The role of stem stromal (mesenchymal) cells in the formation of heterotopic ossificates
- Authors: Deev R.V., Bersenev A.V.
- Issue: No 1 (2005)
- Pages: 46-48
- Section: Mini-reviews
- Submitted: 26.02.2023
- Accepted: 26.02.2023
- Published: 06.03.2023
- URL: https://genescells.ru/2313-1829/article/view/289851
- ID: 289851
Cite item
Full Text
Full Text
Гетеротопический остеогенез, приводящий к образованию гетеротопического оссификата (ГО) или внескелетное костеобразование - формирование типичной костной ткани в таком месте организма, где в норме эта ткань не встречается. Наиболее часто ГО обнаруживают межмышечно, в параартикулярных тканях, при репарации связок и сухожилий [1, 25]. Внескелетное костеобразование может стать исходом иного патологического процесса - организации гематом (подкожных, меж- и внутримышечных), первичного туберкулезного аффекта [1], в качестве осложнений спинальной травмы. Описаны ГО в послеоперационных рубцах [2], в очагах постатеросклеротического кальциноза крупных сосудов и клапанов сердца [4], при канцерогенезе [3]. Образованная костная ткань иногда приобретает черты органной организации, вместе с тем, она всегда несет признаки структурно-функциональной неполноценности [27]. При изучении межмышечного ГО установлено его сходство с губчатым веществом кости, однако он был лишен костного мозга (рис. 1). В ряде случаев происходит заселение ГО миелоидным (красным) костным мозгом, источником которого, очевидно, являются циркулирующие гемопоэтические предшественники (рис. 2) [14]. Это согласуется с результатами классических экспериментов по трансплантации культуры стволовых стромальных клеток (ССК) под почечную капсулу, где через 2-3 недели развивается гетеротопический костномозговой орган [5]. В последнее время в связи с изучением биологии мезенхимальных стволовых клеток (МСК) и ССК было высказано предположение о возможном их участии в развитии ГО. Системное экспериментальное изучение гетеротопического костеобразования выполнили А.Я. Фриденштейн и К.С. Лалыкина. Было замечено, что при пересадках фрагментов мочевого пузыря в «мягкие» ткани вокруг трансплантата формировалась костная ткань. Позже было установлено, что при пересадке переходного эпителия мочевого пузыря и урогенитального тракта, а также желчного пузыря в реципиентном ложе развиваются кисты, выстланные соответствующим эпителием к которому тесно прилегает костная ткань в составе соединительнотканной капсулы. Исследования in vitro и in vivo при совместном культивировании переходного эпителия и стромальных клеток кроветворных органов, разделенных миллипоровым фильтром, наблюдали костеобразование со стороны стромальных клеток. Была высказана концепция о том, что клетки переходного эпителия обладают выраженной индуцирующей активностью в отношении полипотентных клеток соединительнотканного ряда. Как известно, последние находятся не только в строме кроветворных органов, но и в периваскулярном окружении, межфасциальных пространствах и др. Что и объясняет экспериментальное костеобразование при пересадках эпителия [5]. Основной характеристикой МСК и ССК является способность к дифференцировке в ткани, имеющие мезенхимальное происхождение - костную, хрящевую, волокнистую соединительную и жировую. Направление дифференцировки МСК/ ССК по хондрогенному или остеогенному пути определяют ряд локальных факторов, поэтому, например, при репаративной регенерации сухожилий и связок в зоне гистогенеза может наблюдаться как хондро- (рис. 3), так и остеогенез.
Рис. 1. Трабекулы гетеротопического оссификата передней группы мышц бедра (получено от пациента 14 лет, через 6 мес. после травмы). а - ретикулофиброзная костная ткань; б активные остеобласты. Межтрабекулярное пространство занято волокнистой соединительной тканью. Окраска: по Румянцеву-Алексиной; x 400.
Рис. 2. Макропрепарат (А) и микропрепарат (В) гетеротопического оссификата, сформированного на месте послеоперационного рубца передней брюшной стенки. Окраска (Б): гематокисилин и эозин. Из Arch Pathol Lab Med 2004; 128: 321-3; с изменениями.
Рис. 3. Очаги хондрогенеза через 7 суток после повреждения апоневротического шлема кролика. А-С - гиалиновая хрящевая ткань; окраска: А - гематоксилин и эозин, х 100; В - по Маллори, х 400; С - по Румянцеву-Алексиной, х 250; D - мощные пучки коллагеновых волокон прободают хрящевую ткань, создавая картину, характерную для фиброзного хряща; окраска: гематоксилин и эозин, x 250.
