Spermatogoniální kmenová buňka - Spermatogonial stem cell - Wikipedia

Osudy spermatogonických kmenových buněk: obnova nebo diferenciace

A spermatogoniální kmenová buňka (SSC), také známý jako a spermatogonium typu A., je spermatogonium který se nerozlišuje na a spermatocyt, předchůdce spermie buňky. Místo toho se nadále dělí na jiné spermatogonie nebo zůstávají spící, aby si udrželi rezervu spermatogonie. Na druhé straně spermatogonie typu B se diferencují na spermatocyty, které zase podléhají redukční dělení buněk nakonec vytvořit zralé spermie.

Spermatogonické kmenové buňky ve varlatech

Během vývoje plodu gonocyty se vyvíjejí z prvotních zárodečných buněk a po tomto se SSC vyvíjejí z gonocytů ve varlatech.[1] SSC jsou časným předchůdcem spermie a jsou odpovědné za pokračování spermatogeneze u dospělých savců. Kmenové buňky jsou schopné se rozdělit na více SSC, což je životně důležité pro udržení fondu kmenových buněk. Alternativně pokračují v rozlišování spermatocyty, spermatidy a nakonec spermie.

Jeden SSC je předchůdcem mnoha spermií, a proto jsou SSC ve varlatech mnohem méně četné než buňky podstupující spermatogenezi.

Nomenklatura

U lidí

Nediferencovanou spermatogonii lze rozdělit do 2 skupin; Tmavý (Ad) a A Pale (Astr)

Ad spermatogonie jsou rezervní kmenové buňky. Tyto buňky jsou schopné se rozdělit a produkovat více SSC, ale obvykle ne. Astr spermatogonie se aktivně dělí, aby udržovaly fond kmenových buněk. Spermogonie B1-B4 zahrnují diferenciační spermatogonii a již nejsou považovány za kmenové buňky.

Většina výzkumu SSC byla prováděna u hlodavců. Podtypy spermatogonie se u myší a lidí liší.[2]

U myší

Jeden (As) spermatogonie jsou schopny vytvořit 2 oddělené dceřiné SSC, když se rozdělí nebo se dceřiné buňky mohou spojit a vytvořit Apr) spermatogonie.

Oba As a A.pr spermatogonie jsou nediferencované. Řetězy těchto buněk se tvoří a jsou označovány jako A Aligned (Aal). Aal spermatogonie se liší, a proto již nejsou klasifikovány jako kmenové buňky. Dále se dělí 6krát a nakonec vytvoří spermatogonii typu B.

SSC Niche

Nejdůležitější somatické buňky, které podporují regulaci SSC, jsou Sertoliho buňky. Různé další somatické buňky v intersticiální tkáni podporují Sertoliho buňky, jako např Leydigovy buňky a peritubulární myoidní buňky proto nepřímo ovlivňuje SSC a umístění jejich výklenku.[3]

Kmenové buňky spermatogonie u savců se nacházejí mezi bazální membránou semenotvorných tubulů a Sertoliho buňky. Zůstávají zde až do fáze meiotické profázy redukční dělení buněk. Zde spermatocyty procházejí bazální membránou přes buněčnou bariéru sertoli.

SSC zůstávají ve svém výklenku, kde jsou povzbuzováni k vlastní obnově. Když se pohybují kolem bazální membrány, diferencují se díky buněčným signálům.

