Nepřihlášený uživatel
přihlásit se / registrovat

Gastroenterologie
a hepatologie

Gastroenterology and Hepatology

Čes a Slov Gastroent a Hepatol 2007; 61(4): 205-208.

Kmenové buňky gastrointestinálního traktu

Václav Mandys1

+ Pracoviště

Souhrn


Kmenové buňky "dospělých" tkání ("adult tissue stem cells" - ATSC) představují unikátní populaci fenotypicky primitivních buněk, které hrají klíčovou roli ve fyziologické obměně tkání i v řadě patologických procesů. K základním vlastnostem ATCS patří schopnost proliferace, reprodukce a diferenciace v buněčné progenitory z nichž vznikají terminálně diferencované funkční buňky dané tkáně. Základním elementem hierarchicky uspořádaného systému ATSC a progenitorových buněk jsou totipotentní epiblastické buňky schopné diferenciace do buněk všech základních linií, tj. ektodermu, mezodermu i endodermu. Na dalších úrovních stojí pluripotentní liniově zaměřené buňky schopné diferenciace do všech buněčných typů jedné ze základních linií (jednoho zárodečného listu), tkáňově specifické progeni-torové buňky schopné diferenciace do jednoho nebo několika různých buněčných typů tvořících danou tkáň a přechodné dělící se buňky ("transit amplifying cells"), které vykazují vysokou proliferační aktivitu a které přecházejí do nedělících se terminálně diferencovaných buněk. Tkáňově specifické progenitorové buňky zajiš»ující fyziologickou obměnu sliznice GIT jsou v jednotlivých oddílech lokalizovány výhradně v určité oblasti sliznice. V jícnu jsou to interpapilární oblast bazální vrstvy dlaždicového epitelu a vývody mucinózních ezofageálních žlázek, v žaludeční sliznici oblast krčků žlázek a ve střevě baze krypt. Řada patologických procesů GIT je spojena s alteracemi ATCS a tkáňově specifických progenitorových buněk. U chronických zánětů jsou často rozšířeny úseky sliznice tvořené progenitorovými buňkami. Tento fenomén bývá doprovázen poruchou terminální diferenciace epitelových buněk. Změna tkáňového prostředí v terénu chronických zánětů může navodit alternativní diferenciaci progenitorových buněk. Typickými příklady jsou vznik specializovaného cylindrického epitelu Barrettova jícnu u refluxní ezofagitidy a intestinální metaplazie u chronické gastritidy. Komplexní alterace kmenových buněk na genové úrovni vedoucí k poruše regulačních mechanizmů buněčné proliferace, diferenciace a apoptózy jsou prvotní příčinou vzniku nádorových onemocnění.

Klíčová slova: kmenové buňky „dospělých" tkání, - patologické stavy GIT - progenitorové buňky.

K nejžhavějším tématům buněčné biologie, biomedicínského výzkumu i řady politických diskuzí patří v současné době kmenové buňky. I když jejich existence v různých tkáních je známa již dlouhou dobu, až zavedení nových metod molekulární a buněčné biologie, pokroky v technice kultivace buněk a tkání in vitro nové mikroskopické metody umožnily bližší identifikaci, izolaci a detailní studium těchto buněk. Podle původu jsou rozlišovány dvě základní skupiny kmenových buněk - embryonální kmenové buňky a kmenové buňky „dospělých" tkání. Embryonální kmenové buňky izolované z nejčasnějších stadií vyvíjejícího se zárodku jsou totipotentní, schopné diferenciace do všech buněčných typů tvořících mnohobuněčný organizmus. Výzkum lidských embryonálních kmenových buněk a jejich využití v regenerativní medicíně narážejí na řadu nejen technických, ale i etických problémů(1). Z tohoto důvodu je v posledních letech věnována zvýšená pozornost kmenovým buňkám "dospělých" tkání ("adult tissue stem cells" - ATSC), které představují populaci fenotypicky primitivních buněk dlouhodobě přežívajících ve tkáních, v některých případech po celou délku života organizmu. K základním vlastnostem ATSC patří schopnost proliferace, reprodukce a diferenciace v buněčné progenitory, z nichž vznikají funkční buňky dané tkáně(2). Podle současných znalostí existuje v dospělém organizmu dokonale regulovaný hierarchicky uspořádaný systém ATSC a progenitorových buněk(3). Narušení rovnovážného stavu způsobené poškozením buněk na různých úrovních tohoto systému a/nebo změnami tkáňového prostředí vedou k rozvoji řady patologických procesů, jako jsou například atrofie, hyperplazie, metaplazie, dysplazie a nádorová onemocnění.

