Abstract
Het menselijk lichaam regenereert voortdurend na beschadiging, dankzij de zelfvernieuwende en differentiërende eigenschappen van de stamcellen in het lichaam. Om beschadigde weefsels te herstellen en functionele organen te regenereren, probeert het wetenschappelijk onderzoek op het gebied van de regeneratieve geneeskunde de moleculaire mechanismen te begrijpen waardoor het regeneratieve potentieel van stamcellen kan worden ontplooid in een klinische toepassing. De ontdekking dat sommige organismen in staat zijn tot regeneratieve processen en de studie van geconserveerde evolutionaire patronen in weefselregeneratie kunnen leiden tot de identificatie van natuurlijke moleculen van voorouderlijke soorten die in staat zijn om hun regeneratief potentieel uit te breiden tot menselijke weefsels. Een dergelijke mogelijkheid is ook sterk gesuggereerd als gevolg van het gebruik van fysische energieën, zoals elektromagnetische velden en mechanische trillingen in menselijke volwassen stamcellen. Resultaten van wetenschappelijke studies over stamcelmodulatie bevestigen de mogelijkheid van chemische manipulatie van het lot van stamcellen in vitro en effenen het pad voor het gebruik van natuurlijke moleculen, elektromagnetische velden en mechanische trillingen om menselijke stamcellen in hun niche in het lichaam te richten, waardoor het natuurlijke vermogen tot zelfgenezing van de mens wordt vergroot.
1.
Het menselijk lichaam regenereert voortdurend dankzij de bijzondere eigenschappen van zijn stamcellen.
Deze cellen bezitten het unieke vermogen tot zelfvernieuwing en differentiatie, en de balans tussen deze twee processen bepaalt het lot van de stamcellen en hun primaire rol in de weefselregeneratie.
Regeneratie is het herstel van de orgaanstructuur en -functie na letsel en het ligt aan de basis van ons zelfgenezend vermogen en dus van het behoud van de menselijke gezondheid. Een dergelijk proces vertoont een opmerkelijke gradatie in de wijze waarop het in levende organismen tot stand komt, aangezien binnen een en dezelfde soort het regeneratiepotentieel verschilt naar gelang van het orgaan.
Om beschadigde weefsels te redden en de functionele orgaanmassa te herstellen, zijn enorme inspanningen geleverd op het groeiende gebied van de regeneratieve geneeskunde, waarbij wetenschappelijk onderzoek wordt verricht naar het begrijpen van de moleculaire mechanismen waardoor het regeneratiepotentieel van stamcellen (zoals menselijke mesenchymale stamcellen – hMSC’s) kan worden ontplooid tot een klinische toepassing. Stamcellen hebben namelijk het vermogen om te differentiëren in een breed scala van volwassen cellen en de ontdekking en isolatie ervan heeft de weg vrijgemaakt voor nieuwe hoop op regeneratief gebied.
Aan de andere kant verhinderen veel aspecten van de celtherapie het gebruik van stamcellen voor de regeneratie van organen en weefsels: onder andere is een grote hoeveelheid stamcellen nodig en treedt het senescentieproces op tijdens de primaire celexpansie. Bovendien is het niet gemakkelijk stamcellen te isoleren en ze allemaal te binden aan een specifiek fenotype, aangezien ze kunnen differentiëren in alle soorten rijpe cellen, met inbegrip van kankercellen. Daarom is een goede opzet van in vitro MSC-expansie, cryopreservatie en banking noodzakelijk om de veiligheid en werkzaamheid bij getransplanteerde patiënten vast te stellen.
Daarnaast bevinden de meeste toepassingen van op patiënten gerichte stamcellen zich nog steeds in de fase van experimentele proeven, met uitzondering van enkele procedures die daadwerkelijk in de klinische praktijk worden gebruikt, zoals de beenmergtransplantatie in de hematologie.
