Komórki macierzyste w gojeniu się ran z matrycą kolagenową jako nośnikiem

Rany są powszechnym problemem na całym świecie. Ze względów praktycznych rany dzielą się na ostre i przewlekłe. Postępowanie z raną ostrą zależy od ilości i rodzaju zniszczenia tkanek. W związku z tym rany ostre można dalej podzielić na proste rany, w których brakuje tylko skóry, oraz złożone rany, w których zajęte są niektóre struktury leżące poniżej. Skomplikowane rany mogą wymagać wolnego płata, jeśli łożysko rany jest słabo unaczynione, pozbawione unaczynienia lub leżąca pod nim tkanka nie akceptuje przeszczepu skóry lub macierzy zewnątrzkomórkowej pochodzenia biologicznego (BDEM). Z drugiej strony proste rany byłyby w przeszłości leczone za pomocą przeszczepu skóry lub miejscowego płata, jeśli to możliwe. Te strategie zarządzania zwykle skutkują niedopuszczalnymi estetycznie i/lub funkcjonalnie (np. przykurcz, niestabilna rana) i często wymagają wtórnej rekonstrukcji.

Drugą klasą ran są rany przewlekłe. Przewlekłe rany pojawiają się wtedy, gdy zwykle dobrze zorganizowany proces naprawczy nie przebiega w sposób sekwencyjny i terminowy od hemostazy i stanu zapalnego, poprzez proliferację do przebudowy. Proces ten jest z konieczności skomplikowany i może być opóźniony przez wiele czynników wewnętrznych i zewnętrznych (1). Rany ostre i przewlekłe stanowią znaczne obciążenie dla pacjentów, pracowników służby zdrowia i systemu opieki zdrowotnej, dotykając ponad 15,5 miliona pacjentów i kosztując szacunkowo 500 miliardów dolarów rocznie (2-3). Ze względu na patogenezę wyróżnia się cztery główne typy ran przewlekłych: owrzodzenia żylne, owrzodzenia cukrzycowe, niedokrwienie tętnicze i odleżyny.

1. Owrzodzenia żylne zwykle występują w nogach, stanowią większość ran i często dotykają osoby starsze z wcześniejszą historią zakrzepicy żył głębokich (DVT). Wrzody tworzą się ostatecznie, gdy komórki nie nadążają z tempem degradacji.
2. Wrzody cukrzycowe obserwuje się u pacjentów z cukrzycą, u których rozwijają się wrzody z kilku powodów. Neuropatia i mikroangiopatia są dość powszechne, a te zmiany wraz z obniżoną odpornością tworzą idealną burzę dla rozpadu tkanek w kończynach dolnych. Z powodu tych wszystkich czynników, pogarszanych przez upośledzone gojenie, nawet najmniejsze skaleczenia lub siniaki mogą ulec niebezpiecznemu zakażeniu.
3. PAD to termin obejmujący szereg problemów medycznych spowodowanych niedrożnością dużych tętnic w rękach lub nogach. W zaawansowanej postaci PAD może wystąpić krytyczne niedokrwienie kończyn (CLI), które jest główną przyczyną amputacji kończyn dolnych. Angiogeneza Foundation szacuje, że 1,4 miliona ludzi w Stanach Zjednoczonych cierpi na CLI, a każdego roku diagnozuje się około 350 876 nowych przypadków (2).
4. Odleżyny stanowią czwarty główny rodzaj ran. Zwykle występują u osób przykutych do łóżka lub których mobilność jest poważnie ograniczona. Są one spowodowane utratą krążenia krwi, która występuje, gdy nacisk na tkankę jest większy niż ciśnienie perfuzji w naczyniach włosowatych, odcinając w ten sposób krążenie, powodując niedokrwienie tkanki. Połączenie znieczulenia i paraliżu jest silnym induktorem rozpadu tkanek. Dane z oddziałów rdzenia kręgowego w Veterans Affairs Medical Centers pokazują alarmująco wysoką częstość występowania odleżyn u młodych żołnierzy sparaliżowanych urazami rdzenia kręgowego.

W ciągu ostatnich dziesięcioleci dokonano niewielkiej poprawy w zmniejszaniu zachorowalności i niepełnosprawności z powodu ran przewlekłych (3). Najlepsze dostępne leczenie ran przewlekłych zapewnia jedynie 50% wskaźnik gojenia, które często jest tymczasowe, z niedopuszczalnie wysokim odsetkiem nawrotów. Wśród wielu czynników przyczyniających się do „zatrzymania” procesów gojenia się ran, istotnymi problemami są upośledzenie produkcji cytokin przez miejscowe komórki zapalne i fibroblasty oraz zmniejszona angiogeneza (4).

Wprowadzenie BDEM na przestrzeni lat znacznie poprawiło leczenie ran. Najczęściej stosowanym BDEM jest matryca kolagenowa pochodzenia bydlęcego. Ta matryca z kolagenu bydlęcego jest zatwierdzonym przez FDA urządzeniem do pielęgnacji ran, składającym się z porowatej matrycy z usieciowanego kolagenu bydlęcego i glikozaminoglikanu oraz półprzepuszczalnego polisiloksanu (warstwa silikonu). Biodegradowalna matryca kolagenowo-glikozaminoglikanowa zapewnia rusztowanie dla inwazji komórkowej i wzrostu naczyń włosowatych (5). Zastosowanie matrycy z kolagenu bydlęcego może poprawić wyniki estetyczne i funkcjonalne w złożonych ranach z ubytkami skóry pełnej grubości i odsłonięciem leżących pod nimi struktur, takich jak mięśnie, ścięgna, naczynia lub nerwy. Pomimo korzyści klinicznej, istotnym problemem jest długi czas unaczynienia i regeneracji, który według producenta wynosi 3 tygodnie. W rezultacie nie tylko zwiększa to koszty leczenia ran, ale także zmniejsza potencjalne dochody i jakość życia.

