Genes & CellsGenes & CellsГены и КлеткиGenes and Cells2313-18292500-2562Human Stem Cells Institute12166310.23868/gc121663ArticlesСтатьи«Niche - relief» conception for stem cells as a basis of biomimetic approach to boneand hemopoietic tissues engineeringКонцепция «ниша - рельеф» для стволовых клетоккак основа биомиметического подхода к инженериикостной и кроветворной тканейKhlusovI AХлусовИ А

Siberian State Medical University, Tomsk

Сибирский государственный медицинский университет, Томск

ShevtsovaN MШевцоваН М

Siberian State Medical University, Tomsk

Сибирский государственный медицинский университет, Томск

KhlusovaM YuХлусоваМ Ю

Siberian State Medical University, Tomsk

Сибирский государственный медицинский университет, Томск

ZaitsevK VЗайцевК В

Tomsk SRI of Balneology and Physiotherapy, Tomsk

Томский НИИ курортологии и физиотерапии ФМБА России, Томск

SharkeevYu PШаркеевЮ П

Institute of Strength Physics and Materials Science of SB RAS, Tomsk

Институт физики прочности и материаловедения СО РАН, Томск

PichuginV FПичугинВ Ф

Research and Education Center Biocompatible Materials and Bioengineering attached to Tomsk Polytechnic Universityand Siberian State Medical University, Tomsk

НОЦ «Биосовместимые материалы и биоинженерия» при Томском политехническом университетеи Сибирском государственном медицинском университете, Томск

LegostaevaE VЛегостаеваЕ В

Institute of Strength Physics and Materials Science of SB RAS, Tomsk

Институт физики прочности и материаловедения СО РАН, Томск

Siberian State Medical University, TomskСибирский государственный медицинский университет, ТомскTomsk SRI of Balneology and Physiotherapy, TomskТомский НИИ курортологии и физиотерапии ФМБА России, ТомскInstitute of Strength Physics and Materials Science of SB RAS, TomskИнститут физики прочности и материаловедения СО РАН, ТомскResearch and Education Center Biocompatible Materials and Bioengineering attached to Tomsk Polytechnic Universityand Siberian State Medical University, TomskНОЦ «Биосовместимые материалы и биоинженерия» при Томском политехническом университетеи Сибирском государственном медицинском университете, Томск1506201162NO2 (2011)№2 (2011)556411012023Copyright ©; 2011, Eco-VectorCopyright ©; 2011, Эко-Вектор2011Eco-VectorЭко-Векторhttps://genescells.ru/2313-1829/article/view/121663

An affect of relief features and quantitative parameters of model mineral matrix on in vitro structure-functional status of human lung prenatal stromal cells (HLPSC) and in vivo remodeling of mice bone/marrow system has been studied. According to data established, rough (Ra > 2 m) implants with calcium phosphate micro-arc coatings simulate three-dimensional state of regenerating bone matrix. Such surfaces have own structure-functional sites (microregions) which were named by niche - relief and were necessary for maturation and differentiation of HLPSC to secreting osteoblasts. Maximum remodeling of mice bone/marrow system in heterotopic test in vivo was also observed under optimal parameters of osteogenic niche in vitro (approximately 43% average index of cellular alkaline phosphatase square to artificial microregion area). A probable cell-molecular mechanism of influence experimental 3D-modeling of bone surface on selection of quiescent or active state by endosteal niche has been detected. It connects with activating cellular production of bone matrix components (alkaline phosphatase, osteocalcin, collagen, calcium phosphates) that dissociate dimensionally stromal and hemopoietic elements, and with parallel diminishing TNF secretion in intercellular medium. The data obtained develop our previous speculations about existence and sizes of artificial endosteal niche for osteogenic differentiation of multipotent mesenchimal stromal cells.

