CC BY
102
МИНИ-ОБЗОРЫ
Иммунологические свойства мул ьти потентных мезенхимальных стромальных клеток
B.C. Сергеев
Введение
При аллогенных трансплантациях клеток, тканей и органов в организме реципиента развиваются особые иммунологические феномены, получившие название «реакция трансплантат против хозяина» [РТПХ) и «реакция хозяин против трансплантата» (РХПТ), что является одной из наиболее актуальных проблем современной трансплантационной медицины и иммунологии. Этот феномен обусловлен наличием у донора и реципиента разных аллельных вариантов генов, наиболее важными из которых являются гены главного комплекса гистосовместимости [major histocompatibility complex - MHC), так как Т-лимфоциты осуществляют свои цитотоксические эффекты в результате связывания с антигенами МНС. Вместе с тем, сложный механизм распознавания Т-лимфоцитами чужеродных клеток и наличие веществ с выраженной иммуносупрессивной активностью [некоторые гормоны, факторы роста, простаг-ландины и др.) дают возможность обхода трансплантационного барьера.
Известно, что мультипотентные мезенхимальные стро-мальные клетки (ММСК) костного мозга играют значительную роль в лимфопоэзе и, в частности, в положительной селекции Т-лимфоцитов [1, 2]. Т акие функциональные особенности подразумевают специфический характер взаимодействия ММСК как с собственными клетками иммунной системы, так и с клетками реципиента при аллогенных трансплантациях. Возможность введения несовместимых по антигенам MHC ММСК в организм реципиента без сопутствующей иммуносупрессии значительно упрощает внедрение клеточных технологий в клиническую практику.
Изучение иммунологических свойств ММСК
in vitro
Результаты большого количества экспериментов in vitro по изучению влияния ММСК на функции разных популяций клеток иммунной системы обобщены и представлены ниже.
• ММСК не лизируются в смешанных культурах алло-генными ядросодержащими клетками периферической крови (ЯСКПК) или Т-лимфоцитами и NK-клетками [3, 4, 5, 6].
• В реакции смешанной культуры лимфоцитов и ее модификациях [сущность реакции представлена на рис. 1) ММСК значительно ингибируют пролиферацию Т-лимфоцитов в ответ на активацию поликлональными стимуляторами [конканавалином А или фитогемагглютинином), анти-CD3 антителами, специфическими антигенами [облученными аллогенными ЯСКПК) или «профессиональными» антиген-презентирующими клетками [АПК) [3, 5-10] [см. рис. 1).
Рис. 1. Пятидневная реакция смешанной культуры лимфоцитов (РСКЛ).
В РСКЛ изучается реактивность лимфоцитов реципиента в отношении антигенов, экспрессируемым клетками донора. Лимфоциты реципиента (в данном случае имеющие антигены Н1А-йй3 и НИЛ-йЯ-7) инкубировались в течение 5 дней с лимфоцитами донора (антигены НЬД-йЯ3, Н1Л-йЯ4). В случае наличия на клетках донора «чужеродных» антигенов (в данном примере Н1А-йй4) происходит трансформация и пролиферация Т-клеток реципиента (пролиферация лимфоцитов донора невозможна, так как их заранее подвергают воздействию больших доз радиации)
• Воздействие на пролиферацию Т-лимфоцитов зависит от соотношения ММСК и лимфоцитов. Большинство авторов отмечают статистически значимое ингибирование пролиферации при соотношениях МСК/СКК и Т-клеток в реакции смешанной культуры лимфоцитов от 1:10 и выше [8, 9, 11]. Тем не менее, имеются сообщения о существенном супрессивном эффекте при значительно меньших соотношениях [1:100 и меньше) [3, 4].
• Супрессивный эффект сохраняется при кокультивиро-вании в реакции смешанной культуры лимфоцитов ММСК человека и Т-лимфоцитов мыши и наоборот. По-видимому, это является универсальным явлением и не зависит от биологического вида [10].
