Claudia Borsa*, Ioan Borsa**
*Senior researcher, “Ana Aslan” National Institute of Gerontology and Geriatrics, Bucharest.
** MD, PhD, “Grigore Alexandrescu”, Children Emergency Hospital, Bucharest.
Rezumat
Terapia tisulara regenerativa, bazata pe celule stem mezenchimale umane, constituie actual o noua strategie in prevenirea si tratarea osteoporozei. Eforturile de cercetare sunt indreptate spre dezvoltarea unei adevarate terapii osteogenice pentru crearea de tesut osos mineralizat nou in locurile critice, spre deosebire de simpla prevenire a pierderii osoase prin folosirea agentilor anti-resorbtivi.
Pierderea osoasa sistemica, in general, nu poate fi reparata prin tratamente osteoinductive sau osteoconductive deoarece pacientii cu osteoporoza, si in special femeile in post-menopauza, sunt incapabili de a recruta sau genera suficiente celule progenitoare de formare osoasa necesare pentru vindecarea defectului osos. Prin marirea numarului de celule progenitoare mezenchimale proprii pacientului, hMSCs, si a potentialului lor osteogenic, si astfel prin largirea rezervorului de osteoblasti formatori de os, masa osoasa poate fi restaurata si riscul de fracturi dependente de varsta poate fi scazut, utilizand mecanismul de reparare natural, propriu organismului.
Actual, stimularea potentialului osteogenic al hMSCs prin exprimarea unor factori de crestere sau utilizarea unor compusi naturali sau sintetici constituie o noua strategie terapeutica in regenerarea osoasa, boli osoase degenerative si osteoporoza.
Noile cercetari experimentale si clinice sunt indreptate spre dezvoltarea de noi terapii regenerative celulare, pe baza de hMSCs, si noi medicamente sintetice osteoinductive si osteogenice sau compusi naturali pentru prevenirea sau tratamentul osteoporozei si a complicatiilor sale.
Abstract
Regenerative tissue therapy based on human mesenchymal stem cells (hMSCs) is actually a new strategy for the prevention and treatment of osteoporosis. The research efforts are conducted to develop a truly osteogenic therapy for creating new mineralized bone tissue at critical sites rather than simply preventing the bone loss with anti-resorptive agents.
Systemic bone loss cannot generally be repaired via osteoconductive or osteoinductive treatments because the patients with osteoporosis, especially post-menopausal women, are unable to recruit or generate sufficient bone-forming progenitor cells to heal the bone defect. By increasing the number of the patient’s own mesenchymal progenitor cells, hMSCs, and their osteogenic potential, and thus enlargement the reservoir of bone-forming osteoblasts, bone mass can be restored and the risk of age-related fractures reduced, using the body’s own natural repair mechanism.
Actually, the stimulation of hMSCs osteogenic potential by expressing some growth factors or the utilizing of natural or synthetic compounds constitute a new therapeutic strategy in bone regeneration, degenerative bone diseases and osteoporosis.
The new experimental and clinical research are conducted to the development of new cellular regenerative therapies based on hMSCs and new osteogenic and osteoinductive natural and synthetic drugs for the prevention and treatment of osteoporosis and their complications.
Introducere
Osteoporoza afecteaza o mare parte a populatiei varstnice, si in special femeile in post-menopauza. Scaderea densitatii osoase care caracterizeaza osteoporoza conduce la fragilitate osoasa crescuta si risc marit de fracturi.
Cauzele principale ale osteoporozei sunt:
- deficienta de estrogeni
- imbatranirea
- scaderea capacitatii celulelor stem mezenchimale endogene de a forma osteoblasti si marirea resorbtiei osoase
Tratamentul actual al osteoporozei se bazeaza pe agenti anti-resorbtivi, care previn pierderea de masa osoasa, si impreuna cu suplimentarea calciului imbunatatesc regenerarea osoasa.