Parakrinní regulace samoobnovení SSC

Samoobnovení spermatogonických kmenových buněk (SSC) je regulováno místními signály.[4] Přibližně 50% populace SSC podstoupí samoobnovu k udržení počtu kmenových buněk a dalších 50% se stane oddanými progenitorovými buňkami, které se během spermatogeneze diferencují na spermie.[5] Buňky přítomné ve varlatech exprimují molekuly, které hrají klíčovou roli v regulaci samoobnovy SSC. U myší bylo prokázáno, že Sertoliho buňky vylučují neurotrofický faktor odvozený od gliálních buněčných linií (GDNF), který má stimulační účinek na sebeobnovu kmenových buněk. Předpokládá se, že tento faktor je exprimován v peritubulárních buňkách v lidských varlatech.[1] Fibroblastový růstový faktor (FGF2) je další molekula zásadní pro regulaci obnovy kmenových buněk a je exprimována v buňkách Sertoli, Leydigových buňkách a zárodečných buňkách. Signalizace FGF2 interaguje s GDNF za účelem zvýšení rychlosti proliferace.[1] Chemokinový (motiv CXC) ligand 12 (CXCL12) signalizující prostřednictvím svého receptoru CXC chemokinový receptor typu 4 (CXCR4) se také podílí na regulaci rozhodování o osudu SSC. CXCL12 se nachází v buňkách Sertoli v bazální membráně semenných tubulů v dospělých myších varlat a jeho receptor je exprimován v nediferencovaných spermatogoniálních buňkách.[6]

GDNF a FGF2 jsou oba potřebné k aktivaci dráhy fosfoinositid 3-kinázy (PI3K) -Akt a dráhy mitogenem aktivované proteinové kinázy / ERK1 kinázy 1 (MEK), která potencuje proliferaci a přežití SSC.[7] CXCL12, FGF2 a GDNF komunikují prostřednictvím sítě za účelem zprostředkování funkcí SSC.[6]

Diferenciace

Předchůdci jsou spermatogoniální kmenové buňky spermie, které jsou vytvářeny řadou diferenciačních kroků.[1] Toto je alternativní výsledek SSC k samoobnovení. SSC přežívají v mikroprostředí, nazývaných výklenky, které poskytují vnější podněty, které řídí diferenciaci kmenových buněk nebo jejich vlastní obnovu.[8] Výklenek SSC se nachází v semenném epitelu savčích varlat a je primárně tvořen Sertoli a peritubulární myoidní buňky.[6]

Existují dva primární stupně diferenciace, z nichž první zahrnuje transformaci As (single) spermatogonie do dceřiných potomků Apr (spárované) spermatogonie, které jsou předurčeny k diferenciaci. Ty se mohou dále dělit a vytvořit A.al (A-zarovnáno) spermatogonie.[1]

Druhý krok zahrnuje produkci diferenciace spermatogonie A1 od Apr nebo A.al spermatogonie. Tyto spermatogonie A1 podstoupí dalších pět divizí k produkci spermatogonie A2, A3, A4, meziproduktů a typu B, které mohou vstoupit meióza já.[1]

Výroba zralé trvá asi 64 dní spermie z diferenciace SSC a každý den lze vyprodukovat 100 milionů spermií.[6]

Jedna z hlavních známých látek, která vede k diferenciaci SSC, a tedy k výrobě spermie, je Kyselina retinová (RA).[3] Existují teorie podporující hypotézy jak nepřímého (via Sertoliho buňky ) nebo přímá cesta.[1]

Předpokládá se, že Sertoliho buňky produkují RA přeměnou cirkulujícího retinolu na sítnici a nakonec na RA.[3] Expozice RA řídí buněčnou diferenciaci na spermatogonii A1 a je zapojena do další meiotické diferenciace.[1] V důsledku diferenciace již nejsou exprimovány geny potřebné k udržení stavu SSC.[3]

Mužská reprodukční funkce klesá s rostoucím věkem, což naznačuje snížená kvalita spermií a plodnost.[9] Jak krysy stárnou, nediferencované spermatogonické buňky procházejí četnými změnami v genové expresi.[10] Tyto změny zahrnují upregulaci několika genů zapojených do Poškození DNA Odezva. Toto zjištění naznačuje, že během stárnutí dochází ke zvýšení poškození DNA, které vede k upregulaci proteinů reakce na poškození DNA, které pomáhají opravit tyto škody.[10] Zdá se tedy, že reprodukční stárnutí pochází z nediferencovaných spermatogenních buněk.[10]

Izolace a kultura

SSC mají potenciál stát se klinicky významnějším při léčbě sterility (in vitro spermatogeneze ) a zachování plodnosti před gonadotoxickou léčbou.[11] Za tímto účelem musí být SSC spolehlivě izolovány od biopsií varlat pro účely např. expanze a čištění. Současné protokoly zahrnují magneticky aktivované třídění buněk (MACS) a třídění buněk aktivované fluorescencí (FACS) na základě pozitivních buněčných markerů SSC, jako je CD90 [12] a FGFR3 [13] v kombinaci s negativními markery jako CD45.[12] Ty jsou zvláště důležité při vylučování maligních buněk z biopsií pacientů s rakovinou.