• ММСК ингибируют пролиферацию разных субпопуляций Т-лимфоцитов: С1Э4+ и С1Э8+ Т-лимфоцитов, «наивных» анти-ген-специфичных Т-лимфоцитов и Т-клеток памяти [4, 11].
• При удалении ММСК из кокультуры Т-лимфоциты способны пролиферировать в ответ на рестимуляцию, то есть супрессивный эффект является обратимым [4, 8].
• Добавление в кокультуру гамма-интерферона усиливает супрессивный эффект ММСК [3], тогда как IL-2 частично нивелирует ингибирование пролиферации Т-клеток [7].
• Кроме ингибирования пролиферации, присутствие в реакции смешанной культуры лимфоцитов ММСК оказывает и другие эффекты на Т-лимфоциты. Например, снижение экспрессии активационных маркеров CD25, CD38, CD69 [11] и уменьшение секреции гамма-интерферона [4].
• ММСК, дифференцирующиеся в течение 1 -2 недель в остеогенном, хондрогенном и адипоцитогенном направлениях, также не лизируются в смешанных культурах и сохраняют иммуносупрессивные свойства [3].
• При кокультивировании ММСК с разными популяциями дендритных клеток [ДК] отмечено ингибирование продукции провоспалительных факторов ДК 1 -го типа и усиление синтеза противовоспалительных факторов ДК 2-го типа [12].
• ММСК ингибируют дифференцировку моноцитов в ДК [13].
Таким образом, важным открытием для клинического применения в опытах in vitro стала невозможность лизиса ММСКаллогенными Т-лимфоцитами и NK-клетками в смешанных культурах. Кроме того, показано разностороннее действие ММСКна различные клетки иммунной системы, результатом которого может являться прямое или опосредованное через ДК ингибирование функций Т-лимфоцитов.
Изучение иммунологических свойств ММСК
in vivo
Иммунологические особенности ММСКпоказаны и в опытах in vivo. В частности, ММСК, синтезирующие костный морфогенетический белок человека 2 [human bone morphogenetic protein-2], не элиминировались, при алло-генной трансплантации разным иммунокомпетентным мышам и были способны дифференцироваться в остеобласты [10]. Показано, что плод овцы отторгает после 75 дней гестации аллогенный кожный трансплантат [15] и не способен приживлять другие аллогенные и ксеногенные трансплантаты. Тем не менее, ММСКчеловека приживлялись в плоде овцы после внутриутробной трансплантации на 85-й день гестации и находились в органах хозяина не менее 13 месяцев при отсутствии иммуносупрессии [16]. Трансплантированные ММСК мыши существовали не менее 13 недель в организме иммунокомпетентного реципиента-крысы, где они принимали участие в репарации после экспериментального инфаркта миокарда [17]. В этих экспериментах не отмечалось каких-либо иммунологических реакций отторжения. Тем не менее, в аналогичном эксперименте по трансплантации ММСК человека в организм иммуноком-петентного реципиента-мыши наблюдалась выраженная реактивность лимфоцитов к вводимым клеткам [14].
ММСК оказывают благоприятные эффекты на приживление несовместимого органа при их совместной трансплантации. Предварительное введение ММСКспособно увеличивать выживаемость аллогенного кожного трансплантата у бабуинов [7]. Этот эффект наблюдался только при условии изогенного происхождения ММСК и кожного трансплантата. Интересен факт опухолевого роста клеток меланомы при их совместном подкожном введении с ММСК в организм мыши, тогда как без ММСК клетки меланомы быстро отторгались [10].
Таким образом, полученные данные об иммунологических особенностях ММСК открывают широкие перспективы для использования аллогенных клеток в регенеративной медицине. Кроме того, иммуномодулирующие свойства ММСК могут использоваться при лечении аутоиммунных заболеваний, для снижения тяжести РТПХ и успешной трансплантации аллогенных органов.
