Kmenové buňky v ortopedii


Stem cells in orthopaedics

Sharing new ideas and approaches is needed to advance basic scientific research as well as the clinical application of stem cells. In this newsletter we present the current knowledge in stem cell research and therapy within the field of orthopaedics, presenting the definitions, types and sources of the stem cells. The second part of this newsletter focuses on the clinical application of stem cells in the therapy of tissues with very limited capacity for self-regeneration; this includes tendons and ligaments, particularly found in rotator cuff rupture. The sever problems associated with articular cartilage repair have lead to the need for the development of clinical research, with the aim of finding efficient clinical applications of stem cell therapy in cartilage defects and osteoarthritis. However in addition to this, such therapy could be used for the regeneration of bone, as in bone defect repair. The clinical outcome of stem cell therapy is a promising option for the treatment of cartilage, bone and tendon defects; however an increased sample size and additional long-term prospective randomised studies are needed to confirm these preliminary results.

Keywords:
stem cells – cartilage – bone marrow stem cells – clinical application


Autoři: Pavel Neckař 1;  Eva Syková 2
Působiště autorů: Krajská zdravotní a. s., Masarykova nemocnice v Ústí nad Labem, o. z. 1;  Institute of Experimental Medicine AS CR, EU Centre of Excellence, Prague, Czech Republic 2
Vyšlo v časopise: Čas. Lék. čes. 2015; 154: 107-109
Kategorie: Přehledový článek

Souhrn

V dnešní době je žádoucí publikovat a veřejně sdílet nová fakta a výsledky preklinického i klinického zkoumání na poli kmenových buněk. V tomto přehledovém článku prezentujeme současný stav poznání z oblasti využití kmenových buněk při léčbě poruch pohybového ústrojí z pohledu ortopeda. Nejprve definujeme základní charakteristiku, typy a zdroje kmenových buněk. V další části se zaměřujeme na klinickou aplikaci kmenových buněk u tkání, pro které je charakteristická jejich snížená schopnost sebe obnovy. Mezi tyto tkáně řadíme chrupavku s jejím postižením při osteoartróze, kostní defekty a paklouby, dále šlachy a svaly v místě úponů, typickým zástupcem je rotátorová manžeta. Výsledky klinických aplikací kmenových buněk jsou slibné. Ale k vytvoření konečného závěru je nutné vyčkat výsledků větších, dlouhodobých, prospektivních a randomizovaných studií.

Klíčová slova:
kmenové buňky – chrupavka – buňky kostní dřeně – klinická aplikace

ÚVOD

V dnešní době se dostává v medicíně do popředí terapie z oblasti regenerativní medicíny. Do této skupiny léčebných metod patří také aplikace kmenových buněk. Slibné výsledky pokusů na zvířatech vedou ke klinickým studiím a tyto dávají optimistický výhled do budoucna. Z dále uvedených objektivních důvodů je terapie kmenovými buňkami pod drobnohledem odborných lékařských společností a veřejných médií. V současné době, kterou lze označit za mírně nepřehlednou, při záplavě publikovaných údajů, je snaha o kritický pohled na danou problematiku vždy žádoucí.

KMENOVÉ BUŇKY

Kmenové buňky jsou buňky schopné se diferencovat v různé typy dospělých buněk. Celou skupinu lze rozdělit na dvě základní podskupiny, a to 1. embryonální (ESCs), fetální a indukované pluripotentní buňky (iPSC) a 2. multipotentní dospělé buňky, které se nacházejí v každém dospělém organismu v kostní dřeni, tukové tkáni, čichovém epitelu, ale i v pupečníku a placentě. Embryonální kmenové buňky se nacházejí v organismu jen ve fázi raného vývoje a jen tyto buňky jsou ve smyslu slova pluripotentní. Naproti tomu buňky získané z dospělého organismu – např. mezenchymální (stromální) kmenové buňky (MSCs) – jsou multipotentní a mají chondrogenní, osteogenní a adipogenní potenciál, tj. jsou schopny se diferencovat především do buněk mezenchymální řady, jmenovitě chrupavek, šlach a kostí. Pro použití MSCs hovoří zejména to, že nejsou teratogenní, MSCs mohou být získány z autologní nebo alogenní tkáně a s jejich použitím není tak vážný etický a legislativní problém. MSCs lze získat z kostní dřeně, tukové tkáně, synoviální tkáně atd. Věk a pohlaví dárce MSCs jsou faktory, které se zdají bez vlivu na schopnost expanze MSCs. Větší vliv mohou mít podmínky in vitro kultivace MSCs. Poznání faktorů, které ovlivňují množství a kvalitu MSCs může minimalizovat čas buněk v kultivaci, a tím zlepšit jejich viabilitu, snížit riziko infekce a urychlit jejich klinické použití.

