Συγκριτική μελέτη των ομφαλικών αρχέγονων μεσεγχυματικών κυττάρων από τη γέλη του Wharton, σε σχέση με τα μυελικά αρχέγονα μεσεγχυματικά κύτταρα

Abstract

In view of the current interest in exploring the clinical use of mesenchymal stem cells(MSCs) from different sources, we performed a side-by-side comparison of thebiological properties of MSCs isolated from the Wharton’s jelly (WJ), the mostabundant MSC source in umbilical cord, with bone marrow (BM)-MSCs, the mostextensively studied MSC population. MSCs were isolated and expanded from BMaspirates of hematologically healthy donors (n = 18) and from the WJ of full-termneonates (n = 18). We evaluated, in parallel experiments, the MSC immunophenotypic,survival and senescence characteristics as well as their proliferative potential and cellcycle distribution. We also assessed the expression of genes associated with the Wntandcell cycle-signaling pathway and we performed karyotypic analysis throughpassages to evaluate the MSC genomic stability. The hematopoiesis-supportingcapacity of MSCs from both sources was investigated by evaluating the clonogeniccells in the non-adherent fraction of MSC co-cultures with BM or umbilical cord bloodderivedCD34+ cells and by measuring the hematopoietic cytokines levels in MSCculture supernatants. Finally, we evaluated the ability of MSCs to differentiate intoadipocytes and osteocytes and the effect of the WNT-associated molecules WISP1and sFRP4 on the differentiation potential of WJ-MSCs. Both ex vivo-expanded MSCpopulations showed similar morphologic, immunophenotypic, survival and senescencecharacteristics and acquired genomic alterations at low frequency during passages.WJ-MSCs exhibited higher proliferative potential, possibly due to upregulation ofgenes that stimulate cell proliferation along with downregulation of genes related tocell cycle inhibition. WJ-MSCs displayed inferior lineage priming and differentiationcapacity toward osteocytes and adipocytes, compared to BM-MSCs. This finding wasassociated with differential expression of molecules related to Wnt signaling, includingWISP1 and sFRP4, the respective role of which in the differentiation potential of WJMSCswas specifically investigated. Interestingly, treatment of WJ-MSCs withrecombinant human WISP1 or sFRP4 resulted in induction of osteogenesis andadipogenesis, respectively. WJ-MSCs exhibited inferior hematopoiesis-supportingpotential probably due to reduced production of stromal cell-Derived Factor-1α,compared to BM-MSCs. Overall, these data are anticipated to contribute to the bettercharacterization of WJ-MSCs and BM-MSCs for potential clinical applications.

