CC BY
192
НАУЧНЫЕ ОБЗОРЫ
© МАНАШЕВ Г.Г., ЛАЗАРЕНКО Л.И., ЯРЫГИН Е.И., МУТАЕВ Э.В., БОНДАРЬ В.С.
УДК - 616.314.17 - 08: 612.014
ПЕРСПЕКТИВЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ СТВОЛОВЫХ КЛЕТОК В ТЕРАПИИ ЗАБОЛЕВАНИЙ ТКАНЕЙ ПАРОДОНТА
Г.Г. Манашев, Л.И.Лазаренко, Е.И. Ярыгин, Э.В. Мутаев, В.С. Бондарь
Красноярский государственный медицинский университет им. проф. В.Ф. Войно-Ясенецкого, ректор - д.м.н., проф. И.П. Артюхов, Институт биофизики СО РАН, директор - член-корр. РАН, д.ф.-м.н., проф. А.Г.
Дегерменджи.
Резюме. Обсуждаются перспективы использования стволовых клеток в создании новых способов и методов лечения тканей пародонта. В частности, рассматривается возможность применения стволовых клеток в репаративной терапии элементов прикрепляющего аппарата зуба.
Ключевые слова: мезенхимальная стволовая клетка, одонтобласт,
репаративные технологии.
Манашев Георгий Геннадьевич - д.м.н., зав. кафедры-клиники ортопедической стоматологии; manashev1 @yandex.ru., тел. 2202309.
Лазаренко Людмила Ишмуратовна. - к.м.н. ассистент кафедры-клиники ортопедической стоматологии; [email protected]., тел. 2202309.
Ярыгин Евгений Иванович - аспирант кафедры-клиники ортопедической стоматологии; [email protected]., тел. 89029242120.
Воспалительные заболевания пародонта представляют одну из наиболее актуальных проблем стоматологии, имеющих важное социальное значение.
Это обусловлено высокой распространённостью данного вида патологии среди населения, частотой возникновения у лиц молодого возраста, развитием тяжелых изменений в тканях пародонта и организме больного в целом. Специфика заболеваний тканей пародонта заключается в чередовании стадий ремиссии и обострения, что часто сопровождается значительными нарушениями функции зубочелюстной системы из-за резорбции костной ткани и повреждениями удерживающего аппарата зубов [2, 5].
В настоящее время лечение воспалительно-деструктивных заболеваний тканей пародонта направлено на устранение основного причинного фактора -зубного налёта микробной этиологии. При этом, комплекс терапевтических мер включает: контроль образования зубного налёта, использование для лечения антимикробных препаратов, противовоспалительных средств местного и общего действия, совершенствование хирургических методов устранения инфекционно-деструктивного очага в пародонте [1, 4, 20].
К частым случаям патологии пародонта относятся заболевания периодонта, которые при отсутствии своевременной и эффективной терапии могут приводить к деструкции всех элементов прикрепляющего аппарата зубаальвеолярной кости, цемента, связки периодонта и десны [3]. В норме перечисленные ткани обладают крайне низкой способностью к регенерации, что обуславливает необходимость разработки эффективных методов лечения заболеваний периодонта [19].
Один из вариантов решения проблемы увеличения скорости и эффективности регенерации сложных структур (например, элементов прикрепляющего аппарата зуба) может оказаться метод, основанный на использовании мезенхимальных стволовых клеток. В этом направлении активно проводятся исследования на разных видах животных, а полученные при этом результаты носят позитивный характер [21,26]. В частности, изучаются процессы регенерации тканей периодонта с применением различных имплантируемых материалов [7,18,52].
Впервые соматические стволовые клетки (СК), способные к разным типам дифференциации, были выделены из кроветворных органов: гемопоэтические клетки из селезенки и мезенхимальные стволовые клетки из костного мозга (МСККМ) [13,45]. Известно, что МСККМ могут
дифференцироваться в клетки соединительной, костной, жировой, мышечной, хрящевой и эндотелиальной тканей, а также в клетки тканей почек, легкого, печени и нейрональную ткань [40,41,56]. Первый метод выделения МСККМ был основан на их адгезии к пластиковой поверхности, в отличие от гемопоэтических стволовых клеток. Современные более сложные методики обеспечивают отбор клеток по наличию или отсутствию специфических маркеров, используемых для оценки потенциала стволовых клеток к дифференциации [43]. Гомогенную популяцию стволовых клеток, в соответствии с наличием (положительный отбор) или отсутствием (отрицательный отбор) специфических маркеров, получают с помощью иммуномагнитной сепарации и проточной цитометрии. Однако поскольку многие краниофациальные структуры (костная и сосудистая ткани, связочный аппарат) состоят из разных типов клеток, более общий пул мезенхимальных стволовых клеток может быть более полезным, нежели узкоспециализированные клетки [29,30].
