CC BY
105
■ мм
ш
Мини-обзоры
Б
Роль стволовых стромальных (мезенхимальных) клеток в формировании гетеротопических оссификатов
Деев Р.В., Берсенев А.В.
Гетеротопический остеогенез, приводящий к образованию гетеротопического оссификата (ГО) или внескелетное костеобразование - формирование типичной костной ткани в таком месте организма, где в норме эта ткань не встречается. Наиболее часто ГО обнаруживают межмышечно, в параартикулярных тканях, при репарации связок и сухожилий [1, 25]. Внескелетное костеобразование может стать исходом иного патологического процесса - организации гематом (подкожных, меж- и внутримышечных), первичного туберкулезного аффекта [1], в качестве осложнений спи-нальной травмы. Описаны ГО в послеоперационных рубцах [2], в очагах постатеросклеротического кальциноза крупных сосудов и клапанов сердца [4], при канцерогенезе [3]. Образованная костная ткань иногда приобретает черты органной организации, вместе с тем, она всегда несет признаки структурно-функциональной неполноценности [27]. При изучении межмышечного ГО установлено его сходство с губчатым веществом кости, однако он был лишен костного мозга (рис. 1). В ряде случаев происходит заселение ГО миелоидным (красным) костным мозгом, источником которого, очевидно, являются циркулирующие гемопоэтические предшественники (рис. 2) [14]. Это согласуется с результатами классических экспериментов по трансплантации культуры стволовых стромальных клеток (ССК) под почечную капсулу, где через 2-3 недели развивается гетеротопичес-кий костномозговой орган [5]. В последнее время в связи с изучением биологии мезенхимальных стволовых клеток (МСК) и ССК было высказано предположение о возможном их участии в развитии ГО. Системное экспериментальное изучение гетеротопического костеобразования выполнили А.Я. Фриденштейн и К.С. Лалыкина. Было замечено, что при пересадках фрагментов мочевого пузыря в «мягкие» ткани вокруг трансплантата формировалась костная ткань. Позже было установлено, что при пересадке переходного эпителия мочевого пузыря и урогенитального тракта, а также желчного пузыря в реципиентном ложе развиваются кисты, выстланные соответствующим эпителием к которому тесно прилегает костная ткань в составе соединительнотканной капсулы. Исследования in vitro и in vivo при совместном культивировании переходного эпителия и стромальных клеток кроветворных органов, разделенных миллипоровым фильтром, наблюдали костеобразование со стороны стро-мальных клеток. Была высказана концепция о том, что клетки переходного эпителия обладают выраженной индуцирующей активностью в отношении полипотентных клеток соединительнотканного ряда. Как известно, последние находятся не только в строме кроветворных органов, но и в периваскулярном окружении, межфасциальных пространствах и др. Что и объясняет экспериментальное костеобра-зование при пересадках эпителия [5]. Основной характеристикой МСК и ССК является способность к дифференцировке в ткани, имеющие мезенхимальное происхождение - костную, хрящевую, волокнистую соединительную и жировую. Направление дифференцировки МСК/ ССК по хондрогенному или остеогенному пути определяют ряд локальных факторов, поэтому, например, при репара-тивной регенерации сухожилий и связок в зоне гистогенеза может наблюдаться как хондро- (рис. 3), так и остеогенез.
