Μελέτη της αναγεννητικής ικανότητας του ήπατος μετά από μερική ηπατεκτομή

Abstract

Liver regeneration is a unique ability, because of the way it proceeds, i.e. the proliferation of all categories of all mature liver cell types. It is highly possible that this ability is known to human kind since the ancient times, as pictured in Prometheus’ myth. The great scientific interest towards deciphering this complex process is, of course, highly justified. The most common model for the study of the process of regeneration is the surgical model of the 2/3 partial hepatectomy (PHx) in small rodents, predominantly the rat. 2/3 partial hepatectomy leads to a highly synchronized hepatocyte cell-cycle entry and progression. The first phase, known as the ‘priming phase’, occurs in the first hours after PH and poises the hepatocytes to enter the G1 phase and to become receptive to growth factors. The second phase corresponds to an increased metabolic demand imposed on the remnant liver. During this phase, among other metabolic changes, transient hypoglycemia is suggested to induce systemic lipolysis followed by a lipid droplets accumulation in the hepatocytes. During this phase, am major role is played by the autocrine intercellular network. In rodents, this phase is completed in 4 days post-PHx and is followed by the termination phase. Ending the regenerative process is an equally complex, multiparameter process. The weight of the liver is regulated proportionally to the animal’s body weight with remarkable accuracy, sometimes employing an apoptotic wave. The termination phase of the regenerative process ends with normal hepatic histological structure restoration and matrix remodeling. Liver regeneration is a phenomenon that has been thoroughly studied in the past. Nevertheless, a point of emerging research interest has been adopted in the present study: the possible regulatory role of microRNAs in liver regeneration. MicroRNAs are small non-coding RNA molecules (approx. 22 nts long), which have been discovered quite recently but through research they are quickly emerging as cornerstone regulatory means in a large number of cellular functions. In the beginning of this study, data existed implicating microRNAs in the regeneration of zebrafish fins, regeneration in planarian worms and wound healing. The hypothesis that they may have a role in liver regeneration was made and a large part of this study is concerned with investigating the existence of such a role. The researchers began with revising and standardizing the method for anesthesia and surgical procedure, which, at the time (2007), were not satisfactory enough in the case of mice (as opposed to the widely used rats), possibly because of the difficulty of operating on a 20 gram animal. Many alterations were made upon the previous techniques. As a result, a procedure was standardized, as described herein, that guarantees a fast procedure (12-15 minutes) accompanied by excellent animal survival (95-100%). Using the above described technique, the first surgical experiment in this study was conducted: 56 animals (wild-type mice) were used, half of which were subjected to 2/3 PHx and the other half were sham operated. Liver samples were collected at time 0 and at several time points during regeneration (1, 3, 6, 12, 24, 36, 48 hours), with a number of 4 animals per time point. These samples were used in order to confirm the comparability of the new surgical technique to bibliography models. An immunohistochemical dye for the protein Ki-67 was performed, thus revealing the number of hepatic cells undergoing proliferation at each time point. The 36th hour post-PHx emerged as the point of climax of the proliferative process in the mouse, as expected by previous studies. For further confirmation, the same samples were used to produce simple histological H-E slides, in order to evaluate the evolvement of lipid droplet accumulation in hepatic cells associated with liver regeneration. A semi-quantitative evaluation was conducted, that revealed that maximum lipid accumulation occurs at the time points of 12 and 24 hours (+++) in mouse, again as expected by previous studies. Then the study proceeded with investigating the potential role of microRNAs in liver regeneration. For this, a second surgical experiment was conducted: This time 20 animals (wild-type mice) were used, half of which were subjected to 2/3 PHx and the other half were sham operated. After regenerating for 12 hours, liver samples were harvested from all animals. The choice of the 12-hour interval was made as a time point at the beginning phase of liver regeneration, but not at the very early beginning, with a view to reveal the possible regulatory role of microRNAs at the first stage of the regenerative process. MicroRNA profiling was conducted using specific microarrays, examining the presence of the 598 microRNAs known at the time of this procedure. The results pointed out 8 differentially expressed microRNAs during regeneration: 2 that were up-regulated (-miR-21 and mmu-miR-30b) and 6 that were down-regulated (mmu-miR-34c, mmu-miR-144, mmu-miR-207, mmu-miR-451, mmu-miR-582-3p, mmu-miR-290-5p). Tissue samples from the second experiment were used again in order to confirm the aforementioned results utilizing the RT-qPCR method. This indeed confirmed the microarrays’ results and highlighted mmu-miR-21 as the most differentially expressed miR, indicating a possibly major regulatory role in liver regeneration. In order to link these differentially expressed microRNAs to their cellular and molecular functions, Gene Ontology Analysis was conducted, using TargetScan. Many putative gene-targets for each microRNA emerged, many of which are involved in the process of cellular proliferation. Following the emergence of the major differentiation of mmu-miR-21 within the results of qPCR evaluation and with previous research linking it with cancer cell proliferation regulation, it was decided to further assess the time kinetics of the expression of mmu-miR-21, utilizing tissue samples from the first experiment. Through an RT-qPCR evaluation, it was shown that up-regulation of mmu-miR-21 reaches its zenith at 12 hours post-PHx and remains quite highly expressed until 24 hours. This was further confirmed by in situ hybridization. In conclusion, we were able to standardize a very successful version of the 2/3 hepatectomy procedure adapted for mice. Using this model, the hypothesis of the altered expression of microRNAs during liver regeneration is confirmed, setting suspicion about some kind of regulatory role. Mmu-miR-21 emerges as the most differentially expressed one and possibly having the most important role. The data from the present study supplement preexisting knowledge on the phenomenon of liver regeneration, but also show the way for future research in further clarifying the paths leading to microRNAs’ regulatory role or investigating their potential role in the phases of proliferation or termination of liver regeneration.

