Tojásból porcszövet Debrecenben - remény a porcsérülésben szenvedőknek

2011.09.30. 8:31

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.

Fotó: Tuba Zoltán [origo]
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.

Fotó: Tuba Zoltán [origo]
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.

Fotó: Tuba Zoltán [origo]
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.

Fotó: Tuba Zoltán [origo]
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.

KAPCSOLÓDÓ CIKK