Ook tissue engineering, een van de takken van de regeneratieve geneeskunde die gebaseerd is op weefselregeneratie uit cellen met behulp van biomaterialen en groeifactoren, kampt nog steeds met verschillende problemen. In feite zijn de geregenereerde weefsels die bruikbaar zijn voor patiënten nog steeds zeer beperkt, zoals huid-, bot-, kraakbeen-, capillair- en parodontale weefsels. Bovendien vertoont het kunstweefsel nog steeds beperkingen in verband met de afmetingen van de constructie, die niet gebruikt kan worden voor het herstel van ernstige defecten. Eigenlijk zijn de enige geschikte kunstmatige weefsels met een driedimensionale structuur vazen, grotstructuren zoals de luchtpijp, of weefsels die fysiologisch niet verspreid zijn, aangezien de levensvatbaarheid van cellen die op een steiger zijn gezaaid geleidelijk afneemt met de dikte. Zelfs het gebruik van groeifactoren alleen of in combinatie met 3D-constructies wordt nog steeds als niet geheel veilig beschouwd, aangezien de daaruit voortvloeiende invloed op de omgeving van de ontvanger ten dele nog moet worden vastgesteld. Tenslotte zijn er nog andere hindernissen, zoals het vinden van de beste steiger, de meest geschikte bioreactor, en de optimale oplossing voor het zaaien van verschillende celpopulaties om een relevant rijp materiaal te hebben dat bij patiënten kan worden geïmplanteerd.
Al deze kwesties moeten worden aangepakt voordat cellen of gemanipuleerde constructies routinematig in de klinische setting kunnen worden gebruikt. Daarom wordt er al geruime tijd onderzoek gedaan naar de modulatie van relevante fysiologische kenmerken waarvan bekend is dat ze betrokken zijn bij de weefselhomeostase en bij de activering van de stamcelniches. Hiertoe hebben veel onderzoekers niet alleen de effecten van synthetische moleculen onderzocht, maar zich ook gericht op de effecten die worden opgewekt door natuurlijke moleculen en fysische energieën. Hun bevindingen worden hieronder gerapporteerd.
2. Natuurlijke moleculen
Het vermogen om lichaamsdelen te laten hergroeien komt bij veel diersoorten voor, hoewel het regeneratiepotentieel per taxa verschilt. Sommige phyla zijn in staat om elk deel van het lichaam te herbouwen, terwijl andere geen interne organen kunnen regenereren.
Danio rerio (zebravis) is een van de organismen die in staat is tot verbazingwekkende regeneratieve processen, waardoor de behoefte aan het blootleggen van de onderliggende regeneratie strategieën is ontstaan. De zebravis wordt sinds kort algemeen gebruikt als diermodel voor organogenese en regeneratie, omdat hij in staat is complexe organen, zoals het hart, het centrale zenuwstelsel en de ledematen, te regenereren met een buitengewoon hogere efficiëntie dan de mens. Een andere soort met een verbazingwekkend regeneratiepotentieel is de Mexicaanse axolotl (Ambystoma mexicanum), die zelfkopieën kan maken om een ontbrekende ledemaat, staart of delen van de hersenen, het hart en de onderkaak te regenereren. Andere wezens die om hun regeneratievermogen in de belangstelling staan, zijn de salamanders, alsook verscheidene kikkers, of de manteldieren. Ondanks hun evolutionaire afstand, zoals in het geval van de zebravis die ongeveer 450 miljoen jaar van de mens gescheiden is, kunnen onze stamcellen nog steeds voorouderlijke microenvironmentele signalen van deze soorten waarnemen, zoals blijkt uit de bevinding dat menselijke navelstrengbloed CD34+ cellen worden gerekruteerd in vroege vasculogenese na transplantatie in pre-gastrulatie, maar niet post-gastrulatie zebravis embryo’s . In overeenstemming met deze visie is de bevinding dat geconserveerde transcriptionele reacties zijn ontdekt onder de differentiatie van hMSCs, Xenopus embryogenese, en axolotl regeneratie, het identificeren van gemeenschappelijke netwerken in het model soorten die worden geassocieerd met depolarisatie (veranderingen in cellulaire rustpotentiaal) .