Основными ограничениями широкого применения МСККМ для репаративной медицины являются инвазивность процедуры взятия исходного материала и количество выделяемых клеток. При биопсии костного мозга может быть получено крайне малое количество мезенхимальных стволовых клеток (1 из 104-106). Несмотря на это, данные клетки являются наиболее исследованными и удобными при использовании для регенерации костной ткани, по сравнению со стволовыми клетками из других источников [10,25,47].
Было установлено, что жировая ткань может являться альтернативным источником получения мезенхимальных стволовых клеток. Из преимуществ жировой ткани, как источника для наработки стволовых клеток, следует
отметить: легкость получения исходного материала и минимальную
инвазивность процедуры липосакции; возможность получения большого количества клеток, которые не утрачивают способности пролиферации и дифференциации после замораживания [15]; отсутствие отрицательного влияния возраста донора на потенциальные возможности клеток ASC к пролиферации и дифференциации [11]. В многочисленных исследованиях in vitro показано, что ASC (стволовые клетки, полученные из жировой ткани и способные in vitro дифференцироваться у клетки костной, хрящевой, жировой, мышечной, эндотелиальной и нейрональной тканей) способны дифференцироваться в клетки разных тканей (костная, хрящевая, мышечная, эндотелиальная, нейрональная) [14,17,28]. Ряд исследователей отмечает перспективность применения ASC в методах тканевой инженерии, в силу доступности и легкости получения клеточного материала [35,54]. Проводятся исследования in vitro, направленные на изучение возможности применения ASC для регенерации костной ткани [46,53].
Не менее перспективно применение мезенхимальных стволовых клеток и в целях практической стоматологии. В этом направлении специалистами многих стран проводятся разноплановые исследования. Например, авторами ряда работ высказано предположение о том, что ASC могут ускорять регенерацию тканей периодонта [27,37,51]. В модельных исследованиях in vitro и in vivo показано, что ASC, помещенные на используемые в стоматологии материалы (каркасы из титана, гидроксиаппатита, коллагена и PLGA), обладают способностью дифференцироваться в клетки костной и хрящевой тканей [6,12,31]. Продемонстрировано наличие в пульпе зуба клеток-предшественников, пролиферация которых активируется при повреждении зуба и которые могут дифференцироваться в одонтобласты, обеспечивая регенерацию дентина [42].
Из пульпы зуба человека выделена клоногенная популяция клеток, получивших название стволовые клетки пульпы зуба (DPSC) [23,33,38, 39,55]. Показано, что эти клетки расположены преимущественно в
периваскулярной области пульпы, откуда они могут мигрировать в область повреждения [50]. В экспериментах in vitro установлено, что клетки DPSC обладают большей способностью к пролиферации, по сравнению с МСККМ, и сохраняют ее после продолжительного субкультивирования [9,32]. Как полагают авторы работ [49,57], это может быть связано с высоким уровнем экспрессии медиаторов клеточного цикла, таких как циклин-зависимая-киназа-6 и инсулиноподобный фактор роста. В экспериментах in vitro было показано, что DPSC способны образовывать плотные кальцифицированные узелки. Причем, в ряде работ было продемонстрировано, что DPSC, отобранные по наличию STRO-1, обладают способностью к адипогенной, нейрогенной, миогенной и хондрогенной дифференциации под действием соответствующей индукции [16,36,48]. Способность DPSC к одонтогенной, адипогенной и миогенной дифференциации была показана также в экспериментах in vivo на экспериментальных животных [22,34,44]. В нескольких работах было показано, что культуры DPSC могут содержать мультипотентные стволовые клетки нервного валика (NCSC), способные к дифференциации в различные линии клеток нервного валика, включая меланоциты [8,24].
Таким образом, приведенные выше факты, свидетельствуют в пользу перспективности применения стволовых клеток в разработке репаративных технологий для практической стоматологии, например, новых способов восстановительной терапии тканей периодонта. Очевидно, что многие аспекты этого направления требуют дальнейших исследований. В частности, существуют проблемы разработки и создания оптимальных питательных сред для культивирования разных типов стволовых клеток в условиях in vitro. Необходим поиск эффективных избирательных средств (индукторов, активаторов, регуляторов), позволяющих целенаправленно влиять на пролиферацию и, особенно, дифференциацию клеток с целью получения необходимого репаративного эффекта (наработки клеток требуемой регенерируемой ткани). Требуется разработка новых способов совместного
культивирования разных типов клеток с целью получения более жизнеспособной и функционально полноценной культуры, способной in vivo полностью заменить утраченную нативную ткань. В целом, создание новых и оптимизация существующих методов трансплантации клеток и последующее их внедрение в клиническую стоматологию позволят повысить эффективность терапии заболеваний пародонта и улучшить качество жизни пациентов.