Předpokládá se, že základní pozici v hierarchickém systému ATSC zaujímají totipotentní epiblastické buňky schopné diferenciace do buněk všech základních linií, tj. ektodermu, mezodermu i endodermu. Tyto buňky byly identifikovány v kostní dřeni, ale pravděpodobně jsou přítomny i v dalších tkáních. Fenotypicky jsou podobné mezenchymálním kmenovým buňkám. Další stupeň v hierarchii ATSC představují pluripotentní liniově zaměřené buňky schopné diferenciace do všech buněčných typů jedné ze základních linií (jednoho zárodečného listu). Třetí úroveň ATSC představují tkáňově specifické progenitorové buňky, které jsou budmultipotentní, schopné diferenciace do několika různých buněčných typů tvořících danou tkáň, nebo jsou unipotentní, schopné diferenciace jen do jednoho buněčného typu. V epitelových tkáních, kde je fyziologická obměna buněk zřejmě nejrychlejší, byla ještě popsána populace přechodných dělících se buněk ("transit amplifying cells"), které vykazují vysokou proliferační aktivitu a které přecházejí do nedělících se terminálně diferencovaných buněk(3,4).

Snaha o bližší poznání různých onemocnění GIT a vysvětlení histomorfologických změn charakteristických pro tato onemocnění vedla v posledních letech k intenzivnímu výzkumu kmenových a progenitorových buněk ve sliznici jednotlivých úseků trávicí trubice. Bylo zjištěno, že lokalizace a funkční potenciál ATSC v jednotlivých oddílech GIT jsou rozdílné a že závisejí na histologickém uspořádání sliznice, nicméně některé vlastnosti ATSC jsou všem oddílům GIT společné(5). Z dosud získaných poznatků vyplývá, že fyziologickou obměnu sliznice GIT zajiš»ují tkáňově specifické progenitorové buňky lokalizované v určité oblasti sliznice. Tyto buňky jsou nejméně diferencované a vykazují velmi nízkou proliferační aktivitu. Výsledky některých pozorování svědčí pro možnost, že tkáňově specifické progenitorové buňky jsou jak za fyziologických podmínek, tak zejména za patologických stavů doplňovány z populace epiblastických totipotentních buněk, které se do sliznice dostávají krevní cestou(6). Počet tkáňově specifických progenitorových buněk v příslušném úseku sliznice GIT je konstantní a za normálních okolností velmi nízký. To je zajištěno asymetrickým dělením, které znamená, že jedna dceřiná buňka zůstává primitivní, nediferencovanou a druhá dceřiná buňka se začíná diferencovat a postupně přechází do populace přechodných dělících se buněk. Buňky této populace vykazují vysokou proliferační aktivitu, migrují a postupně se diferencují v terminálně diferencované plně funkční epitelové buňky.