Jakmile jsou izolovány, populace SSC jsou kultivovány pro účely amplifikace, charakterizace, údržby linky a potenciálně in vitro spermatogeneze nebo genomové úpravy.[14] Hlavními výzvami kultivace SSC jsou interakce mezi mediálními látkami a epigenetickým makeupem, který je základem pluripotence a může ovlivnit budoucí potomky. Krátkodobý in vitro množení těchto buněk bylo prováděno v médiu Stem-Pro 34 doplněném růstovými faktory.[15] Dlouhodobá kultura lidských SSC dosud není zavedena, avšak jedna skupina uvádí úspěšnou proliferaci v bezbuněčných médiích bez živných buněk dodávaných s růstovými faktory a hydrogelem.[16]

Transplantace

První úspěšná transplantace SSC byla popsána u myší v roce 1994, kdy postup obnovil spermatogenezi plně u jinak neplodné myši.[17] Tyto myši pak byly schopné produkovat životaschopné potomky, což otevřelo nové vzrušující dveře pro budoucí potenciální terapie u lidí.

Jelikož léčba rakoviny není specifická pro rakovinné buňky a je často gonadotoxická (toxická pro vaječníky a varlata), děti obvykle čelí neplodnosti v důsledku léčby, protože dosud neexistuje zavedený způsob, jak si uchovat jejich plodnost, zejména u prepubertálních chlapců. Neplodnost po léčbě rakoviny závisí na typu a dávce léčby, ale může se pohybovat od 17% do 82% pacientů.[18] Terapie spermatogoniálními kmenovými buňkami (SSCT) byla navržena jako potenciální metoda k obnovení plodnosti u těch, kteří přežili rakovinu a kteří si přejí mít děti později v životě. Tato metoda byla testována na mnoha zvířecích modelech, včetně subhumánních primátů; Hermann et al.[19] vyjmul a izoloval SSC z prepubertálních a dospělých makaků rhesus před jejich ošetřením busulfanem ( alkylační činidlo používaný při chemoterapii). SSC byly poté injikovány zpět do rete varlete stejného zvířete, které byly odebrány ~ 10–12 týdnů po léčbě; a spermatogeneze byla pozorována téměř u všech příjemců (16/17). Bylo však obtížné tyto SSC detekovat, a proto nebylo možné určit další analýzu schopnosti oplodnit potomstvo spermií. Je třeba posoudit životaschopnost embryí oplodněných spermatem dárce po transplantaci SSC, aby bylo možné skutečně určit užitečnost této techniky.

V poslední době byla také navržena transplantace SSC jako potenciální metoda ochrany ohrožených druhů prostřednictvím xenogenní transplantace. Jikry et al. [20] navrhl, že reprodukční životnost těchto druhů by mohla být prodloužena transplantací jejich zárodečných buněk do domácího hostitele. Ve své studii použili křepelku jako model pro exotický druh a transplantovali SSC do kuřecích embryí, která úspěšně kolonizovala gonadální hřeben hostitelského embrya. To umožňuje izolaci zralých spermií později ve vývoji od hostitele, a to i poté, co dárce zemřel, což lze použít k budoucímu oplodnění a potenciálně úspěšnější ochraně.[21]