Остается невыясненным, какие именно клетки дифференцируются в хондробласты и остеобласты. По данным ряда исследований, МСК/ССК обладают высокой миграционной способностью, перемещаются в патологический очаг уже там подвергаются остеогенной дифференцировке (диффе-ренцировка на месте). Так, например, предполагается, что при атерогенезе МСК/ССК из костного мозга мигрируют в стенку сосуда, где участвуют в процессах эволюции бляшки [6]. Однако существует точка зрения, согласно которой ос-теогенной дифференцировке в очаге подвергаются отличные от СМК/ССК - тканеспецифичные резидентные клетки. Данная концепция вполне согласуется с известной теорией А.Я. Фриденштейна о существовании детермени-рованных остеогенных клеток-предшественников, облигат-но дифференцирующихся в остеобласты, и индуцибельных клеток, которые при сочетании определенных местных условий способны стать костными клетками, однако могут дифференцироваться и в иные скелетные и соединительнотканные клетки - хондроциты, адипоциты, ретикулоциты, фиброциты [5, 25]. В 1999 году были описаны так называ-
Рис. 1. Трабекулы гетеротопического оссификата передней группы мышц бедра (получено от па-циента 14 лет, через 6 мес. после травмы]. а - ретикулофиброзная костная ткань; б активные ос-теобласты. Межтрабекулярное пространство занято волокнистой соединительной тканью. Окра-ска: по Румянцеву-Алексиной; х 400.
.....
ш
Мини-обзоры
емые calcifying vascular cells, которые находятся в строме клапанов, t. media артерий (аорты) и способны дифференцироваться в остеобласты [7, 8]. Некоторые авторы связывают развитие ГО после ортопедических операций со «случайным заносом» МСК из губчатого вещества кости и с их последующей дифференцировкой в клетки костной ткани [10]. Общим в этих подходах является признание того факта, что данные клетки дифференцируются не спонтанно, а будучи подвержены воздействию факторов микроокружения [25]. Индукцию дифференцировки МСК/ССК по хонд-рогенному или остеогенному пути определяют известные факторы - факторы роста и другие цитокины воспаления, напряжение кислорода, трёхмерная организация подлежащего матрикса [23, 25], ишемия [11]. Установлено, что отдельная популяция остеопрогениторных клеток находится в соединительной ткани скелетных мышц [9]. Такие клетки могут быть выделены, культивированы и подвержены остеогенной дифференцировке in vitro [1 2]. Однако in vivo их остеогенная дифференцировка запрещена. Так, группа японских исследователей вводила в m. soleus ген костного морфогенетического белка-2 (BMP-2) посредством аденовируса. Обнаружено, что остеогенез при такой постановке опыта не происходит. Если введение гена сочетали с ишемией мышцы, то наблюдали формирование ГО в толще всей мышцы [13]. Принимая во внимание, что МСК/ССК находятся практически во всех органах в составе соединительнотканного их компонента (строма, фасции, перивас-кулярное окружение), образование ГО в любых органах вполне объяснимо [25]. Таким образом, во всех областях распространения в организме МСК/ССК возможно формирование ГО. Представляет интерес, будет ли развиваться этот процесс после клеточных трансплантаций СМК/ ССК. В том случае, когда пересадка этих клеток выполняется в интересах реконструкции органов опорно-двигательного аппарата, мы рассчитываем на их участие в остеоге-незе. В то же самое время остеогенез в иных органах может стать причиной серьезных осложнений. Может ли системное введение МСК/ССК индуцировать нежелательное об-
Рис. 3. Очаги хондрогенеза через 7 суток после повреждения апоневротического шлема кролика. А-С - гиалиновая хрящевая ткань; окраска: А - гематоксилин и эозин, х 100; В - по Маллори, х 400;
С - по Румянцеву-Алексиной, х 250; О - мощные пучки коллагеновых волокон прободают хрящевую ткань, создавая картину, характерную для фиброзного хряща; окраска: гематоксилин и эозин, х 250.
Рис. 2. Макропрепарат (А) и микропрепарат (В) гетеротопического оссификата, сформированно-го на месте послеоперационного рубца передней брюшной стенки. Окраска (Б): гематокисилин и эозин. Из Arch Pathol Lab Med 2004; 128: 321-3; с изменениями.
разование ГО? Способно ли локальное введение МСК/СКК индуцировать нежелательный остеогенез в месте введения, например, при клеточной кардиомиопластике? На сегодняшний день экспериментальных и клинических данных об этом явно недостаточно.