Η αναγέννηση, με τον τρόπο που αυτή επιτελείται στο ήπαρ, δηλαδή με πολλαπλασιασμό των ώριμων κυττάρων όλων των κυτταρικών ομάδων του οργάνου, είναι μία μοναδική ιδιότητα. Πιθανώς η ιδιότητα αυτή να είναι γνωστή από αρχαιοτάτων χρόνων, όπως συμβολίζεται στον μύθο του Προμηθέα. Απόλυτα δικαιολογημένο, εκ τούτου, είναι το μεγάλο ερευνητικό ενδιαφέρον απέναντι στη μοναδική αυτή διεργασία. Το συνηθέστερο μοντέλο που χρησιμοποιήθηκε για τη μελέτη της αναγέννησης είναι η χειρουργική ηπατεκτομή σε μικρά τρωκτικά (κατά κύριο λόγο στον επίμυ). Μετά τη διενέργεια της επέμβασης παρατηρείται συγχρονισμένη είσοδος των ηπατοκυττάρων -αρχικά- και των λοιπών κυτταρικών ομάδων -στη συνέχεια- στη φάση G1 του κυτταρικού κύκλου και σε προετοιμασία πολλαπλασιασμού. Στην πρώτη αυτή φάση τα ηπατοκύτταρα γίνονται δεκτικά στη δράση μίας πλειάδας αυξητικών παραγόντων. Αυτή είναι η εναρκτήρια φάση της αναγέννησης (priming phase). Ακολουθεί η φάση πολλαπλασιασμού ή μεταβολική φάση, όπου λόγω των μεγάλων ενεργειακών αναγκών των διαιρούμενων κυττάρων, επισυμβαίνουν χαρακτηριστικά μεταβολικά γεγονότα (παροδική υπογλυκαιμία, συστηματική λιπόλυση και παροδική ηπατοκυτταρική στεάτωση), για να καλύψουν τις ανάγκες αυτές. Στο διάστημα του πολλαπλασιασμού εμφανίζονται τα παρακρινικά και τα αυτοκρινικά σήματα μεταξύ των διαφορετικών κυτταρικών ομάδων του ήπατος. Στα τρωκτικά η φάση αυτή ολοκληρώνεται 4 ημέρες μετά την ηπατεκτομή και ακολουθεί η τρίτη και τελευταία φάση του τερματισμού της αναγέννησης. Τότε συμβαίνει η πολυπαραγοντική ρύθμιση της λήξης του πολλαπλασιασμού. Με εκπληκτική ακρίβεια ρυθμίζεται το βάρος του ήπατος σε συνάρτηση με τη συνολικό βάρος του ζώου, με χρήση και ενός κύματος απόπτωσης, ενώ ακολουθεί αποκατάσταση της φυσιολογικής σύστασης της εξωκυττάριας ουσίας και της ιστολογικής δομής του ηπατικού ιστού. Σε ένα αντικείμενο τόσο διεξοδικά μελετημένο, εντοπίστηκε ένα νέο πεδίο έρευνας που υιοθετήθηκε στην παρούσα διατριβή: ο πιθανός ρυθμιστικός ρόλος των microRNAs στην αναγέννηση του ήπατος. Τα microRNAs είναι μικρά μόρια μη κωδικοποιητικού RNA (μήκους 22 περίπου νουκλεοτιδίων), που ανακαλύφθηκαν σχετικά πρόσφατα. Ωστόσο, με γοργούς ρυθμούς αποκαλύπτεται ο μείζονος σημασίας ρυθμιστικός ρόλος τους στην έκφραση των γονιδίων και άρα στη ρύθμιση πολλαπλών κυτταρικών λειτουργιών. Κατά την έναρξη της παρούσας διατριβής υπήρχαν στοιχεία που ενέπλεκαν τα microRNAs στην αναγέννηση των πτερυγίων του είδους ψαριών zebrafish, τη αναγέννηση των σκωλήκων Planaria spp. και στην επούλωση του τραύματος. Διατυπώθηκε η υπόθεση ότι μπορεί να