Celulele stem mezenchimale umane (hMSCs, human mesenchymal stem cells) au capacitatea de a se diferentia in diverse linii celulare, putand genera osteoblasti si astfel pot forma sau regenera os. Odata cu inaintarea in varsta si capacitatea osteoinductiva a MSCs scade (Wang si col., 2014). De asemenea, la pacientii cu osteoporoza, atat proprietatile hMSCs cat si ale micromediului maduvei osoase sunt afectate, influentand negativ formarea osoasa (Yamaguchi, 2013). De aceea, noile cercetari in domeniul osteoporozei si terapiei celulare sunt axate pe marirea capacitatii osteoinductive a hMSCs endogene.
MSCs – sursa endogena de celule osoase
Celulele stem mezenchimale, datorita abilitatii lor de auto-regenerare si diferentiere, reprezinta sursa “in vivo” de inlocuire a celulelor pierdute din tesuturile cu turnover ridicat, inclusiv tesutul osos. MSCs au potential osteogenic fiind eligibile pentru repararea si mentinerea scheletului pe parcursul vietii unui organism, fiind deosebit de atractive in terapia tisulara si medicina regenerativa (Veronesi si col., 2011)
Recent Vitro Biopharma a lansat linia de osteoblasti derivati din MSCs umane pentru noi cercetari de varf in descoperirea si dezvoltarea de noi medicamente pentru regenerarea osoasa si dezvoltarea de noi terapiii celulare in bolile osoase degenerative, inclusiv osteoporoza, precum si in accelerarea repararii osoase.
Celulele stem mezenchimale regenereaza osul prin marirea activitatii osteoblastice proprii si mentinerea unei balante favorabile intre activitatea osteoblastica si osteoclastica.
Strategii pentru stimularea regenerarii osoase in osteoporoza
In osteoporoza, scaderea densitatii osoase este o functie a resorbtiei osoase accelerate, datorate in principal nivelelor scazute, dependente de varsta, a estrogenilor circulanti; concomitent cu declinul capacitatii regenerative osoase datorat proceselor imbatranirii umane. In imbatranire, balanta osteogeneza/resorbtie osoasa se inclina spre pierderea masei osoase.
Strategiile farmacologice curente pentru redresarea acestei balante, vizeaza in principal inhibarea resorbtiei osoase osteoclastice prin: utilizarea agentilor anti-resorbtivi (bifosfonati, alendronat, calcitonina etc) sau a terapiei de inlocuire hormonala cu estrogeni. Nu exista actual compusi farmacologici eficienti care sa inverseze efectiv pierderea osoasa din osteoporoza.
Actual, singurul agent anabolic pentru cresterea osoasa aprobat de Food and Drug Administration (FDA) S.U.A. este proteina hPTH 1-34 (human parathyroid hormone fragment, hPTH 1–34) (Diederik si col., 2010).
Cercetari de varf vizeaza actual descoperirea si testarea de noi compusi de stimulare a formarii si regenerarii osoase.
Terapiile celulare regenerative pe baza de celule stem au devenit baza cercetarilor fundamentale si aplicative in regenerarea osoasa, boli osoase degenerative si osteoporoza.
Noile strategii de stimulare a regenerarii osoase in osteoporoza cuprind:
- terapia tisulara regenerativa cu hMSCs
- marirea numarului de hMSCs endogene
- stimularea capacitatii hMSCs de formare a osteoblastilor
- stimularea mecanismelor de reparare osoasa endogene
- marirea activitatii osteogenice cu agenti pro-osteogenici
Stimularea capacitatii hMSCs de a forma osteoblasti
Cercetari recente au pus in evidenta stimularea capacitatii hMSCs de a forma osteoblasti prin:
- exprimarea factorului de crestere insulinic (IGF-1, insulin growth factor-1)
- gama interferon (IFN-gamma, interferon-gamma)
- molecula hibrid LLP2A-Alendronate (LLP2A-ALE)
Cercetatorii de la Universitatea de Medicina Carolina de Nord au reusit experimental sa mareasca abilitatea MSCs de formare osteoblastica si regenerare osoasa prin exprimarea factorului IGF-1 (insulin-like growth factor 1). Ei au obtinut celule stem mezenchimale de la soareci si au exprimat IGF-1, transplantand apoi celulele tratate in osul afectat. Vindecarea osoasa a fost mai rapida si noul os a fost de 3-4 ori mai puternic la soarecii astfel tratati fata de lotul de control (Lang, 2011).