In het algemeen kunnen deze bevindingen en de inzet van vergelijkende biologie in de analyse van geconserveerde evolutionaire patronen in weefselregeneratie leiden tot de identificatie van natuurlijke moleculen die in staat zijn om hun regeneratieve potentieel uit te breiden van voorouderlijke soorten naar menselijke weefsels door middel van manipulatie van gemeenschappelijke/gelijksoortige mechanismen in hun inwonende stamcellen.
Onderzoek naar de rol van natuurlijke moleculen in stamcelbiologie wordt een groeiend onderzoeksgebied. Psoralidin bijvoorbeeld, een natuurlijke fenolverbinding uit de zaden van Psoralea corylifolia, remt NOTCH1 in borstkankerstamcellen en in borstkankercellen, wat leidt tot groeistilstand en remming van de epitheliale naar mesenchymale overgang (EMT). Bovendien leidden twee kruidenextracten (Tithonia diversifolia bladextract en Momordica foetida-extract) tot een afname van de adipogenese en de accumulatie van lipidedruppels in humane adipose-derived stamcellen (hADSCs). Van twee natuurlijke verbindingen, honokiol (een polyfenol met een laag moleculair gewicht, geïsoleerd uit het geslacht Magnolia) en hyperoside (een flavonoïdeverbinding geëxtraheerd uit Hypericum perforatum), werd aangetoond dat zij mogelijk de differentiatie in neuronen in de muriene embryonale carcinoma cellijn P19 induceren. Synthetische verbindingen die zijn gemaakt door natuurlijke moleculen samen te voegen, zijn ook doeltreffend gebleken bij de modulatie van stamcelbiologie in vitro en in vivo. Hiertoe is aangetoond dat gemengde esters van natuurlijk voorkomende moleculen, zoals hyaluronzuur gemengde esters met boterzuur en retinoïnezuur (HBR), de cardiogenese en vasculogenese in muisembryonale stamcellen en hMSC’s opmerkelijk verhogen, waardoor het vermogen van term placenta hMSC’s van de bevordering van de regeneratie van geïnfarcteerd myocardium in vivo in zowel kleine (rat) en grote (varken) diermodellen met post-infarct hartfalen . Intrigerend genoeg werkte HBR zelf in het myocard van geïnfarcteerde ratten door het intracellulair vrijkomen van zijn natuurlijke geënte moleculen om een significante afname van de infarctgrootte en apoptotische myocyten te bewerkstelligen, wat leidde tot een omgekeerde myocardiale remodellering, normalisering van de myocardiale contractiliteit, en toename van vitale myocardiale massa en metabolisme, door de verhoging/rekrutering van het aantal endogene stro-1 (een mesenchymale stamcel marker)-positieve stamcellen, de toename van het aantal lokale elementen met pericyte identiteit en belangrijke revascularisatie processen . Deze bevinding toont de haalbaarheid aan van chemische targeting van beschadigde organen om weefseloverleving en -herstel mogelijk te maken zonder stamceltransplantatie. In overeenstemming met deze resultaten, een eenvoudige cocktail van hyaluronzuur, boterzuur, en retinoïnezuur was in staat om islet graft revascularisatie en functie te verbeteren door vetweefsel-afgeleide hMSCs in diabetische ratten.
De toevoeging van melatonine aan dit mengsel van natuurlijke moleculen was in staat om de inzet van hMSC’s te verschuiven naar een osteogeen lot, wat de haalbaarheid aangeeft van het creëren van een multicomponent, multitarget ensemble van natuurlijke middelen om chemisch het multilineage repertoire van hMSC’s te heroriënteren.