APLIKACE KMENOVÝCH BUNĚK

V zásadě jsou dvě možnosti aplikace kmenových buněk: systémová a lokální. Do první skupiny aplikačních metod patří aplikace intravenózní, intraarteriální, intrathekální a do druhé přímá buněčná aplikace do poškozené tkáně. U tohoto druhu aplikace se využívá specifických schopností mezenchymálních kmenových buněk. Mezi tyto vlastnosti patří: schopnost migrovat pomocí chemotaxe do tkání, které mají známky zánětu či poškození. Další výhodnou vlastností je schopnost sekrece cytokinů a růstových faktorů, takto MSCs modulují zánětlivou reakci tkáně a působí imunosupresivně (1). Díky tomuto působí MSCs na různé úrovni buněčné regenerace a zánětlivé kaskády. MSCs jsou schopny se diferencovat v různé buněčné typy dané tkáně, ovlivňují vaskularizaci tkáně, růst buněk poškozené tkáně a jejich diferenciaci (2). Dalším druhem lokální aplikace, která je označována jako tkáňové inženýrství, je kombinace kmenových buněk s třídimenzionálním nosičem (scaffoldem) s cílem vytvořit chybějící tkáň. Vlastnosti nosiče, které musí daný materiál splňovat, musí být široce prozkoumány (imunokompatibilita, netoxicita, biodegradabilita, solubility nosiče, mechanické vlastnosti matrice blížící se originální tkáni, třídimenzionální struktura atd.) (3).

KMENOVÉ BUŇKY V REPARACI ŠLACH A VAZŮ

Tkáň šlachy a kloubního vazu patří mezi tkáně s limitujícími schopnostmi regenerace. Výskyt poruchy hojení takovýchto tkání vede lékaře k hledání nových cest léčby. Nabízí se použití nosiče s vlastnostmi nativní matrix, která by zajistila optimální adhesi a integraci nanesených kmenových buněk. Tento druh terapie se zdá být cestou k úspěchu (4). Další možností je podpora hojení, kdy se injekční aplikací podají kmenové buňky v kombinaci s kostní spongializací v místě úponu šlachy či vazu. Cílem je zlepšení šlachové refixace a zajištění optimálního hojení ve spojení šlacha-kost (5). Poranění předního zkříženého vazu (PZV) patří mezi nejčastější poškození kolena při úrazu. Aplikace kmenových buněk v této indikaci by mohla zlepšit výsledky rekonstrukčních operací PZV. Vyšší náklady na operaci se dají v tomto případě ospravedlnit především očekávaným benefitem pro pacienta. Mezi tyto výhody patří zejména snížení bolesti spojené s operací, zkrácení rekonvalescence a snížení incidence reruptury plastiky předního zkříženého vazu, jak uvádějí recentní studie (6, 7). Dalším místem využití aplikace kmenových buněk, dle publikovaných studií s pozitivním efektem v procesu hojení, snížení bolestí a délce rekonvalescence, je poškozená rotátorová manžeta. Důvodem zkoušek MSCs v terapii poškozené rotátorové manžety jsou relativně neuspokojivé dlouhodobé výsledky dosavadní chirurgické i konzervativní terapie. Relativně časté reruptury v dlouhodobém horizontu sledování vedou k hledání nových cest zlepšení operační terapie. Samotná úspěšná operační terapie zcela nezajistí reverzi atrofie svalu a degeneraci šlachy. Cílem použití MSCs při ruptuře rotátorové manžety je snížit výskyt fibrovaskulární tkáně, která je méně odolná vůči stresovým silám působícím na úpon rotátorové manžety než původní fibrokartilaginózní tkáň, a tím snížit riziko reruptury (4, 8). V současné době začala v České republice klinická studie AMSC RC 001: Utilization of autologous mesenchymal cells to enhance rotator cuff repair, a prospective, non-randomized, open-label study to asses safety and the efficacy.

