Ugrás a tartalomhoz

Háromdimenziós szövettenyésztés

Dr. Bartis Domokos, Dr. Pongrácz Judit (2011)

Pécsi Tudományegyetem

Biológiailag aktív faktorok

Biológiailag aktív faktorok

Biológiailag aktív molekulák gyakran használatosak a „tissue engineering”-ben, így lehetséges olyan sejtfunkciók regulációja, mint a proliferáció, differenciáció, adhézió és mozgás (VIII-1. ábra).

VIII-1. ábra: Jelátviteli hálózatok a szöveti fejlődésben és homeosztázisban

A leggyakrabban egyes növekedési faktorok használatosak, ideértve a sejtdifferenciációt segítő (például bone morphogenic protein, BMP) és az angiogenezist serkentő faktorokat (például Vascular endothelial growth factor, VEGF) is. A meglehetős nagymértékű redundancia az egyes biológiai rendszerekben olyan nagy mértéket ölthet, hogy nem lehetséges egyes faktorokat csak egyetlen kategóriába sorolni. Nagyon sok bioaktív molekula igen sokrétű funkcióval rendelkezik, amely függ a biokémiai, sejtes, illetve biomechanikai körülményektől, így ezektől függően különféle mértékben és irányban képes szabályozni a sejtek adhézióját, növekedését vagy apoptózisát, differenciációt, mozgást, érbenövést, stb. Mind a növekedési mind pedig a differenciációs faktorok nélkülözhetetlenek ahhoz, hogy a sejtek megfelelő szerkezetet és funkciókat sikeresen kialakítsanak. A növekedési faktorokat kívülről is hozzá lehet adni a rendszerhez, de az egyik sejtes komponens is termelheti valamilyen stimulus hatására. Annak ellenére, hogy a citokinek és egyéb szabályozó molekulák nagyon kis koncentrációban vannak jelen az ECM-ben, nagyon hatékonyan képesek befolyásolni a sejtek viselkedését.

A leggyakrabban alkalmazott bioaktív molekulák a vaszkuláris endotheliális növekedési faktor (VEGF), a vérlemezke-eredetű növekedési faktor (PDGF), a keratinocita növekedési faktor (KGF), a transzformáló növekedési faktor-béta (TGF-β), a csont morfogenetikus protein (BMP) és a fibroblaszt növekedési faktor (FGF). Természetesen nem kérdéses, hogy ezek a molekulák biológiailag aktív koncentrációja más és más, az optimális dózis meghatározása nehézkes. Ezen kívül, ezeknek a faktoroknak állandó és helyhez kötött felszabadulása és annak a megoldatlansága, hogy ezeknek a faktoroknak az aktivitását ki-be kapcsoljuk a szöveti regeneráció során, nagyon megnehezíti a felhasználásukat. Ennek ellenére számos növekedési faktort tanulmányoztak különféle preklinikai kísérleti rendszerekben és klinikai kipróbálás során is, és ígéretes eredmények kerültek közlésre ezen a téren.

A szöveti morfogenezis során az oldott állapotban levő növekedési faktorok irányítják a sejtek viselkedését. Ezek inaktív formában való szekvesztrációja az ECM 3 dimenziós hálózatában szükséges a gyors jelátvitel megvalósításához, ami lehetővé teszi a sejten kívüli jelátviteli molekulák élettanihoz hasonló sebességű hasznosítását. Ezen felül, mivel az ECM térben organizált, a szolubilis faktorok nem diffundálnak szabadon, hanem képesek koncentrációgrádiens kialakítására, amely rendkívüli jelentőséggel bír a szöveti morfogenezis, a vaszkularizáció, az idegi hálózatok és bizonyos progenitor sejtek differenciációja és mozgása szempontjából.

Fontosabb növekedési faktorok

A BMP-család hasonló szerkezetű peptideket tartalmaz, amelyek a csontképződésben játszanak fontos, a differenciációs faktorokhoz hasonló szerepet. A BMP-k alacsony molekulatömegű (25–30 kDa) glikoproteinek, amelyek csontszövet képződését okozzák, még akkor is, ha ektópiássan adagoljuk őket. Eddig a család több, mint 15 tagját azonosították, mindegyik a csont- és porcszövet képződését és az ezeket felépítő sejtek differenciációját szabályozza. A különböző szabályozott folyamatok alatt értendő például az csontszövet képződésének indukciója, morfogenezise, kemotaxis, sejtvándorlás, sejtosztódás, vérképződés, sejtek túlélése illetve apoptózisa. A BMP-1 kivételével, melynek proteáz-aktivitása van, az összes BMP peptid a TGF-β szupergéncsalád tagja és nagy szerepet játszanak jó pár szervrendszer növekedésében és fejlődésében, mint például az agy, szemek, szív, vese, gonádok, máj, csontrendszer, harántcsíkolt izmok, szalagok és inak, valamint a bőr. Annak ellenére, hogy a család egyes tagjainak aminosav-szekvenciája meglehetősen nagy különbséget mutat, a szerkezeti hasonlóság mindenhol megvan. A BMP család tagjai tovább sorolhatók különböző alcsaládokba a törzsfejlődésnek megfelelően. A BMP-6 jellegzetesen fejlődő és szaporodó porcsejtekben expresszálódik az embriogenezis és a porcsejt- differenciáció során mind in vitro, mind in vivo körülmények között. A csontszöveti indukció során a BMP kemotaktikus faktorként szerepel, a sérülés helyére vonzva a progenitor- és őssejteket, ezen kívül növekedési faktorként is hatva serkenti az angiogenezist és az őssejtek proliferációját a környező mezenchimális szövetekben. A BMPk differenciációs faktorként is hathatnak, az őssejtek érését és differenciációját serkentik porc, és csontsejtekké valamint oszteoblasztokká.