Изучено влияние особенностей рельефа и количествен- ных параметров модельного минерального матрикса на структурно-функциональное состояние пренатальных стро- мальных клеток легкого человека in vitro и ремоделирование системы кость - костный мозг мышей in vivo. Согласно по- лученным данным, шероховатые (Ra > 2 мкм) имплантаты с кальций-фосфатным микродуговым покрытием имитируют трехмерное состояние регенерирующего костного матрикса. Такие поверхности несут структурно-функциональные участ- ки (микрорегионы), которые были названы ниши - рельеф, необходимые для созревания и дифференцировки прена- тальных мультипотентных мезенхимальных стромальных клеток (ММСК) человека в секретирующие остеобласты. При оптимальных параметрах остеогенной ниши in vitro (средний индекс площади щелочной фосфатазы в клетках к площади искусственной микротерритории приблизительно 43%) от- мечается также максимальное ремоделирование системы кость - костный мозг мышей в гетеротопическом тесте in vivo. Установлен in vitro вероятный клеточно-молекулярный механизм влияния экспериментального 3D-моделирования поверхности кости на переключение эндостальной ниши из молчащего в активное состояние. Он связан с актива- цией клеточной продукции компонентов костного матрикса (щелочная фосфатаза, остеокальцин, коллаген, фосфаты кальция), пространственно разобщающих стромальные и кроветворные элементы, и параллельным снижением секре- ции TNF в межклеточную среду. Полученные данные раз- вивают наши предыдущие представления о существовании и размерах искусственной эндостальной ниши для остеоген- ной дифференцировки ММСК.