Reference

  1. ^ A b C d E F G h Phillips, Bart T .; Gassei, Kathrin; Orwig, Kyle E. (2010-05-27). „Spermatogoniální regulace kmenových buněk a spermatogeneze“. Filozofické transakce Královské společnosti v Londýně. Série B, Biologické vědy. 365 (1546): 1663–1678. doi:10.1098 / rstb.2010.0026. ISSN  1471-2970. PMC  2871929. PMID  20403877.
  2. ^ Guo, Ying; Hai, Yanan; Gong, Yuehua; Li, Zheng; On, Zuping (2013-12-17). "Charakterizace, izolace a kultura myších a lidských spermatogoniálních kmenových buněk". Journal of Cellular Physiology. 229 (4): 407–413. doi:10,1002 / jcp.24471. ISSN  0021-9541. PMID  24114612.
  3. ^ A b C d de Rooij, Dirk G. (01.08.2009). "Nika spermatogonických kmenových buněk". Mikroskopický výzkum a technika. 72 (8): 580–585. doi:10.1002 / jemt.20699. ISSN  1097-0029. PMID  19263493.
  4. ^ Kubota, Hiroši; Avarbock, Mary R .; Brinster, Ralph L. (2004-11-23). „Růstové faktory nezbytné pro sebeobnovu a expanzi myších spermatogonických kmenových buněk“. Sborník Národní akademie věd Spojených států amerických. 101 (47): 16489–16494. doi:10.1073 / pnas.0407063101. ISSN  0027-8424. PMC  534530. PMID  15520394.
  5. ^ de Rooij, Dirk G; Grootegoed, J Anton (01.12.1998). "Spermatogonické kmenové buňky". Současný názor na buněčnou biologii. 10 (6): 694–701. doi:10.1016 / S0955-0674 (98) 80109-9. PMID  9914171.
  6. ^ A b C d Boitani, Carla; Di Persio, Sara; Esposito, Valentina; Vicini, Elena (05.03.2016). Msgstr "Spermatogonické buňky: srovnání myší, opic a lidí". Semináře z buněčné a vývojové biologie. 59: 79–88. doi:10.1016 / j.semcdb.2016.03.002. ISSN  1096-3634. PMID  26957475.
  7. ^ Kanatsu-Shinohara, Mito; Shinohara, Takashi (01.01.2013). „Spermatogoniální obnova a vývoj kmenových buněk“. Roční přehled buněčné a vývojové biologie. 29 (1): 163–187. doi:10.1146 / annurev-cellbio-101512-122353. PMID  24099084.
  8. ^ Oatley, Jon M .; Brinster, Ralph L. (01.01.2008). „Regulace samoobnovy spermatogonálních kmenových buněk u savců“. Roční přehled buněčné a vývojové biologie. 24: 263–286. doi:10.1146 / annurev.cellbio.24.110707.175355. ISSN  1081-0706. PMC  4066667. PMID  18588486.
  9. ^ Paul C, Robaire B (2013). "Stárnutí mužské zárodečné linie". Nat Rev Urol. 10 (4): 227–34. doi:10.1038 / nrurol.2013.18. PMID  23443014.
  10. ^ A b C Paul C, Nagano M, Robaire B (2013). "Stárnutí vede k molekulárním změnám v obohacené populaci nediferencované spermatogonie potkanů". Biol. Reprod. 89 (6): 147. doi:10.1095 / biolreprod.113.112995. PMID  24227752.
  11. ^ Galuppo, Andrea Giannotti (01.12.2016). „Spermatogoniální kmenové buňky jako terapeutická alternativa pro zachování plodnosti prepubertálních chlapců“. Einstein (São Paulo, Brazílie). 13 (4): 637–639. doi:10.1590 / S1679-45082015RB3456. ISSN  2317-6385. PMC  4878644. PMID  26761559.
  12. ^ A b Smith, James F .; Yango, Pamela; Altman, Eran; Choudhry, Shweta; Poelzl, Andrea; Zamah, Alberuni M .; Rosen, Mitchell; Klatský, Peter C .; Tran, Nam D. (01.09.2014). „Testikulární nika je nutná pro expanzi lidských spermatogoniálních kmenových buněk“. Translační medicína kmenových buněk. 3 (9): 1043–1054. doi:10,5966 / sctm.2014-0045. ISSN  2157-6564. PMC  4149303. PMID  25038247.
