Τα κύτταρα της γέλης του Wharton ως πλατφόρμα αξιολόγησης της τοξικότητας ουσιών και ως εργαλείο κυτταροθεραπείας του καρκίνου

Abstract

The two main aspects of pharmaceutical production include the discovery of new specific and effective anti-cancer therapies, and the toxicological screening of these new pharmaceuticals for adverse effects. Cancer is one of the leading causes of morbidity and mortality worldwide, and despite significant advances in the research field, the development of substantially effective drugs continues to present significant difficulties. Consequently, in recent years research has focused on cytotherapy, which may pave the way for more effective treatments with fewer side effects. In addition, the required toxicological screening of all newly synthesized drugs involves the use of a large number of animals, thereby raising safety as well as bioethical issues. Mesenchymal Stem Cells (MSC) isolated from the human umbilical cord (UC-MSC) possess unique properties, such as high proliferation rates, the ability to differentiate into multiple cell types, and low immunogenicity and heterogeneity. In addition, they can migrate to tumor sites, where they interact with the local microenvironment, a property that renders them attractive candidates for use in cancer cytotherapy protocols. In the first part of the doctoral thesis, we performed a small-scale meta-analysis of the available bibliography on MSC-based cancer cytotherapy. Based on the obtained results and observations, we evaluated the effects of naïve and genetically modified Wharton's Jelly Mesenchymal Stem Cells (WJ-MSC) on the proliferation and survival of selected cancer cell lines, both in vitro and in vivo, and we also compared them with those of adult MSC. In addition, we examined the transcriptome of two cancer cell lines by RNA microarrays, in order to investigate the signaling pathways and regulatory networks involved in the observed anti-cancer activity of WJ-MSC. Interpretation of the results has led to the conclusion that the outcome of the MSC-mediated approaches for cancer cytotherapy is largely dependent on several parameters. In addition, we were able to identify a set of optimal conditions under which MSC exert their anti-cancer effect. WJ-MSC were found to possess strong tumor suppressive properties, both in vitro and in vivo. mRNA profile analysis revealed a significant target dependence of the anti-tumorigenic effects displayed by MSC. These effects are mediated by different pathways and are initiated by the same MSC secretome-derived stimuli. In the second part of the present thesis, we used WJ-MSC as a platform for the in vitro toxicity assessment of chemicals. The host laboratory has previously demonstrated that the WJ-MSC-based toxicity model (WJSC-A-Tox) responds accurately to basic cytotoxicity induced by various chemicals and is also able to predict acute oral toxicity in vivo. Based on the above, this cellular model has been used for the study of basic cytotoxicity and for the prediction of acute oral toxicity of newly synthesized chemicals and nanoparticles for therapeutic and/or diagnostic applications. In total, mesenchymal stem cells isolated from the matrix of the human umbilical cord pave the way for multiple biomedical applications, ranging from the treatment of cancer and other conditions, to disease diagnosis and toxicity screening.