Dellatore S.M., Garsia A.S., Miller W.M. Mimicking stem cell niches to increase stem cell expansion. Curr.Opin.Biotechnol. 2008; 19: 534-40.Yin T., Li L. The stem cell niches in bone. J. Clin. Inv. 2006; 116(5): 1195-201.Jing D., Fonseca A.-V., Alakel N. et al. Hematopoietic stem cells in co-culture with mesenchemal stromal cells - modeling the niche compartments in vitro. Haematologica 2010; 95: 542-50.Kolf C.M., Cho E., Tuan R.S. Mesenchemal stromal cells. Biology of adult mesenchymal stem cells: regulation of niche, self-renewal and differentiation. Arthritis Res.Ther. 2007; 9: 204-19.Meirelles L., Chagastelles P.C., Nardi N.B. Mesenchymal stem cells reside in virtually all post-natal organs and tissues. J. Cell Sci. 2006; 119: 2204-13.Scadden D.T. The stem cell niche in health and leukemic disease. Best Pract. Res.Clin. Haematol. 2007; 20: 19-27.Purton L.E., Scadden D.T. The hematopoietic stem cell niche. In: Silberstein L., editor. StemBook. The Stem Cell Research Community; 2008. http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK27051/pdf/The_ hematopoietic_stem_cell_niche.pdf.Хлусов И.А., Хлусова М.Ю., Зайцев К.В. и др. Пилотное ис- следование in vitro параметров искусственной ниши для остеогенной дифференцировки пула стромальных стволовых клеток человека. Клеточные технологии в биологии и медицине 2010; (4): 216-24.Bhattacharya D., Czechowicz A., Ooi A.G.L. et al. Niche recyclingthrough division-independent egress of hematopoietic stem cells. J.Exp.Med. 2009; 206: 2837-50.Риггз Б.Л., Мелтон III.Л. Остеопороз: пер. с англ. СПб.: Из- дательство БИНОМ, Невский диалект; 2000.Curtis A.S., Varde M. Control of cell behavior: Topological factors. J. Natl. Cancer Inst. 1964; 33: 15-26.Sniadecki N.J., Desai R.A., Ruiz S.A. et al. Nanotechnology for cell-substrate interactions. An. Biomed. Engin. 2006; 34: 59-74.Lutolf M.P., Gilbert P.M., Blau H.M. Designing materials to direct stem-cell fate. Nature 2009; 462: 433-41.Lutolf M.P., Doyonnas R., Havenstrite K. et al. Perturbation of single hematopoietic stem cell fates in artificial niches. Integr. Biol. (Camb). 2009; 1: 59-69.Wilson A., Trumpp A. Bone-marrow haematopoietic-stem-cell niches. Nat. Rev. Immunol. 2006; 6: 93-106.Sharkeev Yu.P., Legostaeva E.V., Eroshenko A.Yu. et.al. The structure and physical and mechanical properties of a novel biocomposite material, nanostructured titanium-calcium-phosphate coating. Composite Interfaces 2009; 16: 535-46.Pichugin V. F., Eshenko E. V., Surmenev R.A. et al. Application of high-frequency magnetron sputtering to deposit thin calciumphosphate biocompatible coatings on a titanium surface. J. Surface Investigation 2007; 1(6): 679-82.Чайкина М.В., Хлусов И.А., Карлов А.В. и др. Механохи- мический синтез нестехиометрических и замещенных апатитов с наноразмерными частицами для использования в качестве био- совместимых материалов. Химия в интересах устойчивого развития 2004; 12: 389-99.Тиц Н. Клиническое руководство по лабораторным тестам: пер.с англ. М.: Юнимед-Пресс; 2003.Хейхоу Ф.Г., Кваглино Д. Гематологическая цитохимия. М.: Медицина; 1983.Klein C., De Groot K., Chen W. et al. Osseous substance formation induced in porous calcium phosphate ceramics in soft tissues. Biomaterials 1994; 15: 31-4.Волкова М.А. Клиническая онкогематология. М.: Медици- на; 2001.Li W., Yu B., Li M. et al. NEMO-binding domain peptide promotes osteoblast differentiation impaired by tumor necrosis factor alpha. Biochem. Biophys. Res. Commun. 2010; 391(2): 1228-33.Corcione A., Benvenuto F., Ferretti E. et al. Human mesenchymal stem cells modulate B-cell functions. Blood 2006; 107(1): 367-72.Duncan A.W., Rattis F.M., DiMascio L.N. et al. A role for Wnt signalling in self-renewal of haematopoietic stem cells. Nat. Immunol. 2005; 6: 314-22.Trentin J.J. Determination of bone marrow stem cell differentiation by stromal hemopoietic inductive microenvironments (HIM). Am. J. Pathol. 1971; 65: 621-8.Kollet O., Dar A., Shivtiel S. et al. Osteoclasts degrade endosteal components and promote mobilization of hematopoietic progenitor cells. Nat. Med. 2006; 12: 657-64.Eshghi S., Schaffer D.V. Engineering microenvironments to control stem cell fate and function. In: Bhatia S., Polak J., editors. StemBook. The Stem Cell Research Community; 2008. http://www. ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK27048.Porter R.L., Calvi L.M. Comunications between bone cells and hematopoietic stem cells. Arch. Biochem. Biophys. 2008; 473(2): 193-200.Frisch B.J., Porter R.L., Calvi L.M. Hematopoietic niche and bone meet. Curr. Opin. Support. Palliat. Care. 2008; 2: 211-7.Taichman R.S. Blood and bone: two tissues whose fates are intertwined to create the hematopoietic stem-cell niche. Blood 2005; 105(7): 2631-9.Chan C.K., Chen C.C., Luppen C.A. et al. Endochondral ossification is required for hematopoietic stem cell niche formation. Nature 2009; 457: 490-4.Фриденштейн А.Я., Лурия Е.А. Клеточные основы кровет- ворного микроокружения. М.: Медицина; 1980.De Barros A.P., Takiya C.M., Garzoni L.R. et al. Osteoblasts and bone marrow mesenchemal stromal cells control hematopoietic stem cell migration and proliferation in 3D in vitro model. PLoS One. 2010; 5: e9093-9111.Miura Y., Gao Zh., Miura M. et al. Mesenchymal stem cellorganized bone marrow elements: an alternative hematopoietic progenitor resource. Stem Cells 2006; 24(11): 2428-36.Ratner B.D., Hoffman A.S., Schoen F.J. et al, editors. Biomaterials Science: an introduction to materials in medicine. 2nd ed. Elsevier Inc.; 2004.Серов В.В., Шехтер А.Б. Соединительная ткань: функцио- нальная морфология и общая патология. М.: Медицина;1981.Birgersdotter A., Sandberg R., Ernberg I. Gene expression perturbation in vitro - a growing case for three-dimensional (3D) culture systems. Semin. Cancer Biol. 2005; 15: 405-12.Boyan B.D., Lossdorfer S., Wang L. et al. Surface microtopography regulates osteoblasts. Eur. Cells Mat. 2003; 6: 22-7.Peerani R., Rao B.M., Bauwens C. et al. Niche-mediated control of human embryonic stem cell self-renewal and differentiation. EMBO 2007; 26: 4744-55.Aerts F., Wagemaker G. Mesenchymal stem cell engineering and transplantation. In: J.A. Nolta, editor. Genetic Engineering of Mesenchymal Stem Cells. Springer; 2006: p. 1-44.Khlusov I.A., Karlov A.V., Sharkeev Yu.P. et al. Osteogenic potential of mesenchymal stem cells from bone marrow in situ: role of physicochemical properties of artificial surfaces. Bull. Exp. Biol. Med. 2005; 140(1): 144-52.