys stworzył model regeneracji niszy śródbłonkowej, w którym każda komórka była traktowana jako węzeł grafu. Dzięki temu udało się dokładnie opisać procesy takie jak śmierć komórek, proliferacja oraz tworzenie nowych struktur naczyniowych. Model pozwolił na ilościowe określenie dynamiki regeneracji śródbłonka po przeszczepieniu i ostatecznie wykazał, że jego komórki w warunkach stresu mają znacznie większą plastyczność niż dotychczas sądzono.
Nowe podejście do przeszczepienia szpiku
Odkrycia zespołu z UJ mają istotne znaczenie poznawcze dla medycyny regeneracyjnej i terapii związanych z przeszczepieniami szpiku. „Skoro dowiedliśmy, że nie jakieś rzadkie specyficzne komórki macierzyste, ale plastyczność całego śródbłonka odpowiada za regenerację niszy, to potencjalnie możemy zacząć szukać terapii, które by tę wiedzę wykorzystywały” – wytłumaczył ekspert.
„Bazując na tych odkryciach można by udoskonalić przeszczepienia szpiku tak, aby pacjent lepiej się regenerował po kondycjonowaniu. Znając mechanizmy, które stoją u podstaw tego zjawiska, moglibyśmy postarać się +podkręcić+ wspomnianą plastyczność i sprawić, że regeneracja biorców byłaby jeszcze efektywniejsza, a ryzyko powikłań mniejsze” – dodał.
Choć obecnie przeszczepienie szpiku jest stosowane głównie w terapii nowotworów krwi, dr Szade widzi potencjalne zastosowania tej procedury w leczeniu różnych innych chorób, w tym genetycznych i immunologicznych. Kluczowym wyzwaniem pozostaje jednak poprawa kondycjonowania pacjentów, aby minimalizować uszkodzenia niszy szpikowej. Poznanie mechanizmów regeneracji śródbłonka stanowi pierwszy krok w tym kierunku.
Dlaczego tak ważne jest leczenie chorych na raka prostaty, gdy są przerzuty?
Źrodło: Nauka w Polsce