Een belangrijke doorbraak in het streven om natuurlijke arrays van moleculen te gebruiken om cellulaire lotgevallen onder normale en pathologische omstandigheden te sturen, kwam door de ontdekking dat extracten van zebravisembryo’s, verkregen in verschillende ontwikkelingsstadia, in staat waren om de proliferatiesnelheid van verschillende kanker cellijnen tegen te gaan. Extracten uit de begin-, tussen- en eindstadia van de embryonale ontwikkeling leidden tot een duidelijke toename van de p53 expressie in samenhang met de groeivermindering . In sommige kankercellijnen, zoals nieradenocarcinoom, werd de afname van de proliferatie geassocieerd met veranderingen in de pRb-fosforylering, een celcyclusmodulator. Bovendien werd in colon adenocarcinoom cellen, een activering van de p73-afhankelijke apoptotische route waargenomen. Een mengsel van extracten uit de vroege, midden en late ontwikkelingsstadia van de zebravis was ook in staat om de overleving van cellen bij toxische prikkels te verbeteren, zoals blijkt uit de vermindering van de mortaliteit die werd waargenomen bij cellen van hippocampus schijfjes van de muis (CA1 gebied) die waren blootgesteld aan serumdeprivatie of NMDA (N-methyl-D-aspartaat) behandeling. Deze bevindingen en eerdere waarnemingen waaruit blijkt dat embryonale micro-omgeving is in staat om tumor ontwikkeling te onderdrukken tijdens cel differentiatie processen leidde ons verder te onderzoeken of zebravis embryonale factoren kunnen ook worden benut in een ontwikkelingsstadium manier om essentiële kenmerken in stamcellen dynamiek te controleren. Daartoe gebruikten we met succes extracten van de vroege ontwikkelingsfase van de zebravis (verkregen uit embryo’s van 5,15 uur na de bevruchting) op hADSC’s van de vroege passage om de stamceluitdrukking van multipotentie en de transcriptie van TERT, dat codeert voor de katalytische subeenheid van telomerase, te versterken, evenals de genexpressie van BMI1, een chromatine remodeler die optreedt als een belangrijke telomerase-onafhankelijke repressor van senescentie.
In het algemeen kunnen bovengenoemde studies, waaruit blijkt dat het mogelijk is het lot van stamcellen in vitro chemisch te manipuleren, de weg effenen voor het gebruik van natuurlijke of synthetische chemie om menselijke stamcellen aan te pakken op plaatsen waar zij reeds in alle lichaamsweefsels aanwezig zijn. Dit zou leiden tot de ontwikkeling van een regeneratieve geneeskunde die wordt uitgevoerd zonder de noodzaak van (stam)celtransplantatie.
3. Fysische energie
De mogelijkheid om fysieke energieën te gebruiken om regeneratieve processen te stimuleren is sterk gesuggereerd door het vermogen van elektromagnetische velden en mechanische trillingen om efficiënte in situ herprogrammering van het differentiatie- en regeneratiepotentieel van onze endogene stamcellen te bewerkstelligen.
Wij zijn in feite ingebed in een grote verscheidenheid van fysische stimuli, waaronder elektromagnetische velden, lichtstraling, en mechanische oscillerende patronen. In die zin kan ons leven, dat een schijnbaar oneindige hoeveelheid ritmische oscillaties bevat, waaronder calcium en pH intracellulaire oscillaties , evenals de ritmische expressie van genen en eiwitten , worden beschouwd als een deel van de vibrerende aard van het universum.
Het is nu duidelijk dat onze cellen energieën waarnemen en genereren, zoals magnetische velden en mechanische oscillaties . Cellen bevatten een netwerk van microtubuli dat, als gevolg van hun elektrische polariteit en intrinsieke trillingsmodi, in staat is om hoogfrequente elektrische velden met stralingseigenschappen op te wekken. Toepassing van scanning tunneling microscopie (STM) op microtubuli groeiend op een nano-elektrode array, binnen een kunstmatige cel replica ontworpen om elektromagnetische frequenties te pompen, heeft het bestaan aangetoond van resonantiepatronen tussen de tubuline dimeren, of de hele microtubuli, en de toegepaste frequenties . STM heeft ook aangetoond dat dergelijke resonantiepatronen kunnen worden afgebeeld als specifieke “tunneling stroomprofielen” die corresponderen met de gepompte elektromagnetische frequenties . De selectiviteit van de frequentieregio’s voor het aantrekken van bepaalde soorten conformatiemodificaties toont aan dat zuiver mechanische veranderingen op atomaire wijze op afstand kunnen worden gestuurd met behulp van elektromagnetische velden.
