Abstract
Ciało ludzkie nieustannie regeneruje się po uszkodzeniach dzięki samoodnawiającym się i różnicującym właściwościom komórek macierzystych. W celu odbudowy uszkodzonych tkanek i regeneracji funkcjonalnych narządów, badania naukowe w dziedzinie medycyny regeneracyjnej usilnie starają się zrozumieć mechanizmy molekularne, dzięki którym potencjał regeneracyjny komórek macierzystych może znaleźć zastosowanie kliniczne. Stwierdzenie, że niektóre organizmy s± zdolne do procesów regeneracyjnych oraz badanie zachowanych wzorców ewolucyjnych w regeneracji tkanek może prowadzić do identyfikacji naturalnych cz±steczek gatunków przodków zdolnych do rozszerzenia ich potencjału regeneracyjnego na tkanki ludzkie. Taką możliwość sugeruje również wykorzystanie energii fizycznych, takich jak pola elektromagnetyczne i wibracje mechaniczne w ludzkich dorosłych komórkach macierzystych. Wyniki badań naukowych nad modulacją komórek macierzystych potwierdzają możliwość chemicznej manipulacji losem komórek macierzystych w warunkach in vitro i otwierają drogę do wykorzystania naturalnych molekuł, jak również pól elektromagnetycznych i drgań mechanicznych do ukierunkowania ludzkich komórek macierzystych w ich niszach wewnątrz organizmu, zwiększając naturalną zdolność człowieka do samoleczenia.
1. Wprowadzenie
Ciało ludzkie nieustannie się regeneruje dzięki osobliwym właściwościom zamieszkujących je komórek macierzystych.
Komórki te posiadają unikalną zdolność do samoodnawiania i różnicowania, a równowaga pomiędzy tymi dwoma procesami definiuje los komórek macierzystych i ich podstawową rolę w regeneracji tkanek.
Regeneracja to odbudowa struktury i funkcji narządu po urazie i jest podstawą naszego potencjału samoleczenia, a tym samym zachowania ludzkiego zdrowia. Proces ten wykazuje niezwykłe zróżnicowanie w sposobie, w jaki przebiega w organizmach żywych, ponieważ w obrębie tego samego gatunku potencjał regeneracyjny jest różny dla różnych narządów.
W celu ratowania uszkodzonych tkanek i przywracania funkcjonalnej masy narządów, podjęto ogromne wysiłki w rozwijającej się dziedzinie medycyny regeneracyjnej, angażując badania naukowe w zrozumienie mechanizmów molekularnych, dzięki którym potencjał regeneracyjny komórek macierzystych (takich jak ludzkie mezenchymalne komórki macierzyste – hMSCs) może zostać rozwinięty do zastosowania klinicznego. Komórki macierzyste mają zdolność różnicowania się w szeroką gamę dorosłych komórek, a ich odkrycie i izolacja utorowały drogę do nowych nadziei w dziedzinie regeneracji.
Z drugiej strony, wiele aspektów terapii opartej na komórkach uniemożliwia wykorzystanie komórek macierzystych do regeneracji narządów i tkanek: między innymi wymagana jest duża ilość komórek macierzystych, a podczas ekspansji komórek pierwotnych zachodzi proces starzenia się. Ponadto, nie jest łatwo wyizolować komórki macierzyste i zaangażować je wszystkie w kierunku określonego fenotypu, ponieważ mogą one różnicować się we wszystkie typy dojrzałych komórek, w tym komórki nowotworowe. W związku z tym, aby ustalić bezpieczeństwo i skuteczność przeszczepów u pacjentów, konieczna jest odpowiednia konfiguracja ekspansji MSC in vitro, kriokonserwacji i bankowania.
Więcej, większość zastosowań komórek macierzystych u pacjentów jest nadal w fazie badań eksperymentalnych, z wyjątkiem niektórych procedur faktycznie stosowanych w praktyce klinicznej, jak przeszczep szpiku kostnego w hematologii.
