Medycyna regeneratywna i leczenie głuchoty

Każdy zapewne słyszał kiedyś o nowoczesnych lekach i terapiach w medycynie, o tym, że w ich tworzenie zaangażowani są często naukowcy z najprzeróżniejszych dziedzin. Dzisiaj omówię techniki medycyny regeneracyjnej stosowane bądź mające się pojawić niedługo w użytku.


Medycyna regeneratywna i leczenie głuchoty

Za słyszenie, przynajmniej u kręgowców, odpowiadają uszy. U różnych innych zwierząt za zmysł słuchu odpowiadają zupełnie inne struktury takie jak narządy tympanalne owadów, narząd Johnstona u błonkówek (Hymenoptera), a u niektórych głowonogów statocysty tworzące narząd podobny do ślimaka i zdolny do odbierania w wodzie dźwięków o częstotliwościach od 30 do 500 Hz.

black cricket (Gryllus bimaculatus) - tympanal organ
Narząd tympanalny świerszcza śródziemnomorskiego (Gryllus bimaculatus)

Ucho składa się z trzech głównych części: ucha zewnętrznego, ucha środkowego oraz ucha wewnętrznego. Zadaniem ucha zewnętrznego jest nakierowanie fali dźwiękowej na błonę bębenkową, która zaczyna drgać, wprawiając w ruch kosteczki słuchowe. Strzemiączko przekazuje te drgania do okienka owalnego pokrytego błoną. Następnie drgania wędrują przez przedsionek ucha wewnętrznego do ślimaka, tam wprawiają w ruch przychłonkę, co powoduje naciskanie na rzęski komórek rzęsatych. W konsekwencji otwierają się bramkowane naciskiem kanały wapniowe. Zwiększenie ilości jonów wapnia w dolnej części komórki sprawia, że pęcherzyki z neuroprzekaźnikiem ulegają fuzji z błoną. Skutkiem takiego ciągu zdarzeń jest przekazanie impulsu elektrycznego zawierającego informację na temat usłyszanego dźwięku do mózgu, gdzie jest on z powrotem przetwarzany na wrażenie słuchowe.

Ucho wewnętrzne, autor: Bruce Blaus

Głuchota może być spowodowana uszkodzeniem jednej z kilku wspomnianych wcześniej struktur: błony bębenkowej, kosteczek słuchowych, błony okienka owalnego, ślimaka lub komórek rzęsatych. Uraz taki może wywołać wiele czynników od narażenia na głośne dźwięki albo przebicia błony bębenkowej podczas czyszczenia uszu do zniszczenia ucha środkowego i wad genetycznych.
Leczeniem większości tych urazów zajmuje się z raczej dobrymi wynikami otochirurgia, aczkolwiek operacje te są często bardzo drogie i skomplikowane. Medycyna regeneracyjna za cel stawia sobie leczenie urazów ucha w taki sposób, aby to ono samo z pomocą specjalisty powracało do pierwotnego stanu. Głównym narzędziem są komórki macierzyste pluripotencjalne. Kolejnym problemem jest brak zdolności podziałowej komórek rzęsatych - raz uszkodzone umierają i nie są zastępowane, przez co każdy człowiek albo umrze, albo straci słuch. Taka właściwość HC (hair cells) występuje tylko u ssaków, co naukowcom daje nadzieję na stworzenie terapii, która pozwalałaby pobudzać je do podziałów.

