Abstract
Der menschliche Körper regeneriert sich nach einer Schädigung ständig aufgrund der Selbsterneuerungs- und Differenzierungseigenschaften seiner ansässigen Stammzellen. Um die geschädigten Gewebe wiederherzustellen und funktionsfähige Organe zu regenerieren, versucht die wissenschaftliche Forschung auf dem Gebiet der regenerativen Medizin mit Nachdruck, die molekularen Mechanismen zu verstehen, durch die das regenerative Potenzial der Stammzellen in eine klinische Anwendung entfaltet werden kann. Die Erkenntnis, dass einige Organismen zu regenerativen Prozessen fähig sind, und die Untersuchung konservierter evolutionärer Muster in der Geweberegeneration könnten zur Identifizierung natürlicher Moleküle von Vorfahren führen, die ihr regeneratives Potenzial auf menschliches Gewebe ausweiten können. Eine solche Möglichkeit wurde auch durch den Einsatz physikalischer Energien, wie elektromagnetischer Felder und mechanischer Vibrationen in menschlichen adulten Stammzellen stark nahegelegt. Ergebnisse aus wissenschaftlichen Studien zur Stammzellmodulation bestätigen die Möglichkeit einer chemischen Manipulation des Stammzellschicksals in vitro und ebnen den Weg zur Nutzung natürlicher Moleküle sowie elektromagnetischer Felder und mechanischer Vibrationen, um menschliche Stammzellen in ihrer Nische im Körper gezielt zu beeinflussen und so die natürliche Fähigkeit des Menschen zur Selbstheilung zu steigern.
1. Einleitung
Der menschliche Körper regeneriert sich kontinuierlich aufgrund der besonderen Eigenschaften seiner ansässigen Stammzellen.
Diese Zellen besitzen die einzigartige Fähigkeit zur Selbsterneuerung und Differenzierung, und das Gleichgewicht zwischen diesen beiden Prozessen definiert das Schicksal der Stammzellen und ihre primäre Rolle bei der Geweberegeneration.
Regeneration ist die Wiederherstellung der Organstruktur und -funktion nach einer Verletzung und ist die Grundlage unseres Selbstheilungspotenzials und damit der Erhaltung der menschlichen Gesundheit. Ein solcher Prozess weist eine bemerkenswerte Abstufung in der Art und Weise auf, wie er in lebenden Organismen abläuft, da innerhalb derselben Spezies das regenerative Potenzial zwischen den verschiedenen Organen unterschiedlich ist.
Um geschädigtes Gewebe zu retten und die funktionelle Masse eines Organs wiederherzustellen, wurden große Anstrengungen im wachsenden Bereich der regenerativen Medizin unternommen, wobei die wissenschaftliche Forschung sich mit dem Verständnis der molekularen Mechanismen befasst, durch die das regenerative Potenzial von Stammzellen (als humane mesenchymale Stammzellen – hMSCs) in eine klinische Anwendung entfaltet werden kann. Stammzellen haben in der Tat die Fähigkeit, sich in eine Vielzahl von adulten Zellen zu differenzieren, und ihre Entdeckung und Isolierung ebnete den Weg zu neuen Hoffnungen auf dem Gebiet der Regeneration.
Auf der anderen Seite verhindern viele Aspekte der zellbasierten Therapie die Verwendung von Stammzellen zur Regeneration von Organen und Geweben: Unter anderem wird eine große Menge an Stammzellen benötigt und der Seneszenzprozess tritt während der primären Zellexpansion auf. Darüber hinaus ist es nicht einfach, Stammzellen zu isolieren und alle von ihnen auf einen spezifischen Phänotyp festzulegen, da sie sich in alle Arten von reifen Zellen, einschließlich Krebszellen, differenzieren können. Aus diesem Grund ist ein geeigneter Aufbau der in vitro MSC-Expansion, der Kryokonservierung und des Bankings notwendig, um die Sicherheit und Wirksamkeit bei transplantierten Patienten zu etablieren.
Außerdem befinden sich die meisten Anwendungen von Stammzellen am Patienten noch in der Phase der experimentellen Versuche, mit Ausnahme einiger Verfahren, die tatsächlich in der klinischen Praxis eingesetzt werden, wie die Knochenmarktransplantation in der Hämatologie.