PERSPECTIVES OF USING THE STEM CELLS IN THERAPY OF PERIODONTAL TISSUES DISEASE
G.G. Manashev, L.I. Lazarenko, E.I. Yarygin, E.V. Mutaev, V.S. Bondar Krasnoyarsk State Medical University named after prof. V.F. Vojno-Yasenetsky
Abstract. The perspectives of using the stem cells in creation new ways and methods of periodontal tissues treatment are discussed. In particular, is considered the possibility of using stem cells in reparative therapy of attaching tooth apparatus elements.
Key words: mesenchymal stem cell, odontoblast, reparative technologies.
Литература
1. Безрукова И.В., Грудянов А.И. Классификация агрессивных форм воспалительных заболеваний пародонта // Стоматология. - 2001. - № 5. -С.45 - 46.
2. Грудянов А.И. Фролова О.А. Заболевания пародонта и меры их
профилактики // Лечащий врач. - 2001. - №4. - С.3-5.
3. Иванов В. С. Заболевания пародонта. - М.: МИА, 2001. - 300с.
4. Курякина Н.В. Заболевания пародонта. - М.: Медкнига, 2005. - 43с.
5. Кузьмина Э.М. Профилактика стоматологических заболеваний. - М.: Поли Медиа Пресс, 2001. - 216с.
6. Петров Ю.В., Ткач Т.М. Клиника, диагностика, лечение пародонтита. -Самара: Медицина, 2005. - 53с.
7. Bellone G., Scirelli T., Emanuelli G. Osteo-promoting activity of OSTEOPLANT ANGIOSTAD in vitro // MinervaStomatol. - 2008. - Vol. 57.
- P. 98 - 109.
8. Benatti B.B., Silverio K.G., Casati M.Z. et al. Physiological features of periodontal regeneration and approaches for periodontal tissue engineering utilizing periodontal ligament cells // J. Biosci Bioeng. - 2007. - Vol. 103. - P. 1
- 6.
9. Bossolasco P., Corti S., Strazzer S. et al. Skeletal muscle differentiation potential of human adult bone marrow cells // Exp. Cell Res. - 2004. - Vol. 295. - P. 66 - 78.
10. Buser D., Hoffmann B., Bernard J.P. et al. Evaluation of filling materials in membraneprotected bone defects. A comparative histomorphometric study in the mandible of miniature pigs // Clin. Oral. Implants Res. - 1998. - Vol. 9. - P. 131 - 137.
11. De Ugarte D.A., Morizono K., Elbarbary A. et al. Comparison of multilineage cells from human adipose tissue and bone marrow // Cells Tissues Organs. - 2003. - Vol. 174. - P. 94 - 101.
12. D'Ippolito G., Schiller P.C., Ricordi C. et al. Age-related osteogenic potential of mesenchymal stromal stem cells from human vertebral bone marrow // J. Bone Miner Res. - 1999. - Vol. 14. - P. 22 - 25.
13. Forte G., Minieri M., Cossa P. et al. Hepatocyte growth factor effects on mesenchymal stem cells: proliferation, migration, and differentiation // Stem Cells. - 2006. - Vol. 24. - P. 23 - 33.
14. Gestrelius S., Lyngstadaas S. P., Hammarstrom L. Emdogain-periodontal regeneration based on biomimicry // Clin. Oral. Investig. - 2000. - Vol. 4. - P. 120 - 128.
15. Giannobile W.V., Hernandez R.A., Finkelman R.D. et al. Comparative effects of platelet-derived growth factor-BB and insulin-like growth factor-I, individually and in combination, on periodontal regeneration in Macaca fascicularis // J. Periodontal. Res. - 1996. - Vol. 31. - P. 293- 301.
16. Gimble J., Guilak F. Adipose-derived adult stem cells: isolation,
characterization, and differentiation potential // Cytotherapy. - 2003. - Vol. 5. -P. 357 - 362.
17. Hammarstrom L., Heijl L., Gestrelius S. Periodontal regeneration in a buccal dehiscence model in monkeys after application of enamel matrix proteins // J. Clin. Periodonto. - 1997. - Vol. 24. - P. 77 - 83.