Het belang van het microtubuli netwerk als een informatie-transport-systeem wordt ook afgeleid door de vondst van geheugen-schakel-eigenschappen op meerdere niveaus in een enkele microtubule in de hersenen . Zelfs DNA, ondanks zijn rol van opslag en uitdrukking van genetische informatie, kan, wanneer het wordt beschouwd als een elektrisch geladen trillingsentiteit, bijdragen tot celpolariteit, mede op grond van zijn voortdurende assemblage in verschillende lussen en domeinen die een essentieel onderdeel vormen van de nanomechanica en nanotopografie die aan dit macromolecuul wordt verleend door transcriptiefactoren en moleculaire motoren. Dienovereenkomstig zijn elektromagnetische resonantiefrequentiespectra onthuld voor DNA, dat elektromagnetische resonanties bleek te vertonen in het brede frequentiegebied van KHz, MHz, GHz, tot THz.
Recentelijk heeft de regeneratieve geneeskunde zich geconcentreerd op het gebruik van biofysische stimuli om de cellulaire dynamiek te moduleren. Fysische factoren in de cellulaire micro-omgeving, met inbegrip van matrix mechanica, cel geometrie en vorm, mechanische krachten, en nanotopografische aspecten van de extracellulaire matrix, kan moduleren de stamcel lot . Er zijn aanwijzingen dat dit soort regulering in hoge mate wordt beïnvloed door coëxistente onoplosbare, adhesieve, mechanische en topologische signalen die in de stamcelniche aanwezig zijn en dynamisch worden gereguleerd. Biofysische stimuli kunnen door stamcellen worden waargenomen en omgezet in intracellulaire biochemische en functionele reacties, een proces dat bekend staat als mechano-transductie. De sensorische machinerie van stamcellen kan tegelijkertijd verschillende signalen uit de niche waarnemen en integreren en deze omzetten in coherente reacties die stroomafwaartse modulatie van genexpressie en het lot van stamcellen mogelijk maken.
Jarenlang hebben wetenschappers geprobeerd het lot van stamcellen te sturen met behulp van chemie, door de celproliferatie te verhogen met groeifactoren of door 3D-constructies te fabriceren die zijn afgeleid van de combinatie van stamcellen of volwassen cellen, met natuurlijke of kunstmatige polymeren. Pas de laatste jaren worden inspanningen gedaan om te interageren met cellen in vivo, rechtstreeks op patiënten of op diermodellen, en in vitro op celculturen. Recentelijk hebben sommige onderzoeksgroepen de mogelijkheid aangetoond om fysische stimuli rechtstreeks op patiënten, weefsels en cellen toe te passen.
Het idee achter het gebruik van fysische stimuli op weefsels en lichaam werd reeds in 1974 voorgesteld door Richard Nuccitelli, die bewijzen verkreeg over endogene ionenstroom en interactie met elektrische velden in meercellige dierlijke weefsels. Tegenwoordig kunnen veranderingen in het gedrag van cellen na elektromagnetische stimulatie worden verklaard door een effect op de celpolariteit en op de stamcelniche in het lichaam.
Het gebruik van fysische energieën voor therapeutische doeleinden is nu algemeen bekend, en is goedgekeurd door de Food and Drug Administration (FDA) en wordt op patiënten toegepast. Er zijn verschillende op verschillende fysische mechanismen gebaseerde apparaten ontworpen, waarvan de gunstige effecten rechtstreeks bij patiënten zijn waargenomen. Ultrasone trillingen worden sinds 1950 voor medische doeleinden gebruikt in bepaalde pathologische situaties, zoals tendinitis of bursitis.