Auch das Tissue Engineering, einer der Zweige der regenerativen Medizin, der auf der Geweberegeneration aus Zellen mit Hilfe von Biomaterialien und Wachstumsfaktoren basiert, steht noch vor einigen Problemen. In der Tat sind die regenerierten Gewebe, die von Patienten verwendet werden können, noch sehr begrenzt, wie Haut, Knochen, Knorpel, Kapillar- und Parodontalgewebe . Darüber hinaus weist das künstliche Gewebe immer noch einige Beschränkungen auf, die mit den Abmessungen des Konstrukts zusammenhängen, so dass es nicht für die Wiederherstellung von schweren Defekten verwendet werden kann. Eigentlich sind die einzigen geeigneten künstlichen Gewebe mit einer dreidimensionalen Struktur Vasen, Höhlenstrukturen wie die Luftröhre oder Gewebe, die nicht physiologisch verstreut sind, da die Lebensfähigkeit von Zellen, die auf einem Gerüst ausgesät wurden, mit der Dicke allmählich abnimmt. Auch der Einsatz von Wachstumsfaktoren allein oder in Verbindung mit 3D-Konstrukten gilt noch als nicht ganz sicher, da der daraus resultierende Einfluss auf die Umgebung des Empfängers teilweise noch nicht bekannt ist. Schließlich gibt es noch weitere Hürden, wie z. B. die Suche nach dem besten Gerüst, dem geeignetsten Bioreaktor und der optimalen Lösung für die Aussaat verschiedener Zellpopulationen, um ein relevantes, ausgereiftes Material zu erhalten, das am Patienten implantiert werden kann.
Alle diese Fragen müssen geklärt werden, bevor Zellen oder künstliche Konstrukte routinemäßig im klinischen Umfeld eingesetzt werden können. Daher laufen seit langem mehrere Studien, die sich mit der Modulation relevanter physiologischer Eigenschaften beschäftigen, von denen bekannt ist, dass sie an der Gewebehomöostase und der Aktivierung der Stammzellnischen beteiligt sind. Zu diesem Zweck haben viele Forscher neben den Effekten synthetischer Moleküle auch die Effekte untersucht, die durch natürliche Moleküle und physikalische Energien hervorgerufen werden. Über ihre Ergebnisse wird im Folgenden berichtet.
2. Natürliche Moleküle
Die Fähigkeit, Körperteile nachwachsen zu lassen, ist vielen Tierarten gemein, obwohl das regenerative Potenzial zwischen den Taxa variiert. Einige Phyla sind in der Lage, jeden Teil des Körpers nachzubilden, während andere keine inneren Organe regenerieren können.
Danio rerio (Zebrafisch) gehört zu den Organismen, die zu erstaunlichen Regenerationsprozessen fähig sind, was den Bedarf an der Aufdeckung der zugrunde liegenden Regenerationsstrategien weckt. Der Zebrafisch wird seit kurzem häufig als Tiermodell für die Organogenese und Regeneration verwendet, da er in der Lage ist, komplexe Organe, wie das Herz, das zentrale Nervensystem und die Gliedmaßen, mit einer außerordentlich höheren Effizienz als der Mensch zu regenerieren. Eine weitere Spezies, die ein erstaunliches Regenerationspotenzial aufweist, ist der mexikanische Axolotl (Ambystoma mexicanum), der in der Lage ist, sich selbst zu kopieren und fehlende Gliedmaßen, Schwänze oder Teile des Gehirns, des Herzens und des Unterkiefers zu regenerieren. Andere Lebewesen, die wegen ihrer Regenerationsfähigkeiten im Rampenlicht stehen, sind die Salamander, aber auch einige Frösche oder die Manteltiere. Trotz ihrer evolutionären Entfernung, wie im Fall des Zebrafisches, der etwa 450 Millionen Jahre vom Menschen entfernt ist, können unsere Stammzellen immer noch die mikroökologischen Hinweise dieser Spezies wahrnehmen, wie der Befund zeigt, dass CD34+-Zellen aus menschlichem Nabelschnurblut bei der Transplantation in Zebrafisch-Embryonen vor der Kastration, aber nicht nach der Kastration, in die frühe Vaskulogenese rekrutiert werden. Ähnlich ist die Erkenntnis, dass konservierte transkriptionelle Reaktionen bei der Differenzierung von hMSCs, bei der Xenopus-Embryogenese und bei der Axolotl-Regeneration entdeckt wurden, wobei gemeinsame Netzwerke über die Modellspezies hinweg identifiziert wurden, die mit Depolarisation (Veränderungen des zellulären Ruhepotentials) verbunden sind.