APLIKACE KMENOVÝCH BUNĚK PŘI POŠKOZENÍ CHRUPAVKY

Mezenchymální kmenové buňky splňují očekávání „biologické artroplastiky“ v in vitro testech (9, 10), na zvířecích modelech (11, 12) i v prvních klinických testech u lidí (13–17). Bylo prokázáno, že kmenové buňky z kostní dřeně (BM MSC) mají vyšší schopnost chondrogenní diferenciace než kmenové buňky získané z tukového lipoaspirátu. BM MSC také produkují signifikantně více kolagenu typu II a glykosaminoglykanu než kmenové buňky získané z tuku (18, 19). Mezenchymální kmenové buňky (MSCs) aplikované do poškozeného kloubu ovlivňují celou homeostázu kloubu. Výsledkem je omezení buněčné apoptózy lokální tkáně, stimulace angiogeneze, stimulace proliferace endogenních buněk a snížení zánětlivé reakce tkáně poškozeného kloubu (20–23). Využití poznatků o vlastnostech kmenových buněk vedlo k rozvoji buněčné terapie chondrálních defektů. První klinické studie u lidí byly zaměřeny na bezpečnost aplikace MSCs. Posléze se klinické studie zaměřily na porovnání výsledků mezi jednotlivými operačními metodami, kde byly aplikovány MSCs.Ve světě publikované studie jednoznačně prokázaly, že aplikace kmenových buněk v terapii chondrálních defektů je bezpečná a efektivní (13–17). Klinické výsledky u těchto prací jsou srovnatelné či lepší s výsledky dosavadních operačních technik (12, 13, 17). Nejadnik et al. (16) porovnával výsledky aplikovaných BM-MSC s terapií pomocí autologního chondrocytárního implantátu (ACI) při ošetření defektů chrupavky kolena v celé její výšce. Jeho práce prokázala, že terapie BM MSCs je stejně efektivní, u starší populace nad 45 let dokonce efektivnější než terapie pomocí ACI. Práce také potvrdila, že aplikace BM MSCs má tu výhodu, že se jedná o jednodobý operační výkon a přináší s sebou nižší náklady na terapii. Podobné výsledky vykazuje ve své práci i Goobi et al. (14), který zhodnotil výsledky po dvou letech u 25 pacientů po aplikaci monocytárního aspirátu kostní dřeně krytých kolagenní matrix, která slouží k udržení koncentrace buněk v oblasti defektu chrupavky. Z uvedených poznatků lze usuzovat, že „one-step“ operační procedura s využitím kmenových buněk kostní dřeně má pozitivní efekt na výsledek operační terapie chondrálních defektů. Tímto novým biologickým postupem je dosaženo snížení nákladů na operační terapii a zrychlení rekonvalescence pacientů. Objektivně je nutné uvést, že počet klinických studií je zatím nízký a skupiny sledovaných pacientů nejsou veliké. Proto je nutné s objektivním kritickým hodnocením vyčkat dalších výsledků.

APLIKACE KMENOVÝCH BUNĚK V KOSTNÍ REGENERACI

V oblasti regenerace kostí pomocí kmenových buněk je nejvíce skloňováno jejich užití při řešení hypotrofických kostních pakloubů a náhrady ztrátových defektů kosti. V současné době se tyto stavy nejčastěji léčí pomocí autologního štěpu z ilické kosti nebo pomocí alogenního štěpu. Tyto techniky mají některé nevýhody, pro které se hledají nové cesty terapie (6, 24). In vitro studie prokázaly slibné výsledky aplikace MSCs směrem k regeneraci kostních defektů. Zejména díky schopnosti MSCs diferencovat se v osteogenní tkáň (25). Terapie autologními MSC z kostní dřeně byla úspěšná u léčby pacientů s pomalým kostním hojením u pacientů po osteotomiích, při terapii defektů tkáně v kostní cystě, osteonekrózy nebo při jejich použití pro spinální fúzi (26, 27). V současné době je na území České republiky Státním ústavem pro kontrolu léčiv schválena klinická studie AMSC DSD 001: Utilization of autologous mesenchymal cells in posterolateral fusion in degenerative spine disease: a prospective, non-randomized, open-label study to assess the safety and efficacy.

