Heterogeniciteit van mesenchymale stromale cellen

Heterogeniciteit van mesenchymale
stromale cellen
Auteur
M.W. Maijenburg
Trefwoorden Beenmerg, cellulaire therapie, mesenchymale stromale cel, migratie,
subpopulaties
Samenvatting
Op woensdag 12 oktober promoveerde drs.
M. Maijenburg aan de Universiteit van Amsterdam
op het proefschrift getiteld: ‘Characterization of
human mesenchymal stromal cell heterogeneity’.
Het onderzoek is verricht onder begeleiding van
de promotor prof. dr. C.E van der Schoot (Sanquin
Research en de Universiteit van Amsterdam) en de
Klinische toepassing van mesenchymale
stromale cellen
Mesenchymale stromale cellen (MSC) bevinden
zich op vele plaatsen in het lichaam, onder meer
in het beenmerg. De MSC vormen het beenmergstroma dat essentieel is voor het ondersteunen van
hematopoïese. MSC zijn heterogene populatiecellen, waarbinnen zich ook een stamcelpopulatie bevindt. Er zijn echter nog geen specifieke markeerders beschikbaar voor het isoleren van verschillende
subpopulaties van MSC.1 Drie eigenschappen maken MSC geschikt voor klinische toepassing. MSC
kunnen differentiëren naar vetweefsel, bot en kraakbeen. Deze differentiatie kan in het laboratorium
specifiek gestuurd worden, waardoor MSC gebruikt
kunnen worden bij de behandeling van grote botfacturen.1 Daarnaast kunnen MSC het immuunsysteem onderdrukken door middel van direct contact
met de cellen van het immuunsysteem en via het
uitgescheiden cytokinen.2 De immuunsuppressieve
capaciteit van MSC wordt al veelvuldig ingezet in
de kliniek voor het behandelen en voorkomen van
'graft-versus-host'-ziekte een complicatie die geregeld optreedt na allogene hematopoïetische stamceltransplantatie.3 Een andere klinisch relevante eigenschap van MSC, is het vermogen de hematopoïese te
ondersteunen. Het is aangetoond dat cotransplantie
van MSC met hematopoïetische stamcellen, het
t i j d s c h r i f t
v o o r
b l o e d t r a n s f u s i e copromotor dr. C. Voermans (Sanquin Research).
Het onderzoek beschrijft diverse aspecten van
de heterogeniciteit van mesenchymale stromale
cellen met als perspectief het verbeteren van de
klinische toepassing van mesenchymale stromale
cellen. De belangrijkste bevindingen zijn hieronder
weergegeven.
(Tijdschr Bloedtransfusie 2012;5:30-2)
aanslaan van het stamceltransplantaat bevordert.4
Inmiddels lopen er klinische studies om deze behandelmogelijkheid verder te onderzoeken. Omdat
MSC zeldzame cellen zijn in het lichaam, moeten
MSC altijd buiten het lichaam gekweekt worden
om in voldoende aantallen gebruikt te kunnen
worden voor transplantatie. Eenmaal toegediend
via de bloedbaan moeten MSC migreren naar het
weefsel waar zij nodig zijn, maar slechts een klein
deel van de cellen arriveert uiteindelijk op de plaats
van bestemming. Dit proces van ‘homing’ lijkt negatief beïnvloed te worden door het kweekproces.5
Het zou wellicht beter zijn om ongekweekte MSC te
transplanteren tenzij de juiste cellen kunnen worden
geselecteerd, maar dat is nog niet goed mogelijk.
Het onderzoek beschreven in dit proefschrift heeft
zich gericht op mogelijkheden om de migratie van
in het laboratorium gekweekte MSC te verbeteren
en daarbij op het identificeren en karakteriseren van
MSC in menselijk beenmerg.
Strategieën om MSC-migratie te verbeteren
Omdat MSC kunnen worden verkregen uit diverse
weefsels is de in-vitromigratiecapaciteit van gekweekte MSC uit volwassen beenmerg, -vetweefsel,
foetaal beenmerg en foetale long, vergeleken. Gekweekte MSC uit divers weefsel blijken slechts een
kleine hoeveelheid migrerende cellen te bevatten.
vol.
