Badaczki z Wydziału Biologii Uniwersytetu Jagiellońskiego znalazły sposób, który pozwala w bardzo krótkim czasie pozyskać komórki tkanki kostnej gotowe do przeszczepów lub do innego wykorzystania w terapiach regeneracji kości. Komórki kostne pozyskiwane są w wyniku kontrolowanego różnicowania mezenchymalnych komórek macierzystych (MSC) pobranych wcześniej z tkanki tłuszczowej.
Na UJ opracowano sposób szybkiego różnicowania komórek macierzystych (MSC) tkanki tłuszczowej w komórki tkanki kostnej. W opinii twórczyń wynalazku, wykorzystanie komórek tkanki tłuszczowej oraz opracowanej nowej metody ich naprowadzania na różnicowanie w komórki tkanki kostnej jest skuteczniejsze, szybsze i łatwiejsze w porównaniu do innych obecnie stosowanych metod w terapiach regeneracji tkanki kostnej z użyciem MSC szpiku kostnego lub tkanki tłuszczowej. Opracowana metoda to wynik wieloletniej pracy badawczej dr hab. Anny Marii Osyczki, prof. UJ z Instytutu Zoologii i Badań Biomedycznych Uniwersytetu Jagiellońskiego i jej doktorantki, Karoliny Truchan oraz współpracujących dr hab. Katarzyny Cholewy-Kowalskiej, prof. Akademii Górniczo-Hutniczej i jej doktorantki, mgr inż. Barbary Zagrajczuk.
Mezenchymalne komórki macierzyste (MSC – z ang. Mesenchymal Stem Cells, nazywane również „leczniczymi komórkami sygnalnymi” – z ang. Medicinal Signaling Cells) można pozyskać od dorosłych dawców, z wielu różnych tkanek, w tym szpiku kostnego i tkanki tłuszczowej. Mają unikatowe właściwości i w zależności od biochemicznych sygnałów, jakie otrzymają, mogą one przeobrażać się w komórki różnych tkanek, między innymi w komórki kostne, chrzęstne, mięśniowe, tłuszczowe, jak również regenerować stawy, ścięgna, a nawet tkankę nerwową. W organizmach zwierząt MSC pełnią funkcję naturalnego zasobu, który w razie potrzeby jest wykorzystany jako uniwersalny budulec nowej tkanki – na przykład po tym, gdy ulegnie ona uszkodzeniu.
„MSC to komórki, które w gotowości czekają na instrukcje. Gdy tylko je otrzymają, mogą przeobrażać się w tkanki o określonej funkcjonalności. Dla medycyny MSC są bardzo przydatne i pożądane, ponieważ dostęp do nich wraz z umiejętnością ich kontrolowanego różnicowania daje nam możliwość regeneracji chorych lub uszkodzonych tkanek. Właściwie zróżnicowane komórki mogą być wykorzystane do terapii regeneracyjnych, w tym również do przeszczepów. Nasz zespół opracował metodę, która pozwala bardzo szybko „poinstruować” wyizolowane wcześniej komórki MSC tkanki tłuszczowej, by te stały się komórkami tkanki kostnej. Idea jest taka, by przygotowane w ten sposób komórki w warunkach laboratoryjnych móc bezpiecznie podawać pacjentom. Sposób ich wykorzystania i podawania to kwestia otwarta, zależna od indywidualnie zaprojektowanej terapii komórkowej” – tłumaczy Anna M. Osyczka, prof. UJ z Instytutu Zoologii i Badań Biomedycznych Uniwersytetu Jagiellońskiego.
Obecnie nie ma żadnych technicznych przeszkód, by z tkanki tłuszczowej człowieka pozyskać MSC i w warunkach laboratoryjnych namnożyć te komórki do zastosowania terapeutycznego. Jest to ponadto łatwiejsze, wydajniejsze i mniej obciążające dla potencjalnego dawcy, niż pobór np. MSC ze szpiku kostnego. Wyzwaniem jest jednak skuteczne stymulowanie takich MSC tkanki tłuszczowej do różnicowania w komórki innej tkanki niż tej, z której zostały pobrane. To właśnie w tym obszarze zespół badaczek z UJ i AGH pod kierunkiem prof. Anny M. Osyczki dokonał przełomowego odkrycia.
Badaczki z UJ połączyły kilka sposobów stymulacji komórek, aby uzyskać zamierzony efekt – tj. szybkie naprowadzenie komórek tkanki tłuszczowej na różnicowanie w komórki kostne. Do tego celu opracowały odpowiedni koktajl czynników chemicznych, które podawano komórkom, a także prostą metodę stymulacji mechanicznej komórek (odpowiedniego mieszania pożywki podawanej komórkom). Trzecim ważnym elementem powyższego wynalazku było zastosowanie do hodowli komórek tzw. bioaktywnych, kompozytowych podłoży wzrostowych, opracowanych przez wieloletnie współpracowniczki prof. Anny M. Osyczki – prof. AGH, Katarzynę Cholewę-Kowalską i jej doktorantkę, Barbarę Zagrajczuk.
„Komórki MSC z tkanki tłuszczowej nie są w stanie samoistnie w hodowli zainicjować procesu tworzenia tkanki kostnej. Natomiast opracowany przez nas skład pożywki podawanej komórkom, a także odpowiednie mieszanie pożywki bardzo szybko naprowadza komórki MSC tkanki tłuszczowej na różnicowanie w komórki tkanki kostnej. Proces ten wspomagany jest przez zastosowanie specyficznych, opracowanych na AGH podłoży wzrostowych dla komórek” – wyjaśnia Karolina Truchan, współautorka wynalazku i doktorantka UJ.