Ook het gebruik van extreem laagfrequente elektromagnetische velden (ELF-EMF’s) met frequenties van minder dan 100 Hz en een magnetische veldsterkte van 0,1 tot 20 mT is een nuttige therapie geworden voor de regeneratie van weke delen, het herstel van breuken en de behandeling van osteoporose. De werkingsmechanismen van ELF-EMF’s zijn nog niet duidelijk. Er is echter aangetoond dat elektrische stromen de celactivering kunnen versnellen en de epigenetische remodellering kunnen beïnvloeden. In het bijzonder verminderde het gebruik van 50 Hz ELF-EMF op GC-2 cellen de genoomwijde methylering en de expressie van DNA-methyltransferases in neurale stamcellen (NSC’s) geïsoleerd uit de hippocampus van pasgeboren muizen. Bovendien verbeterde ELF-EMF bestraling bij 1 mT en 50 Hz gedurende 12 dagen de NSC proliferatie en neuronale celtype specificatie door Cav1 kanaal-afhankelijke regulatie en histon modificatie. Deze resultaten tonen de haalbaarheid aan van het gebruik van fysische stimuli om het lot van cellen te beïnvloeden.
In deze context hebben we eerst de mogelijkheid aangetoond om ELF-EMFs te gebruiken om de gentranscriptie van essentiële groeiregulerende peptiden in volwassen myocardiale cellen te moduleren en om cardiogenese en terminale differentiatie in spontaan kloppende myocardiale cellen in muis embryonale stamcellen (ES) te verbeteren. Vervolgens vonden we, met behulp van een radio-elektrische asymmetrische transporteur (REAC), dat correct getransporteerde radio-elektrische velden van 2,4 GHz belangrijke biologische effecten konden teweegbrengen in muis ES cellen en menselijke volwassen stamcellen. In beide celtypes toonden we aan dat REAC-overgebrachte radio-elektrische velden een toename van de expressie van aan stamcellen gerelateerde genen teweegbrachten, gevolgd door de toewijding aan neuronale, myocardiale, en skeletspierlijnen. Dezelfde differentiërende resultaten werden geïnduceerd door blootstelling aan REAC in menselijke huidfibroblasten : voor de eerste keer werden menselijke niet-stem somatische volwassen cellen geëngageerd in lineages waarin ze anders nooit zouden voorkomen. Dit effect werd gemedieerd door een bifasische verandering in pluripotentie genexpressie, een tijdelijke overexpressie gevolgd door een down-regulatie, en vereiste niet het gebruik van virale vector-gemedieerde genoverdracht technologieën of omslachtige synthetische chemie.
Het is opmerkelijk dat blootstelling van hADSCs aan REAC in staat was om senescentie van stamcellen, die optrad na langdurige (tot 30 overgangen) in vitro expansie, te veranderen in een omkeerbaar fenomeen, geassocieerd met een afname in de expressie van senescentie-geassocieerd β-galactosidase en een toename in TERT genexpressie en telomeerlengte. De REAC-actie versterkte ook de gentranscriptie van BMI1 en van stamentie-gerelateerde genen, waardoor een telomerase-onafhankelijke arm voor senescentie-omkering tot stand kwam. Deze bevindingen kunnen belangrijke biomedische implicaties hebben, aangezien senescente stamcellen hun zelfvernieuwings- en differentiatiepotentieel verminderen, waardoor hun vermogen tot weefselregeneratie in vivo en de mogelijkheid van een langdurige expansie in vitro voorafgaand aan transplantatie afneemt.
