PTU - Polskie Towarzystwo Urologiczne

Znaczenie komórek macierzystych w procesie powstawania raka stercza
Artykuł opublikowany w Urologii Polskiej 2005/58/3.

autorzy

Tomasz Drewa 1,2, Zbigniew Wolski 1, Dorota Olszewska-Słonina 2
(1Katedra i Klinika Urologii, Collegium Medicum im. L. Rydygiera w Bydgoszczy, Uniwersytet Mikołaja Kopernika w Toruniu
Kierownik kliniki: prof. dr hab. Zbigniew Wolski
2 Zakład Inżynierii Tkankowej, Katedra Biologii Medycznej, Collegium Medicum im. L. Rydygiera w Bydgoszczy, Uniwersytet Mikołaja Kopernika w Toruniu
Kierownik katedry: prof. dr hab. Gerard Drew

słowa kluczowe

stercz, rak stercza, komórki macierzyste, plastyczność komórek, przeróżnicowanie komórek

Pochodzenie komórek macierzystych

Termin komórki totipotencjalne pierwszy raz został użyty w 1909 roku i odnosił się do zdolności regeneracyjnych całego organizmu. Komórki macierzyste zostały zidentyfikowane w latach 40. i 50. XX wieku podczas badania skutków, jakie wywiera promieniowanie jonizujące na zwierzęta. Od roku 1981 izoluje się je z embrionów myszy i innych ssaków w bardzo wczesnym etapie rozwoju i utrzymuje w hodowli. W 1998 r. wyizolowano komórki macierzyste (ES ? embryonic stem cells) z płodów ludzkich i podjęto ich hodowlę w warunkach laboratoryjnych [1].

Po upływie 30 godzin od zapłodnienia ludzkiej komórki jajowej powstaje morula, z której wykształca się blastula zawierająca trofoektodermę (TE ? trophectoderm) i wewnętrzną masę komórek (ICM ? inner cell mass). Ze strefy ICM, której komórki są pluripotencjalne, powstają trzy listki zarodkowe i komórki germinalne. Ludzkie macierzyste komórki embrionalne (HESC ? human embryonic stem cells) pochodzą z warstwy wewnętrznej komórek zarodków. Komórki macierzyste są niezróżnicowane, charakteryzują się różną zdolnością do samoodtwarzania, proliferacji i różnicowania. Podziały prawidłowych zróżnicowanych komórek wiążą się z stopniową utratą końcowych odcinków DNA chromosomów. Telomeraza jest enzymem zapobiegającym skracaniu się końcowych fragmentów chromosomów podczas kolejnych podziałów. Telomeraza jest nieaktywna w prawidłowych zróżnicowanych komórkach organizmu. Zjawisko to wiąże się z określoną i ?zaplanowaną? długością życia każdej komórki i całego organizmu. Komórki macierzyste posiadają aktywność telomerazy odpowiedzialnej za zdolność do ciągłych podziałów i na tej podstawie uważa się je za nieśmiertelne. Badania doświadczalne nie potwierdziły w pełni tych spekulacji. Procesy odnowy populacji komórek macierzystych i ich różnicowanie przebiegają przy udziale różnych białek i nie są jeszcze w pełni poznane. Różnicowanie się komórek odbywa się na drodze swoistych i utrwalonych fizycznych lub chemicznych zmian genomu wywołanych przez czynniki zewnętrzne oraz przez aktywację lub inaktywację odpowiednich genów w określonym czasie [2,3].

Pod względem potencjału proliferacyjnego i możliwości różnicowania wyróżniamy cztery rodzaje komórek macierzystych [4].

Pełnopotencjalne (totipotencjalne) komórki zarodkowe odpowiadają komórkom embrionu aż do trzeciego dnia po zapłodnieniu (stadium od 4 do 8 komórek). Totipotencjalny charakter komórek wiąże się z możliwością rozwoju każdej z nich w cały organizm. Komórki totipotencjalne przez wielu autorów nie są zaliczanie do grupy ?komórek macierzystych?.