Nawet inżynieria tkankowa, jedna z gałęzi medycyny regeneracyjnej, oparta na regeneracji tkanek z komórek przy pomocy biomateriałów i czynników wzrostu, nadal boryka się z kilkoma problemami. W rzeczywistości zregenerowane tkanki, z których mogą korzystać pacjenci, są nadal bardzo ograniczone, jak skóra, kości, chrząstki, tkanki włosowate i tkanki przyzębia. Co więcej, sztuczna tkanka inżynierska nadal wykazuje pewne ograniczenia związane z wymiarami konstrukcji, które nie mogą być wykorzystane do odbudowy poważnych ubytków. Właściwie jedynymi możliwymi do wytworzenia tkankami o trójwymiarowej strukturze są wazony, struktury jaskiniowe, takie jak tchawica, lub tkanki, które nie są fizjologicznie rozproszone, ponieważ żywotność komórek zasianych na rusztowaniu stopniowo maleje wraz z jego grubością. Nawet stosowanie samych czynników wzrostu lub w połączeniu z konstrukcjami 3D jest nadal uważane za nie do końca bezpieczne, ponieważ wpływ na środowisko biorcy pozostaje częściowo do ustalenia. Wreszcie, nadal istnieją inne przeszkody, takie jak znalezienie najlepszego rusztowania, najbardziej odpowiedniego bioreaktora i optymalnego rozwiązania dla wysiewu różnych populacji komórek w celu uzyskania odpowiedniego dojrzałego materiału, który można wszczepiać pacjentom.
Wszystkie te kwestie muszą zostać rozwiązane, zanim komórki lub konstrukcje inżynierskie będą mogły być rutynowo stosowane w warunkach klinicznych. Dlatego od dawna prowadzone są liczne badania nad modulacją istotnych cech fizjologicznych, o których wiadomo, że są zaangażowane w homeostazę tkanek oraz w aktywację nisz komórek macierzystych. W tym celu, poza badaniem efektów syntetycznych molekuł, wielu badaczy skupiło swoją uwagę na efektach wywoływanych przez naturalne molekuły i energie fizyczne. Ich odkrycia są przedstawione poniżej.
2. Molekuły naturalne
Zdolność do odrastania części ciała jest wspólna dla wielu gatunków zwierząt, chociaż potencjał regeneracyjny różni się w zależności od taksonu. Niektóre gromady są w stanie odbudować każdą część ciała, podczas gdy inne nie są w stanie zregenerować organów wewnętrznych.
Danio rerio (zebrafish) jest jednym z organizmów zdolnych do zadziwiających procesów regeneracyjnych, co wywołuje potrzebę odkrycia podstawowych strategii regeneracyjnych. Zebrafish jest od niedawna powszechnie stosowany jako zwierzęcy model organogenezy i regeneracji, dzięki swojej zdolności do regeneracji złożonych narządów, takich jak serce, centralny układ nerwowy i kończyny, z wyjątkowo wyższą skutecznością niż u ludzi. Innym gatunkiem wykazującym zdumiewający potencjał regeneracyjny jest aksolotl meksykański (Ambystoma mexicanum), który może tworzyć samokopie regenerując brakującą kończynę, ogon, lub części mózgu, serca i dolnej szczęki. Innymi stworzeniami w centrum uwagi ze względu na ich zdolności regeneracyjne są salamandry, a także kilka żab, czy też osłonice. Pomimo odległości ewolucyjnej, jak w przypadku zeberek, które dzieli od ludzi około 450 milionów lat, nasze komórki macierzyste mogą nadal wyczuwać mikrośrodowisko przodków tych gatunków, jak pokazano w odkryciu, że komórki CD34+ z ludzkiej krwi pępowinowej są rekrutowane do wczesnej waskulogenezy po przeszczepie do embrionów zebrafish przed żłobkowaniem, ale nie po żłobkowaniu. Podobny do tego pogląd jest odkrycie, że konserwowane odpowiedzi transkrypcyjne zostały odkryte wśród różnicowania hMSCs, embriogenezie Xenopus i regeneracji aksolotla, identyfikując wspólne sieci w modelowych gatunkach, które są związane z depolaryzacją (zmiany w potencjale spoczynkowym komórek).
