Aikuisen kantasolujen mahdollisuudet luukudosteknologiassa

Tutkimuksen tausta ja merkitys

Rasva- ja hammaskudos ovat mielenkiintoisia ja runsaita kantasolujen lähteitä, joilla on terapeuttisia sovellusmahdollisuuksia lääketieteen eri osa-alueilla kudosvaurioiden korjaamisessa. Mesenkymaalisia kantasoluja esiintyy monissa eri kudoksissa, esimerkiksi luuytimessä, rasvakudoksessa ja hampaan kudoksissa. Näillä kantasoluilla on kyky uusiutua kantasoluina ja erilaistua useiksi eri solutyypeiksi kudoksen signaalien ohjaamina. Toisin kuin luuytimen kantasolut, joiden esiintymistiheys luuytimessä on alhainen, rasvakudoksen kantasoluja saadaan eristettyä suurissa määrin joko rasvaimu- tai rasvakudosnäytteestä, ja niitä voidaan vaivattomasti lisätä laboratoriossa. Myös hampaan kantasolupopulaatioita saadaan eristettyä runsaasti viisaudenhampaasta. Lisäksi viisaudenhampaat ovat ihmiselle tarpeettomia, ja ne voidaan poistaa suhteellisen kivuttomasti. Rasvakudoksen kantasoluilla ja hampaan kantasolupopulaatioilla on samantyyppisiä ominaisuuksia kuin luuytimen kantasoluilla; ne erilaistuvat laboratorio-olosuhteissa vähintään luu-, rusto- ja rasvasolujen suuntaan. Lisäksi rasvakudoksen kantasolujen on todettu alentavan immunologista vastetta, estävän vakavaa käänteishyljintäreaktiota solu- ja eläinmalleissa, ja niiden on todettu olevan geneettisesti vakaampia pitkäaikaisviljelyssä kuin luuytimen kantasolujen.

Ennen kuin soluja voidaan hyödyntää kliinisissä kantasoluhoidoissa, niitä täytyy lisätä laboratoriossa. Tällä hetkellä yleisesti käytössä olevat soluviljelyreagenssit sisältävät eläinperäisiä ainesosia, joista turvallisuussyistä on päästävä eroon, sillä ne voivat kliinisessä käytössä aiheuttaa vakavan immuunivasteen soluterapiapotilaassa. Muihin eläinperäisten ainesosien tuomiin riskeihin kuuluvat virusten ja bakteerien aiheuttamat infektiot, prionit ja toistaiseksi tunnistamattomat eläintaudit.

Materiaalit ja menetelmät

Tässä työssä tutkittiin aikuisten eri kudoksista peräisin olevien kantasolujen uusiutumis- ja erilaistumiskykyä laboratorio-olosuhteissa. Tutkimuksissa käytettiin viisaudenhampaan kantasolupopulaatioita, kuten hammaspulpan, -follikkelin ja juurikalvon kantasoluja sekä rasvakudoksen kantasoluja. Lisäksi rasvakudoksen kantasolujen kasvatusolosuhteita kehitettiin vastaamaan Euroopan unionin edellyttämien hyvien tuotantotapojen (engl. Good Manufacturing Practice, GMP) vaatimuksia. Viimeisessä osatyössä arvioitiin rasvakudoksen kantasolujen kliinistä soveltuvuutta kokeellisessa kudosteknologisessa luunkudoksen rekonstruktiossa.

Tulokset

Tulokset osoittivat hampaan kantasolupopulaatioilla olevan mesenkymaalisille kantasoluille ominaisia piirteitä ja kyky erilaistua rusto- ja luusolujen suuntaan. Siten ne soveltuisivat käytettäviksi kovakudossovelluksissa kallon ja kasvojen alueella. Rasvakudoksen kantasolut ilmensivät eri kasvatusolosuhteissa mesenkymaalisille kantasoluille tyypillisiä pintamolekyylejä ja ne voitiin erilaistaa luu-, rusto- ja rasvasolujen suuntaan. Yhtäläisyyksistä huolimatta eri kasvatusolosuhteissa viljellyissä rasvakudoksen kantasoluissa esiintyi olennaisia eroja solusyklin etenemisen ja solujen erilaistumisen keskeisten geenien ilmentymisessä.