5
nr.
1 - 2 0 12
30
proe f schr i f tbesprek i n g
De migratiecapaciteit van MSC lijkt mede bepaald
te worden door het weefsel van herkomst.6 Tevens
lijkt er een relatie te bestaan tussen MSC-migratie en de regulatie van celdeling. Cellen in S- en
G2/M-fase van de celcyclus lijken minder goed in
staat te migreren, terwijl cellen in G0/G1-fase dat
beter kunnen.6 De celcyclus is te beïnvloeden in
kweeksystemen. Het oogsten van kweken op lagere
celdichtheid lijkt de migratie van MSC te verbeteren. Dit moet nog in in-vivo-modellen bevestigd
worden. Omdat migrerende MSC niet op basis van
antigenen op het celmembraan zijn te onderscheiden van niet-migrerende MSC, is door middel van
‘micro-array’ technologie onderzocht welke genen
specifiek zijn voor migrerende MSC. Er zijn twaalf
genen die verschillend tot expressie komen in migrerende MSC in vergelijking met niet-migrerende
cellen. Negen genen komen verhoogd tot expressie,
drie genen zijn juist minder actief. De twee genen
die het grootste verschil in expressie lieten zien, zijn
Nur77 en Nurr1.7 Overexpressie van deze genen
leidt inderdaad tot verhoogde migratie van MSC.
Wanneer MSC worden blootgesteld aan cytokinen
gemaakt door beschadigde cellen, neemt de hoeveelheid Nur77 en Nurr1 in MSC toe.7 Deze cytokinen
kunnen worden toegevoegd aan MSC, die worden
gekweekt voor transplantatie doeleinden.
Primaire MSC in beenmerg
Op basis van de expressie van bepaalde membraanantigenen, zijn er drie verschillende MSC-populaties geïdentificeerd in beenmerg van donoren uit
diverse leeftijdscategorieën. Eén MSC-populatie
bleek specifiek voor volwassen beenmerg, terwijl
een andere alleen in foetaal beenmerg is waargenomen. De derde MSC-populatie is gedetecteerd in
alle leeftijdscategorieën, maar het relatieve aandeel
van deze MSC-subpopulaties neemt af naarmate
mensen ouder worden.8 Er is aangetoond dat de
geïdentificeerde populaties daadwerkelijk als MSC
beschouwd mogen worden. Net als MSC gekweekt
uit ongesorteerd beenmerg, kunnen de gesorteerde
MSC-populaties differentiëren naar vetweefsel, bot
en kraakbeen en ondersteunen ze de hematopoïese.8
Uit andere studies is gebleken dat Wnt-signalering
belangrijk is voor hematopoïese. Wnts bestaan uit
een grote groep glycoproteïnen. Ze komen tot expressie in veel typen cellen. Wnt-signalering is cruciaal tijdens de embryonale ontwikkeling. Mutaties
in Wnt-signalering zijn geassocieerd met verschillende vormen van kanker. Omdat bekend is dat
gekweekte MSC veel Wnt-glycoproteïnen produ-
31
vol.
5
nr.
1 - 2 0 12 ceren, zijn de Wnt-expressieprofielen van de twee
MSC-populaties in volwassen beenmerg vergeleken
met gekweekte MSC. Het blijkt dat het Wnt-profiel
van de ongekweekte MSC-populaties erg verschillen van dat van gekweekte (ongesorteerde) cellen.9
Er bestaan ook verschillen in Wnt-profielen tussen
de twee direct uit het beenmerg gesorteerde MSCpopulaties; alhoewel deze verschillen wel subtieler
zijn.9 Dat heeft wellicht te maken met het feit dat
deze groepen zich op verschillende plaatsen (niches)
in het beenmerg bevinden.10 Als de verschillende
gesorteerde populaties worden gekweekt, blijkt dat
de Wnt-expressie in deze cellen gaat lijken op die
van gekweekte MSC, zonder te sorteren. Er is ook
onderzocht of een van de twee groepen MSC misschien beter in staat is hematopoïetische stamcellen
te ondersteunen in hun functie. Er zijn inderdaad
aanwijzingen dat een van de twee groepen betere
ondersteuning geeft, maar dat moet nog met verder
onderzoek bevestigd worden.9
Conclusie
MSC worden steeds vaker toegepast in cellulaire
therapieën voor diverse indicaties. MSC worden nu
altijd ex-vivo gekweekt voor transplantatie doeleinden, hetgeen de migratie negatief lijkt te beïnvloeden. Door de cellen op lagere dichtheid te oogsten
en eventueel te behandelen met cytokinen, zou de
migratie van MSC verbeterd kunnen worden. Vervolgonderzoek is noodzakelijk om deze strategieën
verder te optimaliseren en toepasbaar te maken. Er
zijn aanwijzingen dat ongekweekte MSC beter kunnen migreren.