Wraz z postępem badań w dziedzinie leczenia ran, terapia komórkami macierzystymi staje się obiecującym podejściem do leczenia zarówno ostrych, jak i przewlekłych ran. Obecnie wiadomo, że komórki macierzyste pochodzące ze szpiku kostnego (BMSC) są multipotencjalnymi komórkami macierzystymi zdolnymi do różnicowania się w liczne typy komórek, w tym fibroblasty, mięśnie, mózg i chrząstkę (6). Wśród komórek znalezionych w BMSC jest grupa zwana mezenchymalnymi komórkami macierzystymi (MSC). MSC to komórki zrębowe, które były trzymane w rezerwie ze zdolnością do samoodnawiania, a także wykazują wieloliniowe różnicowanie. MSC znajdują się również w tkankach płodowych i dorosłych i zostały wyizolowane z pępowiny, polipów endometrium, tkanki tłuszczowej i krwi menstruacyjnej. Ponieważ są łatwo dostępne do pobrania z różnych tkanek, MSC są atrakcyjnym wyborem w eksperymentalnych i możliwych zastosowaniach klinicznych.

Ostatnie obserwacje kliniczne i badania na małych próbkach wskazują na przyspieszone gojenie się trudnych ran dzięki miejscowemu i regionalnemu zastosowaniu preparatów komórek jednojądrzastych z autologicznego szpiku kostnego. W modelu szczurzym zastosowanie ogólnoustrojowych i miejscowych BMSC zaowocowało poprawą gojenia się ran dzięki zwiększeniu wytrzymałości na rozciąganie rany, zwiększeniu ilości kolagenu i szybszemu dojrzewaniu rany (7). Jednak pobieranie szpiku kostnego jest bolesne, czasami wymaga znieczulenia ogólnego, a czasami niewykonalne ze względu na osłabiony stan pacjentów. Dlatego niezwykle pożądane jest stosowanie gotowych, dostępnych w handlu, allogenicznych, mezenchymalnych komórek macierzystych.

NuCel (NutechMedical, Birmingham, AL USA) jest zatwierdzonym przez FDA alloprzeszczepem zawierającym MSC pochodzące z ludzkiej owodni i płynu owodniowego i jest obecnie stosowany w różnych warunkach klinicznych, w tym w chirurgii ortopedycznej i neurochirurgii jako przeszczepy. Donoszono, że MSC pochodzące z owodni mają wysokie właściwości trans-różnicowania i angio-naczyniowe (8). Komórki macierzyste NuCel są uprzywilejowane immunologicznie, ponieważ nie wykazują ekspresji głównego kompleksu zgodności tkankowej klasy II i mają niższą ekspresję MHC klasy I w porównaniu z dorosłymi komórkami macierzystymi pochodzącymi ze szpiku kostnego. NuCel zawiera pięć rodzajów kolagenu i fibronektyny, które są czynnikami zaangażowanymi w proces gojenia się ran. Ponadto są mniej kontrowersyjne etycznie ze względu na obfitość odpadowego łożyska.

Liczne badania wykazały, że pluripotencjalne komórki macierzyste mogą zwiększyć i przyspieszyć unaczynienie BDEM oraz znacznie skrócić czas dojrzewania BDEM (6-8). W rezultacie aplikacja ta może potencjalnie obniżyć koszty leczenia ran i poprawić jakość życia.

Podsumowując, proponujemy ostateczne przetestowanie bezpieczeństwa i skuteczności właśnie takich allogenicznych MSC, NuCel, we wspomaganiu gojenia ostrych i przewlekłych ran. NuCel składa się ze specjalnej klasy ludzkich komórek macierzystych, które mają zdolność do ekspresji szeregu białek o znaczeniu terapeutycznym i innych czynników, a także do tworzenia wielu typów komórek. Proponujemy przeprowadzenie badania pilotażowego na Uniwersytecie Georgia Regents. Jest to prospektywne, randomizowane, kontrolowane badanie, którego celem jest wygenerowanie dowodów poziomu I i II na skuteczność owodniowych komórek macierzystych wykorzystujących matrycę kolagenową jako nośnik we wspomaganiu gojenia się ran.

Celem i projektem obecnej propozycji jest ustanowienie praktycznego protokołu, który może nie tylko przyspieszyć przełożenie postępu wiedzy na nowe standardy opieki nad ranami, ale także jest bezpieczny, zatwierdzony przez FDA i niedrogi niektóre z najpilniejszych potrzeb w dzisiejszej dziedzinie leczenia ran. Głównym celem obecnej propozycji jest wykorzystanie owodniowego MSC do przyspieszenia dojrzewania i integracji macierzy kolagenowej w łożysku rany oraz skrócenia całkowitego czasu potrzebnego do gojenia się rany. Może to potencjalnie skutkować oszczędnościami setek milionów dolarów w systemie opieki zdrowotnej. Wynik tej propozycji przyspieszy przełożenie większych możliwości medycznych na pacjentów przy użyciu nowatorskiej, bezpiecznej i kreatywnej interwencji.