ZÁVĚR

Aplikace kmenových buněk v ortopedii má jistě obrovský potenciál. Je to fascinující biologická léčba. Toho je důkazem neustále rostoucí počet publikovaných prací v odborné literatuře. Kriticky je nutné však podotknout, že je stále málo dokumentovaných studií, které publikují výsledky aplikací kmenových buněk u lidí. Z těchto a dalších uvedených aspektů je nutné podpořit randomizované studie, které by kriticky posoudily výhody i nevýhody této biologické terapie v porovnání s dosavadní běžně užívanou terapií jak u defektů chrupavky, tak v terapii poškození šlach, vazů či kostí.

Seznam použitých zkratek

ACI autologní chondrocytární implantát

BM MSC kmenové buňky z kostní dřeně

ESCs embryonální kmenové buňky

iPSC indukované pluripotentní kmenové buňky

MSCs mezenchymální (stromární) kmenové buňky

PVZ přední zkřížený vaz

Konflikt zájmů: žádný.

ADRESA PRO KORESPONDENCI:

MUDr. Pavel Neckař

Ortopedické oddělení, Masarykova nemocnice, o.z.

Krajská zdravotní a.s.

Sociální péče 3316/12A, 400 11 Ústí nad Labem

e-mail: dr.neckar@gmail.com


Zdroje

1. Porada D, Almeida-Porada M. Mesenchymal stem cells as therapeutics and vehicles for gene and drug delivery. Advanced Drug Delivery Reviews 2010; 62(12): 1156–1166.

2. Granero-Molto M, Weis JA, Miga Mi I, et al. Regenerative effects of transplanted mesenchymal stem cells in fracture healing. Stem Cells 2009; 27(8): 1887–1898.

3. Ma PX. Biomimetic materials for tissue engineering. Advanced Drug Delivery Reviews 2008; 60(2): 184–198.

4. Longo UG, Lamberti A, Maffulli N, et al. Tissue engineered biological augmentation for tendon healing: a systematic review. British Medical Bulletin 2011; 98(1): 31–59.

5. Nourissat G, Diop A, Maure N, et al. Mesenchymal stem cell therapy regenerates the native bone-tendon junction after surgical repair in a degenerative rat model. PLoS ONE 2010; 5(8): Article ID e12248.

6. Cypher T, Grossman J. Biological principles of bone graft healing. Journal of Foot and Ankle Surgery 1996; 35(5): 413–417.

7. Fu S, Cheuk Y, Yung S, Rolf Ch, Chan M. Systematic Review of Biological Modulation of Healing in Anterior Cruciate Ligament Reconstruction. Orthopaedic Journal of Sports Medicine 2014; 3(2): 10–19.

8. Hernigou P, Lachaniette ChHF, Delambre J, et al. Biologic augmentation of rotator cuff repair with mesenchymal stem cells during arthroscopy improves healing and prevents further tears: a case-controlled study. Int Orthop 2014 [Epub ahead of print].

9. Chen WH, Lai MT, Wu T, et al. In vitro stage-specific chondrogenesis of mesenchymal stem cells committed to chondrocytes. Arthritis Rheum 2009; 60(2): 450–459. Epub 2009/01/31

10. Sudo K, Kanno M, Miharada K, et al. Mesenchymal progenitors able to differentiate into osteogenic, chondrogenic, and/or adipogenic cells in vitro are present in most primary fibroblast-like populations. Stem Cell 2007; 25(7): 1610–1617.

11. Fortier LA, Potter HG, Rickey EJ, et al. Concentrated bone marrow aspirate improves full-thickness cartilage repair compared with with microfracture in equine model. J Bone Joint Surg Am 2010; 18(10): 1927–1937.

12. Lee KB, Wang VTZ, Chan YH, et al. A novel, minimally-invasive technique of cartilage repair in the human knee using arthroscopic microfracture and injections of mesenchymal stem cells and hyaluronic acid. A prospective comparative study. In press Ann Acad Med Singapore 2012.

13. Giannini S, Buda R, Vannini F, Cavallo M, et al. One-step bone marrow-derived cell transplantation in talar osteochondral lesions. Clin Orthop Relat Res 2009; 467(12): 3307–3320.

14. Gobbi A, Karnatzikos G, Scotti C, et al. One-step cartilage repair with bone marrow aspirate concentrated cells and collagen matrix in full- thickness knee cartilage lesion. Results at 2 year follow up. Cartilage 2011; 2(3): 286–299.