Bij de veelomvattende biologische effecten van REAC-stimulatie komt nog dat deze technologie in staat was om neurologische en morfofunctionele differentiatie te bevorderen in PC12-cellen , een rat bijnier feochromocytoom cellijn die metabole kenmerken van de ziekte van Parkinson vertoont. De reactie van de cellen op het elektromagnetische veld werd gemedieerd door de transcriptionele activering van neurogene genen, zoals neurogenine-1, β3-tubuline, en zenuwgroeifactor (NGF), en werd geassocieerd met een consistente toename van het aantal cellen dat zowel β3-tubuline als tyrosinehydroxylase tot expressie brengt. Deze bevindingen openen het nieuwe perspectief van het gebruik van fysische energieën bij de behandeling van neurodegeneratieve ziekten en bij de herprogrammering van kankercellen (stamcellen) tot normale regeneratieve elementen. Meer recent vonden we dat de REAC actie aanzienlijk kon worden tegengegaan door stamcelbehandeling met 4-methylumbelliferone (4-MU), een krachtige repressor van type-2 hyaluronan (HA) synthase en endogene HA synthese. Deze waarneming suggereert dat REAC-gemedieerde reacties mogelijk zijn opgetreden door een essentiële pleiotrope rol van dit glycosaminoglycaan in het reguleren van (stam)celpolariteit.
Extracorporeale schokgolven (ESW) vertegenwoordigen een ander type biofysische stimuli dat in toenemende mate wordt toegepast op het gebied van de regeneratieve geneeskunde en dat kan worden geclassificeerd als “mechanotherapie” (d.w.z. extracorporale schokgolftherapie, ESWT). ESW zijn in feite “mechanische” golven, die worden gekenmerkt door een eerste positieve, zeer snelle fase met een grote amplitude, gevolgd door een negatieve druk, waardoor een “micro-explosie” ontstaat die op een doelzone (lichaam, weefsel of cellen) kan worden gericht om de cellen in hun gedrag te stimuleren of te wijzigen. Schokgolven worden opgewekt door een elektrohydraulisch apparaat dat onder water een hoogspanningscondensorvonkontlading produceert, die door een elliptische reflector op weefsels of cellen wordt overgebracht.
In de jaren tachtig werden schokgolven gebruikt in de urologie (lithotripsie) om nierstenen te desintegreren. Daarna werd de toepassing van ESW uitgebreid tot andere gebieden, met veelbelovende vooruitzichten voor de bevordering van weefselgenezing en het herstel van pathologische aandoeningen. Een van de eerste toepassingen was op orthopedisch gebied, om neovascularisatie te induceren en de bloedtoevoer en weefselregeneratie te verbeteren. Het onderzoek naar het gebruik van deze technologie breidde zich geleidelijk uit en leidde tot de toepassing ervan bij de behandeling van spier- en skeletaandoeningen, peesziekten, botgenezingsstoornissen en vasculaire botziekten. ESW wordt nu ook gebruikt in de dermatologie voor de behandeling van wondgenezingstoornissen en ulcera. Tot op heden is het exacte mechanisme waarmee cellen mechanische signalen omzetten in biochemische reacties echter nog niet goed begrepen. Tot dusver werd de nadruk gelegd op mechanismen die worden bemiddeld door het vrijkomen van ATP en de activering van de P2-receptor, die celproliferatie en weefselhervorming kunnen bevorderen via activering van Erk1/2, alsook via PI-3K/AKT en NF-κB signaalwegen, en de betrokkenheid van TLR3-signalering en vervolgens TLR4. Verschillende in vitro uitgevoerde studies hebben het effect van ESW op de celmodulatie via “mechano-transductie” aangetoond. Onlangs werd vastgesteld dat ESW ADSC’s activeren via MAPK, PI-3K/AKT en NF-κB signaalwegen en in HUVEC cellen een overexpressie induceren van angiogene factoren en van caveolin-1, een constitutief eiwit van caveolae, dat betrokken is bij de regulatie van celgroei, lipidentransport, endocytose en celmigratie
Daarnaast bleek het effect van ESWT op celgedrag een dosisafhankelijk fenomeen te zijn. In een studie van Zhang en collega’s verbeterden cellen blootgesteld aan ESW van lage energie (0,04 e 0,13 mJ/mm2) de expressie van enkele angiogene factoren, zoals eNOS, Ang-1, en Ang-2. Bij hogere energie daarentegen veroorzaakte ESW een vermindering van de expressie van angiogene factoren en een toename van apoptose. Deze bevindingen suggereren dat de biologische effecten van schokgolven sterk gecorreleerd zijn met de intensiteit van de toegepaste energie en dus met de daarmee samenhangende mechanische krachten.