V dlaždicovém epitelu sliznice jícnu jsou nezralé tkáňově specifické progenitorové buňky lokalizovány v interpapilárních oblastech bazální vrstvy. Diferencující se progenitorové buňky migrují nejprve horizontálně podél bazální membrány do papilárních oblastí, kde přestávají exprimovat adhezivní molekuly, kterými jsou navázány na bazální membránu. Tímto okamžikem nabývají schopnosti migrovat vertikálně, odpoutávají se od bazální membrány a přecházejí do stavu přechodných dělících se buněk, které následně terminálně diferencují(7). Kromě bazální vrstvy dlaždicového epitelu je v jícnu ještě další oblast, kde jsou lokalizovány tkáňově specifické progenitorové buňky. Touto oblastí jsou vývody mucinózních ezofageálních žlázek Duktální progenitorové buňky jsou jednak zdrojem pro fyziologickou obměnu žlázových struktur, ale mohou pravděpodobně být, podobně jako buňky vývodů potních žláz v kůži, i zdrojem progenitorů dlaždicového epitelu a dokonce i epitelu cylindrického(8). V žaludeční sliznici jsou tkáňově specifické progenitorové buňky lokalizovány v oblasti krčků žlázek, tj. v přechodné zóně mezi žaludečními foveolami a žlázkami. Za normálních okolností tvoří tuto oblast jen několik nediferencovaných buněk, které jsou zdrojem jak foveolárních epitelií (v případě kdy diferencující se progenitory migrují luminálním směrem), nebo buněk tvořících žlázky (v případě kdy diferencující se progenitory migrují abluminálně)(9,10). Ve střevní sliznici jsou tkáňově specifické progenitorové buňky lokalizovány na bázi krypt. Výsledky recentních experimentů prokázaly, že buněčná populace tvořící jednu kryptu je za normálního stavu monoklonální, to znamená, že vznikla z jedné progenitorové buňky. Diferencující se buňky migrují od baze krypt podél bazální membrány luminálním směrem, v dolní třetině krypt nabývají charakteru přechodných dělících se buněk. To vysvětluje známý fenomén, že nejvyšší proliferační aktivita epitelových buněk je v normální střevní sliznici právě v této oblasti. Střední a horní třetina krypt a klky v tenkém střevu jsou tvořeny neproliferujícími terminálně diferencovanými buňkami. Populace buněk tvořících klky je polyklonální, mísí se zde buňky z několika sousedních krypt(11,12).

Rychlý obrat buněk sliznice GIT při její fyziologické obměně znamená nutnost dokonalé souhry procesů, kterými jsou proliferační aktivita nediferencovaných buněk, migrace a diferenciace a apoptotický zánik terminálně diferencovaných buněk. Navíc je pro normální diferenciaci tkáňově specifických progenitorových buněk nezbytně nutné zachování odpovídajícího prostředí, tzv. "niche", které je zprostředkováno zejména neepitelovými buňkami slizničního stromatu (lamina propria mucosae) a udržováno normálně fungujícími mechanizmy slizniční bariéry. Jakákoliv významnější porucha regulačních mechanizmů procesu diferenciace buněk střevní sliznice, slizničního prostředí a slizniční bariéry má za následek vznik patologických změn, které se mimo jiné projeví i odlišným chováním tkáňově specifických progenitorových buněk(5,13).

U chronických zánětů, kde je tkáňové prostředí významně změněno řadou faktorů, k nimž patří vyvolávající agens, extenzivnější zánik epitelových buněk, přítomnost buněk zánětlivého infiltrátu a cytokinů těmito buňkami produkovaných a v neposlední řadě i poškození slizniční bariéry, je zřetelná vyšší aktivita progenitorových buněk a porucha jejich diferenciace. Jako příklady je možné uvést refluxní ezofagitidu, kde je patrné rozšíření bazální vrstvy dlaždicového epitelu, chronickou gastritidu s rozšířením úseku krčků žlázek a céliakii, kde k plně vyvinutému morfologickému obrazu patří hyperplazie krypt, které jsou tvořeny méně diferencovanými epitelovými buňkami. Patří sem i změny sliznice tlustého střeva u idiopatické proktokolitidy, které jsou charakterizovány nepravidelným větvením krypt, ve kterých je patrný úbytek pohárkových buněk a které jsou tvořeny méně diferencovanými epitelovými buňkami.