15. Harris JD, Brophy RH, Siston RA, Flanigan DC. Treatment of chondral defects in the athlete’s knee. Arthroscopy 2010; 26(6): 841–852.

16. Nejadnik H, Choong PC, Tai BC, et al. Autologous bone marrow-derived mesenchymal stem cells versus autologous chondrocytes implantation: an observed cohort study. Am J Sports Med 2010; 38(6): 1110–1116.

17. Wakitani S, Imoto K, Yamamoto T, et al. Human autologous culture expanded bone marrow mesenchymal cell transplantation for rapair of cartilage defects in osteoarthritic knees. Osteoarthritis Cartilage 2002; 10(3): 199–206.

18. Afrizah H, Yang Z, Hui JH, et al. A comparison between the chondrogenic potential of human bone marrow stem cells (BMSCs) and adipose-derived stem cells (ADSCs) taken from the same donors. Tissue Eng 2007; 13(4): 659–666.

19. Beane OS, Darling EM. Isoloation, characterization and differentiation of stem cells for cartilage regeneration. Ann Biomed Eng 2012; 40(10): 2079–2097.

20. Caplan A, Correa D. The MSC: an injury drugstore. Cell Stem Cell 2011; 8(1): 11–15.

21. Caplan A, Denis JE. Mesenchymal stem cells as trophic mediator. J Cell Biochem 2006; 1(5): 1076–1084.

22. Gnecchi M, Zhang Z, Ni A, et al. Paracrine mechanisms in adult stem cell signaling and therapy. Circ Res 2008; 21(11): 1204–1219.

23. Prockop DJ. Repair of tissues by adult stem/progenitor cells (MSCs): controversies, myths, and changing paradigms. Mol Ther 2009; 17(6): 936–946.

24. Finkemeier CG. Bone-grafting and bone-graft substitutes. Journal of Bone and Joint Surgery: Series A 2002; 84(3): 454–464.

25. Chamberlain G, Fox J, Ashton B, et al. Concise review: mesenchymal stem cells: their phenotype, differentiation capacity, immunological features, and potential for homing. Stem Cells 2007; 25(11): 2739–2749.

26. Gangji V, Hauzeur JP, Matos C, et al. Treatment of osteonecrosis of the femoral head with implantation of autologous bonemarrow cells. A pilot study. Journal of Bone and Joint Surgery: Series A 2004; 86(6): 1153–1160.

27. Zamzam MM, Abak AA, Bakarman BK. Efficacy of aspiration and autogenous bone marrow injection in the treatment of simple bone cysts. International Orthopaedics 2009; 33(5): 1353–135

Štítky
Adiktologie Alergologie a imunologie Angiologie Audiologie a foniatrie Biochemie Dermatologie Dětská gastroenterologie Dětská chirurgie Dětská kardiologie Dětská neurologie Dětská otorinolaryngologie Dětská psychiatrie Dětská revmatologie Diabetologie Farmacie Chirurgie cévní Algeziologie Dentální hygienistka

Článek vyšel v časopise

Časopis lékařů českých


Nejčtenější v tomto čísle

Tomuto tématu se dále věnují…


Kurzy

Zvyšte si kvalifikaci online z pohodlí domova

Diabetická neuropatie a její léčba
nový kurz
Autoři: MUDr. Michal Dubský, Ph.D.

Mnohočetný myelom: Úvodní léčba netransplantovatelných pacientů
Autoři:

Proč v prevenci zubního kazu kartáček nestačí?
Autoři: doc. MUDr. Romana Koberová – Ivančaková, CSc.

Hypersenzitivita dentinu jako příznak poškození tvrdých zubních tkání
Autoři: MUDr. Erika Lenčová, Ph.D.

Cesta pacienta s CHOPN
Autoři: doc. MUDr. Vladimír Koblížek, Ph.D.

Všechny kurzy
Kurzy Doporučená témata Časopisy
Přihlášení
Zapomenuté heslo

Nemáte účet?  Registrujte se

Zapomenuté heslo

Zadejte e-mailovou adresu se kterou jste vytvářel(a) účet, budou Vám na ni zaslány informace k nastavení nového hesla.

Přihlášení

Nemáte účet?  Registrujte se