Na całość, te ustalenia i rozmieszczenie biologii porównawczej do analizy zachowanych wzorców ewolucyjnych w regeneracji tkanek może prowadzić do identyfikacji naturalnych cząsteczek zdolnych do rozszerzenia ich potencjału regeneracyjnego z gatunków przodków do ludzkich tkanek poprzez manipulację wspólnych/podobnych mechanizmów w ich komórek macierzystych resident.
Investigation roli naturalnych cząsteczek w biologii komórek macierzystych staje się rosnącym obszarem badań. Psoralidin, na przykład, naturalny związek fenolowy znaleziony w nasionach Psoralea corylifolia, został zaobserwowany w celu zahamowania NOTCH1 w komórkach macierzystych raka piersi i w komórkach raka piersi, co prowadzi do zatrzymania wzrostu i hamowania przejścia z nabłonka do mezenchymy (EMT). Ponadto, dwa ekstrakty ziołowe (ekstrakt z liści Tithonia diversifolia i ekstrakt z Momordica foetida) prowadziły do zmniejszenia adipogenezy i akumulacji kropli lipidowych w ludzkich komórkach macierzystych pochodzących z adipozy (hADSCs). Dwa naturalne związki, honokiol (polifenol o niskiej masie cząsteczkowej wyizolowany z rodzaju Magnolia) i hiperozyd (związek flawonoidowy wyekstrahowany z Hypericum perforatum), okazały się potencjalnie indukować różnicowanie w neurony w linii komórkowej P19 mysiego raka embrionalnego. Związki syntetyczne powstałe w wyniku połączenia naturalnych molekuł okazały się również skuteczne w modulacji biologii komórek macierzystych in vitro i in vivo. W tym celu wykazano, że mieszane estry naturalnie występujących cząsteczek, takie jak mieszane estry hialuronianu z kwasem masłowym i retinowym (HBR), w znaczący sposób zwiększają kardiogenezę i waskulogenezę w mysich embrionalnych komórkach macierzystych i hMSCs, zwiększając zdolność hMSCs z łożyska płodowego do promowania regeneracji zawału mięśnia sercowego in vivo zarówno w małych (szczur), jak i dużych (świnia) modelach zwierzęcych z niewydolnością serca po zawale. Co intrygujące, w mięśniu sercowym szczurów z zawałem, HBR sam działał poprzez wewnątrzkomórkowe uwalnianie swoich naturalnych zaszczepionych molekuł, aby zapewnić znaczące zmniejszenie rozmiaru zawału i apoptotycznych miocytów, prowadząc do odwrócenia przebudowy mięśnia sercowego, normalizacji kurczliwości mięśnia sercowego, oraz zwiększenie żywotnej masy mięśnia sercowego i metabolizmu, poprzez wzmocnienie/rekrutację liczby endogennych stro-1 (marker mezenchymalnych komórek macierzystych) -pozytywnych komórek macierzystych, zwiększenie liczby lokalnych elementów o tożsamości pericytów i ważnych procesów rewaskularyzacji. Wyniki te wskazują na możliwość chemicznego ukierunkowania uszkodzonych narządów w celu umożliwienia przeżycia i naprawy tkanek bez przeszczepu komórek macierzystych. Zgodnie z tymi wynikami, prosty koktajl z kwasów hialuronowego, masłowego i retinowego był w stanie poprawić rewaskularyzację i funkcję przeszczepu wysepek przez pochodzące z tkanki tłuszczowej hMSCs u szczurów z cukrzycą.
Dodanie melatoniny do tej mieszaniny naturalnych cząsteczek było w stanie przesunąć zaangażowanie hMSCs w kierunku losu osteogenicznego, wskazując na możliwość stworzenia wieloskładnikowego, wielocelowego zespołu naturalnych środków do chemicznego przekierowania repertuaru wielu linii rozwojowych hMSCs.