Porucha diferenciace tkáňově specifických progenitorových buněk navozená změnou tkáňového prostředí vede ke vzniku metaplastického epitelu. Podrobné imunohistologické studie ukázaly, že metaplastický epitel Barrettova jícnu pravděpodobně nevzniká z progenitorových buněk dlaždicového epitelu, ale že zdrojem intestinální metaplazie jsou spíše multipotentní progenitorové buňky lokalizované ve vývodech ezofageálních mucinózních žlázek. Tyto buňky mohou migrovat do iritované sliznice jícnu a mohou se podílet na hojení slizničních erozí. V případech, kdy je významně změněno tkáňové prostředí v distálním jícnu (často uváděný reflux alkalického duodenálního obsahu se žlučovými kyselinami), jsou navozeny podmínky pro odlišnou diferenciaci progenitorových buněk směrem ke střevní sliznici a vytváří se specializovaný cylindrický epitel Barrettova jícnu. Pravděpodobně jiným mechanizmem vzniká v souvislosti s refluxní chorobou jícnu intestinální metaplazie ve sliznici typu žaludeční kardie. V tomto případě jsou zdrojem metaplastického epitelu progenitorové buňky krčků žlázek, metaplastický epitel má charakter intestinální metaplazie žaludeční. Rozdílný zdroj metaplastického epitelu může být jednou z okolností vysvětlujících uváděné rozdíly v maligním potenciálu metaplastického epitelu Barrettova jícnu a intestinální metaplazie v kardii(14). U chronické atrofické gastritidy je porucha progenitorových buněk komplexnější. Ztráta schopnosti tvořit progenitory žlázových buněk vede k výrazné redukci až zániku žlázové vrstvy, porucha diferenciace progenitorových buněk vede k intestinální metaplazii. Projevem poruchy diferenciace progenitorových buněk u idiopatické proktokolitidy je metaplazie Panethových buněk ve kryptách distálního úseku tlustého střeva.

Zcela mimořádná pozornost je v současné době věnována úloze kmenových buněk ve vzniku a vývoji nádorů(15 17). Nádorová transformace buňky je podmíněna komplexními alteracemi na genové úrovni vedoucími k poruše regulačních mechanizmů buněčné proliferace, diferenciace a apoptózy Je evidentní, že poškození genomu může vést ke vzniku nádoru pouze v případě, kdy poškozená buňka je schopna dělení. Z toho vyplývá, že z terminálně diferencovaných postmitotických buněk, kterých je ve tkáních naprostá většina, nádory zřejmě nevznikají. Nicméně možnost "dediferenciace" terminálně diferencovaných buněk je dosud diskutována. Jedním z hlavních argumentů proti možnosti vzniku epitelových nádorů GIT z terminálně diferencovaných buněk, které se "dediferencovaly" je skutečnost, že terminálně diferencované buňky, zejména ve střevní sliznici, přežívají jen velmi krátkou dobu. Jediné buňky, které přežívají dlouhodobě a které mají "dost času" se nádorově transformovat a vytvořit nádorový klonus, jsou kmenové a tkáňově specifické progenitorové buňky. Významných pokroků v poznání nádorového procesu ve vztahu ke kmenovým a progenitorovým buňkám bylo dosaženo u kolorektálních epitelových nádorů. Podle široce přijaté představy vzniká kolorektální karcinom z adenomu (sekvence adenom - karcinom). Z pozorování případů familiární adenomatózní polypózy vyplynulo, že drobné unikryptální mikroadenomy se tvoří z iniciálních fokusů aberantních krypt, které představují buněčný klonus vzniklý nádorovou transformací jedné progenitorové buňky. Další progrese adenomu je dána jednak proliferací klonu nádorových buněk, dlouhodobým přežíváním těchto buněk a jejich migrací spojenou s větvením nádorových krypt. Prvotní populace nádorových buněk často vzniká v lokalizaci obvyklé pro kmenové buňky, tedy na bázi krypty a následně progreduje do povrchního úseku ("botom up" hypotéza). Jinou možností je, že nádorově transformovaná kmenová buňka nejprve vycestuje do povrchového úseku krypty a až v této lokalizaci se vytvoří klonus nádorových buněk, které se šíří směrem k bázi krypty ("top-down" hypotéza)(5). Výzkumy z posledních let ukazují, že se tyto hypotézy nevylučují a že nádory mohou vznikat obojím mechanizmem. Akumulace genových mutací, ke kterým dochází jen v části buněk prvotní populace, vede ke vzniku heterogenní nádorové populace a k maligní transformaci nádoru(17).