Wielopotencjalne (pluripotencjalne) komórki macierzyste (np. komórki zarodkowe) zdolne są do różnicowania się we wszystkie typy wyspecjalizowanych komórek, np. komórki nerki, wątroby lub centralnego układu nerwowego, ale nie powstaje z nich odrębny organizm. Nie mogą one utworzyć embrionu i uczestniczyć w wytwarzaniu łożyska. Komórki pluripotencjalne obserwuje się w embrionach od czwartego dnia po zapłodnieniu, ale także u płodu i w organizmie człowieka dorosłego. Aktywność telomerazy w komórkach pluripotencjalnych może być obniżona. Komórki wielopotencjalne w niektórych przypadkach tracą zdolność do samoodnowy własnej populacji. Wewnętrzne różnice między komórkami macierzystymi mogą być przyczyną różnej aktywności enzymów regulujących mitozy, a także wielu kierunków różnicowania. Czynniki wzrostu działające w środowisku lokalnym są głównym motorem różnicowania komórek macierzystych [5].

Somatyczne komórki multipotencjalne (ang. adult stem cells) mają zdolność do różnicowania się w wiele typów komórek wyspecjalizowanych, lecz mniej różnorodnych jak w przypadku komórek pluripotencjalnych. Komórki ukierunkowane zdolne są do wytworzenia całej tkanki. Przykładem somatycznych komórek macierzystych są krwiotwórcze komórki macierzyste, zdolne wytworzyć wszystkie komórki krwi. Ze względu na ich plastyczność, komórki te mogą się nadal różnicować w kierunku innych tkanek.

Unipotencjalne komórki macierzyste zainicjowane (do różnicowania) są komórkami progenitorowymi dla jednego typu komórek. Komórki te z reguły tworzą warstwę odnawialną dla danej tkanki. Zdolność do samoodtwarzania tych komórek progenitorowych jest obniżona. Mają one określoną długość życia, a odnawiane są prawdopodobnie przy pomocy komórek macierzystych o większym potencjale proliferacyjnym. Komórki te są obecne w tkankach płodu, jak i człowieka dorosłego. W tkankach dojrzałych, takich jak szpik kostny, naskórek i przewód pokarmowy, w których odbywa się intensywna odnowa komórkowa, utrzymują się one przy życiu zastępując komórki utracone. Inne narządy i tkanki, których komórki żyją dłużej ? np. komórki centralnego układu nerwowego, mięśni, wątroby ? również zawierają populację komórek macierzystych, przyczyniających się do naprawy uszkodzeń urazowych, infekcyjnych oraz degeneracyjnych [6,7,8].

Plastyczność komórek macierzystych

Interesującym zjawiskiem jest fakt, iż unipotencjalne komórki macierzyste mogą nie tylko różnicować się w komórki charakterystyczne dla danej tkanki, w obrębie której się znajdują, ale i w inne komórki zróżnicowane. Właściwość tę nazywano ?plastycznością komórek macierzystych?. Komórki macierzyste wyizolowane z tkanki kostnej mogą rozwijać się w komórki tkanki łącznej, tłuszczowej, mięśnia sercowego, a nawet neuronów. Podobnie komórki macierzyste hematopoezy mogą się różnicować w komórki wątroby, płuc, przewodu pokarmowego lub skóry [9].

Do tej pory uważano, że tkanka powstaje i regeneruje z charakterystycznych dla niej komórek macierzystych. Badania dowodzą, że komórki macierzyste neuronalne i hematopoetyczne mogą przekształcać się w komórki innych tkanek. Populacja komórek macierzystych hematopoetycznych opisana została w mózgu człowieka oraz myszy. Plastyczność unipotencjalnych komórek macierzystych regenerujących daną tkankę jest zjawiskiem, które nie zostało w sposób naukowy wytłumaczone. Znane są cztery hipotezy tłumaczące plastyczność unipotencjalnych komórek macierzystych.

Plastyczność komórek unipotencjalnych wynika prawdopodobnie z obecności innych komórek macierzystych. Na tej podstawie można przypuszczać, że populacja komórek macierzystych użyta do badań nie była jednorodna i znajdowały się tam również unipotencjalne komórki macierzyste odbudowujące inne tkanki. Udowodniono, iż unipotencjalne komórki macierzyste mogą krążyć w organizmie. Plastyczność komórek macierzystych można również tłumaczyć hipotezą, mówiącą o niejednorodności populacji komórek macierzystych uzyskanych do badań. Możliwe jest, że populacja komórek macierzystych, regenerująca narząd u dorosłego człowieka, ma oprócz puli komórek unipotencjalnych również komórki słabiej zróżnicowane, np. multipotencjalne lub nawet pluripotencjalne. Komórki macierzyste o niższym stopniu zróżnicowania mogą wówczas zapoczątkować wzrost innych linii komórkowych, pochodzących nawet z innych listków zarodkowych niż tkanka, z której pobrano populację komórek macierzystych. Stosowane metody różnicowania komórek macierzystych są mało specyficzne.