В 1983 году были опубликованы данные о том, что через 3 года после трансплантации аллогенных DLA-совме-стимых клеток костного мозга у собак, находили диффузные кальцификаты в легких. Эти данные были получены на аутопсии, причиной смерти животных послужила прогрессирующая дыхательная недостаточность [15]. В недавнем исследовании, опубликованном в Circulation [16], крысам интрамиокардиально трансплантировали по полмиллиона нефракционированных ядросодержащих клеток костного мозга или столько же стромальных клеток. Через 2 недели после трансплантации нефракционированного костного мозга, у 4-х из 16-ти (25%) крыс в миокарде были обнаружены кальцификаты. Также они были найдены в местах скопления предварительно меченных в культуре клеток, что подтверждает, участие пересаженных клеток в формировании минерализованной ткани [16]. Результаты этого исследования служат серьёзным сигналом для более глубокого изучения проблемы перед внедрением клеточной терапии МСК/СКК в клиническую практику.
Однако результаты экспериментов по системной инфу-зии МСК/ССК различным видам животных не указывают на явление ГО. Так, было изучено распределение МСК по внутренним органам в динамике у здоровых крыс и обезьян, при внутривенном, внутриартериальном и внутрибрю-шинном введении алло-, ауто- и сингенных клеток [17, 18]. Недостатком этих исследований является отсутствие изучения отдаленных результатов. Внутривенная инфузия аллогенных МСК/ССК человеку также была признана безопасной и не выявляла осложнений в виде ГО [19, 20].
J CTTE paaes approved v6 .pmd
47
25П8 2ПП5 1721
■ мм
ш
Мини-обзоры
8
Однако отдаленные результаты этих исследований также неизвестны. Следует учитывать тот факт, что у 69% пациентов, умерших в разные сроки после трансплантации костного мозга и имеющих дисфункцию почек, обнаруживали кальцификацию канальцев [21]. Поскольку МСК/СКК перед введением подвергают культивированию, следует отметить, что миграция и хоуминг этих клеток значительно снижается от самого факта культивирования, т.к. происходит «потеря» поверхностных сигнальных молекул. Так, было показано, что культивированные МСК мыши значительно хуже мигрируют в костный мозг и селезёнку, по сравнению со свежевыделенными клетками [22]. Показано, что трансплантация МСК/ССК на биоматриксе-носителе способствует быстрому остеогенезу в эктопическом сайте [23]. Эта способность не зависела даже от степени васкуляризации нетипичных окружающих (тканей скелетные мышцы и подкожная клетчатка) [24]. Эти данные можно использовать
при клеточных трансплантациях МСК/СКК, избегая локальных или системных побочных эффектов.
Несомненно, представленная проблема ещё требует своего экспериментального изучения. Вместе с тем, уже сейчас представляется актуальным наметить пути профилактики возможного формирования ГО после клеточных трансплантаций. Одним из основных направлений профилактики могла бы стать частичная индукция направленной дифференцировки клеток в культуре. Например, для целей стимуляции ангиогенеза (кардиомиопластика, ишемия нижних конечностей) избегать введения недифференцированных МСК/СКК или цельной ядросодержащей фракции клеток костного мозга, а вводить клетки, которые уже непосредственно будут участвовать или стимулировать ан-гиогенез - эндотелиальные прогениторы, ангиобласты. Следовательно, необходимо разработать стандарты для фено-типического картирования получаемых и вводимых культур.
ЛИТЕРАТУРА:
1. Волков М.В. и др. Кость. БМЭ 1979; 11: 442-66.
2. Reardon M.J. et al. Heterotopic calcification in abdominal wounds. Am J Surg 1997; 173: 145-7.
3. Olinici C.D. et al. Heterotopic bone formation in gastric carcinoma. Case report and discussion of the literature. Rom J Gastroenterol 2002; 11(4): 331-3.
4. Mohler E.R. et al. Bone formation and inflammation in cardiac valves. Circ 2001; 103 (11): 1522-8.
5. Фриденштейн А.Я., Лалыкина К.С. Индукция костной ткани и остеогенные клетки предшественники. М., Медицина, 1973.