Poważnym przełomem w wysiłkach zmierzających do wykorzystania naturalnych matryc cząsteczek do sterowania losami komórek w warunkach normalnych i patologicznych było odkrycie, że ekstrakty z embrionów zebrafish uzyskane na różnych etapach rozwoju były w stanie przeciwdziałać proliferacji kilku nowotworowych linii komórkowych. Ekstrakty z początkowych, pośrednich i końcowych stadiów rozwoju embrionalnego prowadziły do wyraźnego wzrostu ekspresji p53 w powiązaniu z redukcją wzrostu. W niektórych liniach komórkowych raka, takich jak gruczolakorak nerki, spadek proliferacji był związany ze zmianami w fosforylacji pRb, modulatora cyklu komórkowego. Ponadto w komórkach gruczolakoraka jelita grubego obserwowano aktywację szlaku apoptotycznego zależnego od p73. Mieszanina ekstraktów z wczesnego, średniego i późnego stadium rozwoju zebrafish była również w stanie zwiększyć przeżywalność komórek w odpowiedzi na toksyczne bodźce, jak pokazano w zmniejszeniu śmiertelności obserwowanej w komórkach z plastrów hipokampa myszy (obszar CA1), które zostały poddane pozbawieniu surowicy lub traktowaniu NMDA (N-metylo-D-asparaginian). Te odkrycia oraz wcześniejsze obserwacje pokazujące, że mikrośrodowisko embrionalne jest w stanie tłumić rozwój nowotworów podczas procesów różnicowania się komórek, skłoniły nas do dalszego badania, czy czynniki embrionalne zebrafish mogą być również wykorzystywane w sposób rozwojowy do kontrolowania istotnych cech w dynamice komórek macierzystych. W tym celu, z powodzeniem zastosowaliśmy ekstrakty z wczesnych stadiów rozwojowych zebrafish (uzyskane z zarodków 5,15 godzin po zapłodnieniu) na hADSCs we wczesnym etapie rozwoju, aby zwiększyć ekspresję komórek macierzystych w zakresie multipotencjalności, transkrypcji TERT, kodującej podjednostkę katalityczną telomerazy, jak również ekspresji genu BMI1, remodelera chromatyny działającego jako główny, niezależny od telomerazy, represor senescencji.
Wszystkie powyższe badania, pokazujące możliwość chemicznej manipulacji losem komórek macierzystych in vitro, mogą utorować drogę do wykorzystania naturalnej lub syntetycznej chemii w celu ukierunkowania ludzkich komórek macierzystych tam, gdzie są one już obecne we wszystkich tkankach organizmu. Doprowadziłoby to do rozwoju medycyny regeneracyjnej wykonywanej bez potrzeby przeszczepiania komórek macierzystych lub tkanek.
3. energie fizyczne
Możliwość wykorzystania energii fizycznych do pobudzenia procesów regeneracyjnych została silnie zasugerowana przez zdolność pól elektromagnetycznych i wibracji mechanicznych do skutecznego przeprogramowania in situ potencjału różnicowania i regeneracji naszych endogennych komórek macierzystych.
Jesteśmy w rzeczywistości osadzone w szerokiej gamie bodźców fizycznych, w tym pól elektromagnetycznych, promieniowania świetlnego i mechanicznych wzorów oscylacyjnych. W tym sensie nasze życie, które zawiera pozorną nieskończoność rytmicznych oscylacji, w tym oscylacje wapnia i pH wewnątrzkomórkowego, jak również rytmiczną ekspresję genów i białek, można uznać za część wibracyjnej natury wszechświata.
Jest obecnie oczywiste, że nasze komórki postrzegają i generują energie, takie jak pola magnetyczne i oscylacje mechaniczne. Komórki zawierają sieć mikrotubul, które dzięki swojej elektrycznej polaryzacji i wewnętrznym trybom wibracji, są w stanie generować pola elektryczne o wysokiej częstotliwości i cechach promieniowania. Zastosowanie skaningowej mikroskopii tunelowej (STM) do mikrotubul rosnących na macierzy nanoelektrod, w sztucznej replice komórkowej zaprojektowanej do pompowania częstotliwości elektromagnetycznych, wykazało istnienie wzorów rezonansowych pomiędzy dimerami tubuliny, lub całymi mikrotubulami, a zastosowanymi częstotliwościami. STM dostarczył również dowodów, że takie wzory rezonansowe mogą być obrazowane jako specyficzne „profile prądu tunelowania” odpowiadające pompowanym częstotliwościom elektromagnetycznym. Selektywność regionu częstotliwości do angażowania poszczególnych typów modyfikacji konformacyjnych ustanawia, że czyste zmiany mechaniczne mogą być zdalnie zarządzane w sposób atomowy za pomocą pól elektromagnetycznych.
