doc. Mgr. Vítězslav Bryja, Ph.D. Aktivace vývojových mechanismů u dospělého organismu 8h embryo ICM 2d embryo circulation Indukované kmenové buňky - iPSCs Oct3/4 Sox2 c-Myc Klf4 Indukované kmenové buňky - iPSCs Výsledek obrázku pro yamanaka ips Indukované kmenové buňky - iPSCs Výsledek obrázku pro yamanaka ips Direct reprogramming – přímé přeprogramování Proces, kterým lze s použitím kombinace transkripčních faktorů (nebo inhibitorů/aktivátorů signálních drah) změnit jeden buněčný typ v druhý. Pravoúhlý trojúhelník: ontogeneze ontogeneze blastocysta vyvíjející se tkáň (orgán) dospělá tkáň Kmenové buňky K čemu jsou, jak vypadají a jak jsou regulovány kmenové buňky v dospělém organismu? K čemu jsou tkáňově specifické kmenové buňky? 1) K zajištění homeostázy •v lidském organismu běžně regenerují celé tkáně – např. vlasové kořínky (doba „života“ 3-4 roky), epitel střeva, epitel plic, krevní buňky nebo játra • 2) K zajištění procesu hojení a regenerace • Y:\Dokumenty\2017\Prednaska\Cell Biology in numbers\27.tiff Časy – délka „života“ buněk Využití přechodného zvýšení 14C z dob studené války (Jonas Frisén, Karolinska) Nervové buňky mozkové kůry •Jak zjistit délku „života“ buněk/intenzitu obnovy tkání? Regenerace srdce: salamander regeneration Schopnosti regenerace se liší mezi jednotlivými organismy salamander regeneration hand po amputaci: hand po 10 letech: Schopnosti regenerace se liší mezi jednotlivými organismy Morfogenetické sign. dráhy (kanonická Wnt signalizace, Hedgehog, TGF, Notch) jsou nezbytné pro regeraci u řady mnohobuněčných organismů chick axolotl Morfogenetické sign. dráhy (kanonická Wnt signalizace, Hedgehog, TGF, Notch) jsou nezbytné pro regeraci u řady mnohobuněčných organismů Wnts in fin regeneration zebrafish Wnts in fin regeneration II ... Regenerace pod kontrolou Wnt signální dráhy u ploštěnky Kde jsou adult stem cells a jak vypadají? Nika kmenových buněk – stem cell niche * Kmenové buňky jednotlivých tkání se vzájemně liší – co se týče např. schopnosti proliferovat nebo naopak zůstávat zcela „inaktivní“ (quiescent) * Kmenové buňky jsou pod kontrolou svého mikroprostředí – tzv. niky kmenových buněk (stem cell niche) * V biologii kmenových buněk mají zásadní význam dráhy kontrolující embryonální vývoj – např. Wnt, FGF, Hedgehog, Notch atd. * Kmenové buňky zodpovědné za obměnu tkání v rámci homeostázy se mohou lišit od těch, které se aktivují v procesu regenerace Prostředí kmenových buněk (stem cell niche) Reya & Clevers 2005, Nature vlasový kořínek kostní dřeň Prostředí kmenových buněk (stem cell niche) Reya & Clevers 2005, Nature * S využitím klíčových objevů prof. Hanse Cleverse (Utrecht) a jeho animací Epitel střeva jako modelový příklad funkce tkáňových buněk a hierarchické organizace tkání https://www.hubrecht.eu/wp-content/uploads/2015/08/Clevers1.jpg Kmenové buňky střevního epitelu Moore & Lemischka, Science, 2006 Kmenové buňky střeva (2006) střevní epitel 2006: kmenové buňky definovány jako „label-retaining cells“ - tj. jako buňky, které se nedělí Hon za dospělými kmenovými buňkami – Lgr5 střevní epitel – jak prokázat, že je buňka kmenová (Barker et al., Nature, October 2007) A. Příprava transgenní myši č. 1 za účelem zjistit, kde je nový potenciální stem cell marker exprimován (in vivo expression profiling). Lgr5 je exprimován specificky v buňkách ve spodní části krypty. střevní epitel – jak prokázat, že je buňka kmenová (Barker et al., Nature, October 2007) B. Příprava transgenní myši 2, 3 a 4 za účelem zjistit, co všechno vzniká z Lgr5-pozitivních buněk (Lgr5+ lineage tracing). Lgr5 pozitivní buňky dávají vzniknout všem částem buněčného epitelu. Hon za dospělými kmenovými buňkami střevní epitel –D. Závěr: Kmenové buňky epitelu tlustého i tenkého střeva jsou protáhlé, dříve nepovšimnuté buňky, v relativní pozici 1´, 2´ a 3´od spodu krypty. Hon za dospělými kmenovými buňkami Jsou si kmenové buňky rovnocenné a zůstávají stále na stejném místě Stem cell competition - movie Prostředí kmenových buněk (stem cell niche) Panetovy buňky jako „niche“ kmenových buněk střeva Organoidy C. Lgr5 pozitivní buňky in vitro dávají vzniknout kompletní villus-crypt struktuře in vitro (Doposud se to s žádnými jinými buňkami nepodařilo) Organoidy Organoidy Organoidy Organoidy * Organoidy * Využití organoidů pro buněčné terapie poruch funkce střeva – např. cystická fibroza Moore & Lemischka, Science, 2006 Kmenové buňky střeva (2006) Co tedy jsou „label-retaining cells“? 2006: kmenové buňky definovány jako „label-retaining cells“ - tj. jako buňky, které se nedělí Nedělící se zásobárna buněk (Dll1+) pro případ poškození a regenerace: Nedělící se zásobárna buněk pro případ poškození a regenerace: Complexities of intestinal stem cells. a, The intestinal epithelium follows the distinct contours of villus–crypt units in the intestine. b, Normally, Lgr5-expressing stem cells (Lgr5+) lead to the production of precursor cells that further differentiate into the various types of crypt epithelial cell. Buczacki et al.1 report that precursors of one type of differentiated intestinal cell, Paneth cells, can persist for several weeks in a quiescent state before maturing into Paneth cells. Intriguingly, these quiescent precursors can revert back into Lgr5+ stem cells following crypt damage. Role kmenových buněk v rozvoji nádoru nádorovost Pravoúhlý trojúhelník: ontogeneze ontogeneze blastocysta vyvíjející se tkáň (orgán) dospělá tkáň tvorba nádoru regenerace Klasické morfogenetické dráhy (Wnt, Hh, Notch a další) regulují regeneraci, tkáňové specifické kmenové buňky i nádory •legenda k obrázku: Klasické morfogenetické dráhy (Wnt, Hh, Notch a další) regulují regeneraci, tkáňové specifické kmenové buňky i nádory nádorovost Pravoúhlý trojúhelník: ontogeneze ontogeneze blastocysta vyvíjející se tkáň (orgán) dospělá tkáň Počet mutací nutných pro vznik nádoru: 0 Klasické morfogenetické dráhy (Wnt, Hh, Notch a další) regulují regeneraci, tkáňové specifické kmenové buňky i nádory Teratomy teratoma1 teratoma2 nádorovost Pravoúhlý trojúhelník: ontogeneze ontogeneze blastocysta vyvíjející se tkáň (orgán) dospělá tkáň Počet mutací nutných pro vznik nádoru: 0 Klasické morfogenetické dráhy (Wnt, Hh, Notch a další) regulují regeneraci, tkáňové specifické kmenové buňky i nádory 1-5 5 a více Je to pravda? Experimentální důkaz: Vznik malých adenomů, které neprogredují Zkřížení s APC flox/flox myšima + tamoxifen Nekontrolovaná aktivace kmenových buněk má fatální následky Rychlý vznik adenomů a nádorů Zkřížení s APC flox/flox myšima + tamoxifen Nádorová kmenová buňka a jejich využití v terapiích Cancer_stem_cells_therapy Cancer stem cell based therapy - naděje pro nemocné s nádorem slinivky? •Adenokarcinom slinivky - Pancreatic adenocarcinoma - čtvrtý nejčastější důvod úmrtí u pacientů nádorových onemocnění •Medián přežití – 4-6 měsíců •5leté přežití – 1 % •Léčba gemcitabinem- nezabírá Cancer_stem_cells_therapy gemcitabine Cancer_stem_cells_therapy gemcitabine Terapie budoucnosti? Cancer_stem_cells_therapy Factor X gemcitabine Terapie budoucnosti? * •4 receptors: FGFR1-4 •22 ligands: FGF1-23 *