Gesamt gesehen könnten diese Ergebnisse und der Einsatz der vergleichenden Biologie zur Analyse konservierter evolutionärer Muster in der Geweberegeneration zur Identifizierung natürlicher Moleküle führen, die in der Lage sind, ihr regeneratives Potenzial durch die Manipulation gemeinsamer/ähnlicher Mechanismen in den dort ansässigen Stammzellen von angestammten Spezies auf menschliches Gewebe auszuweiten.
Die Untersuchung der Rolle natürlicher Moleküle in der Stammzellbiologie wird zu einem immer wichtigeren Forschungsgebiet. Psoralidin zum Beispiel, eine natürliche phenolische Verbindung, die in den Samen von Psoralea corylifolia vorkommt, hemmt NOTCH1 in Brustkrebs-Stammzellen und in Brustkrebszellen, was zu einem Wachstumsstopp und einer Hemmung der epithelialen zu mesenchymalen Transition (EMT) führt. Darüber hinaus führten zwei Kräuterextrakte (Tithonia diversifolia-Blattextrakt und Momordica foetida-Extrakt) zu einer Verringerung der Adipogenese und Akkumulation von Lipidtröpfchen in humanen adipösen Stammzellen (hADSCs) . Zwei natürliche Verbindungen, Honokiol (ein Polyphenol mit niedrigem Molekulargewicht, das aus der Gattung Magnolia isoliert wurde) und Hyperosid (eine Flavonoidverbindung, die aus Hypericum perforatum extrahiert wurde), induzierten potentiell die Differenzierung zu Neuronen in der murinen embryonalen Karzinom-Zelllinie P19. Synthetische Verbindungen, die durch den Zusammenbau natürlicher Moleküle entstanden sind, haben sich ebenfalls als wirksam bei der Modulation der Stammzellbiologie in vitro und in vivo erwiesen. Zu diesem Zweck wurde gezeigt, dass gemischte Ester natürlich vorkommender Moleküle, wie z. B. Hyaluronan-Mischester mit Buttersäure und Retinsäure (HBR), die Kardiogenese und Vaskulogenese in embryonalen Stammzellen und hMSCs von Mäusen bemerkenswert steigern und die Fähigkeit von hMSCs aus der Term-Plazenta zur Förderung der Regeneration von infarziertem Myokard in vivo sowohl in kleinen (Ratte) als auch großen (Schwein) Tiermodellen mit Herzinsuffizienz nach Infarkt verbessern. Interessanterweise wirkte HBR selbst im Myokard von infarzierten Ratten durch die intrazelluläre Freisetzung seiner natürlichen, eingepflanzten Moleküle, um eine signifikante Abnahme der Infarktgröße und der apoptotischen Myozyten zu bewirken, was zu einem umgekehrten myokardialen Remodeling, einer Normalisierung der myokardialen Kontraktilität und die Erhöhung der vitalen Myokardmasse und des Stoffwechsels durch die Erhöhung/Rekrutierung der Anzahl endogener Stro-1 (ein mesenchymaler Stammzellmarker)-positiver Stammzellen, die Erhöhung der Anzahl lokaler Elemente mit Perizyten-Identität und wichtige Revaskularisierungsprozesse . Dieser Befund zeigt, dass es möglich ist, beschädigte Organe chemisch zu behandeln, um das Überleben und die Reparatur von Gewebe ohne Stammzelltransplantation zu ermöglichen. In Übereinstimmung mit diesen Ergebnissen konnte ein einfacher Cocktail aus Hyaluronsäure, Buttersäure und Retinsäure die Revaskularisierung und Funktion von Inseltransplantaten durch hMSCs aus Fettgewebe bei diabetischen Ratten verbessern.
Die Zugabe von Melatonin zu dieser Mischung natürlicher Moleküle war in der Lage, das Engagement von hMSCs in Richtung eines osteogenen Schicksals zu verschieben, was auf die Machbarkeit der Schaffung eines Multikomponenten- und Multitarget-Ensembles natürlicher Wirkstoffe hinweist, um das Multilineage-Repertoire von hMSCs chemisch umzusteuern.