Возможные механизмы реализации
иммунологических свойств ММСК
В научных публикациях обсуждаются следующие механизмы, объясняющие иммунологические свойства ММСК.
Отсутствие или слабая экспрессия MHC I и II классов на поверхности ММСК, приводит к невозможности их распознавания разными популяциями Т-лимфоцитов.
• Непосредственное взаимодействие ММСК с Т-лимфо-цитами, приводящее к клональной анергии последних.
• Секреция ММСК биологически активных соединений, оказывающих выраженное иммуносупрессивное действие.
При определении иммунофенотипа ММСК человека обнаружена высокая степень экспрессии антигенов MHC I класса и отсутствие антигенов MHC класса II, которые, тем не менее, обнаруживаются внутриклеточно [3]. Добавление в культуру гамма-интерферона в течение 48 часов приводило к экспрессии MHC II класса более 90% клеток, однако, ММСК сохраняли иммуносупрессивные свойства. Таким образом, игнорирование аллогенных ММСКиммунной системой реципиента не может быть обусловлено отсутствием или низкой степенью экспрессии молекул MHC.
В настоящий момент дискутируется вопрос о роли клеточно-клеточных контактов в проявлении иммунологических свойств ММСК. Необходимость такого взаимодействия изучалась при культивировании ММСК и Т-лимфоцитов, разделенных полупроницаемой мембраной [Transwell system). Большинство авторов обнаружило сохранение им-муносупрессивного эффекта ММСК на Т-лимфоциты [6, 10]. Однако, некоторые исследователи получили противоположный результат [4]. Интересно, что в этом случае им-муносупрессивный эффект наблюдался при использовании гораздо более низкого соотношения ММСК и Т-лимфоцитов. Более того, ММСК ингибируют дифференцировку моноцитов в ДК разными способами в зависимости от соотношения культивируемых клеток [13]. При высоких соотношениях [1:10) основную роль играют растворимые факторы, тогда как при низких [1:40) необходимо наличие клеточно-клеточных контактов. Таким образом, реализация иммунологических свойств ММСК, по-видимому, обусловлена несколькими механизмами, опосредованными клеточно-клеточным взаимодействием и секрецией растворимых факторов.
ММСК человека характеризуются отсутствием экспрессии костимулирующих молекул B7-1, B7-2 и CD40 [7, 18]. Контакт Т-клеточного рецептора и MHC при отсутствии ко-стимулирующего сигнала приводит к состоянию анергии Т-лимфоцитов [21 ]. Так как взаимодействие является антиген-специфичным, анергии подвергается только определенная субпопуляция Т-лимфоцитов, и, таким образом, достигается толерантность ко всем клеткам одного происхождения. Этот механизм не может участвовать в супрессии пролиферации Т-клеток в реакции смешанной культуры лимфоцитов, но вполне объясняет длительную выживаемость кожного аллотрансплантата у бабуинов [7]. Тем не менее, показано, что лизис ММСК в реакции смешанной культуры лимфоцитов не наступает даже в условиях наличия CD28-костимуляции при добавлении соответствующих антител [6]. Этот факт интересен тем, что он подразумевает какой-то неизвестный ингибирующий механизм, обусловленный клеточно-клеточными взаимодействиями между ММСК и Т-лимфоцитами.
В настоящий момент получены противоречивые данные при идентификации конкретного растворимого посредника иммуносупрессивных эффектов ММСК. Обнаружено, что простагландин Е2 [PGE2), секретируемый ММСК, был частично ответственен за опосредованные ММСК-иммуномодулирую-щие эффекты, так как они блокировались двумя разными PGE2 ингибиторами [12]. При использовании нейтрализующих моноклональных антител показана иммуносупрессивная роль
ТФРр и фактора роста гепатоцитов [8]. В присутствии небольших концентраций гамма-интерферона в ММСК индуцируется экспрессия фермента ¡псЫеатлпе 2,3-сПохудепаБе, который катализирует конверсию триптофана в кинуреин [9]. Было показано [19, 20], что значительное снижение в среде концентрации триптофана и накопление его метаболита кинуреина приводит к выраженной супрессии функций Т-лимфоцитов. Некоторые исследователи не смогли обнаружить иммуносупрес-сивных эффектов всех вышеперечисленных факторов и предположили наличие пока еще неизвестного посредника [6]. Возможные механизмы ММСК-опосредованных иммунологических эффектов представлены на рис. 2.