  13. ^ von Kopylow, K .; Schulze, W .; Salzbrunn, A .; Spiess, A.-N. (2016-04-01). "Izolace a analýza genové exprese jednotlivých potenciálních lidských spermatogonických kmenových buněk". Molekulární lidská reprodukce. 22 (4): 229–239. doi:10,1093 / mol / gaw006. ISSN  1460-2407. PMID  26792870.
  14. ^ Mulder, Callista L .; Zheng, Yi; Jan, Sabrina Z .; Struijk, Robert B .; Repping, Sjoerd; Hamer, Geert; van Pelt, Ans M. M. (01.09.2016). „Autotransplantace spermatogoniálních kmenových buněk a genomová editace zárodečných linií: budoucí léčba spermatogenního selhání a prevence přenosu genomových chorob“. Aktualizace lidské reprodukce. 22 (5): 561–573. doi:10.1093 / humupd / dmw017. ISSN  1460-2369. PMC  5001497. PMID  27240817.
  15. ^ Akhondi, Mohammad Mehdi; Mohazzab, Arash; Jeddi-Tehrani, Mahmood; Sadeghi, Mohammad Reza; Eidi, Akram; Khodadadi, Abbas; Piravar, Zeinab (01.07.2013). „Propagace lidských zárodečných kmenových buněk v dlouhodobé kultuře“. Iranian Journal of Reproductive Medicine. 11 (7): 551–558. ISSN  1680-6433. PMC  3941344. PMID  24639790.
  16. ^ Guo, Ying; Liu, Linhong; Ne, min; Hai, Yanan; Li, Zheng; On, Zuping (2015-08-01). „Expanze a dlouhodobá kultivace lidských spermatogonických kmenových buněk aktivací SMAD3 a AKT drah“. Experimentální biologie a medicína (Maywood, N.J.). 240 (8): 1112–1122. doi:10.1177/1535370215590822. ISSN  1535-3699. PMC  4935290. PMID  26088866.
  17. ^ Brinster, R.L .; Avarbock, M. R. (1994-11-22). „Germline přenos dárcovského haplotypu po transplantaci spermatogonií“. Sborník Národní akademie věd Spojených států amerických. 91 (24): 11303–11307. doi:10.1073 / pnas.91.24.11303. ISSN  0027-8424. PMC  45219. PMID  7972054.
  18. ^ Struijk, Robert B .; Mulder, Callista L .; van der Veen, Fulco; van Pelt, Ans M. M .; Repping, Sjoerd (01.01.2013). „Obnova plodnosti u sterilních dětí, které přežily rakovinu, autotransplantací spermatogonálních kmenových buněk: Jsme tam ještě?“. BioMed Research International. 2013: 903142. doi:10.1155/2013/903142. ISSN  2314-6133. PMC  3581117. PMID  23509797.
  19. ^ Hermann, Brian P .; Sukhwani, Meena; Winkler, Felicity; Pascarella, Julia N .; Peters, Karen A .; Sheng, Yi; Valli, Hanna; Rodriguez, Mario; Ezzelarab, Mohamed (02.11.2012). „Transplantace spermatogoniálních kmenových buněk do varlat Rhesus regeneruje spermatogenezi a produkuje funkční spermie“. Buňková kmenová buňka. 11 (5): 715–726. doi:10.1016 / j.stem.2012.07.017. ISSN  1934-5909. PMC  3580057. PMID  23122294.
  20. ^ Roe, Mandi; McDonald, Nastassja; Durrant, Barbara; Jensen, Thomas (01.05.2013). „Xenogenní přenos dospělých křepelčích (Coturnix coturnix) spermatogoniálních kmenových buněk do embryonálních kuřat (Gallus gallus): model pro ochranu ptáků“. Biologie reprodukce. 88 (5): 129. doi:10.1095 / biolreprod.112.105189. ISSN  1529-7268. PMC  4013913. PMID  23575150.
  21. ^ Mahla RS (2016). "Aplikace kmenových buněk v regenerativní medicíně a threpeutice nemocí". International Journal of Cell Biology. 2016 (7): 1–24. doi:10.1155/2016/6940283. PMC  4969512. PMID  27516776.CS1 maint: používá parametr autoři (odkaz)