Ein wichtiger Durchbruch in dem Bemühen, natürliche Molekülanordnungen zu nutzen, um zelluläre Schicksale unter normalen und pathologischen Bedingungen zu steuern, kam durch die Entdeckung, dass Extrakte aus Zebrafischembryonen, die in verschiedenen Entwicklungsstadien gewonnen wurden, in der Lage waren, der Proliferationsrate mehrerer Krebszelllinien entgegenzuwirken. Extrakte aus dem Anfangs-, Zwischen- und Endstadium der Embryonalentwicklung führten zu einem deutlichen Anstieg der p53-Expression in Verbindung mit der Wachstumsreduktion . In einigen Krebszelllinien, wie z.B. dem Nierenadenokarzinom, war die Proliferationsreduktion mit Veränderungen der pRb-Phosphorylierung, einem Zellzyklusmodulator, verbunden. Darüber hinaus wurde in Kolon-Adenokarzinom-Zellen eine Aktivierung des p73-abhängigen apoptotischen Weges beobachtet. Eine Mischung von Zebrafisch-Extrakten aus dem frühen, mittleren und späten Entwicklungsstadium war auch in der Lage, das Überleben von Zellen bei toxischen Reizen zu verbessern, wie die Verringerung der Mortalität von Zellen aus Mäusehippocampus-Scheiben (CA1-Bereich) zeigte, die einem Serum-Entzug oder einer NMDA (N-Methyl-D-Aspartat)-Behandlung unterzogen worden waren. Diese Befunde und frühere Beobachtungen, die zeigen, dass die embryonale Mikroumgebung in der Lage ist, die Tumorentwicklung während der Zelldifferenzierungsprozesse zu unterdrücken, veranlassten uns, weiter zu untersuchen, ob die embryonalen Faktoren des Zebrafisches auch in einem Entwicklungsstadium genutzt werden können, um wesentliche Merkmale der Stammzelldynamik zu kontrollieren. Zu diesem Zweck verwendeten wir erfolgreich Extrakte aus Zebrafisch-Embryonen im frühen Entwicklungsstadium (gewonnen aus Embryonen 5,15 Stunden nach der Befruchtung) auf hADSCs, um die Stammzellexpression der Multipotenz und die Transkription von TERT, das für die katalytische Untereinheit der Telomerase kodiert, sowie die Genexpression von BMI1, einem Chromatin-Remodeler, der als wichtiger Telomerase-unabhängiger Repressor der Seneszenz fungiert, zu erhöhen.
Insgesamt könnten die oben genannten Studien, die die Möglichkeit einer chemischen Manipulation des Stammzellschicksals in vitro aufzeigen, den Weg für den Einsatz natürlicher oder synthetischer Chemie ebnen, um menschliche Stammzellen dort zu beeinflussen, wo sie bereits in allen Körpergeweben vorkommen. Dies würde zur Entwicklung einer regenerativen Medizin führen, die ohne (Stamm-)Zell- oder Gewebetransplantation auskommt.
3. Physikalische Energien
Die Möglichkeit, physikalische Energien zu nutzen, um regenerative Prozesse anzukurbeln, wurde durch die Fähigkeit elektromagnetischer Felder und mechanischer Vibrationen nahegelegt, eine effiziente in situ Reprogrammierung des Differenzierungs- und Regenerationspotenzials unserer körpereigenen Stammzellen zu bewirken.
Wir sind in der Tat in eine Vielzahl von physikalischen Reizen eingebettet, einschließlich elektromagnetischer Felder, Lichtstrahlung und mechanischer Schwingungsmuster. In diesem Sinne kann unser Leben, das eine scheinbare Unendlichkeit von rhythmischen Schwingungen enthält, einschließlich Kalzium- und pH-Wert-Schwingungen im Zellinneren, sowie die rhythmische Expression von Genen und Proteinen, als ein Teil der schwingenden Natur des Universums betrachtet werden.
Es ist nun offensichtlich, dass unsere Zellen Energien wie Magnetfelder und mechanische Schwingungen wahrnehmen und erzeugen. Zellen enthalten ein Netzwerk von Mikrotubuli, das aufgrund seiner elektrischen Polarität und intrinsischen Schwingungsmoden in der Lage ist, hochfrequente elektrische Felder mit Strahlungseigenschaften zu erzeugen . Die Anwendung der Rastertunnelmikroskopie (STM) auf Mikrotubuli, die auf einem Nanoelektroden-Array wachsen, innerhalb einer künstlichen Zellnachbildung, die zum Pumpen elektromagnetischer Frequenzen ausgelegt ist, hat die Existenz von Resonanzmustern zwischen den Tubulindimeren oder den ganzen Mikrotubuli und den angelegten Frequenzen gezeigt . STM lieferte auch den Beweis, dass solche Resonanzmuster als spezifische „Tunnelstromprofile“ abgebildet werden können, die den gepumpten elektromagnetischen Frequenzen entsprechen. Die Selektivität der Frequenzbereiche für die Beeinflussung bestimmter Arten von Konformationsänderungen belegt, dass rein mechanische Veränderungen durch elektromagnetische Felder auf atomare Weise ferngesteuert werden können.