Obie hipotezy, mówiące o niejednorodności populacji badanych komórek macierzystych, obalają w sposób oczywisty teorię o istnieniu plastyczności unipotencjalnych komórek macierzystych [10].

Kolejną hipotezą tłumaczącą plastyczność unipotencjalnych komórek macierzystych jest hipoteza o transdyferencjacji, czyli przeróżnicowaniu komórek. Hipoteza ta opisuje transformację epigenetyczną komórek pod wpływem stresu. Stresem może być niedotlenienie, czynniki zapalne lub przeniesienie komórek do hodowli in vitro. W tych warunkach może nastąpić zmiana aktywności czynników transkrypcyjnych, czyli białek regulujących ekspresję genów. Zmiany te mogą spowodować ?powrót? komórki macierzystej do niższego stopnia zróżnicowania. Stan taki mógłby być przyczyną różnicowania unipotencjalnej komórki macierzystej do zupełnie innej formy morfologicznej [11].

Czwartym wytłumaczeniem plastyczności unipotencjalnych komórek macierzystych jest fuzja komórek macierzystych z komórkami zróżnicowanymi. Dzięki takiej fuzji komórka może wykazywać ekspresję cech charakterystycznych dla różnych tkanek. Proces fuzji komórek obserwowano w warunkach mieszanych kultur komórkowych in vitro. Fuzję taką in vivo obserwuje się niezmiernie rzadko [12].

Komórki macierzyste warstwy nabłonkowej kanalików stercza

Część gruczołowa stercza zawiera rozgałęziające się kanaliki, które mają swój początek w obrębie cewki moczowej, a kończą się gronkami. Początkowy odcinek kanalików wysłany jest nabłonkiem przejściowym, który stopniowo przechodzi w nabłonek sześcienny lub kolumnowy. Nabłonek wydzielniczy składa się z komórek wydzielniczych oraz warstwy komórek podstawnych. Komórki wydzielnicze stercza wyściełające gronka są sześcienne lub kolumnowe. Warstwa komórek podstawnych leży poniżej i trudno jest nieraz odróżnić ją od podścieliska zbudowanego z fibroblastów i komórek mięśniowych [13].

Funkcjonowanie tkanek nabłonkowych opisano posługując się ?modelem jednostki strukturalno-podziałowej? (proliferation-structural unit). W modelu tym każda struktura kanalikowa jest utrzymywana dzięki powolnej wymianie komórek. Warstwa zrębu poprzez parakrynne oddziaływania utrzymuje niewielką populację komórek macierzystych dla nabłonka. Komórki progenitorowe przemieszczają się w obrębie gruczołu, tak iż najstarsze z nich są usuwane w odcinku dystalnym w procesie apoptozy. Unipotencjalne komórki macierzyste ulegają podziałom niesymetrycznym. W wyniku takiego podziału powstaje potomna unipotencjalna komórka i komórka progenitorowa szybko dzieląca się. Dzięki komórkom progenitorowym szybko dzielącym się w tkance, utrzymywana jest tylko niewielka populacja komórek macierzystych [14].