Рис. 2. Возможные механизмы иммунологических эффектов, опосредованных ММСК (MSC/SSC):
1. Активация Т-клеточного рецептора лимфоцитов реципиента (TCR-CD3) без сопутствующей CD28-костимуляциии.
2. Взаимодействие неизвестных поверхностных молекул.
3. Секреция ММСК простагландина E2 (PGE2).
4. Индукция экспрессии в ММСК фермента indoleamine 2,3-dioxygenase (IDO), который катализирует конверсию триптофана в кинуреин.
5. Секреция ММСК трансформирующего фактора роста бета (TGF ß) и фактора роста гепатоцитов (HGF).
6. Секреция ММСК неизвестного растворимого посредника, с выраженной иммуносупрессивной активностью
Дифференцировка в организме реципиента ММСК в разные клеточные диффероны может вносить свой вклад в иммунологические эффекты трансплантаций ММСК в опытах in vivo.
Исследования иммунологических особенностей ММСК привели к открытию их выраженных иммуномодулирующих свойств. Этот феномен обусловлен секрецией иммуносуп-рессивных факторов и взаимодействием поверхностных
молекул. Большинство исследователей пришло к предварительному выводу об отсутствии иммунного ответа при трансплантации МНС-несовместимых ММСК.
Клинические перспективы использования
иммуномодулирующего эффекта ММСК
Выявленные иммунобиологические особенности позволили предложить следующие перспективы применения ММСК в клинике:
• криоконсервация и хранение аллогенных ММСК для целей иммунокорригирующей клеточной терапии;
• использование аллогенных ММСК в тканевой инженерии скелетных и мышечной тканей;
• лечение аутоиммунных заболеваний [резистентные артриты, склеродермия, системная красная волчанка);
• снижение тяжести РТПХ и РХПТ, следовательно, увеличение времени выживания аллогенных трансплантатов в клинике при трансплантации костного мозга.
Основы лечения летальной РТПХ методом трансплантации ММСК были изучены в эксперименте [26, 27]. Le Blanc [2004) показала, что иммуносупрессивная функция МСК не зависит от HLA-совместимости после трансплантации [11]. Уже были предприняты клинические попытки аллогенной ко-трансплантации гемопоэтических клеток и ММСК для уменьшения риска развития реакции РТПХ в посттрансп-лантационном периоде [22]. Установлено что аллогенная системная трансплантация ММСК хорошо переносится пациентами [23, 24].
Результаты I фазы клинических испытаний метода ко-трансплантации гемопоэтических клеток и аллогенных ММСК с целью профилактики РТПХ, оценивающие безопасность метода, были опубликованы совсем недавно [28].
Возможность использования аллогенных ММСК в тканевой инженерии скелетных и мышечной тканей без иммуносупрессии была также показана в нескольких экспериментальных работах [29-31]. На перспективы применения ММСК для лечения заболеваний с преимущественно аутоиммунным патогенезом, указывает ряд экспериментальных работ по трансплантации костного мозга при моделях артрита и системной красной волчанки, результаты которых обсуждаются в обзоре Jorgensen [33].