Ważność sieci mikrotubul jako systemu transportu informacji jest również wydedukowana przez znalezienie wielopoziomowych właściwości przełączania pamięci w pojedynczej mikrotubuli mózgu. Nawet DNA, pomimo jego roli przechowywania i wyrażania informacji genetycznej, gdy jest traktowany jako elektrycznie naładowana jednostka wibracyjna, może przyczyniać się do polaryzacji komórek, również na mocy jego stałego łączenia się w różne pętle i domeny, które są istotnym elementem nanomechaniki i nanotopografii nadanej tej makrocząsteczce przez czynniki transkrypcyjne i silniki molekularne. W związku z tym ujawniono widma częstotliwości rezonansu elektromagnetycznego dla DNA, który okazał się wykazywać rezonanse elektromagnetyczne w szerokim zakresie częstotliwości od KHz, MHz, GHz, do THz .
Ostatnio medycyna regeneracyjna koncentruje się na wykorzystaniu bodźców biofizycznych do modulacji dynamiki komórkowej. Czynniki fizyczne w mikrośrodowisku komórkowym, w tym mechanika macierzy, geometria i kształt komórek, siły mechaniczne i nanotopograficzne aspekty macierzy pozakomórkowej, mogą modulować los komórek macierzystych. Istnieją dowody na to, że na ten rodzaj regulacji duży wpływ mają współistniejące nierozpuszczalne, adhezyjne, mechaniczne i topologiczne wskazówki zawarte i dynamicznie regulowane w obrębie niszy komórek macierzystych. Bodźce biofizyczne mogą być wyczuwane i przekazywane do wewnątrzkomórkowych odpowiedzi biochemicznych i funkcjonalnych przez komórki macierzyste, proces znany jako mechano-transdukcja. Maszyneria sensoryczna komórek macierzystych może jednocześnie odbierać i integrować kilka sygnałów z niszy i przekształcać je w spójne odpowiedzi pozwalające na dalszą modulację ekspresji genów i losu komórek macierzystych.
Przez lata naukowcy próbowali kierować losem komórek macierzystych za pomocą chemii, zwiększając proliferację komórek za pomocą czynników wzrostu lub wytwarzając konstrukcje 3D pochodzące z połączenia komórek macierzystych lub dojrzałych dorosłych komórek, z naturalnymi lub sztucznymi polimerami. Dopiero w ostatnich latach podjęto wysiłki w celu oddziaływania na komórki in vivo, bezpośrednio na pacjentach lub na modelach zwierzęcych, oraz in vitro na hodowlach komórkowych. Ostatnio, niektóre grupy badawcze wykazały możliwość stosowania bodźców fizycznych bezpośrednio na pacjentach, tkankach i komórkach .
Pomysł zastosowania bodźców fizycznych na tkankach i ciele został zaproponowany już w 1974 roku przez Richarda Nuccitelli, który zdobył dowody na endogenny prąd jonowy i interakcję z polem elektrycznym w wielokomórkowych tkankach zwierzęcych . Obecnie możliwe jest wyjaśnienie zmian w zachowaniu komórek po stymulacji elektromagnetycznej, biorąc pod uwagę wpływ na polaryzację komórek oraz na niszę komórek macierzystych w organizmie.
Użycie energii fizycznych w celach terapeutycznych jest obecnie dobrze znane, zostało zatwierdzone przez Food and Drug Administration (FDA) i jest stosowane u pacjentów. Zaprojektowano kilka urządzeń opartych na różnych mechanizmach fizycznych, a ich korzystne działanie zaobserwowano bezpośrednio na pacjentach. Ultradźwięki są wykorzystywane do celów medycznych od 1950 roku w niektórych sytuacjach patologicznych, takich jak zapalenie ścięgien lub zapalenie kaletki maziowej .
