DOI: https://doi.org/10.22263/2312-4156.2023.2.18
А.А. Жерносеченко1,2, Я.И. Исайкина1, Е.Г. Лях1
Основные проблемы и пути развития клеточных технологий на основе мезенхимальных стволовых клеток для восстановления хрящевой ткани
1Республиканский научно-практический центр детской онкологии, гематологии и иммунологии, г. Минск, Республика Беларусь
2Белорусский государственный медицинский университет, г. Минск, Республика Беларусь
Вестник ВГМУ. – 2023. – Том 22, №2. – С. 18-26.
Резюме.
Из-за ограниченной способности резидентных хондроцитов восстанавливать поврежденную хрящевую ткань, клеточная терапия на основе мезенхимальных стволовых клеток (МСК) была предложена в качестве нового терапевтического подхода к восстановлению хряща. По своим свойствам МСК представляют собой перспективный ресурс для клеточных биотехнологий. Растущее понимание механизмов, лежащих в основе поддержания и восстановления суставного хряща, способствует расширению возможностей использования МСК в регенеративной медицине. В этом обзоре мы рассматриваем возможные пути, по которым происходит восстановление хрящевой ткани при применении МСК, анализируем проблемы получения гипертрофированного фенотипа клеток при дифференцировке МСК in vitro и возможность восстановления зональности суставной поверхности, а также обсуждаем и сравниваем характеристики МСК, полученные из разных источников, и необходимость индукции клеток до введения.
Ключевые слова: мезенхимальные стволовые клетки, хондрогенез, клеточные биотехнологии.
Литература
1. Friedenstein, A. J. The development of fibroblast colonies in monolayer cultures of guinea-pig bone marrow and spleen cells / A. J. Friedenstein, R. K. Chailakhjan, K. S. Lalykina // Cell. Tissue Kinet. 1970 Oct. Vol. 3, N 4. P. 393–403. doi: 10.1111/j.1365-2184.1970.tb00347.x
2. Caplan, A. I. Mesenchymal stem cells / A. I. Caplan // J. Orthop. Res. 1991 Sep. Vol. 9, N 5. P. 641–650. doi: 10.1002/jor.1100090504
3. Minimal criteria for defining multipotent mesenchymal stromal cells. The International Society for Cellular Therapy position statement / M. Dominici [et al.] // Cytotherapy. 2006. Vol. 8, N 4. P. 315–317. doi: 10.1080/14653240600855905
4. Mesenchymal stem/stromal cell-based therapy: mechanism, systemic safety and biodistribution for precision clinical applications / W.-Z. Zhuang [et al.] // J. Biomed. Sci. 2021 Apr. Vol. 28, N 1. P. 28. doi: 10.1186/s12929-021-00725-7
5. Isolation and characterization of human mesenchymal stromal cell subpopulations: comparison of bone marrow and adipose tissue / H. Busser [et al.] // Stem. Cells Dev. 2015 Sep. Vol. 24, N 18. P. 2142–2157. doi: 10.1089/scd.2015.0172
6. Adipogenesis, osteogenesis, and chondrogenesis of human mesenchymal stem/stromal cells: a comparative transcriptome approach / A. W. Robert [et al.] // Front. Cell. Dev. Biol. 2020 Jul. Vol. 8. P. 561. doi: 10.3389/fcell.2020.00561
7. Articular cartilage: from formation to tissue engineering / S. Camarero-Espinosa [et al.] // Biomater. Sci. 2016 May. Vol. 4, N 5. P. 734–767. doi: 10.1039/c6bm00068a
8. The regulatory role of signaling crosstalk in hypertrophy of mscs and human articular chondrocytes / L. Zhong [et al.] // Int. J. Mol. Sci. 2015 Aug. Vol. 16, N 8. P. 19225–19247. doi: 10.3390/ijms160819225
9. The role of growth factors in stem cell-directed chondrogenesis: a real hope for damaged cartilage regeneration / E. Augustyniak [et al.] // Int. Orthop. 2015 May. Vol. 39, N 5. P. 995–1003. doi: 10.1007/s00264-014-2619-0