W nabłonku wydzielniczym kanalików stercza ze względu na położenie, morfologię i stopień zróżnicowania wyróżnia się dwie populacje komórek zróżnicowanych; są to komórki podstawne i komórki światła kanalików. Zależności między liczbami komórek w tych populacjach mogą mieć kluczowe znaczenie dla prawidłowego funkcjonowania stercza. Zgodnie z założeniami modelu uwzględniającego komórki macierzyste w nabłonku kanalików wyróżnia się komórki macierzyste, warstwę komórek silnie dzielących się i komórki prekursorowe dla komórek światła kanalików. Zjawisko degeneracji i regeneracji opisane w nabłonku wydzielniczym stercza ma istotne znaczenie dla liczebności populacji komórek silnie dzielących się. Komórki macierzyste znajdują się w odcinku proksymalnym kanalików stercza, gdzie utrzymywane są długo w stadium spoczynkowym (G0), dzięki wysokiemu poziomowi białka TGFbeta, wydzielanego przez włókna mięśniowe. Wysoki poziom białka TGFbeta powoduje, że komórki macierzyste nie są wrażliwe na wpływ androgenów. W przypadku obniżenia poziomu białka TGFbeta komórki macierzyste stymulowane są do podziałów i do wytworzenia kolejnych pokoleń komórek szybko dzielących się. Komórki szybko dzielące się wykazują pośredni profil ekspresji cytokeratyn pomiędzy komórkami podstawnymi a komórkami światła kanalików. Komórki szybko dzielące wędrują w kierunku dystalnym kanalika stercza, dzięki czemu zachodzą procesy regeneracji [15]. Przy użyciu przeciwciał przeciwko cytokeratynom w nabłonku stercza wykazano trzy populacje komórek, z których jedna odpowiada komórkom macierzystym [16].

Komórki macierzyste nabłonka wydzielniczego stercza są bardzo słabo zróżnicowane. Antygen CD133 (znany uprzednio jako AC133) został opisany jako białko markerowe hematopoetycznych komórek macierzystych. Bardzo mała populacja (około 1%) komórek podstawnych nabłonka wydzielniczego stercza wykazuje ekspresję białka błonowego CD133. Komórki te zidentyfikowano również markerami alpha (2) beta (1) (hi). Zidentyfikowane komórki alpha (2) beta (1) (hi) /CD133 (+) wykazują dwie bardzo ważne cechy charakterystyczne dla komórek macierzystych nabłonków, mają bowiem wysoki potencjał proliferacyjny oraz zdolność do budowy kanalików stercza u ?nagiej? myszy (NU NU) z wrodzonym brakiem grasicy. Mysz taka może służyć jako model zwierzęcy do przeszczepiania tkanek ksenogenicznych [17].

Zarówno przerost łagodny stercza, jak i rak powstają w konsekwencji zaburzeń procesów podziałów komórkowych, różnicowania komórek i zaprogramowanej genetycznie śmierci [18]. Nadal bardzo mało wiadomo na temat przebiegu procesu nowotworzenia w tkance kanalików stercza. Komórki macierzyste stanowią niezwykle małą populację komórek mających zdolność do tworzenia i odnawiania populacji komórek zróżnicowanych. Uważa się, iż klony komórek nowotworowych pochodzą bezpośrednio z populacji komórek macierzystych budujących daną tkankę. Badania nad komórkami macierzystymi mają duże znaczenie w zrozumieniu procesów nowotworzenia [19].

Szczególnie interesująca dla wyjaśnienia procesu nowotworzenia jest hipoteza opisująca plastyczność komórek macierzystych, zaś hipoteza, mówiąca o fuzji komórek macierzystych z komórkami zróżnicowanymi, mogłaby tłumaczyć obecność aberracji strukturalnych i liczbowych chromosomów w komórkach raka stercza. Uszkodzenie materiału genetycznego w komórkach prowadzi do rozwoju raka stercza. Nie znaleziono do tej pory w ogniskach raka stercza komórek charakteryzujących się profilem cytokeratyn, który mógłby odpowiadać komórkom macierzystym [16].

Hipoteza o przeróżnicowaniu komórek (transdyferencjacji) w warunkach stresu wiąże się z podwyższeniem potencjału mitotycznego komórek i niższym stopniem zróżnicowania komórek macierzystych i większymi możliwościami późniejszego różnicowania. Dzięki temu zjawisku można wytłumaczyć obecność metaplazji. Komórka progenitorowa narządu bądź tkanki zostaje zmieniona dzięki działaniu innych czynników transkrypcyjnych. W ten sposób powstają prawdopodobnie wyspy nabłonka jelita w żołądku czy też wyspy komórek jelita grubego w pęcherzu moczowym [14].

Hipotezy, mówiące o niejednorodności komórek macierzystych odbudowujących dany narząd i o przemieszczaniu się komórek macierzystych w ustroju, rzucają nowe światło na zjawiska zróżnicowania neuroendokrynnego w sterczu i oporności na leczenie hormonalne raka stercza.