Συνεχώς αυξανόμενο είναι το ενδιαφέρον για τη χρήση των αρχέγονων μεσεγχυματικών κυττάρων (Mesenchymal Stem/Stromal Cells–MSCs) σε κλινικές εφαρμογές. Το ενδεχόμενο MSCs από ποικίλες πηγές να ικανοποιούν διαφορετικές κλινικές εφαρμογές μας ώθησε στην παρούσα μελέτη. Έτσι πραγματοποίησαμε μια συγκριτική μελέτη των βιολογικών ιδιοτήτων MSCs προερχόμενων από τη γέλη του Wharton (Wharton’s Jelly–WJ), την πιο πλούσια πηγή MSCs του ομφαλίου λώρου, και MSCs από τον μυελό των οστών (Bone Marrow–BM), του πιο εκτενώς μελετημένου πληθυσμού μεσεγχυματικών κυττάρων.Στη διάρκεια της μελέτης, MSCs απομονώθηκαν από τον μυελό αιματολογικά υγιών δοτών (n=18) και από τη γέλη του Wharton νεογνών πλήρους κυήσεως (n=18).Τα MSCs καλλιεργήθηκαν ex vivo για συνολικά δέκα ανακαλλιέργειες (Passage–P)υπό τις ίδιες συνθήκες. Σε παράλληλα πειράματα μελετήθηκαν τα ανοσοφαινοτυπικά χαρακτηριστικά των κυττάρων καθώς και χαρακτηριστικά που αφορούν την επιβίωση και την κυτταρική γήρανση όπως το δυναμικό πολλαπλασιασμού και η κατανομή τούς στον κυτταρικό κύκλο. Επιπλέον εκτιμήθηκε η έκφραση γονιδίων που σχετίζονται με τα σηματοδοτικά μονοπάτια του Wnt και του κυτταρικού κύκλου, ενώ πραγματοποιήθηκε και κυτταρογενετική ανάλυση των ex vivo καλλιεργούμενων MSCs ώστε να εκτιμηθεί η γενωμική τούς σταθερότητα.Επιπροσθέτως, μελετήθηκε η ικανότητα των MSCs, και από τις δύο πηγές, να υποστηρίζουν την ανάπτυξη αρχέγονων αιμοποιητικών κυττάρων, εκτιμώντας τη κλωνογονική ικανότητα των μη-προσκολλούμενων κυττάρων (Non Adherent Cells–NACs) σε συν‐καλλιέργειες φυσιολογικών CD34+ κυττάρων, με BM-MSCs ή WJMSCs.Επίσης μετρήθηκαν τα επίπεδα κυτταροκινών που σχετίζονται με την αιμοποίηση στα υπερκείμενα των MSC καλλιεργειών. Τέλος, εκτιμήθηκε η ικανότητα διαφοροποίησης των MSCs προς λιποκύτταρα και οστεοκύτταρα καθώς και η επίδραση των σχετιζόμενων με το Wnt-μονοπάτι μορίων WISP1 και sFRP4 στο δυναμικό διαφοροποίησης των WJ- MSCs.Από την ανάλυση των αποτελεσμάτων φάνηκε πως και οι δυο exvivo καλλιεργούμενοι MSC πληθυσμοί (BM-MSCs ή WJ-MSCs) εμφανίζουν παρόμοια μορφολογικά και ανοσοφαινοτυπικά χαρακτηριστικά. Επιπλέον δεν διέφεραν ως προς χαρακτηριστικά επιβίωσης και κυτταρικής γήρανσης, ενώ φάνηκε να φέρουν γενετικές αλλαγές σε πολύ χαμηλή συχνότητα στη διάρκεια των ανακαλλιεργειών. Τα WJ-MSCsεμφάνισαν υψηλότερο δυναμικό πολλαπλασιασμού, πιθανότατα λόγω ενεργοποίησης γονιδίων που διεγείρουν τον κυτταρικό πολλαπλασιασμό και ταυτόχρονης υποέκφρασης γονιδίων που αναστέλλουν τον κυτταρικό κύκλο. Ωστόσο, τα WJMSCsπαρουσίασαν μειωμένη ενδογενή δέσμευση προς κάποια σειρά (lineagepriming)καθώς και μειωμένη ικανότητα διαφοροποίησης προς οστεοκύτταρα και λιποκύτταρα, συγκριτικά με τα BM-MSCs. Το παραπάνω εύρημα συσχετίστηκε με τη διαφορετική έκφραση μορίων που σχετίζονται με το Wnt-σηματοδοτικό μονοπάτι,περιλαμβανομένων των WISP1 και sFRP4, και διερευνήθηκε αντιστοίχως η εμπλοκήτου καθενός μορίου στη διαφοροποίηση των WJ-MSCs. Μάλιστα χορήγηση των ανασυνδιασμένων ανθρώπινων πρωτεϊνών WISP1 και sFRP4 στα καλλιεργούμενα WJ-MSCs οδήγησε σε επαγωγή και βελτίωση της οστεογενετικής και λιπογενετικής ικανότητας των κυττάρων, αντιστοίχως. Τέλος, τα WJ-MSCs εμφάνισαν μειωμένη ικανότητα να υποστηρίζουν την αιμοποίηση σε σχέση με τα ομολογά τους μυελικά, πιθανότατα εξαιτίας της μειωμένης παραγωγής του παράγοντα του«στρώματος» SDF-1α (stromal cell-derived factor-1α).Συμπερασματικά τα μέχρι στιγμής δεδομένα συμβάλλουν στον καλύτερο χαρακτηρισμό των WJ-MSCs και των BM-MSCs αναδεικνύοντας τις ιδιαίτερες βιολογικές τους ιδιότητες, που θα πρέπει να λαμβάνονται υπόψιν κατά την επιλογή της καλύτερης πηγής MSCs για καθεμιά κλινική εφαρμογή.