18. Heijl L., Heden G., Svardstrom G. et al. Enamel matrix derivative (EMDOGAIN) in the treatment of intrabony periodontal defects // J. Clin. Periodontol. - 1997. - Vol. 24. - P. 14 - 26.
19. Heijl L. Periodontal regeneration with enamel matrix derivative in one human experimental defect // J. Clin. Periodontol. - 1997. - Vol. 24. - P. 684 - 693.
20. Howell T.H., Fiorellini J.P., Paquette D.W. et al. A phase I/II clinical trial to evaluate a combination of recombinant human platelet-derived growth factor-BB and recombinant human insulin-like growth factor-I in patients with periodontal disease // J. Periodontol. - 1997. - Vol. 68. - P. 183 - 186.
21. Inang B., Elgin A.E., Unsal E. Differentiation of human embryonic stem cells on periodontal ligament fibroblasts in vitro // Artif. Organs. - 2008. - Vol. 32. -P. 91 - 100.
22. Jin Q., Anusaksathien O., Webb S. A. et al. Engineering of tooth-supporting structures by delivery of PDGF gene therapy vectors // Mol. Ther. - 2004. -Vol. 9. - P. 26 - 33.
23. Jo Y. Y., Lee H. J., Kook S.Y. et al. Isolation and characterization of postnatal stem cells from human dental tissues // Tissue Eng. - 2007. - Vol. 13.
- P. 767 - 773.
24. Kawaguchi H., Hirachi A., Hasegawa N. et al. Enhancement of periodontal tissue regeneration by transplantation of bone marrow mesenchymal stem cells
// J. Periodontol. - 2004. - Vol. 75. - P. 275 - 281.
25. Keles G.C., Cetinkaya B.O., Baris S.D. et al. Comparison of platelet pellet with or without guided tissue regeneration in the treatment of class II furcation defects in dogs // Clin. Oral. Investig. - 2009. - Vol. 13. - P. 393 - 400.
26. Kemoun P., Laurencin-Dalicieux S., Rue J. et al. Human dental follicle cells acquire cementoblast features under stimulation by BMP-2/-7 and enamel matrix derivatives (EMD) in vitro // Cell Tissue Res. - 2007. - Vol. 329. - P. 271 - 283.
27. Lyngstadaas S.P., Lundberg E., Ekdahl H. et al. Autocrine growth factors in human periodontal ligament cells cultured on enamel matrix derivative // J. Clin Periodontol. - 2001. - Vol. 28. - P. 181 - 188.
28. Mackay A. M., Beck S.C., Murphy J.M. et al. Chondrogenic differentiation of cultured human mesenchymal stem cells from marrow // Tissue Eng . - 1998. -Vol. 4. - P. 289 - 297.
29. Mao J.J., Giannobile W.Y., Helms J.A. et al. Craniofacial tissue engineering by stem cells // J. Dent. Res. - 2006. - Vol. 85. - P. 79 - 86.
30. Marei M.K., Saad M.M., El-Ashwah A.M. et al. Experimental formation of periodon-tal structure around titanium implants utilizing bone marrow mesenchymal stem cells: a pilot study // J. Oral. Implantol. - 2009. - Vol. 35. -P. 194 - 106.
31. McGuire M.K., Nunn M.E. Evaluation of the safety and efficacy of periodontal applications of a living tissue-engineered human fibroblast-derived dermal substitute. I. Comparison to the gingival autograft: a randomized controlled pilot study // J. Periodontol. - 2005. - Vol. 76. - P. 80 - 89.
32. Messenger M.P., Raif M., Seedhom B.B. et al. The potential use of enamel matrix derivative for in situ anterior cruciate ligament tissue engineering: a translational in vitro investigation // Tissue Eng. - 2007. - Vol. 13. - P. 237 -241.
33. Orlic D., Hill J.M., Aral A.E. Stem cells for myocardial regeneration // Circ. Res. - 2002. - Vol. 91. - P. 107 - 118.
34. Orciani M., Trubiani O., Vignini A. Nitric oxide production during the osteogenic differentiation of human periodontal ligament mesenchymal stem cells // Acta. Histochem. - 2009. - Vol. lll. - P. 15 - 24.
35. Overall C.M., Limeback H. Identification and characterization of enamel proteinases isolated from developing enamel. Amelogeninolytic serine proteinases are associated with enamel maturation in pig // Biochem. J. - 1988.
- Vol. 256. - P. 72 - 81.