Az FGF-ek funkciója sem korlátozódik a növekedésre. Annak ellenére, hogy az FGF-ek serkentik a fibroblasztok proliferációját, az eredeti FGF-2 vagy bFGF az endothel-, porc-, simaizomsejtek, melanociták és más sejtek osztódását is serkenti. Az FGF-ek serkentik a zsírsejtek differenciációját, a makrofágok és fibroblasztok IL-6 termelését, asztrociták migrációját és megnövelik az idegsejtek túlélését. Az FGF-ek a sejtek proliferációjának, differenciációjának, mozgásának és túlélésének hatékony szabályozói, és olyan kulcsfontosságú folyamatokban játszanak fontos szerepet, mint az embrionális fejlődés, érképződés, csontképződés, porcképződés és sebgyógyulás. Az FGF szupergéncsalád 23 ligandból áll, amelyek 4 FGFR-hez kötődnek, melyek tirozin-kináz receptorok. A humán FGF-2 (más néven bFGF vagy HBGF-2 vagy EBGF) például 18 kDa molekulatömegű nem-glikozilált polipeptid, amely bázikus lévén heparinhoz vagy heparán-szulfáthoz kötődik nagy affinitással. Általánosságban az FGF-ek a szervezet különböző helyein tárolódnak, a GAG molekulákhoz kötődve, melyek megvédik őket az enzimatikus degradációtól vagy a savas inaktivációtól. A heparin ezen kívül növeli az FGF-2 mitogén aktivitását.

A VEGF érképződést serkentő faktor, egyedülálló abban a tekintetben, hogy receptora csakis az endotheliális sejteken van, és az érképződés egyik leghatékonyabb stimulálója. A VEGF-et több normális és tumorosan átalakult sejtfajta termeli és termelődése összefügg a kapillárishálózat növekedésével embriogenezis, sebgyógyulás, tumornövekedés, és a női reprodukciós ciklus során. Ezen kívül a VEGF serkenti még számos angiogenezishez szükséges proteáz szekrécióját is a szövetekben.

Természetesen minden mesterségesen előállított szövetben szükséges a VEGF termelés, amely serkenti az erek benövését a szövetkonstrukcióba az implantáció után, annak ellenére, hogy a VEGF mellett más faktorok, mint a PDGF, FGF-ek, TGF-β, HGF, és a PIGF is serkenti az erek növekedését. Amellett, hogy serkenti az endothelsejtek proliferációját és kemotaktikus hatással van rájuk, a VEGF növeli az erek permeabilitását is.

A TGF-β szupergéncsalád prominens tagja a TGF-β1, amely 25 kDa molekulatömegű növekedési faktor. Vérlemezkék és makrofágok a fő forrásai, de más sejttípusokban is termelődik ez a parakrin hatású molekula, mely fibroblasztokra, csontvelői őssejtekre, oszteoblaszt prekurzorokra van hatással. A TGF-β1 serkenti a kemotaxist és a sejtosztódást oszteoblaszt-prekurzorokban, serkenti a differenciációjukat érett oszteoblasztokká, serkenti a kollagénszintézist és az ECM lerakódását, gátolja a csontleépülést és az oszteoklasztok képződését.

A PDGF dimer molekula, egymáshoz hasonló molekulatömegű láncokból áll (14–17 kDa). Ez a sebesülés helyén elsőként szekretált növekedési faktor, mely a vérlemezke-aktiváció során szabadul fel. Nem csak vérlemezkékben, de makrofágokban és endothelsejtekben is szintetizálódik, és iniciálja a kötőszövet gyógyulási folyamatait, mint például a csontszövet gyógyulása és regenerációja. A PDGF befolyással bír a sejtosztódásra, vándorlásra, érképződésre, makrofág aktivációra és csontképződésre, proliferációra és matrix-szintézisre. A 4 PDGF izoforma (A, B, C és D) egy rendkívül konzervált 8 cisztein-tartalmú jellegzetes PDGF/VEGF homológ domént tartalmaz. A homo- vagy heterodimereket diszulfid hidak kötik össze, és a PDGF ligandok tirozin-kináz receptorokhoz kötődnek (PDGFR). A PDGFR-ok fontos szerepet játszanak a fehérjeszintézisben, kemotaxis gátlásában, embrionális idegrost-fejlődésben és a bronchusfa kialakulásában is. Osztódást serkentő hatásuk van az érfali simaizomsejtekre is.

Növekedési faktorok adagolása

A növekedési faktorok használata in vitro rendszerekben nem mindig bizonyult sikeresnek. Nagyon gyakran ennek oka a kis molekulasúly miatti gyors diffúziójuk és a rövid féléletidő. A helyileg adagolt növekedési faktorok hatásideje rendkívül behatárolt, mivel eldiffundálnak, proteázok lebontják őket vagy a hordozóanyag (például fibrin-ragasztó) idő előtt felszívódik. Emiatt a növekedési faktorokat megfelelő adagoló-rendszerekkel kell eljuttatni a célsejtig.