Die Bedeutung des Mikrotubuli-Netzwerks als Informationstransportsystem wird auch durch die Entdeckung von mehrstufigen Gedächtnis-Schalteigenschaften in einem einzelnen Gehirn-Mikrotubuli abgeleitet. Sogar die DNA kann trotz ihrer Rolle als Speicher und Ausdruck genetischer Information, wenn sie als elektrisch geladene, schwingende Einheit betrachtet wird, zur Zellpolarität beitragen, auch aufgrund ihrer konstanten Anordnung in verschiedenen Schleifen und Domänen, die ein wesentlicher Bestandteil der Nanomechanik und Nanotopographie sind, die diesem Makromolekül durch Transkriptionsfaktoren und molekulare Motoren verliehen werden. Dementsprechend wurden elektromagnetische Resonanzfrequenzspektren für DNA aufgedeckt, die elektromagnetische Resonanzen in einem breiten Frequenzbereich von KHz, MHz, GHz bis THz aufweisen.
In jüngster Zeit hat sich die regenerative Medizin auf die Verwendung biophysikalischer Stimuli zur Modulation der zellulären Dynamik konzentriert. Physikalische Faktoren in der zellulären Mikroumgebung, einschließlich der Matrixmechanik, der Zellgeometrie und -form, mechanischer Kräfte und nanotopographischer Aspekte der extrazellulären Matrix, können das Schicksal der Stammzellen modulieren. Es gibt Hinweise darauf, dass diese Art der Regulation in hohem Maße von koexistierenden unlöslichen, adhäsiven, mechanischen und topologischen Reizen beeinflusst wird, die in der Stammzellnische enthalten sind und dynamisch reguliert werden. Biophysikalische Reize können von Stammzellen wahrgenommen und in intrazelluläre biochemische und funktionelle Reaktionen umgewandelt werden, ein Prozess, der als Mechano-Transduktion bekannt ist. Die sensorische Maschinerie der Stammzellen kann gleichzeitig mehrere Signale aus der Nische wahrnehmen und integrieren und sie in kohärente Antworten umwandeln, die eine nachgeschaltete Modulation der Genexpression und des Stammzellschicksals ermöglichen.
Jahrelang haben Wissenschaftler versucht, das Schicksal von Stammzellen mit Hilfe der Chemie zu steuern, indem sie die Zellproliferation mit Wachstumsfaktoren erhöhten oder 3D-Konstrukte aus der Kombination von Stammzellen oder reifen adulten Zellen mit natürlichen oder künstlichen Polymeren herstellten. Erst in den letzten Jahren wurden Anstrengungen unternommen, mit Zellen in vivo, direkt an Patienten oder an Tiermodellen, und in vitro an Zellkulturen zu interagieren. In jüngster Zeit haben einige Forschungsgruppen die Möglichkeit aufgezeigt, physikalische Reize direkt an Patienten, Geweben und Zellen einzusetzen.
Die Idee, physikalische Reize an Geweben und Körpern einzusetzen, wurde bereits 1974 von Richard Nuccitelli vorgeschlagen, der Beweise für endogenen Ionenstrom und die Interaktion mit elektrischen Feldern in multizellulären tierischen Geweben gewann. Heutzutage ist es möglich, Veränderungen im Zellverhalten nach elektromagnetischer Stimulation zu erklären, indem man eine Wirkung auf die Zellpolarität und auf die Stammzellnische im Körper in Betracht zieht.
Der Einsatz von physikalischen Energien zu therapeutischen Zwecken ist mittlerweile gut bekannt, von der Food and Drug Administration (FDA) zugelassen und wird an Patienten angewendet. Mehrere Geräte, die auf verschiedenen physikalischen Mechanismen basieren, wurden entwickelt, und die positiven Auswirkungen wurden direkt an Patienten beobachtet. Ultraschall wird seit 1950 für medizinische Zwecke in einigen pathologischen Situationen wie Tendinitis oder Bursitis eingesetzt.
