Tojásból porcszövet Debrecenben - remény a porcsérülésben szenvedőknek

A mozgásszervi betegségek sok ember életét keserítik meg. A porcsérülések, porckopások különösen fájdalmasak, maguktól alig gyógyulnak és az általuk okozott tünetek is nehezen kezelhetők. Ennek egyik oka, hogy a porcszövet szinte egyáltalán nem képes megújulni (regenerálódni). Ezért e betegségek jobb eséllyel történő gyógyításához először alaposan meg kell ismernünk a porcszövet fejlődését és működését.

A témával sok kutatócsoport foglalkozik világszerte. Ezek egyike Magyarországon, a Debreceni Egyetem Orvos- és Egészségtudományi Centrumának Anatómiai, Szövet- és Fejlődéstani Intézetében Zákány Róza vezetésével működő a Jelátviteli Kutatócsoport. A laboratóriumban jelenleg két doktorált munkatárs (Matta Csaba és Juhász Tamás), három PhD hallgató, 12 tudományos diákköri tanuló és egy asszisztens dolgozik. A laboratórium közel egy évszázados múltra tekint vissza, Huzella Tivadar professzor által az 1920-as évek elején, Közép-Európa elsőként létrehozott sejttenyésztő laboratóriumaként kezdte meg működését. A kutatócsoport kutatásainak hosszú távú célja olyan alapkutatási ismeretek gyarapítása, melyek elősegíthetik a porcszövetek regenerációjának beindítását, illetve a beültetésre alkalmas porcszövet előállítását.

A csoport csirkeembriókból nyert porcelőfutár sejtekből létrehozott sejtkultúrákban vizsgálja a porcszövet differenciálódását és a sejtek jelátviteli útvonalait. Ennek az embrionális porckeletkezést jól modellező kísérleti rendszernek a használata több évtizedes múltra tekint vissza a laboratóriumban, emellett az utóbbi három évben sikerült egy egér és egy emberi sejtvonalban is beállítani azokat a kísérleti feltételeket, amelyek alkalmazásával porcdifferenciáció történik bennük.

Jelátvitel

A sejt tulajdonságainak megváltozása a sejten kívüli térből érkező jelek (kémiai anyagok, fizikai inger) hatására. A jel "érzékeléséhez" a sejteket körülvevő membránban (bizonyos, a sejtmembránon átjutni képes anyagok, pl. egyes hormonok esetében a sejten belül) receptor struktúrák vannak, melyek a sejt belsejével is kapcsolatban állnak, ott anyagcsere változásokat indítanak el.

A porcszövet felépítése

A porcszövet a kötő- és támasztószövetek közé tartozó speciális összetételű szövet. Két fő összetevője a porcsejtek (kondrociták) és a sejtközötti állomány (extracelluláris mátrix). A szövet jóval nagyobb részét teszi ki a mátrix, mint a sejtek. A porcszövetnek három típusát különböztetjük meg: a rostos porc (ez építi fel például a csigolyák közötti, illetve a térdízületben levő porckorongokat), a rugalmas vagy elasztikus porc (például a fülkagylóban), valamint az üvegporc (hyalin porc), amely a légutak falának merevségét adja, valamint beborítja a valódi (üreggel rendelkező) ízületeket kialakító csontok egymás felé tekintő felszíneit. Ez utóbbi, un. ízületi porc épsége garantálja az akadálytalan, fájdalommentes mozgást és csillapítja az ízület mozgásai során keletkező összenyomó terhelést.

A képre kattintva galéria nyílik meg

A porcszövet különleges szövet, mert a többi kötő- és támasztószövettel ellentétben nem tartalmaz ereket. Ezért a sejtek diffúzióval táplálkoznak és veszik fel az oxigént az ízületi (szinoviális) folyadékból, amely egyben az ízületek "kenőanyagként" is szolgál. A diffúzió lassúsága miatt a porcsejtek anyagcseréje lassú és oxigén ellátásuk gyengébb, mint a többi testi sejté, viszont hosszú életűek, egészséges ízületekben akár egész életünkben kitartanak. A porcsejtek osztódása a növekedés befejeződésekor leáll. Ezért az ízületi porcszövet felnőtt korban nem képes regenerálódni, ha bármilyen sérülés éri.

A porcszövet fontos részét képezi a sejtközötti állomány, azaz az extracelluláris mátrix. Ez különleges környezetet nyújt a sejteknek, egyben meghatározza a porcszövet fizikai sajátosságait. Ha a porcsejteket kivesszük a mátrixból, akkor elveszítik jellegzetes "porcsejt mivoltukat". A mátrix két fő alkotórésze a kollagénrostok és a rostok közötti alapállomány. Az alapállományban erősen negatív töltésű, kén- és nitrogéntartalmú szénhidrát-molekulák (úgynevezett glükózaminoglikánok, például hialuronsav és kondroitin-szulfát), valamint speciális, glükozaminoglikán oldalláncú fehérjék (úgynevezett proteoglikánok) és nagy mennyiségű hozzájuk kötött víz található. A felnőtt ízületi porcban a kollagénrostok és az egyéb makromolekulák nagyon lassan, akár több évente újulnak csak meg, ezért a valamilyen okból lecsökkent mennyiségű mátrix pótlása a porcsejtek által csak igen hosszú idő alatt várható.