De asemenea, Richard Kremer si colaboratorii de la Universitatea Mc Gill au demonstrat ca si gama interferonul (IFN-gamma) este un factor integral pentru diferentierea MSCs in osteoblasti. Celulele stem mezenchimale au fost diferentiate “in vitro” in osteoblasti, demonstrandu-se ca procesul diferentierii lor implica gene dependente de gama interferon (Kremer si col., 2009, 2011).
Surprinzatoare sunt rezultatele obtinute de cercetatorii de la Universitatea California, Davis Health System, Sacramento, SUA, care au descoperit o molecula hibrid LLP2A-alendronat (LLP2A-Ale) capabila sa potenteze activitatea osteoblastica a celulelor stem endogene de a forma os. Partea LLP2A se ataseaza la MSCs din maduva osoasa endogena, iar alendronatul este un medicament “bone-homing”. Injectarea acestui compus in sistemul circulator al soarecilor a determinat migrarea prompta a celulelor stem endogene spre suprafata osului si diferentierea lor in osteoblasti. Rezultatele experimentale obtinute au evidentiat clar o reducere substantiala a semnelor osteoporozei; fiind un pas important in descoperirea unui nou medicament care sa directioneze MSCs endogene spre suprafata osului afectat si sa-l regenereze (Lan si col., 2012; 2013).
Studii “in vitro” au demonstrat capacitatea moleculei hibride LLP2A-Ale de a mari migrarea MSCs, diferentierea lor in osteoblasti, maturarea osteoblastilor si formare osoasa, reflectate de marirea expresiei Runx2 si osteocalcinei si cresterea depozitiei matricea osoase calcificate, prevenind pierderile de os trabecular asociate imbatranirii, deficientei de estrogeni sau osteoporozei. Compusul studiat nu a afectat nici potentialul condrogenic nici adipogenic al MSCs. Ca urmare LLP2A-Ale directioneaza MSCs endogene sau MSCs transplantate spre osul afectat si mareste formarea ososa, fara a avea nicio actiune resorbtiv-osoasa (Lane si col., 2013).
Actual sunt lansate studii preclinice si clinice privind tratamentul cu LLP2A-Ale in osteoporoza si repararea fracturilor.
De asemenea, a fost lansata o noua strategie terapeutica in imbunatatirea calitatii osului prin cuplarea celulelor stem mezenchimale derivate din maduva osoasa cu plasma imbogatita in trombocite (platelet rich plasma, PRP), (Yamada si col., 2014)
Stimularea potentialului osteogenic al hMSCs cu produsi naturali
Utilizarea hMSCs in terapia celulara regenerativa in osteoporoza necesita imbunatatirea capacitatii lor proliferative si osteogenice. Actual, produsii naturali sunt des utilizati in terapia celulara. Astfel, epigalocatechin-3-galat (EGCG, Epigallocatechin-3-gallate) o catechina din ceaiul verde are efecte pro-osteogenice. Jin si colaboratorii (2014) au demonstrat efectele pro-osteogenice ale EGCG in hMSCs prin marirea proliferarii celulare osteogenice, marirea activitatii fosfatazei alcaline, reglarea expresiei genelor osteogenice si formarea pseudo-nodulilor ososi. Mecanismele prin care EGCG intervine in diferentierea osteogenica cuprind: reglarea Runx2 si modularea expresiei proteinei morfogenetice osoase2 (BMP-2, bone morphogenetic protein-2). De asemenea, studiile experimentale au evidentiat implicarea efectului antioxidant al EGCG.