έχουν ρυθμιστικό ρόλο και στην ηπατική αναγέννηση και μεγάλο μέρος της μελέτης αφιερώθηκε στη διαλεύκανση του ρόλου αυτού. Πρώτο μέλημα των ερευνητών ήταν η βελτιστοποίηση και τυποποίηση της αναισθησιολογικής και εγχειρητικής διεργασίας, που για τον μυ δεν ήταν τόσο διαδεδομένες όσο ήταν για τον επίμυ, λόγω της δυσκολίας που παρουσιάζει η διενέργεια χειρουργικής επέμβασης σε ένα ζώο βάρους 20 γραμμαρίων. Έγιναν πολλαπλές τροποποιήσεις στις παλαιότερες τεχνικές, με αποτέλεσμα την τυποποίηση μίας διαδικασίας που εγγυάται την ταχύτατη διενέργεια της επέμβασης (12-15 λεπτά) με άριστη (95-100%) επιβίωση των πειραματόζωων. Με χρήση της προαναφερθείσας χειρουργικής μεθόδου διενεργήθηκε η πρώτη εγχειρητική πειραματική διαδικασία: Χρησιμοποιήθηκαν 56 πειραματόζωα, τα μισά εκ των οποίων υποβλήθηκαν σε 2/3 μερική ηπατεκτομή και τα υπόλοιπα μισά σε επέμβαση Sham. Λήφθηκαν τα δείγματα ηπατικού ιστού, στον χρόνο 0 και για τα χρονικά σημεία μετά αναγέννηση 1, 3, 6, 12, 24, 36, 48 ωρών, από 4 πειραματόζωα για κάθε χρονικό σημείο. Η πρώτη χρήση των δειγμάτων ιστού από το πρώτο πείραμα έγινε η επιβεβαίωση της συγκρισιμότητας των αποτελεσμάτων του νέου χειρουργικού μοντέλου με αυτά της διεθνούς βιβλιογραφίας. Έγινε ανοσοϊστοχημική χρώση για ανάδειξη της πρωτεΐνης Ki-67 και άρα της χρονικής αλληλουχίας του ρυθμού πολλαπλασιασμού των ηπατοκυττάρων. Αναδείχθηκε, όπως αναμενόταν, η 36η ώρα μετά την ηπατεκτομή ως το χρονικό σημείο που ο μέγιστος αριθμός ηπατοκυττάρων βρίσκεται σε φάση πολλαπλασιασμού στον μυ. Για περαιτέρω επιβεβαίωση του χειρουργικού μοντέλου, στη συνέχεια έγινε ημιποσοτική εκτίμηση της χρονικής εξέλιξης της παροδικής ηπατοκυτταρικής στεάτωσης μετά από χρώση αιματοξυλίνης-ηωσίνης. Από την αξιολόγηση των αποτελεσμάτων προκύπτει ότι η μέγιστη συσσώρευση λίπους ανευρίσκεται, όπως αναμενόταν, στα χρονικά σημεία 12 και 24 ωρών (+++). Η μελέτη, στη συνέχεια, στράφηκε στην κατεύθυνση αξιολόγησης του ρόλου των microRNAs. Για τον σκοπό αυτό ακολούθησε η δεύτερη εγχειρητική πειραματική διαδικασία. Χρησιμοποιήθηκαν 20 πειραματόζωα εκ των οποίων τα μισά υποβλήθηκαν σε 2/3 μερική ηπατεκτομή ενώ τα υπόλοιπα σε επέμβαση Sham. Μετά από αναγέννηση 12 ωρών λήφθηκαν οι ηπατικοί ιστοί για μελέτη του προφίλ έκφρασης των microRNAs. Η επιλογή των 12 ωρών έγινε ως ένα χρονικό σημείο κατά τη φάση έναρξης της αναγέννησης, αλλά όχι στα πολύ αρχικά της στάδια, με γνώμονα την αναζήτηση του τυχόν ρυθμιστικού ρόλου των microRNAs. Το προφίλ έκφρασης των microRNAs μελετήθηκε με τη μέθοδο των μικροσυστοιχιών. Ελέγχθηκαν τα 598 microRNAs που