Nawet wykorzystanie pól elektromagnetycznych o ekstremalnie niskiej częstotliwości (ELF-EMFs) o częstotliwości niższej niż 100 Hz i natężeniu pola magnetycznego od 0,1 do 20 mT, stało się użyteczną terapią w regeneracji tkanek miękkich, naprawie złamań i leczeniu osteoporozy . Mechanizmy działania pól elektromagnetycznych ELF-EMFs nie są do końca poznane. Wykazano jednak, że prądy elektryczne mogą przyspieszać aktywację komórek i wpływać na remodeling epigenetyczny. W szczególności, zastosowanie ELF-EMF o częstotliwości 50 Hz na komórkach GC-2 zmniejszyło metylację całego genomu oraz ekspresję metylotransferaz DNA w neuronalnych komórkach macierzystych (NSCs) wyizolowanych z hipokampa nowonarodzonych myszy. Ponadto, napromieniowanie ELF-EMF o częstotliwości 1 mT i 50 Hz przez 12 dni zwiększyło proliferację NSC i specyfikację losu komórek neuronalnych poprzez regulację zależną od kanału Cav1 i modyfikację histonów. Wyniki te wskazują na możliwość wykorzystania bodźców fizycznych do wpływania na losy komórek.
W tym kontekście najpierw wykazaliśmy możliwość wykorzystania ELF-EMF do modulowania transkrypcji genów istotnych peptydów regulujących wzrost w dorosłych komórkach mięśnia sercowego oraz do wzmocnienia kardiogenezy i terminalnego różnicowania w spontanicznie bijące komórki mięśnia sercowego w mysich embrionalnych komórkach macierzystych (ES). Następnie, za pomocą radiowego elektrycznego przenośnika asymetrycznego (REAC), stwierdziliśmy, że odpowiednio przenoszone pola radioelektryczne o częstotliwości 2,4 GHz mogą wywoływać ważne efekty biologiczne w mysich komórkach ES i ludzkich dorosłych komórkach macierzystych. W obu typach komórek, wykazaliśmy, że pola radioelektryczne przenoszone przez REAC wywoływały wzrost ekspresji genów związanych z macierzystością, a następnie zaangażowanie w kierunku linii neuronalnych, mięśnia sercowego i mięśni szkieletowych. Te same wyniki różnicowania zostały wywołane przez ekspozycję na REAC w fibroblastach ludzkiej skóry: po raz pierwszy ludzkie dorosłe komórki somatyczne nie będące komórkami macierzystymi zostały zaangażowane do linii, w których w przeciwnym razie nigdy by się nie pojawiły. Efekt ten był pośredniczony przez dwufazową zmianę w ekspresji genów pluripotencji, tymczasową nadekspresję, po której nastąpiła regulacja w dół, i nie wymagał użycia technologii transferu genów za pomocą wektorów wirusowych lub kłopotliwej chemii syntetycznej.
Na uwagę zasługuje fakt, że ekspozycja hADSCs na REAC była w stanie przekształcić senescencję komórek macierzystych, występującą po długotrwałej (do 30 pasaży) ekspansji in vitro, w zjawisko odwracalne, związane ze spadkiem ekspresji związanej z senescencją β-galaktozydazy oraz wzrostem ekspresji genu TERT i długości telomerów. Działanie REAC wzmocniło również transkrypcję genu BMI1 oraz genów związanych z macierzystością, ustanawiając niezależne od telomerazy ramię odwracające senescencję. Odkrycia te mogą mieć ważne implikacje biomedyczne, ponieważ starzejące się komórki macierzyste zmniejszają ich potencjał samoodnowy i różnicowania, zmniejszając ich zdolność do regeneracji tkanek in vivo i możliwość przedłużonej ekspansji in vitro przed transplantacją.