6. Abedin M. et al. Mesenchymal stem cells and the artery wall. Circ Res 2004; 95: 671.
7. Mohler E.R. et al. Identification and characterization of calcifying valve cells from human and canine aortic valves. J Heart Valve Dis 1999; 8: 254-60.
8. Shin V. et al. Endothelial cells modulate osteogenesis in calcifying vascular cells. J Vasc Res 2004; 41(2): 193-201.
9. Bosch P. et al. Osteoprogenitor cells within skeletal muscle. J Orthop Res 2000; 18(6): 933-44.
10. Nilsson O.S., Persson P.E. Heterotopic bone formation after joint replacement. Curr Opin Rheumatol 1999; 11: 127-31.
11. Gonda K. et al. Heterotopic ossification of degenerating rat skeletal muscle induced by adenovirus-mediated transfer of bone morphogenetic protein-2 gene. J Bone Miner Res 2000; 15(6): 1056-65.
12. Levy M.M. et al. Osteoprogenitor cells of mature human skeletal muscle tissue: an in vitro study. Bone. 2001; 29(4): 317-22.
13. Gonda K. et al. Heterotopic ossification of degenerating rat skeletal muscle induced by adenovirus-mediated transfer of bone morphogenetic protein-2 gene. J Bone Miner Res 2000; 15(6): 1056-65.
14. Wang D. et al. Chronic abdominal pain caused by heterotopic ossification with functioning bone marrow. Arch Pathol Lab Med 2004; 128: 321-3.
15. Sale G.E., Storb R. Bilateral diffuse pulmonary ectopic ossification
after marrow allograft in a dog. Evidence for allotransplantation of hemopoietic and mesenchymal stem cells. Exp Hematol. 1983; 11(10): 961-6.
16. Young-Sup Yoon et al. Unexpected severe calcification after transplantation of bone marrow cells in acute myocardial infarction Circ 2004; 109: 3154-7.
17. Devine S.M. et al. Mesenchymal stem cells distribute to a wide range of tissues following systemic infusion into nonhuman primates. Blood. 2003; 101(8): 2999-3001.
18. Gao J. et al. The dynamic in vivo distribution of bone marrow-derived mesenchymal stem cells after infusion. Cells Tissues Organs 2001; 169(1): 12-20.
19. Lazarus H.M. et al. Ex vivo expansion and subsequent infusion of human bone marrow-derived stromal progenitor cells (mesenchymal progenitor cells): implications for therapeutic use. Bone Marrow Transplant 1995; 16(4): 557-64.
20. Horwitz E.M. et al. Transplantability and therapeutic effects of bone marrow-derived mesenchymal cells in children with osteogenesis imperfecta. Nat Med 1999; 5(3): 309-13.
21. El-Seisi S. et al. Renal pathology at autopsy in patients who died after hematopoietic stem cell transplantation. Biol Blood Marrow Transplant 2003; 9(11): 683-8.
22. Rombouts W.J., Ploemacher R.E. Primary murine MSC show highly efficient homing to the bone marrow but lose homing ability following culture. Leukemia 2003; 17(1): 160-70.
23. Ishaug-Riley S.L. et al. Ectopic bone formation by marrow stromal osteoblast transplantation using poly(DL-lactic-co-glycolic acid) foams implanted into the rat mesentery. J Biomed Mater Res 1997; 36(1): 1-8.
24. Hartman E. et al. Ectopic bone formation in rats: the importance of vascularity of the acceptor site. Biomaterials 2004; 25(27): 5831-7.
25. Pape H.C. et al. Current concepts in the development of heterotopic ossification. J Bone Joint Surg Br 2004; 86(6): 783-7.
26. Гусихина В.И. Образование хряща и кости в регенерирующем сухожилии. Архив АГЭ, 1972; 6: 102-7.
27. Некачалов В.В. Патология костей и суставов. СПб., Сотис, 2000.