36. Park J.Y., Jeon S.H., Choung P.H. Efficacy of periodontal stem cell transplantation in the treatment of advanced periodontitis // Cell Transplant. -2011. -Vol. 20. - P. 260 - 271.
37. Pittenger M.F., Mackay A.M., Beck S.C. et al. Multilineage potential of adult human mesenchymal stem cells // Science. - 1999. - Vol. 284. - P. 135 - 143.
38. Poulsom R., Hodivala-Dilke K., Ryan E. et al. Forbes Bone marrow contributes to renal parenchymal turnover and regeneration // J. Pathol . - 2001.
- Vol. 195. - P. 218 - 229.
39. Poulsom R. Does bone marrow contain renal precursor cells // Nephron. Exp.
Nephrol. - 2003. - Vol. 93. - P. 53 - 57.
40. Quarto R., Thomas D., Liang C.T. Bone progenitor cell deficits and the age-associated decline in bone repair capacity // Calcif. Tissue Int. - 1995. - Vol. 56.
- P. 9 - 21.
41. Quirici N., Soligo D., Caneva L. et al. Differentiation and expansion of endothelial cells from human bone marrow CD133(+) cells // Br. J. Haematol. -2001. - Vol. 115. - P. 94 - 106.
42. Ripamonti U., Petit J.C. Bone morphogenetic proteins, cementogenesis, myoblastic stem cells and the induction of periodontal tissue regeneration
// Cytokine Growth Factor Rev. - 2009. - Vol. 20. - P. 99 - 111.
43. Safford K.M., Hicok K.C., Safford S. D., et al. Neurogenic differentiation of
murine and human adipose-derived stromal cells // Biochem. Biophys. Res.
Commun. - 2002. - Vol. 294. - P. 368 - 371.
44. Sakallioglu U., Acikgoz G., Ayas B. et al. Healing of periodontal defects treated with enamel matrix proteins and root surface conditioning - an experimental study in dogs // Biomaterials. - 2004. - Vol. 25. - P. 40 - 51.
45. Selvig K.A., Sorensen R.G., Wozney J.M. et al. Bone repair following recombinant human bone morphogenetic protein-2 stimulated periodontal regeneration // J. Periodontol. - 2002. - Vol. 73. - P. 9 - 14.
46. Seo B.M., Miura M., Gronthos S. et al. Investigation of multipotent postnatal stem cells from human periodontal ligament // Lancet. - 2004. - Vol. 364. - P. 142 - 149.
47. Shi S., Bartold P.M., Miura M. et al. The efficacy of mesenchymal stem cells to regenerate and repair dental structures // Orthod. Craniofac. Res. - 2005. -Vol. 8. - P. 9 - 19.
48. Shi S., Gronthos S. Perivascular niche of postnatal mesenchymal stem cells in human bone marrow and dental pulp // J. Bone Miner Res. - 2003. - Vol. 18. -P. 696 - 704.
49. Tecles О., Laurent P., Zygouritsas S. et al. Activation of human dental pulp progenitor/stem cells in response to odontoblast injury // Arch. Oral. Biol. -2005. - Vol. 50. - P. 97 - 103.
50. Wall I., Donos N., Carlqvist K. et al. Modified titanium surfaces promote accelerated osteogenic differentiation of mesenchymal stromal cells in vitro
// Bone. - 2009. - Vol. 45. - P. 17 - 26.
51. Wikesjo U.M., Qahash M., Thomson R.C. et al. RhBMP-2 significantly enhances guided bone regeneration // Clin. Oral Implants Res. - 2004. - Vol. 15. - P.194 - 204.
52. Yuan H., Van Den Doel M., Li S. et al. A comparison of the osteoinductive potential of two calcium phosphate ceramics implanted intramuscularly in goats // J. Mater. Sci. Mater. Med. - 2002. - Vol. 13. - P. 1271 - 1275.
53. Yang Z., Jin F., Zhang X. et al. Tissue Engineering of Cementum
// Periodontal-Ligament Complex Using a Novel Three-Dimensional Pellet Cultivation System for Human Periodontal Ligament Stem Cells. - 2009. - Vol.
15. - P. 563 - 571.
54. Yang Z.H., Zhang X.J., Dang N.N. et al. Apical tooth germ cell-conditioned medium enhances the differentiation of periodontal ligament stem cells into cementum/periodontal ligament-like tissues // J. Periodontal Res. - 2009. - Vol.
44. - P. 199 - 210.
55. Zhang W., Bian Z., Walboomers X.F. In vivo evaluation of human dental pulp stem cells differentiated towards multiple lineages. - 2008. - Vol. 2. - P. 105 - 117.