Engisteren werden de effecten van schokgolven gekarakteriseerd op de expressie van IL-6, IL-8, MCP-1, en TNF-α in menselijke parodontale ligament fibroblasten . Na een vroege remming op de expressie van pro-inflammatoire mediatoren, veroorzaakten schokgolven een dosis-gerelateerde toename van IL-6 en IL-8, terwijl de expressie van TNF-α werd gedown-reguleerd. De meeste literatuur toonde een anti-inflammatoir effect van ESWT in vivo. Het gedeeltelijk bij cellen in vitro waargenomen ontstekingsbevorderende effect van ESWT kan echter wijzen op een door cytokine- en chemokine-expressie gemedieerde pro-activatorgebeurtenis. Er werd verondersteld dat de schokgolfimpulsen op de cellen een pro-inflammatoir milieu konden scheppen, gemedieerd door mechano-transductie. Dit mechanisme kan echter een complexere werking op de gehele niche-architectuur inhouden, waarbij de ingebedde (stam)cellen zich gedragen als sensoren en activatoren van de regeneratieve respons.
In feite kan mechanische trilling een relevante modaliteit zijn om stamcelherprogrammering in vivo te beïnvloeden zonder toevlucht te hoeven nemen tot transplantatieprocedures. In dit verband hebben we aangetoond en gepatenteerd voor de eerste keer de cel vermogen om “trillingen” (nanomechanische) handtekeningen van hun gezondheid en hun multilineage repertoire vertonen. Brede vitale processen worden gevormd rond de nanomechanische kenmerken van subcellulaire structuren, zoals de microtubulaire netwerken, die kenmerkende eigenschappen van verbondenheid en synchronisatie verschaffen die kunnen worden overgedragen en geregistreerd vanaf het celoppervlak. Atomic force microscopie (AFM) kan worden gebruikt om inzicht te krijgen in cellulaire nanomechanische eigenschappen, waardoor de kans om vibratie handtekeningen die kunnen worden gebruikt om lineage-specifieke verplichtingen in verschillende stamcelpopulaties in vitro of zelfs in vivo om endogene redding te bevorderen in zieke organen te identificeren.
4.
De opkomende visie van een (stam)celbiologie die wordt beheerst door fysische krachten en beïnvloed door voorouderlijke natuurlijke moleculen kan ons ertoe brengen de manier waarop we ons het veld van de regeneratieve geneeskunde in de nabije toekomst voorstellen, opnieuw te interpreteren.
Door de diffusieve aard van elektromagnetische velden en mechanische trillingen ontstaat de mogelijkheid om de stamcellen te richten en te herprogrammeren waar ze zich bevinden, en zo ons natuurlijk vermogen tot zelfgenezing te vergroten zonder de noodzaak van (stam)celtransplantatie, die nog steeds opmerkelijke beperkingen vertoont.
Belangenconflicten
De auteurs verklaarden geen potentiële belangenconflicten met betrekking tot het onderzoek, het auteurschap en de publicatie van dit artikel.
Bijdragen van de auteurs
Federica Facchin en Eva Bianconi droegen als co-first authors gelijkelijk bij aan deze studie.
Aankondigingen
De auteurs maakten bekend de volgende financiële steun te hebben ontvangen voor het onderzoek, het auteurschap en/of de publicatie van dit artikel: gefinancierd door Eldor Lab, Milaan, Italië, en AMeC (Associazione Medicina e Complessità), Via Valdirivo 19, 34100 Trieste, Italië.