Auch die Verwendung von extrem niederfrequenten elektromagnetischen Feldern (ELF-EMFs) mit Frequenzen unter 100 Hz und einer Magnetfeldstärke von 0,1 bis 20 mT wurde zu einer nützlichen Therapie für die Regeneration von Weichgewebe, die Reparatur von Frakturen und die Behandlung von Osteoporose. Die Wirkmechanismen von ELF-EMFs sind noch nicht klar. Es wurde jedoch gezeigt, dass elektrische Ströme die Zellaktivierung beschleunigen und die epigenetische Umgestaltung beeinflussen können. Insbesondere verringerte die Anwendung von 50 Hz ELF-EMF auf GC-2 Zellen die genomweite Methylierung und die Expression von DNA-Methyltransferasen in neuralen Stammzellen (NSCs), die aus dem Hippocampus neugeborener Mäuse isoliert wurden. Darüber hinaus verbesserte die ELF-EMF-Befeldung bei 1 mT und 50 Hz für 12 Tage die Proliferation von NSCs und die Spezifikation des neuronalen Zellschicksals durch Cav1-Kanal-abhängige Regulation und Histon-Modifikation. Diese Ergebnisse zeigen die Möglichkeit, physikalische Reize zur Beeinflussung des Zellschicksals zu nutzen.
In diesem Zusammenhang haben wir zunächst die Möglichkeit demonstriert, ELF-EMFs zur Modulation der Gentranskription essentieller wachstumsregulierender Peptide in adulten Herzmuskelzellen und zur Verbesserung der Kardiogenese und der terminalen Differenzierung in spontan schlagende Herzmuskelzellen in embryonalen Stammzellen (ES) der Maus einzusetzen. Dann fanden wir mit Hilfe eines radioelektrischen asymmetrischen Förderers (REAC) heraus, dass richtig geförderte radioelektrische Felder von 2,4 GHz wichtige biologische Effekte in Maus-ES-Zellen und menschlichen adulten Stammzellen erzeugen können. In beiden Zelltypen zeigten wir, dass REAC-geförderte radioelektrische Felder eine Erhöhung der Expression von Stammzellen-bezogenen Genen auslösten, gefolgt von der Festlegung auf neuronale, myokardiale und Skelettmuskel-Linien. Die gleichen Differenzierungsergebnisse wurden durch REAC-Exposition in menschlichen Hautfibroblasten induziert: Zum ersten Mal wurden menschliche somatische adulte Zellen, die keine Stammzellen sind, in Linien festgelegt, in denen sie sonst nie auftreten würden. Dieser Effekt wurde durch eine biphasische Veränderung der Pluripotenz-Genexpression vermittelt, eine temporäre Überexpression, gefolgt von einer Down-Regulation, und erforderte nicht den Einsatz von viralen Vektor-vermittelten Gentransfer-Technologien oder umständlicher synthetischer Chemie.
Besonders erwähnenswert ist, dass die REAC-Exposition von hADSCs in der Lage war, die Stammzellseneszenz, die nach längerer (bis zu 30 Passagen) in vitro-Expansion auftritt, in ein reversibles Phänomen zu verwandeln, das mit einer Abnahme der Expression der Seneszenz-assoziierten β-Galaktosidase und einer Zunahme der TERT-Genexpression und Telomerlänge verbunden ist. Die REAC-Aktion verstärkte auch die Gentranskription von BMI1 und die von stammesgeschichtlichen Genen, wodurch ein Telomerase-unabhängiger Arm für die Umkehrung der Seneszenz etabliert wurde. Diese Befunde können wichtige biomedizinische Implikationen haben, da seneszente Stammzellen ihr Selbsterneuerungs- und Differenzierungspotenzial verringern, was ihre Fähigkeit zur Geweberegeneration in vivo und die Möglichkeit einer verlängerten Expansion in vitro vor einer Transplantation einschränkt.
