POSSIBLE STRATEGIES FOR USING MESENCHYMAL STEM CELLS TO TREAT FROSTBITE

Full Text

ВВЕДЕНИЕ Обморожения являются одними из наиболее часто встречающихся типов травм в условиях Крайнего Севера. Важнейшим повреждающим фактором при криотравме является синдром ишемии-реперфузии. Ишемически-реперфузионное повреждение (ИРП) является патологическим процессом, когда повреждение клеток ишемического органа усиливается после восстановления кровотока к нему. В основе синдрома реперфузии лежат такие процессы, как метаболический дисбаланс, сопровождающийся повреждением митохондрий и нарушением гомеостаза Ca2+, увеличение производства активных форм кислорода и монооксида азота, нарушения микроциркуляции, а также активация клеток иммунной системы с высвобождением провоспалительных и проапоптотических факторов [1]. Существующие схемы лечения ИРП недостаточно эффективны, что объясняет новые попытки найти альтернативные терапевтические подходы. Сегодня одной из наиболее привлекательных потенциальных стратегий лечения ИРП является использование мезенхимальных стволовых клеток (МСК). Поскольку в настоящее время МСК широко используются для лечения патологий, связанных с синдромом ишемии-реперфузии [2], то, согласно нашей гипотезе, они могут помочь и при лечении обморожений, т. к. существенную повреждающую роль при криотравме играет именно этот синдром. МСК обладают способностью контролировать миграцию фибробластов и снижать выраженность местной воспалительной реакции [3]. Свой терапевтический эффект аллогенные МСК реализуют прежде всего за счет секреции цитокинов и хемокинов, которые обладают антиапоптотическим, иммуномодулирующим и проангиогенным эффектом. Среди них фактор роста эндотелиоцитов (VEGF), инсулин-подобный фактор роста (IGF), фактор роста гепатоцитов (HGF) и др., а также трансдифференцировка с замещением поврежденных клеток организма и контакты с другими клетками раневого микроокружения [4, 5]. На сегодняшний день остается неясным, какой из известных механизмов восстановления ткани при ожогах и криотравмах реализуется МСК: паракринная секреция, трансдифференцировка, слияние клеток с резидентными клетками или поддержка других стромальных клеток [6-10]. Вполне вероятна комбинация этих механизмов. МСК могут быть получены из различных источников. Самым распространенным типом МСК, используемых для лечения различного рода травм, являются МСК из красного костного мозга. Многочисленные экспериментальные данные продемонстрировали терапевтический потенциал криоконсервированных МСК из костного мозга в регенерации и восстановлении поврежденной ткани практически во всех основных органах тела, включая сердце, мозг, легкие, печень, почки, глаза и кожу [11]. В настоящее время накоплен значительный опыт использования МСК для терапии механических ран, радиационных и термических ожогов, а также диабетических ран на животных моделях. Мышиные МСК, полученные из костного мозга, нанесенные на поверхность механической раны, обладали способностью контролировать миграцию аллогенных фибробластов и снижать выраженность местной воспалительной реакции. В ранах, обработанных стволовыми клетками, отмечалось резкое снижение уровня CD45+ лейкоцитов, CD3+ и CD8+ T-клеток [12]. Stoff et al. сообщили о том, что введение МСК, полученных из костного мозга человека, в послеоперационную рану кролика привело к ускоренной эпителизации и достоверному снижению количества образующихся рубцов по сравнению с контрольной раной [13]. В модели ожога у собак в ранах, обработанных МСК, обнаружена пониженная экспрессия провоспалительных цитокинов IL-2 и интерферона-гамма, FGF, основного фактора роста фибробластов и матриксной металлопротеиназы 2 (MMP-2) [14]. МСК использовали для лечения ран кожи на модели крысиного сахарного диабета, вызванного стрептозотоцином. Гистологический анализ показал снижение количества CD45+ лейкоцитов в группе МСК по сравнению с контрольной группой. Также было отмечено значительное увеличение секреции эпидермального фактора роста, VEGF, пролил-4-гидроксилазы и экспрессии Ki-67 в группе, получавшей МСК, по сравнению с контрольной группой [15]. Близкая по своим характеристикам к человеческим новая модель острой радиационной травмы кожи у мини-свиней позволяет разрабатывать стратегии использования МСК для лечения радиационных ожогов. Трансплантация животным МСК приводила к локальному накоплению лимфоцитов на границе дермы и подкожной клетчатки, что способствовало улучшению васкуляризации и более быстрому закрытию раны [16]. Другим перспективным источником МСК является жировая ткань. Эксперименты на мышиной модели db/db показали, что нанесение коллагенового матрикса, содержащего аутологичные МСК из жировой ткани, на открытую рану вызывало значительный рост грануляционной ткани, эпителия и капилляров, которые ускоряли заживление ран [17]. Кроме того, применение МСК из жировой ткани у голых мышей привело к более выраженному накоплению коллагена в шраме по сравнению с контрольной группой [18]. В модели полнослойной раны свиньи периваскулярная локализация жировых стромальных клеток свидетельствовала об усилении кровоснабжения за счет сосудистого новообразования, связанного с более высоким уровнем VEGF [19]. Используя мышиные модели, Lim и Yoo обнаружили, что в группе животных, в раны которых были введены МСК из жировой