10. Quintana, L. S. Morphogenetic and regulatory mechanisms during developmental chondrogenesis: new paradigms for cartilage tissue engineering / L. S. Quintana, N. I. zur Nieden, C. E. Semino // Tissue Eng. Part. B. Rev. 2009 Mar. Vol. 15, N 1. P. 29–41. doi: 10.1089/ten.teb.2008.0329
11. Hidaka, C. Regulatory mechanisms of chondrogenesis and implications for understanding articular cartilage homeostasis / C. Hidaka, M. B. Goldring // Current Rheumatol. Rev. 2008. Vol. 4, N 3. P. 136–147. doi: 10.2174/157339708785133541
12. In vitro chondrogenesis of bone marrow-derived mesenchymal progenitor cells / B. Johnstone [et al.] // Exp. Cell. Res. 1998 Jan. Vol. 238, N 1. P. 265–272. doi: 10.1006/excr.1997.3858
13. Single-stage cell-based cartilage repair in a rabbit model: cell tracking and in vivo chondrogenesis of human umbilical cord blood-derived mesenchymal stem cells and hyaluronic acid hydrogel composite / Y. B. Park [et al.] // Osteoarthritis Cartilage. 2017 Apr. Vol. 25, N 4. P. 570–580. doi: 10.1016/j.joca.2016.10.012
14. Caplan, A. I. MSCs: the sentinel and safe-guards of injury / A. I. Caplan // J. Cell. Physiol. 2016 Jul. Vol. 231, N 7. P. 1413–1416. doi: 10.1002/jcp.25255
15. Mesenchymal Stem Cell Migration and Tissue Repair / X. Fu [et al.] // Cells. 2019 Jul. Vol. 8, N 8. P. 784. doi: 10.3390/cells8080784
16. Sequential zonal chondrogenic differentiation of mesenchymal stem cells in cartilage matrices / S. Moeinzadeh [et al.] // Tissue Eng. Part A. 2019 Feb. Vol. 25, N 3/4. P. 234–247. doi: 10.1089/ten.TEA.2018.0083
17. The regulatory role of signaling crosstalk in hypertrophy of mscs and human articular chondrocytes / L. Zhong [et al.] // Int. J. Mol. Sci. 2015 Aug. Vol. 16, N 8. P. 19225–19247. doi: 10.3390/ijms160819225
18. Jin, G.-Z. Chondrogenic potential of dedifferentiated rat chondrocytes reevaluated in two- and three-dimensional culture conditions / G.-Z. Jin, H.-W. Kim // Tissue Eng. Regen. Med. 2018 Nov. Vol. 15, N 2. P. 163–172. doi: 10.1007/s13770-017-0094-6
19. Analysis of the effects of five factors relevant to in vitro chondrogenesis of human mesenchymal stem cells using factorial design and high throughput mRNA-profiling / R. B. Jakobsen [et al.] // PLoS One. 2014 May. Vol. 9, N 5. Art. e96615. doi: 10.1371/journal.pone.0096615
20. Correlation of COL10A1 induction during chondrogenesis of mesenchymal stem cells with demethylation of two CpG sites in the COL10A1 promoter / P. Zimmermann [et al.] // Arthritis Rheum. 2008 Sep. Vol. 58, N 9. P. 2743–2753. doi: 10.1002/art.23736
21. Independent chondrogenic potential of canine bone marrow-derived mesenchymal stem cells in monolayer expansion cultures decreases in a passage-dependent pattern / E. C. Bwalya [et al.] // J. Vet. Med. Sci. 2018 Nov. Vol. 80, N 11. P. 1681–1687. doi: 10.1292/jvms.18-0202
22. Coculture of human mesenchymal stem cells and articular chondrocytes reduces hypertrophy and enhances functional properties of engineered cartilage / L. Bian [et al.] // Tissue Eng. Part. A. 2011 Apr. Vol. 17, N 7/8. P. 1137–1145. doi: 10.1089/ten.TEA.2010.0531
23. Conditioned medium from chondrocyte/scaffold constructs induced chondrogenic differentiation of bone marrow stromal cells / J. Liu [et al.] // Anat. Rec. (Hoboken). 2012 Jul. Vol. 295, N 7. P. 1109–1116. doi: 10.1002/ar.22500
24. Шахпазян, Н. К. Мезенхимальные стволовые клетки из различных тканей человека: биологические свойства, оценка качества и безопасности для клинического применения / Н. К. Шахпазян, Т. А. Астрелина, М. В. Яковлева // Гены и клетки. 2012. Т. 7, № 1. C. 23–33.