Zu den weitreichenden biologischen Effekten der REAC-Stimulation kommt die Beobachtung, dass diese Technologie in der Lage war, die neurologische und morphofunktionelle Differenzierung in PC12-Zellen zu fördern, einer Zelllinie des adrenalen Phäochromozytoms der Ratte, die metabolische Merkmale der Parkinson-Krankheit aufweist. Die Reaktion der Zellen auf das elektromagnetische Feld wurde durch die transkriptionelle Aktivierung neurogener Gene, wie Neurogenin-1, β3-Tubulin und Nervenwachstumsfaktor (NGF), vermittelt und war mit einem konsistenten Anstieg der Anzahl der Zellen verbunden, die sowohl β3-Tubulin als auch Tyrosinhydroxylase exprimieren. Diese Befunde eröffnen die neue Perspektive, physikalische Energien bei der Behandlung von neurodegenerativen Erkrankungen und bei der Reprogrammierung von Krebs(stamm)zellen in normale regenerative Elemente einzusetzen. Kürzlich fanden wir heraus, dass die REAC-Wirkung durch die Behandlung der Stammzellen mit 4-Methylumbelliferon (4-MU), einem potenten Repressor der Typ-2-Hyaluronan (HA)-Synthase und der endogenen HA-Synthese, signifikant aufgehoben werden kann. Diese Beobachtung deutet darauf hin, dass REAC-vermittelte Reaktionen durch eine essentielle pleiotrope Rolle dieses Glykosaminoglykans bei der Regulierung der (Stamm-)Zellpolarität zustande gekommen sein könnten.
Extrakorporale Stoßwellen (ESW) stellen eine weitere Art von biophysikalischen Stimuli dar, die zunehmend im Bereich der regenerativen Medizin angewandt werden und die als „Mechanotherapie“ klassifiziert werden könnten (d.h. extrakorporale Stoßwellentherapie, ESWT). Tatsächlich handelt es sich bei ESW um „mechanische“ Wellen, die durch eine anfängliche positive, sehr schnelle Phase mit hoher Amplitude gekennzeichnet sind, gefolgt von einem Unterdruck, der eine „Mikroexplosion“ erzeugt, die auf eine Zielzone (Körper, Gewebe oder Zellen) gerichtet werden kann, um die Zellen in ihrem Verhalten zu stimulieren oder zu verändern. Stosswellen werden durch ein elektrohydraulisches Gerät erzeugt, das unter Wasser eine Hochspannungskondensator-Funkenentladung erzeugt, die durch einen elliptischen Reflektor auf Gewebe oder Zellen geleitet wird.
In den 1980er Jahren wurden Stosswellen in der Urologie (Lithotripsie) zur Zertrümmerung von Nierensteinen eingesetzt. Danach wurde die Anwendung von ESW auf andere Bereiche ausgedehnt, da sie vielversprechende Hoffnungen für die Förderung der Heilung von Gewebe und die Genesung von pathologischen Störungen bietet. Eine der ersten Anwendungen war im orthopädischen Bereich, um die Neovaskularisation zu induzieren und die Blutversorgung und Geweberegeneration zu verbessern. Die Untersuchungen zum Einsatz dieser Technologie verbreiteten sich nach und nach und führten zu ihrer Anwendung bei der Behandlung von Erkrankungen des Bewegungsapparates , Sehnenpathologien , Knochenheilungsstörungen und vaskulären Knochenerkrankungen . Die Anwendung der ESW wurde auch auf den Bereich der Dermatologie bei Wundheilungsstörungen und Geschwüren ausgedehnt. Bis heute ist jedoch der genaue Mechanismus, durch den Zellen mechanische Signale in biochemische Antworten umwandeln, noch nicht gut verstanden. Der Schwerpunkt lag bisher auf Mechanismen, die durch ATP-Freisetzung und P2-Rezeptor-Aktivierung vermittelt werden und die Zellproliferation und den Gewebeumbau über Erk1/2-Aktivierung sowie PI-3K/AKT- und NF-κB-Signalwege fördern können, sowie auf der Einbeziehung von TLR3-Signalisierung und nachfolgend TLR4. Mehrere in vitro durchgeführte Studien belegten die Wirkung von ESW auf die Zellmodulation durch „Mechano-Transduktion“. Kürzlich wurde festgestellt, dass ESW ADSCs durch MAPK-, PI-3K/AKT- und NF-κB-Signalwege aktivieren und in HUVEC-Zellen eine Überexpression von angiogenen Faktoren und von Caveolin-1 induzieren, einem konstitutiven Protein der Caveolae, das in die Regulierung des Zellwachstums, des Lipidtraffics, der Endozytose und der Zellmigration involviert ist.