Podsumowując szerokie efekty biologiczne stymulacji REAC jest obserwacja, że technologia ta była w stanie promować neurologiczne i morfofunkcjonalne różnicowanie w komórkach PC12, linii komórkowej pheochromocytoma nadnerczy szczura, wykazującej cechy metaboliczne choroby Parkinsona. Odpowiedź komórek na pole elektromagnetyczne była mediowana przez transkrypcyjną aktywację genów neurogennych, takich jak neurogenina-1, β3-tubulina i czynnik wzrostu nerwów (NGF), i była związana z konsekwentnym wzrostem liczby komórek wyrażających zarówno β3-tubulinę, jak i hydroksylazę tyrozynową. Odkrycia te otwierają nową perspektywę wykorzystania energii fizycznej w leczeniu chorób neurodegeneracyjnych oraz w przeprogramowaniu komórek nowotworowych (macierzystych) w normalne elementy regeneracyjne. Ostatnio odkryliśmy, że działanie REAC może być znacząco przeciwdziałane przez traktowanie komórek macierzystych 4-metylobelliferonem (4-MU), silnym represorem syntazy hialuronianu typu 2 (HA) i endogennej syntezy HA. Obserwacja ta sugeruje, że reakcje mediowane przez REAC mogły zachodzić dzięki istotnej plejotropowej roli tego glikozaminoglikanu w regulacji polarności komórek macierzystych.
Extracorporeal shock waves (ESW) reprezentują inny rodzaj bodźców biofizycznych, które są coraz częściej stosowane w dziedzinie medycyny regeneracyjnej i które można sklasyfikować jako „mechanoterapię” (tj. terapię pozaustrojową falą uderzeniową, ESWT). W rzeczywistości, ESWT są falami „mechanicznymi”, charakteryzującymi się początkową fazą dodatnią, bardzo szybką, o wysokiej amplitudzie, po której następuje ciśnienie ujemne, wytwarzające „mikroeksplozję”, która może być skierowana na strefę docelową (ciało, tkanka lub komórki) w celu stymulacji lub modyfikacji zachowania komórek. Fale uderzeniowe są generowane przez urządzenie elektrohydrauliczne, które wytwarza pod wodą wyładowania iskrowe o wysokim napięciu, przenoszone przez eliptyczny reflektor na tkanki lub komórki.
W latach 80-tych fale uderzeniowe były wykorzystywane w urologii (litotrypsja) do dezintegracji kamieni nerkowych. Następnie, zastosowanie ESW zostało rozszerzone na inne dziedziny, wykazując obiecujące nadzieje na promowanie gojenia tkanek i odzyskiwania z zaburzeń patologicznych. Jedno z pierwszych zastosowań ESW miało miejsce w ortopedii, w celu wywołania neowaskularyzacji, poprawy ukrwienia i regeneracji tkanek. Badania nad wykorzystaniem tej technologii rozprzestrzeniały się stopniowo, prowadząc do jej zastosowania w leczeniu schorzeń układu mięśniowo-szkieletowego, patologii ścięgien, zaburzeń gojenia kości oraz chorób naczyniowych kości. Zastosowanie ESW zostało również rozszerzone na obszar dermatologii do leczenia zaburzeń gojenia ran i owrzodzeń. Jednakże, jak dotąd, dokładny mechanizm, dzięki któremu komórki przekształcają sygnały mechaniczne w odpowiedzi biochemiczne, nie jest jeszcze dobrze poznany. Dotychczas kładziono nacisk na mechanizmy, w których pośredniczy uwalnianie ATP i aktywacja receptora P2, co może sprzyjać proliferacji komórek i przebudowie tkanek poprzez aktywację Erk1/2, a także szlaków sygnałowych PI-3K/AKT i NF-κB oraz udział sygnalizacji TLR3, a następnie TLR4. Kilka badań przeprowadzonych in vitro udowodniło wpływ ESW na modulację komórek poprzez „mechaniczno-transdukcję”. Ostatnio stwierdzono, że ESW aktywuje ADSCs poprzez szlaki sygnałowe MAPK, PI-3K/AKT i NF-κB oraz indukuje w komórkach HUVEC nadekspresję czynników angiogennych i kaweoliny-1, konstytutywnego białka kaweoli, zaangażowanego w regulację wzrostu komórek, handlu lipidami, endocytozy i migracji komórek .
W dodatku, wpływ ESWT na zachowanie komórek okazał się być zjawiskiem zależnym od dawki. W badaniu opublikowanym przez Zhanga i współpracowników, komórki poddane działaniu ESWT o niskiej energii (0,04 e 0,13 mJ/mm2) poprawiły ekspresję niektórych czynników angiogennych, takich jak eNOS, Ang-1 i Ang-2. Z drugiej strony, przy wyższej energii, ESW indukowała zmniejszenie ekspresji czynników angiogennych i wzrost apoptozy. Wyniki te sugerują, że efekty biologiczne fal uderzeniowych są silnie skorelowane z intensywnością zastosowanej energii, a tym samym z powiązanymi siłami mechanicznymi.