Schematy wewnętrznej i zewnętrznej komórki rzęsatej, autor: Fettiplace, Robert & Nam, Jong-Hoon

W 2013 roku dwójka embriologów - Tatjana Piotrowski oraz Mark E. Lush - odkryła, że komórki obecne w linii bocznej narybku Danio rerio są bardzo podobne do komórek rzęsatych. W ich regeneracji biorą udział ścieżki sygnałowe Wnt/β-kateniny i Notch oraz czynnik transkrypcyjny Sox2. Kaskada Notch jest w dużym stopniu konserwatywna, tzn. że bardzo niewiele się różni u dalekich ewolucyjnie grup organizmów. Jej główną funkcją jest koordynacja rozwoju układu nerwowego, naczyniowego, serca, trzustki, krwi i układu odpornościowego. Ścieżka Wnt/β-kateniny również jest stara i stosunkowo niezmienna, a odpowiada za specjalizację komórek macierzystych w trakcie rozwoju organizmów zwierzęcych. Sox2 z kolei, a raczej (sex determining region Y)-box 2 jest konserwatywnym czynnikiem transkrypcyjnym zaangażowanym w samoregenerację i specjalizację embrionalnych komórek macierzystych. Odgrywa niebagatelną rolę w utrzymaniu w dobrej kondycji wcześniej wspomnianych linii zarodkowych oraz nerwowych komórek prekursorowych.

W linii bocznej tych ryb występuje duża liczba komórek macierzystych, które w wyniku zachodzenia w nich powyższych procesów, specjalizują się na komórki rzęsate. U ptaków z kolei po uszkodzeniu komórek rzęsatych obecne w nabłonku ślimaka komórki prekursorowe zaczynają się specjalizować w kierunku utraconego typu komórek.


Ważnym obiektem badań medycyny regeneracyjnej są indukowane pluripotencjalne komórki macierzyste. Są to takie komórki macierzyste, do których wprowadzono przy pomocy odpowiednich wektorów np. wirusów, geny powodujące u nich specjalizację, dzięki której zawęża się zakres ich potencjalnych podziałów. Można w taki sposób otrzymać np. nerwowe komórki prekursorowe, nabłonkowe komórki prekursorowe czy mięśniowe komórki prekursorowe. Następnie, jeśli znamy kaskady sygnałowe odpowiadające za powstawanie z nich konkretnej grupy komórek, możemy sztucznie je w nich wywoływać i w ten sposób uzyskiwać sztuczne linie komórkowe.

Komórki macierzyste w probówce

Jedną z metod, którą chcą stosować naukowcy jest wszczepienie indukowanych pluripotencjalnych komórek macierzystych do kanału Rosenthala albo możliwie blisko niego. Po podaniu ich do przychłonki bardzo niewiele przeżyło na tyle długo, by dotrzeć do celu, o wiele bardziej obiecujący wynik dało wstrzyknięcie ich do nerwu ślimakowego. Niestety taka terapia na chwilę obecną nie jest możliwa, ponieważ nie została jeszcze poznana ścieżka rozróżniająca komórki rzęsate przedsionka od HC ślimaka. Z dobrych wiadomości, wiemy, że za powstawanie komórek rzęsatych ogółem odpowiada gen Atoh1, którego produkty umożliwiają rozwój układu nerwowego, jelit i ucha wewnętrznego.


Kolejnym odkryciem jest fakt, że neurotrofina stymuluje komórki do tworzenia synaps kokardkowatych, które odpowiadają za szybkie przewodzenie impulsów nerwowych z komórek nabłonka ślimaka do neuronów nerwu ślimakowego.

Schemat działania plastra chitozanowego z IGFBP2, autor: Seonwoo H, Kim SW, et al

Komórek macierzystych można używać również do naprawiania znacznych uszkodzeń błony bębenkowej. Struktura ta generalnie ma zwyczaj sama zarastać, jeśli uraz jest niewielki. Istnieją jednak sytuacje takie jak zaawansowane stadium zapalenia ucha środkowego czy kontakt z ostrym ciałem obcym, gdzie przerwanie następuje na większym odcinku i błoną przestaje przekazywać drgania na kosteczki słuchowe. Jak na razie z takimi przypadkami radzą sobie otochirurdzy podczas operacji myringoplastyki. Taki zabieg nie jest bardzo inwazyjny, ale mimo wszystko u części pacjentów nie może zostać wykonany ze względu na m.in. alergie. W 2019 zespół prowadzony przez Hoon Seanwoo opracował terapię chronicznych perforacji błony bębenkowej. Opracowali oni chitozanową błonę, pokrytą białkiem IGFBP2 (białko 2 wiążące insulinopodobny czynnik wzrostu), którego funkcją w organizmie jest regulacja działania białka IGF-1, które powoduje proliferację tkanek. Przy różnych patologiach może promować karcynogenezę. Taki plaster przylepia się na dziurze w błonie bębenkowej i wtedy IGFBP2 wiąże EGF (czynnik wzrostu naskórka), a ten pobudza komórki do podziałów. Szczury użyte w testach in vivo regenerowały błonę w przeciągu około 7 tygodni od rozpoczęcia terapii.