ήταν γνωστά κατά τον καιρό της μελέτης. Τα αποτελέσματα ανέδειξαν ότι εμφανίζεται διαφορική έκφραση σε 8 microRNAs κατά την αναγέννηση. Αναλυτικότερα, τα mmu-miR-21 και mmu-miR-30b εμφάνισαν μεγαλύτερη έκφραση, ενώ τα υπόλοιπα 6 miRNAs (mmu-miR-34c, mmu-miR-144, mmu-miR-207, mmu-miR-451, mmu-miR-582-3p, mmu-miR-290-5p) εμφάνισαν μικρότερη έκφραση κατά την αναγέννηση. Τα δείγματα ιστών του δεύτερου πειράματος χρησιμοποιήθηκαν εκ νέου για επιβεβαίωση των ανωτέρω αποτελεσμάτων με τη μέθοδο RT-qPCR. Η qPCR επιβεβαίωσε το προφίλ έκφρασης των διαφορικά εκφρασμένων miRs, όπως είχαν δείξει τα δεδομένα από τα microarrays. Προέκυψε επίσης ότι το πιο σημαντικά διαφοροποιημένο mmu-miR μεταξύ αυτών που μελετήθηκαν, ήταν το mmu-miR-21. Για να συνδεθούν τα διαφοροποιημένα microRNAs με τις κυτταρικές λειτουργίες στις οποίες εμπλέκονται και πιθανώς ρυθμίζουν, εκτελέστηκε Gene Ontology ανάλυση με τη βοήθεια του TergetScan. Προέκυψε πλειάδα δυνητικών στόχων για τα εν λόγω microRNAs, με σαφή σχέση των γονιδίων-στόχων με τη διεργασία του κυτταρικού πολλαπλασιασμού. Από τα ως τότε αποτελέσματα, τράβηξε την προσοχή η μεγάλη μεταβολή στην έκφραση του mmu-miR-21. Αυτό, σε συνδυασμό με την γνωστή από άλλες μελέτες, εμπλοκή του mmu-miR-21 στο αναπαραγωγικό δυναμικό καρκινικών κυττάρων, αποφασίστηκε να αναζητηθεί η χρονική αλληλουχία έκφρασής του, με χρήση των δειγμάτων ηπατικού ιστού από το πρώτο πείραμα. Αρχικά, χρησιμοποιήθηκε η μέθοδος της RT-qPCR, που ανέδειξε σαφή υπεροχή της έκφρασης του mmu-miR-21 στις 12 ώρες μετά από τη μερική ηπατεκτομή με διατήρηση σχετικά υψηλής συγκέντρωσης ως και τις 24 ώρες. Ακολούθησε επιτυχής επιβεβαίωση του ανωτέρω αποτελέσματος με τη χρήση της μεθόδου του in situ υβριδισμού. Συμπερασματικά, η παρούσα μελέτη πέτυχε να υποδείξει μία πολύ αποτελεσματική μέθοδο 2/3 ηπατεκτομής στον μυ. Το χειρουργικό αυτό μοντέλο αποδείχθηκε ότι έχει πλήρως συγκρίσιμα αποτελέσματα με αυτά της διεθνούς βιβλιογραφίας. Στη συνέχεια επιβεβαιώθηκε η υπόθεση διαφορικής έκφρασης των microRNAs κατά τη διαδικασία της αναγέννησης. Το γεγονός αυτό, υπονοεί ότι ίσως να εμπλέκονται με κάποιο ρυθμιστικό ρόλο στη διαδικασία αυτή. Το mmu-miR-21 αναδεικνύεται ως το μάλλον σημαντικότερο από αυτά. Τα δεδομένα από την παρούσα μελέτη συμπληρώνουν τις έως τώρα γνώσεις για το φαινόμενο της ηπατικής αναγέννησης, αλλά και ανοίγουν δρόμους για νέο προσανατολισμό στην έρευνα, όπως την παραπέρα διαλεύκανση του τρόπου δράσης αυτών των microRNAs που εντοπίστηκαν ή τον τυχόν ρόλο τους και στις φάσεις πολλαπλασιασμού ή τερματισμού της αναγέννησης.