De asemenea, acidul p-hidroxicinamic (HCA, hydroxycinnamic acid), un flavonoid natural din plante, prezinta efect osteogenic si antiresorbtiv osos, stimuland in acelasi timp si mineralizarea osoasa (Yamaguchi, 2013). Acest biofactor, stimuland diferentierea MSCs din maduva osoasa la osteoblastogeneza, este considerat un nou factor osteogenic in tratarea osteoporozei diabeticilor cu obezitate.
Bibliografie
Diederik H.R. Kempen, Lichun Lu, Theresa E. Hefferan, Laura B. Creemers, Andras Heijink, Avudaiappan Maran, Wouter J.A. Dhert, M.D., and Michael J. Yaszemski,. Enhanced Bone Morphogenetic Protein-2-Induced Ectopic and Orthotopic Bone Formation by Intermittent Parathyroid Hormone (1–34) Administration Tissue Eng Part A. Dec 2010; 16(12): 3769–3777
Duque G, Huang DC, Dion N, Macoritto M, Rivas D, Li W, Yang XF, Li J, Lian J, Marino FT, Barralet J, Lascau V, Deschênes C, Ste-Marie LG, Kremer R. Interferon-γ plays a role in bone formation in vivo and rescues osteoporosis in ovariectomized mice. J Bone Miner Res. 2011 Jul; 26(7):1472-83.
Guan M, Yao W, Liu R, Lam KS, Nolta J, Jia J, Panganiban B, Meng L, Zhou P, Shahnazari M, Ritchie RO, Lane NE. Directing mesenchymal stem cells to bone to augment bone formation and increase bone mass. Nat Med., 2012, Feb 5;18(3):456-62.
Jin P, Wu H, Xu G, Zheng L, Zhao J. Epigallocatechin-3-gallate (EGCG) as a pro-osteogenic agent to enhance osteogenic differentiation of mesenchymal stem cells from human bone marrow: an in vitro study. Cell Tissue Res., 2014, May; 356(2):381-90.
Lang, Les. “Stem cell treatment may offer option for broken bones that don’t heal.” 6 Jun 2011, at The Endocrine Society’s 93rd Annual Meeting in Boston, Mass. http://www.med.unc.edu/www/newsarchive/2011
Stem cells could halt osteoporosis, promote bone growth MUHC team describes a new pathway that controls bone remodeling.” 4 Mar 2009. Web. <http://muhc.ca/newsroom/news/
Veronesi F, Torricelli P, Borsari V, Tschon M, Rimondini L, Fini M. Mesenchymal stem cells in the aging and osteoporotic population. Crit Rev Eukaryot Gene Expr. 2011; 21(4):363-77.
Yamaguchi M. Bone Marrow Mesenchymal Stem Cell Differentiation: Involvement in
Osteoporosis with Obesity and Diabetes. Journal of Bone Marrow Research, 2013, 1:4
Yamada Y, Nakamura S, Klein OD, Ito K. Current trends in stem cell therapy for improvement of bone quality. Histol Histopathol., 2014, Jun; 29(6):691-7.
Wang Q, Zhao B, Li C, Rong JS, Tao SQ, Tao TZ. Decreased proliferation ability and differentiation potential of mesenchymal stem cells of osteoporosis rat. Asian Pac J Trop Med. 2014, May; 7(5):358-63.
Wei Yao, Min Guan, Junjing Jia, Weiwei Dai, Yu-An E. Lay, Sarah Amugongo, Ruiwu Liu, David Olivos, Mary Saunders, Kit Lam, Jan Nolta, Diana Olvera, Robert O. Ritchie, and Nancy E. Lane. Reversing Bone Loss By Directing Mesenchymal Stem Cells To The Bone. Stem Cells. 2013, September; 31(9): 2003–2014