Остается невыясненным, какие именно клетки дифференцируются в хондробласты и остеобласты. По данным ряда исследований, МСК/ССК обладают высокой миграционной способностью, перемещаются в патологический очаг уже там подвергаются остеогенной дифференцировке (дифференцировка на месте). Так, например, предполагается, что при атерогенезе МСК/ССК из костного мозга мигрируют в стенку сосуда, где участвуют в процессах эволюции бляшки [6]. Однако существует точка зрения, согласно которой остеогенной дифференцировке в очаге подвергаются отличные от СМК/ССК - тканеспецифичные резидентные клетки. Данная концепция вполне согласуется с известной теорией А.Я. Фриденштейна о существовании детерменированных остеогенных клеток-предшественников, облигатно дифференцирующихся в остеобласты, и индуцибельных клеток, которые при сочетании определенных местных условий способны стать костными клетками, однако могут дифференцироваться и в иные скелетные и соединительнотканные клетки — хондроциты, адипоциты, ретикулоциты, фиброциты [5, 25]. В 1999 году были описаны так называемые calcifying vascular cells, которые находятся в строме клапанов, t. media артерий (аорты) и способны дифференцироваться в остеобласты [7, 8]. Некоторые авторы связывают развитие ГО после ортопедических операций со «случайным заносом» МСК из губчатого вещества кости и с их последующей дифференцировкой в клетки костной ткани [10]. Общим в этих подходах является признание того факта, что данные клетки дифференцируются не спонтанно, а будучи подвержены воздействию факторов микроокружения [25]. Индукцию дифференцировки МСК/ССК по хондрогенному или остеогенному пути определяют известные факторы - факторы роста и другие цитокины воспаления, напряжение кислорода, трёхмерная организация подлежащего матрикса [23, 25], ишемия [11]. Установлено, что отдельная популяция остеопрогениторных клеток находится в соединительной ткани скелетных мышц [9]. Такие клетки могут быть выделены, культивированы и подвержены остеогенной дифференцировке in vitro [12]. Однако in vivo их остеогенная дифференцировка запрещена. Так, группа японских исследователей вводила в m. soleus ген костного морфогенетического белка-2 (BMP-2) посредством аденовируса. Обнаружено, что остеогенез при такой постановке опыта не происходит. Если введение гена сочетали с ишемией мышцы, то наблюдали формирование ГО в толще всей мышцы [13]. Принимая во внимание, что МСК/ССК находятся практически во всех органах в составе соединительнотканного их компонента (строма, фасции, периваскулярное окружение), образование ГО в любых органах вполне объяснимо [25]. Таким образом, во всех областях распространения в организме МСК/ССК возможно формирование ГО. Представляет интерес, будет ли развиваться этот процесс после клеточных трансплантаций СМК/ ССК. В том случае, когда пересадка этих клеток выполняется в интересах реконструкции органов опорно-двигательного аппарата, мы рассчитываем на их участие в остеогенезе. В то же самое время остеогенез в иных органах может стать причиной серьезных осложнений. Может ли системное введение МСК/ССК индуцировать нежелательное образование ГО? Способно ли локальное введение МСК/СКК индуцировать нежелательный остеогенез в месте введения, например, при клеточной кардиомиопластике? На сегодняшний день экспериментальных и клинических данных об этом явно недостаточно.
В 1983 году были опубликованы данные о том, что через 3 года после трансплантации аллогенных DLA-совместимых клеток костного мозга у собак, находили диффузные кальцификаты в легких. Эти данные были получены на аутопсии, причиной смерти животных послужила прогрессирующая дыхательная недостаточность [15]. В недавнем исследовании, опубликованном в Circulation [16], крысам интрамиокардиально трансплантировали по полмиллиона нефракционированных ядросодержащих клеток костного мозга или столько же стромальных клеток. Через 2 недели после трансплантации нефракционированного костного мозга, у 4-х из 16-ти (25%) крыс в миокарде были обнаружены кальцификаты. Также они были найдены в местах скопления предварительно меченных в культуре клеток, что подтверждает, участие пересаженных клеток в формировании минерализованной ткани [16]. Результаты этого исследования служат серьёзным сигналом для более глубокого изучения проблемы перед внедрением клеточной терапии МСК/СКК в клиническую практику.
Однако результаты экспериментов по системной инфузии МСК/ССК различным видам животных не указывают на явление ГО. Так, было изучено распределение МСК по внутренним органам в динамике у здоровых крыс и обезьян, при внутривенном, внутриартериальном и внутрибрюшинном введении алло-, ауто- и сингенных клеток [17, 18]. Недостатком этих исследований является отсутствие изучения отдаленных результатов. Внутривенная инфузия аллогенных МСК/ССК человеку также была признана безопасной и не выявляла осложнений в виде ГО [19, 20].
Однако отдаленные результаты этих исследований также неизвестны. Следует учитывать тот факт, что у 69% пациентов, умерших в разные сроки после трансплантации костного мозга и имеющих дисфункцию почек, обнаруживали кальцификацию канальцев [21]. Поскольку МСК/СКК перед введением подвергают культивированию, следует отметить, что миграция и хоуминг этих клеток значительно снижается от самого факта культивирования, т.к. происходит «потеря» поверхностных сигнальных молекул. Так, было показано, что культивированные МСК мыши значительно хуже мигрируют в костный мозг и селезёнку, по сравнению со свежевыделенными клетками [22]. Показано, что трансплантация МСК/ССК на биоматриксе-носителе способствует быстрому остеогенезу в эктопическом сайте [23]. Эта способность не зависела даже от степени васкуляризации нетипичных окружающих (тканей скелетные мышцы и подкожная клетчатка) [24]. Эти данные можно использовать при клеточных трансплантациях МСК/СКК, избегая локальных или системных побочных эффектов.
Несомненно, представленная проблема ещё требует своего экспериментального изучения. Вместе с тем, уже сейчас представляется актуальным наметить пути профилактики возможного формирования ГО после клеточных трансплантаций. Одним из основных направлений профилактики могла бы стать частичная индукция направленной дифференцировки клеток в культуре. Например, для целей стимуляции ангиогенеза (кардиомиопластика, ишемия нижних конечностей) избегать введения недифференцированных МСК/СКК или цельной ядросодержащей фракции клеток костного мозга, а вводить клетки, которые уже непосредственно будут участвовать или стимулировать ангиогенез - эндотелиальные прогениторы, ангиобласты. Следовательно, необходимо разработать стандарты для фенотипического картирования получаемых и вводимых культур.
About the authors
R. V. Deev
Author for correspondence.
Email: info@eco-vector.com
Russian Federation
A. V. Bersenev
Email: info@eco-vector.com
Russian Federation
References
Supplementary files