A porcszövet fejlődése

Az érett porcszövet a többi kötő- és támasztószövet-féleséghez hasonlóan az embrionális kötőszövetből, az úgynevezett mezenchimából fejlődik. A korai embrionális érett során a kezdetben nyúlványos és lazán elhelyezkedő sejtek gyors osztódásba kezdenek, ennek eredményeképpen tömör sejthalmazok (porccsomók) jönnek létre. Ezt a folyamatot kondenzációnak nevezzük. Ezekben a csomókban kezdődik meg a sejtek differenciálódása, amelyet a sejten belül lejátszódó változásokkal együtt a sejtek lekerekedése kísér. Ez az érett porcsejtekre jellemző sejtalak. A differenciált sejtek végül megkezdik a porcszövetre jellemző sejtközötti állomány termelését és az érett porcszövet kialakítását.

A képre kattintva galéria nyílik meg

Az egyedfejlődés kezdetén a vázrendszer legnagyobb része porcszövetből épül fel, amely végül átépül csontszövetté. A csontok hossznövekedéséért a pubertáskor végéig megmaradó növekedési (epifízis) porckorong felelős.

A porcszövet fejlődésének vizsgálata laboratóriumban

A porckialakulás laboratóriumi vizsgálatához az 1960-as évek elején amerikai kutatók kifejlesztettek egy speciális módszert, amelyet a Debreceni Egyetem Anatómia, Szövet- és Fejlődéstani Intézet Jelátviteli Kutatócsoportja is használ. Mint Zákány Róza elmondta, a kísérletek elvégzéséhez mindössze megtermékenyített tyúktojásokra, valamint egy jól felszerelt sejttenyésztő laboratóriumra van szükség. A tojásokat 4 napon keresztül 38-39 Celsius-fokos keltetőben inkubálják, majd a fejlődésnek indult csirkeembriókat eltávolítják a tojásokból.

Ebben a korai fejlődési stádiumban a csirkeembrióknak még nincsenek kifejlett végtagjaik, csupán a végtagbimbók (végtagtelepek) láthatók, amelyek főként porcosodásra elkötelezett (úgynevezett porcelőfutár, vagyis kondroprogenitor) sejteket tartalmaznak. Operáló mikroszkóp, két csipesz, valamint nem remegő kéz segítségével a végtagtelepek kis rutinnal könnyedén eltávolíthatóak a csirkeembriókról.

A képre kattintva galéria nyílik meg

A végtagbimbók sejtjeit óvatos enzimatikus emésztéssel választják el egymástól, és különálló sejtekből álló, sűrű oldatot hoznak létre belőlük. A sejtszámot igen magasra (15 millió sejt milliliterenként) kell beállítani a sejtkondenzáció modellezése érdekében. A sejtek mesterséges felszínekre történő kicseppentésével hozhatók létre az úgynevezett nagy sejtsűrűségű (HD - high density) sejtkultúrák.

Ha ezeket a kultúrákat megfelelő körülmények között (állandó hőmérsékletet, páratartalmat, O₂- és CO₂-koncentrációt biztosító készülékben, steril tápfolyadékban) tartják, bennük 6 nap alatt spontán porcképződés játszódik le. A mezenchimális sejtek döntően a tenyésztés 3. napján differenciálódnak porcsejtekké, és ettől a naptól kezdve detektálható a porcspecifikus mátrix jelenléte a kultúrákban.

Ez az egyszerű sejtdifferenciációs modell nagyszerű lehetőséget nyújt a porcképződést szabályozó jelátviteli útvonalak laboratóriumi körülmények között történő tanulmányozására. A különböző jelátviteli molekulák működését befolyásoló anyagoknak a kultúrák tápfolyadékához való adagolásával a képződött porcmátrix mennyisége befolyásolható, és a szabályozó molekulák expressziós (kifejeződési) szintjének megfigyelésével betekintést nyerhetünk e fehérjék porcdifferenciálódásban betöltött szerepébe.

A laboratórium néhány eddigi kutatási eredménye

A kutatók közös munkájuk folyamán leírták többek közt azt, hogy a porcdifferenciálódást jellegzetes sejten belüli (intracelluláris) kalciumion-koncentráció változások kísérik. A differenciálódó porcsejtek egyedülálló, magas frekvenciájú Ca²⁺-oszcillációkat is mutatnak. Ennek jelentőségét az adja, hogy a Ca²⁺ a sejteken belül egyfajta hírvivő (messenger) szerepet tölt be és mivel a sejtek citoplazmájában a szabad Ca²⁺ mennyisége minimális, ezért a Ca²⁺-koncentráció csekély változása is fontos információként szolgál a sejtek működése során. A sejtek jelátvitelében számos olyan sejten belüli molekula játszik fontos szerepet, amelynek működését a Ca²⁺ jelenléte vagy hiánya alapvetően befolyásolja.

A porcdifferenciáció szabályozásában szerepet játszó különböző fehérjemolekulák (például transzkripciós faktorok) működését nem csak Ca²⁺, hanem foszforiláció/defoszforiláció is szabályozza. A foszfátcsoportokat eltávolító foszfatáz enzimek közül többnek (PP2A, kalcineurin) a porcképződésben betöltött szerepét is sikerült bizonyítaniuk.

A képre kattintva galéria nyílik meg

Megfigyelték azt is, hogy a differenciálódó porcszövet mechanikai ingerlése elősegíti a porcmátrix képződését, jelenleg vizsgálják, hogy a mechanikai ingert milyen módon "érzékelik a sejtek" és ez a stimuláció milyen jelátviteli út(ak)on fejtheti ki a porckialakulást serkentő hatását.

A kutatók remélik, hogy az in vitro ("üvegben történő", azaz laboartóriumi körülmények között zajló) porcképződést szabályozó jelátviteli útvonalak felderítése hozzájárulhat a porcszövet fejlődésének részletesebb megismeréséhez és hosszabb távon segítséget nyújthat az ízületi porc pótlására szolgáló, mesterségesen előállított, beültethető porcszövet kifejlesztéséhez, ami emberek millióinak életét könnyítheti meg.