Таким образом, трансплантация аллогенных ММСК, а также их использование в целях иммуномодуляции, по-видимому, будет занимать одно из ведущих мест в будущих клинических исследованиях. В этом плане интересен факт, что область использования аллогенных ММСК, основанная на их иммунопривилегированности, начинает коммерциализироваться. Так, одна из ведущих компаний в области использования ММСК Osiris Therapeutics [Baltimore, USA) на настоящий момент имеет уже 6 патентов, основой которых в той или иной степени являются иммунологические свойства ММСК [32]. Совсем недавно компания объявила о получении одобрения FDA на начало клинических испытаний запатентованных продуктов аллогенных ММСК для целей клеточной кардиомиопластики и хондропластики. При таких же компаниях, по-видимому, будут организовываться и банки аллогенных ММСК.
fMTEPATyPA:
1. Dejbakhsh-Jones S., Jerabek L., Weissman I.L., Strober S. Extrathymic maturation of alpha beta T cells from hemopoietic stem cells. J. Immunol. 1995; 155: 3338-44.
2. Barda-Saad M., Rozenszajn L.A., Globerson A. et al. Selective adhesion of immature thymocytes to bone marrow stromal cells: relevance to T cell lymphopoiesis. Exp. Hematol. 1996; 24: 386-91.
3. Le Blanc K., Tammik C., Rosendahl K. et al. HLA expression and immunologic properties of differentiated and undifferentiated mesenchymal stem cells. Exp. Hematol. 2003; 31: 890-6.
4. Krampera M., Glennie S., Dyson J. et al. Bone marrow mesenchymal stem cells inhibit the response of naive and memory antigen-specific T cells to their cognate peptide. Blood 2003; 101: 3722-9.
5. Rasmusson I., Ringden O., Sundberg B. et al. Mesenchymal stem cells inhibit
the formation of cytotoxic T lymphocytes, but not activated cytotoxic T lymphocytes or natural killer cells. Transplantation 2003; 76: 1208-13.
6. Tse W., Pendleton J., Beyer W. et al. Suppression of allogeneic T-cell proliferation by human marrow stromal cells: implications in transplantation. Transplantation 2003; 75: 389-97.
7. Bartholomew A., Sturgeon C., Siatskas M. et al. Mesenchymal stem cells suppress lymphocyte proliferation in vitro and prolong skin graft survival in vivo. Exp. Hematol. 2002; 30: 42-8.
8. Di Nicola M., Carlo-Stella C., Magni M. et al. Human bone marrow stromal cells suppress T-lymphocyte proliferation induced by cellular or nonspecific mitogenic stimuli. Blood 2002; 99: 3838-43.
9. Meisel R., Zibert A., Laryea M. et al. Human bone marrow stromal cells inhibit allogeneic T-cell responses by indoleamine 2,3-dioxygenase-mediated tryptophan degradation. Blood 2004; 103: 4619-21.
10. Djouad F., Plence P., Bony C. et al. Immunosuppressive effect of mesenchymal stem cells favors tumor growth in allogeneic animals. Blood 2003; 102: 3837-44.
11. Le Blanc K., Rasmusson I., Gotherstrom C. et al. Mesenchymal stem cells inhibit the expression of CD25 [interleukin-2 receptor) and CD38 on phytohaemagglutinin-activated lymphocytes. Scand. J. Immunol. 2004; 60: 307-15.
1 2. Aggarwal S., Pittenger M. Human mesenchymal stem cells modulate allogeneic immune cell responses. Blood 2005; 105: 1815-22.
13. Jiang X.X., Zhang Y., Liu B. et al. Human mesenchymal stem cells inhibit differentiation and function of monocyte-derived dendritic cells. Blood. 2005; 105[10):4120-6.
14. Grinnemo K.H., Mansson A., Dellgren G. et al. Xenoreactivity and engraftment of human mesenchymal stem cells transplanted into infarcted rat myocardium. J. Thorac. Cardiovasc. Surg. 2004; 127: 1293-300.
1 5. Silverstein A., Prendergast R., Kraner K. Fetal response to antigenic stimulus IV. Rejection of skin homografts by the fetal lamb. J. Exp. Med. 1964; 119: 955-64.