Johtopäätökset

Rasvakudoksen kantasoluja hyödyntäviä kliinisiä soluterapiakokeita on paraikaa käynnissä, mikä edellyttää keskittymistä laboratorio-olosuhteissa lisättyjen solujen turvallisuuteen, menetelmien toistettavuuteen ja laatuun. Tämä työ osoittaa, että eri kudoksista lähtöisin olevilla kantasoluilla on samantapaiset ominaispiirteet, ja niitä voidaan hyödyntää kantasoluterapiassa. Tulokset osoittavat myös kasvatusolosuhteilla olevan huomattava vaikutus soluihin geenitasolla; muokkaamalla kasvatusolosuhteita voidaan vaikuttaa kliiniseen tarkoitukseen tähtäävän solutuotteen laatuun. Lisäksi solukasvatusolosuhteiden huolellinen arviointi erilaisilla, kuitenkin tarkoin määrätyillä analyysimenetelmillä on ensiarvoisen tärkeää, jotta solujen soveltuvuus voidaan määrittää. Täydentäviä prekliinisiä turvallisuus- ja tehokkuustutkimuksia tarvitaan vielä ennen kuin aikuisten kantasolujen kaikki hyödyntämismahdollisuudet voidaan toteuttaa.

Characterization and optimization of in vitro culture conditions of adult stem cells for clinical cell therapy

Adipose and dental tissues are attractive sources of stem cells with therapeutic applicability in diverse medical fields for repair and regeneration of acute and chronically damaged tissues. However, the stem cells must be thoroughly characterized before utilization in clinical studies. In this PhD study, stem cells from dental pulp, dental follicle and periodontal ligament from impacted third molars as well as stem cells from adipose tissue were investigated. In the final part of the study, the clinical applicability of adipose stem cells (ASCs) was evaluated in a bone- reconstruction case study. The results show that cells from dental tissues exhibit stem-cell characteristics and show usability in hard- tissue engineering applications. ASCs also showed characteristics of mesenchymal stem cells and multipotential differentiation capacity; however, fundamental differences in gene regulation were detected in different culture conditions. The results of the study suggest that cells from various adult tissues can be utilized for clinical cell therapy, but that the choice of culturing supplements has considerable effects on the cells at gene level. Nevertheless, additional studies of pre-clinical safety and efficacy will be needed before the potential of adult stem cells can be fully realized.

Osajulkaisut:

I. Lindroos B, Mäenpää K, Ylikomi T, Oja H, Suuronen R, Miettinen S. Characterisation of human dental stem cells and buccal mucosa fibroblasts. Biochem Biophys Res Commun 2008; 368: 329–5.

II. Lindroos B, Aho KL, Kuokkanen H, Räty S, Huhtala H, Lemponen R, Yli-Harja O, Suuronen R , Miettinen S. Differential gene expression in adipose stem cells cultured in allogeneic human serum versus fetal bovine serum. Tissue Eng Part A 2010 (Epub ahead of print).

III. Lindroos B, Boucher S, Chase L, Kuokkanen H, Huhtala H, Haataja R, Vemuri M, Suuronen R, Miettinen S. Serum-free, xeno-free culture media maintains the proliferation rate and multipotentiality of adipose stem cells in vitro. Cytotherapy 2009; 11: 958–72.

IV. Mesimäki K, Lindroos B, Törnwall J, Lindqvist C, Kontio R, Miettinen S, Suuronen R. Novel maxillary reconstruction with ectopic bone formation by GMP adipose stem cells. Int J Oral Maxillofac Surg 2009; 38:201–9.

Julkaisun pysyvä osoite: http://acta.uta.fi/teos.php?id=11278