Wielopotencjalne i pełnopotencjalne komórki macierzyste fenotypowo przypominają komórki nowotworowe. Oba rodzaje komórek przechodzą ?deprogramowanie genetyczne?, stając się intensywnie proliferującymi, ?nieśmiertelnymi? komórkami zdolnymi do inwazji podścieliska. Te podobieństwa sugerują, iż w komórkach nowotworowych i macierzystych następuje aktywacja podobnych genów [4].

Autorzy pracy uważają, że odkrycie i wytłumaczenie praw rządzących procesami różnicowania komórek macierzystych aż do ich śmierci, przyczynią się w znacznym stopniu do odkrycia źródła i mechanizmu powstawania klonów komórek nowotworowych.

piśmiennictwo

  1. Prelle K, Zink N, Wolf E: Pluripotent stem cells-model of embryonic development, tool for gene targeting, and basis of cell therapy. Anat Histol Embryol 2002; 31; 169-186.
  2. Gepstein L: Derivation and potential applications of human embryonic stem cells. Circ Res 2002, 91, 866-876.
  3. Bratkowska W, Ferenc T, Kozowska H: Cytogenetyka w: Drewa G, Ferenc T (eds): Podstawy Genetyki, Urban & Partner, Wrocław, 2003, 327.
  4. Pan G J, Chang ZY, Schöler HR, Pei D: Stem cell pluripotency and transcription factor Oct4. Cell Research 2002; 12; 321-329.
  5. Pei X: Stem cell engineering: the new generation of cellular therapeutics. Int J Hematol 2002, 76, Suppl 1; 155-156.
  6. Noel D, Djouad F, Jorgense C: Regenerative medicine through mesenchymal stem cells for bone and cartilage repair. Curr Opin Investig Drugs 2002, 3; 1000-1004.
  7. Pelled G, Turgeman G, Aslan H, Gazit Z, Gazit D: Mesenchymal stem cells for bone gene therapy and tissue engineering. Curr Pharm Des 2002; 8; 1917-1928.
  8. Ringe J, Kaps C, Burmester G-R, Sittinger M: Stem cells for regenerative medicine: advances in the engineering of tissues and organs. Naturwissenschaften 2002; 89; 338-351.
  9. Vats A, Tolley NS, Polak JM, Buttery LDK: Stem cells: sources and applications. Clin Otolaryngol 2002; 27; 227-232.
  10. Ratajczak M, Goździk J: Komórki macierzyste ? klucz do długowieczności. Medycyna po dyplomie 2004; 13, 16-25.
  11. Wurmser AE, Nakashima K, Summers RG et al: Cell fusion-independent differentiation of neural stem cells to the endothelial lineage. Nature 2004; 430 (6997); 350-356.
  12. Zhang S, Wang D, Estrov Z et al: Both cell fusion and transdifferentiation account for the transformation of human peripheral blood CD34-positive cells into cardiomyocytes in vivo. Circulation 2004; 110; 3803-3807.
  13. Epstein JI: Prostate biopsy interpretation. 1989, Raven Press, New York, 1-4.
  14. JMW Slack: Stem Cells in Epithelial Tissues. Science 2000; 287 (5457); 1431-1433.
  15. Tsujimura A, Koikawa Y, Salm S et al: Proximal location of mouse prostate epithelial stem cells: a model of prostatic homeostasis. J Cell Biol 2002; 157; 1257-1265.
  16. Verhagen AP, Ramaekers FC, Aalders TW et al: Colocalization of basal and luminal cell-type cytokeratins in human prostate cancer. Cancer Res 1992; 52, 6182-6187.
  17. Richardson GD, Robson CN, Lang SH et al: CD133, a novel marker for human prostatic epithelial stem cells. J Cell Sci 2004; 117; 3539-3545.
  18. Wolski Z, Drewa T: Apoptoza ? zaprogramowana śmierć komórki w niektórych chorobach stercza. Urol Pol 2000; 53; 305-319.
  19. Hudson DL: Epithelial stem cells in human prostate growth and disease. Prostate Cancer Prostatic Dis 2004; 7; 188-194.

adres autorów

Tomasz Drewa
ul. Karłowicza 24
85-094 Bydgoszcz
tomaszdrewa@wp.pl
www.tissue-engineering.webpark.pl