16. Liechty K., MacKenzie T., Shaaban A. et al. Human mesenchymal stem cells engraft and demonstrate site-specific differentiation after in utero transplantation in sheep. Nat. Med. 2000; 11: 1282-6.
1 7. Saito T., Kuang J.Q., Bittira B. et al. Xenotransplant cardiac chimera: immune tolerance of adult stem cells. Ann. Thorac. Surg. 2002; 74: 19-24.
18. Majumdar M.K., Keane-Moore M., Buyaner D. et al. Characterization and functionality of cell surface molecules on human mesenchymal stem cells. J. Biomed. Sci. 2003; 10: 228-41.
19. Munn D.H., Shafizadeh E., Attwood J.T. et al. Inhibition of T-cell proliferation by macrophage tryptophan catabolism. J. Exp. Med. 1999; 189: 1363-72.
20. Hwu P., Du M.X., Lapointe R. et al. Indoleamine 2,3-dioxygenase production by human dendritic cells results in the inhibition of T cell proliferation. J. Immunol. 2000; 164: 3596-9.
21. Schwartz R.H. A cell culture model for T lymphocyte clonal anergy. Science 1990; 248: 1349-56.
22. Frassoni F., Podesta M., Piaggio G. et al. Expanded mesenchymal stem cells [MSC), co-infused with HLA identical hematopoietic stem cell transplants, reduce acute and chronic graft-versus-host disease: a matched pair analysis. Bone Marrow Transplant. 2002; 29 [suppl 2): S2 abstract.
23. Koc O., Gerson S., Cooper B. et al. Rapid hematopoietic recovery after coinfusion of autologous-blood stem cells and culture expanded marrow mesenchymal stem cells in advanced breast cancer patients receiving high-dose chemotherapy. J. Clin. Oncol. 2000; 18: 307-16.
24. Horwitz E.M., Prockop D.J., Fitzpatrick L.A. et al. Transplantability and therapeutic effects of bone marrow-derived mesenchymal cells in children with osteogenesis imperfecta. Nat. Med. 1999; 5: 309-13.
25. Le Blanc K., Rasmusson I., Sundberg B. et al. T reatment of severe acute graft-versus-host disease with third party haploidentical mesenchymal stem cells. Lancet 2004; 363: 1439-41.
26. Chung N.G., Jeong D.C., Park S.J. et al. Cotransplantation of marrow stromal cells may prevent lethal graft-versus-host disease in major histocompatibility complex mismatched murine hematopoietic stem cell transplantation. Int. J. Hematol. 2004; 80; 4: 370-6.
27. Maitra B., Szekely E., Gjini K. et al. Human mesenchymal stem cells support unrelated donor hematopoietic stem cells and suppress T-cell activation. Bone Marrow Transplant. 2004; 33; 6: 597-604.
28. Lazarus H.M., Koc O.N., Devine S.M. et al. Cotransplantation of HLA-identical sibling culture-expanded mesenchymal stem cells and hematopoietic stem cells in hematologic malignancy patients. Biol. Blood. Marrow. Transplant. 2005; 11; 5: 389-98.
29. Arinzeh T.L., Peter S.J., Archambault M.P. et al. Allogeneic mesenchymal stem cells regenerate bone in a critical-sized canine segmental defect. J. Bone Joint Surg. Am. 2003; 85-A; 10: 1927-35.
30. Niemeyer P., Seckinger A., Simank H.G. et al. Allogenic transplantation of human mesenchymal stem cells for tissue engineering purposes: an in vitro study. Orthopade [Germany) 2004; 33; 12: 1346-53.
31. Nevo Z., Robinson D., Horowitz S. et al. The manipulated mesenchymal stem cells in regenerated skeletal tissues. Cell Transplant. 1998; 7; 1: 63-70.
32.http://www.osiristx.com/index_files/Patents.htm
33. Jorgensen C., Djouad F., Apparailly F., Noel D. Engineering mesenchymal stem cells for immunotherapy. Gene Therapy 2003; 10: 928-31.