25. Comparison of molecular profiles of human mesenchymal stem cells derived from bone marrow, umbilical cord blood, placenta and adipose tissue / J. S. Heo [et al.] // Int. J. Mol. Med. 2016 Jan. Vol. 37, N 1. P. 115–125. doi: 10.3892/ijmm.2015.2413
26. Human Mesenchymal Stem Cells Derived from Bone Marrow Display a Better Chondrogenic Differentiation Compared with Other Sources / M. E. Bernardo [et al.] // Connect. Tissue Res. 2007. Vol. 48, N 3. P. 132–140. doi: 10.1080/03008200701228464
27. Chondrogenesis from Human Placenta-Derived Mesenchymal Stem Cells in Three-Dimensional Scaffolds for Cartilage Tissue Engineering / S. Hsu [et al.] // Tissue Eng. Part. A. 2011 Jun. Vol. 17, N 11/12. P. 1549–1560. doi: 10.1089/ten.TEA.2010.0419
28. Isolation and comparative analysis of potential stem/progenitor cells from different regions of human umbilical cord / N. Beeravolu [et al.] // Stem. Cell. Res. 2016 May. Vol. 16, N 3. P. 696–711. doi: 10.1016/j.scr.2016.04.010
29. Хондрогенный и остеогенный потенциал мезенхимальных стволовых клеток костного мозга и плаценты / А. А. Жерносеченко [и др.] // Вес. Нац. aкад. навук Беларусі. Сер. мед. навук. 2021. Т. 18, № 1. С. 36–44. doi:10.29235/1814-6023-2021-18-1-36-45
30. Bornes, T. D. Mesenchymal stem cells in the treatment of traumatic articular cartilage defects: a comprehensive review / T. D. Bornes, A. B. Adesida, N. M. Jomha // Arthritis Res. Ther. 2014. Vol. 16, N 5. Art. 432 doi: 10.1186/s13075-014-0432-1
31. Autologous bone marrow-derived mesenchymal stem cells versus autologous chondrocyte implantation: an observational cohort study / H. Nejadnik [et al.] // Am. J. Sports Med. 2010 Jun. Vol. 38, N 6. P. 1110–1116. doi: 10.1177/0363546509359067
32. Repair of Osteochondral Defects With Predifferentiated Mesenchymal Stem Cells of Distinct Phenotypic Character Derived From a Nanotopographic Platform / Y. Wu [et al.] // Am. J. Sports Med. 2020 Jun. Vol. 48, N 7. P. 1735–1747. doi: 10.1177/0363546520907137
33. Matrix-Associated Implantation of Predifferentiated Mesenchymal Stem Cells Versus Articular Chondrocytes: In Vivo Results of Cartilage Repair After 1 Year / B. Marquass [et al.] // Am. J. Sports Med. 2011 Jul. Vol. 39, N 7. P. 1401–1412. doi: 10.1177/0363546511398646
34. Repair of chronic osteochondral defects using predifferentiated mesenchymal stem cells in an ovine model / M. Zscharnack [et al.] // Am. J. Sports Med. 2010 Sep. Vol. 38, N 9. P. 1857–1869. doi: 10.1177/0363546510365296
35. Bornes, T. D. Articular Cartilage Repair with Mesenchymal Stem Cells After Chondrogenic Priming: A Pilot Study / T. D. Bornes, A. B. Adesida, N. M. Jomha // Tissue Eng. Part. A. 2018 May. Vol. 24, N 9/10. P. 761–774. doi: 10.1089/ten.TEA.2017.0235
36. Аутотрансплантация мезенхимальных стволовых клеток для регенеративного восстановления повреждений суставного хряща (экспериментальное исследование) / Д. В. Букач [и др.] // Вес. Нац. aкад. навук Беларусі. Сер. мед. навук. 2015. № 1. С. 5–11.
37. Comparison of Undifferentiated Versus Chondrogenic Predifferentiated Mesenchymal Stem Cells Derived From Human Umbilical Cord Blood for Cartilage Repair in a Rat Model / Y.-B. Park [et al.] // Am. J. Sports Med. 2019 Feb. Vol. 47, N 2. P. 451–461. doi: 10.1177/0363546518815151
38. A preliminary study comparing the use of allogenic chondrogenic pre-differentiated and undifferentiated mesenchymal stem cells for the repair of full thickness articular cartilage defects in rabbits / H. Dashtdar [et al.] // J. Orthop. Res. 2011 Sep. Vol. 29, N 9. P. 1336–1342. doi: 10.1002/jor.21413
Сведения об авторах:
А.А. Жерносеченко – к.б.н., старший научный сотрудник лаборатории клеточных биотехнологий и цитотерапии, Республиканский научно-практический центр детской онкологии, гематологии и иммунологии; ассистент кафедры детской эндокринологии, клинической генетики и иммунологии, Белорусский государственный медицинский университет,
e-mail: Этот адрес электронной почты защищён от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра. – Жерносеченко Анна Александровна;
Я.И. Исайкина – к.б.н., зав. лабораторией клеточных биотехнологий и цитотерапии, Республиканский научно-практический центр детской онкологии, гематологии и иммунологии;
Е.Г. Лях – старший научный сотрудник лаборатории клеточных биотехнологий и цитотерапии, Республиканский научно-практический центр детской онкологии, гематологии и иммунологии.