ткани, зафиксировано значительное ускорение заживления ран по сравнению с контрольной группой. Дополнительно гистологический анализ показал значительно меньшую выраженность патологических изменений по сравнению с контрольной группой. Обработанные МСК раны имели значительно более высокую плотность капилляров, чем в контрольной группе. Эффекты МСК на заживление ран могут быть связаны с процессом дифференцировки МСК в ране и секреции факторов роста дифференцированными клетками [20]. Таким образом, проведенные исследования показали, что МСК из жировой ткани являются перспективным источником клеточного материала для лечения острых и хронических кожных ран. Опираясь на результаты исследований с использованием культивированных ex vivo МСК, можно констатировать, что клеточные популяции демонстрируют благоприятное соотношение польза-риск при клиническом использовании [21]. Другими источниками МСК являются амниотическая мембрана плода [22], пуповина и ее компоненты, в том числе Вартонов студень [23, 24]. Следует отметить, что в настоящее время существует ряд проблем, связанных с использованием МСК при лечении ран, которые, скорее всего, будут актуальны и для терапии криотравм. Например, в случае МСК из костного мозга использование аутологичных клеток зачастую невозможно, так как при тяжелых травмах наблюдается подавление их пролиферативной активности в ткани красного костного мозга [25]. Кроме того, для получения достаточного количества аутологичных МСК требуются недели. Использование криоконсервированных аллогенных МСК в качестве «готового к употреблению» клеточного материала может решить указанные проблемы [6, 26]. Еще одним препятствием являются гетерогенность популяций МСК и ограниченное время культивирования in vitro, что параллельно может сопровождаться снижением уровня экспрессии необходимых для ранозаживления цитокинов [27]. Решить данную проблему возможно путем использования клеток на ранних пассажах. Дополнительным подходом может служить культивирование клеток в условиях гипоксии. Показано, что в при них происходит активация транскрипционного фактора HIF1α, который усиливает экспрессию проангиогенных и антиапоптотических факторов, включая VEGF и др. [28]. Кроме того, восстановить уровень необходимых для терапевтического эффекта цитокинов может помочь трансфекция генами, кодирующими эти цитокины, под сильным промотором. Например, трансфекция МСК геном трансформирующего фактора роста TGFβ или IGF-1 способствовала усилению регенерации костной ткани [29]. Подходы генной терапии могут быть использованы и для решения еще одной проблемы, связанной с трансплантацией МСК в поврежденные ткани, а именно низким процентом выживаемости [30]. Ожидается, что в случае с криотравмой она будет особенно актуальной в связи с массивным некрозом, зачастую возникающим при длительной ишемии в результате обморожения. С этой целью пересаживаемые МСК могут быть трансфицированы генами, кодирующими антиапоптотические белки и транскрипционные факторы, например Bcl-2, протеинкиназу В и гемоксигеназу-1. Сверхэкспрессия данных генов значительно улучшала выживаемость МСК при трансплантации in vivo [31]. Еще одним подходом для улучшения свойств трансплантируемых МСК является использование 3D-культур в виде сфероидов и так называемых «листов из МСК». Сфероиды представляют собой агрегаты клеток шарообразной формы, в которых могут присутствовать компоненты внеклеточного матрикса [32]. Листы из МСК представляют собой многослойные плоские образования, в которых МСК связаны за счет межклеточных контактов [33]. Для 3D-культур характерно наличие убывающего градиента концентрации кислорода по мере отдаления от поверхности к центру, что в результате приводит к активации транскрипционного фактора HIF1α и увеличению экспрессии антиапоптотических и проангиогенных факторов. Было показано, что использование 3D культур для терапии повреждений костной ткани продемонстрировало более выраженный терапевтический эффект по сравнению с аналогичным количеством МСК, введенным в виде суспензии [32, 33]. Таким образом, использование упомянутых выше технологических подходов наряду с тщательным выбором источника МСК может помочь при терапии обморожений. Дополнительными параметрами, которые еще предстоит определить, являются количество вводимых МСК, путь введения, а также время после получения криотравмы, когда введение МСК дает максимальный терапевтический эффект. Мы надеемся, что изучение данных аспектов позволит усовершенствовать разрабатываемый подход.

About the authors

M. O. Durymanov

Moscow Institute of Physics and Technology (State University)

Dolgoprudny, Moscow Region

S. A. Biryukov

Moscow Institute of Physics and Technology (State University)

Dolgoprudny, Moscow Region

G. I. Fi’lkov

Moscow Institute of Physics and Technology (State University)

Dolgoprudny, Moscow Region

A. V. Lisin

Moscow Institute of Physics and Technology (State University)

Dolgoprudny, Moscow Region

E. V. Gorina

Moscow Institute of Physics and Technology (State University)

Dolgoprudny, Moscow Region

V. V. Boyarintsev

Moscow Institute of Physics and Technology (State University)

Dolgoprudny, Moscow Region

A. V. Trofimenko

Moscow Institute of Physics and Technology (State University)

Dolgoprudny, Moscow Region

References

Supplementary files