Závěr

Ve světle současných poznatků je zřejmé, že i když gastrointestinální kmenové (progenitorové) buňky představují co do počtu minoritní populaci ve sliznicích, jsou zcela esenciální pro fyziologickou obměnu epitelových struktur sliznice a pro reparativní procesy.

Alterace kmenových buněk mají zásadní význam v řadě onemocnění GIT. Vzhledem k tomu je další výzkum kmenových buněk jednou z hlavních podmínek bližšího poznání patogenetických mechanizmů těchto onemocnění a nadějí při hledání nových terapeutických možností.

Literatura
  • 1. Rippon HJ, Bishop AE. Embryonic stem cells. Cell Prolif 2004; 37(1): 23-34.
  • 2. Loeffler M, Roeder I. Tissue stem cells: definition, plasticity, heterogeneity, self-organization and mode conceptual approach. Cells Tissues Organs 2002; 171(1): 8-26.
  • 3. Young HE, Duplaa C, Romero-Ramos M, et al. Adult Reserve Stem Cells and Their Potential for Tissue Engineering. Cell Biochem Biophys 2004; 40: 1-80.
  • 4. Camargo FD, Chambers SM, Goodell MA. Stem cell plasticity: from transdifferentiation to macro-phage fusion. Cell Prolif 2004; 37(1): 55-65.
  • 5. Brittan M, Wright NA. The gastrointestinal stem cell. Cell Prolif. 2004; 37(1): 35-53.
  • 6. Semont A, Francois S, Mouiseddine M, et al. Mesenchymal stem cells increase self-renewal of small intestinal epithelium and accelerate structural recovery after radiation injury. Adv Exp Med Biol 2006; 585: 19-30.
  • 7. Seery JP. Stem cells of the oesophageal epithelium. J Cell Sci 2002; 115: 1783-1789.
  • 8. Odze R. Cytokeratin 7/20 immunostaining: Barretts esophagus or gastric intestinal metaplasia? The Lancet 2002; 359: 1711-1713.
  • 9. Bjerknes M, Cheng H. Multipotential stem cells in adult mouse gastric epithelium. Am J Physiol Gastro-intest Liver Physiol 2002; 283(3): 767-777.
  • 10. Karam SM, Straiton T, Hassan WM, Leblond CP. Defining epithelial cell progenitors in the human oxyntic mucosa. Stem Cells 2003; 21(3): 322-336.
  • 11. Bjerknes M, Cheng H. Gastrointestinal Stem Cells. II. Intestinal stem cells. Am J Physiol Gastrointest Liver Physiol 2005; 289: 381-387.
  • 12. Potten CS, Ellis JR. Adult small intestinal stem cells: identification, location, characteristics, and clinical applications. Ernst Schering Res Found Workshop. 2006; (60): 81-98.
  • 13. Modlin IM, Kidd M, Lye KD, Wright NA. Gastric stem cells: an update. Keio J Med 2003; 52(2): 134-137.
  • 14. Mandys V, Lukáš K, Revoltella R. Different Patterns of Cytokeratin Expression in Barrett's Esophagus - What is Beyond? Pathol Res Pract. 2003; 199:581-587.
  • 15. Tatematsu M, Tsukamoto T, Inada K. Stem cells and gastric cancer: role of gastric and intestinal mixed intestinal metaplasia. Cancer Sci 2003; 94(2): 135-141.
  • 16. Haraguchi N, Inoue H, Tanaka F, Mimori K, et al. Cancer stem cells in human gastrointestinal cancers. Hum Cell 2006; 19(1): 24-29.
  • 17. Schier S, Wright NA. Stem cell relationships and the origin of gastrointestinal cancer. Oncology 2005; 69 Suppl 1: 9-13.

Pro přístup k článku se, prosím, registrujte.

Výhody pro předplatitele

Výhody pro přihlášené

Kreditovaný autodidaktický test