Wyniki eksperymentu, błona bębenkowa zregenerowana na chitozanowym plastrze, autor: Seonwoo H, Kim SW, et al

Ostatecznie to, czy te lub inne podobne metody zostaną wprowadzone zależy wyłącznie od naukowców, którzy będą prowadzić w przyszłości badania nad regeneracją nabłonka ślimaka i błony bębenkowej. Być może za parę lat zamiast skomplikowanych operacji wszczepiania implantu ślimakowego będzie się wstrzykiwać pacjentom odpowiednie IPSC albo naklejać plaster z właściwym hormonem.


Źródła:

German Nacher-Soler et al. “Hearing regeneration and regenerative medicine: present and future approaches”, Archives of Medical Sciences, 2019 June 20, DOI:  10.5114/aoms.2019.86062, PMCID: PMC6657260, PMID: 31360190

Lush, Mark E.; Piotrowski, Tatjana (2013). "Sensory hair cell regeneration in the zebrafish lateral line". Developmental Dynamics. 243 (10): 1187–1202. doi:10.1002/dvdy.24167. PMC 4177345. PMID 25045019

Seonwoo Hoon, Seung Won Kim, et al “Latent stem cell-stimulating therapy for regeneration of chronic tympanic membrane perforations using IGFBP2-releasing chitosan patch scaffolds.” Journal of Biomaterials Applications 34(2), 198–207., May 6, 2019, DOI: https://doi.org/10.1177/0885328219845082,

Zapf J, Kiefer M, Merryweather J, Musiarz F, Bauer D, Born W, Fischer JA, Froesch ER (Oct 1990). "Isolation from adult human serum of four insulin-like growth factor (IGF) binding proteins and molecular cloning of one of them that is increased by IGF I administration and in extrapancreatic tumor hypoglycemia". J Biol Chem. 265 (25): 14892–8. PMID 1697583.

Artavanis-Tsakonas S, Rand MD, Lake RJ (Apr 1999). "Notch signaling: cell fate control and signal integration in development". Science. 284 (5415): 770–6. Bibcode:1999Sci...284..770A. doi:10.1126/science.284.5415.770. PMID 10221902.

https://www.cellsignal.com/contents/science-cst-pathways-developmental-biology/wnt-catenin-signaling/pathways-wnt

https://www.who.int/occupational_health/publications/noise2.pdf

Fettiplace, Robert & Nam, Jong-Hoon. (2018). Tonotopy in calcium homeostasis and vulnerability of cochlear hair cells. Hearing Research. 376. 10.1016/j.heares.2018.11.002.

Yack, Jayne E. (2004-04-15). "The structure and function of auditory chordotonal organs in insects". Microscopy Research and Technique. 63 (6): 315–337. doi:10.1002/jemt.20051. ISSN 1097-0029. PMID 15252876.

Dreller, C.; Kirchner, W. H. (1993). "Hearing in honeybees: localization of the auditory sense organ". Journal of Comparative Physiology A. 173 (3): 275–279. doi:10.1007/bf00212691.

https://www.livescience.com/11707-squid-hear-itos-motion-ocean.html

http://www.whoi.edu/oceanus/feature/scientists-find-that-squid-can-detect-sounds

https://phys.org/news/2011-02-squid-shown.html