In dit proefschrift worden drie nieuwe MSC-populaties in menselijk beenmerg geïdentificeerd. Gedetailleerde karakerisatie van deze populaties zal meer
inzicht verschaffen in de (verschillende) functionele
capaciteiten van deze cellen. Verdere studies zullen
moeten uitwijzen of de gezuiverde MSC-populaties,
zonder of na een kort kweekproces, geschikt zijn
voor klinische toepassing.
Referenties
1. Maijenburg MW, Van der Schoot CE, Voermans C. Mesenchymal stromal cell migration, possibilities to improve cellular therapy. Stem Cells Dev 2011; Epub ahead of print.
2. Nauta AJ, Fibbe WE. Immunomodulatory properties of
mesenchymal stromal cells. Blood 2007;110(10):3499-506.
3. LeBlanc K, Frassoni F, Ball L, et al. Mesenchymal stem cells
for treatment of steroid-resistant, severe, acute graft-versushost disease: a phase II study. Lancet 2008;371:1579-1586.
4. Koc ON, Gerson SL, Cooper BM, et al. Rapid hematopoi-
t i j d s c h r i f t
v o o r
b l o e d t r a n s f u s i e
etic recovery after coinfusion of autologous-blood stem
cells and culture-expanded marrow mesenchymal stem cells
in advanced breast cancer patients receiving high-dose chemotherapy. J Clin Oncol 2000;18:307-316.
5. Rombouts WJ, Ploemacher RE. Primary murine MSC show
highly efficient homing to the bone marrow but lose homing
ability following culture. Leukemia 2003;17(1):160-70.
6. Maijenburg MW, Noort WA, Kleijer M, et al. Cell cycle and
tissue of origin contribute to the migratory behaviour of human fetal and adult mesenchymal stromal cells. Br J Haematol 2010;148(3):428-40.
7. Maijenburg MW, Gilissen C, Melief SM, et al. Nuclear receptors Nur77 and Nurr1 modulate mesenchymal stromal
cell migration. Stem Cells Dev 2011; Epub ahead of print.
8. Maijenburg MW, Kleijer M, Vermeul K, et al. The composition of the mesenchymal stromal cell compartment in human bone marrow changes during development and aging.
Haematologica 2011; Epub ahead of print.
Correspondentieadres
Mw. dr. M.W. Maijenburg, post-doc, department of
Cell and Developmental Biology, University of
Pennsylvania (Verenigde Staten)
Orteliusstraat 214-2
1056 PG Amsterdam
Tel.: 06 16 09 47 66
E-mailadres: [email protected]
Belangenconflict: geen gemeld
Financiële ondersteuning: Het onderzoek beschreven
in dit proefschrift is gefinancieerd door het Dutch
Program for Tissue Engineering (DPTE 06728) en
Sanquin PPO-C. Aan de drukkosten van het proefschrift hebben de volgende instellingen een bijdrage
geleverd: Sanquin Research, Universiteit van Amsterdam, First European MSC-award.
Ontvangen 10 oktober 2011, geaccepteerd 23 januari 2012.
t i j d s c h r i f t
v o o r
b l o e d t r a n s f u s i e vol.
5
nr.
1 - 2 0 12
32