Δύο κεντρικά πεδία της σύγχρονης φαρμακευτικής παραγωγής είναι η ανακάλυψη νέων, ειδικών και αποτελεσματικών αντικαρκινικών θεραπειών και επιπλέον ο τοξικολογικός έλεγχος κάθε νέας φαρμακευτικής ουσίας που παρασκευάζεται για πιθανές ανεπιθύμητες επιδράσεις στον ασθενή. Ο καρκίνος αποτελεί έναν από τους βασικούς παράγοντες νοσηρότητας και θνησιμότητας παγκοσμίως και παρόλο που οι ερευνητικές προσπάθειες για την αντιμετώπισή του έχουν παραγάγει σημαντικά αποτελέσματα, η ανάπτυξη φαρμάκων που να είναι ουσιαστικά αποτελεσματικά έναντι συγκεκριμένων καρκινικών τύπων παρουσιάζει σημαντικές δυσκολίες. Έτσι, τα τελευταία χρόνια οι έρευνες επικεντρώνονται στην κυτταρική θεραπεία, η οποία μπορεί να ανοίξει τον δρόμο για μία αποτελεσματικότερη θεραπεία με λιγότερες παρενέργειες. Επιπλέον, ο απαραίτητος τοξικολογικός έλεγχος για κάθε νέο φάρμακο που συντίθεται συνεπάγεται τη χρήση µεγάλου αριθµού πειραµατοζώων µε αποτέλεσµα την αύξηση του κόστους αλλά και την έγερση ζητηµάτων που σχετίζονται µε την ασφάλεια και τη βιοηθική. Τα μεσεγχυματικά βλαστικά κύτταρα (MSC) που απομονώνονται από τον ομφάλιο λώρο του ανθρώπου (UC-MSC) διαθέτουν μοναδικές ιδιότητες, όπως υψηλό ρυθμό πολλαπλασιασμού, δυνατότητα διαφοροποίησης προς πολλαπλούς κυτταρικούς τύπους, καθώς και χαμηλή ανοσογονικότητα και ετερογένεια. Επιπλέον, μπορούν να μεταναστεύουν προς θέσεις ανάπτυξης όγκων, όπου αλληλεπιδρούν με το τοπικό μικροπεριβάλλον, μία ιδιότητα που τα καθιστά εξαιρετικά κατάλληλους υποψήφιους για χρήση σε πρωτόκολλα κυτταροθεραπείας του καρκίνου. Στο πρώτο μέρος της διδακτορικής διατριρβής, βασιζόμενοι σε δημοσιευμένες ερευνητικές εργασίες με θέμα την κυτταροθεραπεία του καρκίνου με χρήση MSC, πραγματοποιήσαμε μία βιβλιογραφική μετά-ανάλυση και με βάση τις παρατηρήσεις και τα συμπεράσματα που προέκυψαν, αξιολογήσαμε τις επιδράσεις των αφελών και γενετικά τροποποιημένων μεσεγχυματικών βλαστικών της γέλης του Wharton (WJ-MSC) στον πολλαπλασιασμό και στην επιβίωση επιλεγμένων καρκινικών κυτταρικών σειρών in vitro και in vivo, ενώ παράλληλα τις συγκρίναμε και με αυτές των ενήλικων MSC. Επιπλέον, εξετάσαμε το μεταγράφωμα δύο εκ των τεσσάρων καρκινικών κυτταρικών σειρών με μικροσυστοιχίες RNA προκειμένου να μελετήσουμε τις σηματοδοτικές οδούς και τα ρυθμιστικά δίκτυα που εμπλέκονται στην παρατηρούμενη αντικαρκινική δράση των WJ-MSC. Η ερμηνεία των αποτελεσμάτων οδήγησε στο συμπέρασμα ότι η έκβαση των μεσολαβούμενων από MSC προσεγγίσεων κυτταροθεραπείας του καρκίνου εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από διάφορες παραμέτρους. Επιπλέον, μπορέσαμε να επισημάνουμε ένα σύνολο βέλτιστων συνθηκών, για την επίτευξη ογκοκατασταλτικών επιδράσεων από τα MSC. Τα WJ-MSC βρέθηκαν να κατέχουν αξιοσημείωτη ογκοκατασταλτική συμπεριφορά, τόσο in vitro όσο και in vivo. Η ανάλυση του mRNA των καρκινικών κυττάρων αποκάλυψε μία σημαντική στοχο-εξάρτηση της έκβασης των επιδράσεων που επιδεικνύονται από τα MSC έναντι του καρκίνου, οι οποίες διαμεσολαβούνται από διαφορετικές οδούς. Στο δεύτερο μέρος της παρούσης, χρησιμοποιήσαμε τα WJ-MSC ως πλατφόρμα in vitro αξιολόγησης της τοξικότητας χημικών ουσιών. Το εργαστήριο φιλοξενίας έχει δείξει ότι το μοντέλο τοξικότητας που βασίζεται στα WJ-MSC (WJSC-A-Tox) ανταποκρίνεται με μεγάλη πιστότητα στην βασική κυτταροτοξικότητα που επάγεται από τις διάφορες χημικές ουσίες, ενώ παράλληλα μπορεί να προβλέψει με μεγάλη ακρίβεια την οξεία από του στόματος τοξικότητα που επάγεται in vivo. Με βάση τα παραπάνω, το μοντέλο αυτό αξιοποιήθηκε για τη μελέτη της βασικής κυτταροτοξικότητας και την πρόβλεψη της οξείας από του στόματος τοξικότητας, νεοσυντιθέμενων χημικών ουσιών και νανοσωματιδίων που προορίζονται για θεραπευτικές και/ή διαγνωστικές εφαρμογές. Συνολικά, τα μεσεγχυματικά βλαστικά κύτταρα που απομονώνονται από τη μήτρα του ομφάλιου λώρου ανοίγουν τον δρόμο για ένα τεράστιο εύρος βιοϊατρικών εφαρμογών, από τη θεραπεία του καρκίνου και άλλων νοσημάτων, μέχρι τη διάγνωση ασθενειών και την τοξικολογία.