Darüber hinaus erwies sich die Wirkung von ESWT auf das Zellverhalten als dosisabhängiges Phänomen. In einer von Zhang und Mitarbeitern veröffentlichten Studie verbesserten Zellen, die einer niederenergetischen ESW (0,04 e 0,13 mJ/mm2) ausgesetzt wurden, die Expression einiger angiogener Faktoren wie eNOS, Ang-1 und Ang-2. Andererseits induzierte ESW bei höherer Energie eine Verringerung der Expression angiogener Faktoren und einen Anstieg der Apoptose. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass die biologischen Effekte von Stoßwellen stark mit der Intensität der applizierten Energie und damit mit den zugehörigen mechanischen Kräften korrelieren.
Vor kurzem wurden die Effekte von Stoßwellen auf die Expression von IL-6, IL-8, MCP-1 und TNF-α in humanen parodontalen Ligamentfibroblasten charakterisiert. Nach einer frühen Hemmung der Expression von proinflammatorischen Mediatoren bewirkten Stoßwellen einen dosisabhängigen Anstieg von IL-6 und IL-8, während die TNF-α-Expression herunterreguliert wurde. Der Großteil der Literatur zeigte eine anti-inflammatorische Wirkung der ESWT in vivo . Nichtsdestotrotz könnte die teilweise beobachtete pro-inflammatorische Wirkung der ESWT auf Zellen in vitro auf ein pro-aktivierendes Ereignis hindeuten, das durch die Expression von Zytokinen und Chemokinen vermittelt wird. Es wurde vermutet, dass die Stoßwellenimpulse auf Zellen in der Lage waren, ein pro-inflammatorisches Milieu zu schaffen, vermittelt durch Mechano-Transduktion . Dieser Mechanismus könnte jedoch eine komplexere Wirkung auf die gesamte Nischenarchitektur beinhalten, wobei die eingebetteten (Stamm-)Zellen als Sensoren und Aktivatoren der regenerativen Antwort fungieren.
In der Tat könnten mechanische Vibrationen eine relevante Modalität darstellen, um die Reprogrammierung von Stammzellen in vivo zu beeinflussen, ohne auf Transplantationsverfahren zurückgreifen zu müssen. In diesem Zusammenhang haben wir zum ersten Mal die Fähigkeit von Zellen gezeigt und patentiert, „vibrierende“ (nanomechanische) Signaturen ihrer Gesundheit und ihres multilinearen Repertoires zu zeigen. Um die nanomechanischen Eigenschaften subzellulärer Strukturen, wie z.B. der mikrotubulären Netzwerke, sind weitreichende Vitalprozesse aufgebaut, die Merkmale der Verbundenheit und Synchronisation vermitteln, die von der Zelloberfläche übertragen und aufgezeichnet werden können. Mit Hilfe der Rasterkraftmikroskopie (AFM) können Einblicke in die zellulären nanomechanischen Eigenschaften gewonnen werden, was die Möglichkeit bietet, Schwingungssignaturen zu identifizieren, die verwendet werden können, um in verschiedenen Stammzellpopulationen in vitro oder sogar in vivo linienspezifische Verpflichtungen zu steuern, um die endogene Rettung in erkrankten Organen zu fördern.
4. Schlussfolgerung
Die sich abzeichnende Sichtweise einer (Stamm-)Zellbiologie, die von physikalischen Kräften gesteuert und von uralten natürlichen Molekülen beeinflusst wird, könnte uns dazu bringen, die Art und Weise, wie wir uns das Feld der regenerativen Medizin für die nahe Zukunft vorstellen, neu zu interpretieren.
Durch die diffusive Natur von elektromagnetischen Feldern und mechanischen Vibrationen ergibt sich tatsächlich die Möglichkeit, die Stammzellen dort anzusprechen und umzuprogrammieren, wo sie sich befinden, und so unsere natürliche Fähigkeit zur Selbstheilung zu verbessern, ohne dass eine (Stamm-)Zelltransplantation erforderlich ist, die immer noch bemerkenswerte Einschränkungen aufweist.
Interessenkonflikte
Die Autoren deklarierten keine potenziellen Interessenkonflikte in Bezug auf die Forschung, Autorenschaft und Veröffentlichung dieses Artikels.
Beiträge der Autoren
Federica Facchin und Eva Bianconi trugen zu gleichen Teilen als Co-Erstautoren zu dieser Studie bei.
Danksagungen
Die Autoren gaben an, folgende finanzielle Unterstützung für die Forschung, Autorenschaft und/oder Veröffentlichung dieses Artikels erhalten zu haben: finanziert von Eldor Lab, Mailand, Italien, und AMeC (Associazione Medicina e Complessità), Via Valdirivo 19, 34100 Trieste, Italien.