Ostatnio scharakteryzowano wpływ fal uderzeniowych na ekspresję IL-6, IL-8, MCP-1 i TNF-α w ludzkich fibroblastach więzadła przyzębia. Po wczesnym zahamowaniu ekspresji mediatorów prozapalnych, fale uderzeniowe wywołały zależny od dawki wzrost IL-6 i IL-8, przy jednoczesnym zmniejszeniu ekspresji TNF-α. Większość literatury wykazała przeciwzapalny efekt ESWT in vivo. Niemniej jednak, prozapalny efekt ESWT częściowo zaobserwowany na komórkach in vitro może sugerować działanie pro-aktywatora, w którym pośredniczy ekspresja cytokin i chemokin. Przypuszczano, że impulsy fali uderzeniowej na komórkach są w stanie stworzyć środowisko prozapalne, w którym pośredniczy mechano-transdukcja. Jednak mechanizm ten może obejmować bardziej złożone działanie na całą architekturę niszy, z osadzonymi komórkami (macierzystymi) zachowującymi się jak czujniki i aktywatory odpowiedzi regeneracyjnej.
W rzeczywistości, wibracje mechaniczne mogą stanowić odpowiednią modalność wpływającą na przeprogramowanie komórek macierzystych in vivo bez konieczności uciekania się do procedur transplantacyjnych. W związku z tym, po raz pierwszy wykazaliśmy i opatentowaliśmy zdolność komórek do wykazywania „wibracyjnych” (nanomechanicznych) sygnatur ich zdrowia i ich wielorakiego repertuaru. Szeroko zakrojone procesy życiowe są kształtowane wokół nanomechanicznych cech struktur subkomórkowych, takich jak sieci mikrotubularne, nadając im cechy łączności i synchronizacji, które mogą być przenoszone i rejestrowane z powierzchni komórki. Mikroskopia sił atomowych (AFM) może być wykorzystana do uzyskania wglądu w nanomechaniczne właściwości komórek, dając szansę na identyfikację sygnatur wibracyjnych, które mogą być wykorzystane do napędzania specyficznych dla danej linii zobowiązań w różnych populacjach komórek macierzystych in vitro lub nawet in vivo w celu promowania endogennego ratunku w chorych organach.
4. Wnioski
Wyłaniający się pogląd na biologię komórek macierzystych rządzoną przez siły fizyczne i pozostającą pod wpływem naturalnych molekuł przodków może doprowadzić nas do reinterpretacji sposobu, w jaki wyobrażamy sobie dziedzinę medycyny regeneracyjnej w najbliższej przyszłości.
W rzeczywistości, dzięki dyfuzyjnej naturze pól elektromagnetycznych i drgań mechanicznych, pojawia się szansa na ukierunkowanie i przeprogramowanie komórek macierzystych tam, gdzie się znajdują, zwiększając naszą naturalną zdolność do samoleczenia bez potrzeby przeszczepiania komórek macierzystych, które nadal wykazuje znaczące ograniczenia.
Konflikt interesów
Autorzy nie zgłosili żadnego potencjalnego konfliktu interesów w odniesieniu do badań, autorstwa i publikacji tego artykułu.
Wkład autorów
Federica Facchin i Eva Bianconi przyczyniły się w równym stopniu jako współtwórczynie tego badania.
Podziękowania
Autorzy ujawnili otrzymanie następującego wsparcia finansowego na badania, autorstwo i/lub publikację tego artykułu: finansowane przez Eldor Lab, Mediolan, Włochy, oraz AMeC (Associazione Medicina e Complessità), Via Valdirivo 19, 34100 Trieste, Włochy.
Współpraca z Eldor Lab, Mediolan, Włochy, oraz AMeC (Associazione Medicina e Complessità), Via Valdirivo 19, 34100 Trieste, Włochy.