Podłoża bioaktywne, na których w warunkach laboratoryjnych są hodowane i stymulowane komórki macierzyste, to efekt wieloletniej współpracy badawczej zespołów prof. Osyczki z UJ i prof. Cholewy-Kowalskiej z AGH.
„Zastosowane w wynalazku podłoża kompozytowe zawierają w sobie komponent w postaci bioaktywnego szkła, modyfikowanego pod względem zawartości odpowiednich tlenków. Wykazaliśmy dotąd, że podłoża takie wykazują szereg pożądanych właściwości biologicznych i mogą samodzielnie naprowadzać komórki MSC szpiku kostnego na różnicowanie w komórki kostne” – wyjaśnia prof. UJ Anna M. Osyczka.
„Zastosowanie opracowanych na AGH podłoży do hodowli MSC tkanki tłuszczowej doskonale współdziała z opracowanym koktajlem i metodami jego mieszania w hodowli, tak że hodowane komórki odbierają szybko instrukcje inicjujące procesy ich różnicowania w kierunku komórek tkanki kostnej” – dodaje doktorantka UJ, p. Karolina Truchan.
Jak podkreślają naukowczynie, opracowana metoda pozwala w kilka dni skutecznie zaprogramować MSC tkanki tłuszczowej tak, by hodowane komórki stały się komórkami kostnymi. Tak przygotowana hodowla może być potencjalnie wykorzystana do różnych terapii komórkowych, gdzie stosuje się autoprzeszczepy.
Naukowczynie z UJ mogą pochwalić się aż trzema innowacjami w obszarze strategii hodowli i stymulacji MSC tkanki tłuszczowej do ich różnicowania w komórki kostne:
• innowacyjną pożywką (tj. koktajlem) dla MSC tkanki tłuszczowej, która wykazuje właściwości stymulujące różnicowanie ludzkich komórek macierzystych tkanki tłuszczowej w komórki kostne;
• sposobem prowadzenia statycznej hodowli komórkowej (bez poddawania hodowli fizycznemu mieszaniu) na zastosowanych podłożach i z zastosowaniem koktajlu chemicznego;
• sposobem prowadzenia dynamicznej hodowli komórkowej (hodowla jest poddawana fizycznemu mieszaniu, przez co przygotowanie komórek do przeszczepu jest jeszcze szybsze).
Podmiotem współuprawnionym do wypracowanej własności intelektualnej jest Akademia Górniczo-Hutnicza, która aktywnie współuczestniczyła w opracowywaniu składu bioaktywnych podłoży wzrostowych dla hodowli MSC. Wszystkie wynalazki zespołu z UJ są objęte ochroną patentową.
„Dzięki zorganizowaniu ochrony własności intelektualnej możemy rozmawiać z podmiotami z branży medycznej, które chciałyby wykorzystać potencjał tych odkryć w innowacyjnych terapiach schorzeń tkanki kostnej, w leczeniu ubytków kości, leczeniu pourazowym czy w medycynie estetycznej. Obecnie jesteśmy na etapie poszukiwania partnerów branżowych chętnych do włączenia się do etapów testów klinicznych” – wyjaśnia dr Gabriela Konopka-Cupiał, dyrektor Centrum Transferu Technologii UJ, CITTRU.
Świat medycyny interesuje się komórkami macierzystymi odkąd je odkryto, czyli od lat 60-tych ubiegłego wieku. Początkowo w centrum zainteresowań badaczy był szpik kostny, w którym obecne są MSC. Na początku tego wieku odkryto, że MSC znajdują się również w tkance tłuszczowej i to w większej obfitości niż w szpiku kostnym. Ponieważ pozyskanie komórek macierzystych ze szpiku jest dla pacjentów wysoce inwazyjne w porównaniu do uzyskania ich z tkanki tłuszczowej, w badaniach nad MSC tłuszcz stał się obiecującą alternatywą dla szpiku. Dziś wiadomo, że w tłuszczu znajduje się do 500 razy więcej MSC niż w szpiku, stąd intensyfikacja badań nad właściwościami komórek macierzystych tkanki tłuszczowej, metodami ich hodowli oraz stymulacji w kierunku kontrolowanego różnicowania.
Jednym z potencjalnych zastosowań MSC jest stymulowanie namnożonych komórek w warunkach laboratoryjnych do tworzenia kości. Tu warto podkreślić, że można rozważyć wszczepianie komórek zaraz po tym, jak komórki otrzymają właściwe „instrukcje”, w jaki typ komórek mają różnicować, ale zanim ulegną one ostatecznemu zróżnicowaniu. Alternatywnie można poczekać, aż w laboratorium komórki przeróżnicują w funkcjonalne komórki tkanki kostnej i na przykład „zasiedlą” przygotowany wcześniej implant, który będzie nośnikiem tych zróżnicowanych komórek. To, w jaki sposób wykorzystać MSC w leczeniu schorzeń tkanki kostnej, urazów czy ubytków, zależy od specyfiki i modelu terapii oraz indywidualnych uwarunkowań.
Wyhodowane MSC podaje się pacjentom w zawiesinie lub na różnych nośnikach (biomateriałach) w miejsce, w którym oczekuje się, że wypełnią one ubytek kostny. Stymulowane w warunkach laboratoryjnych komórki mogą też obudowywać tkanką kostną dzięki temu, że proces ten wspomagają odpowiednie bioaktywne implanty lub nośniki tych komórek. Możliwości zastosowań „zaprogramowanych” komórek MSC jest więc bardzo dużo.
Część badań, w wyniku których powstały opisane wyżej technologie, zrealizowano w ramach Diamentowego Grantu finansowanego przez Ministerstwo Nauki i Szkolnictwa Wyższego, przyznanego Karolinie Truchan (opiekunem projektu jest prof. Osyczka).
