Regenerative potential of stem and progenitor cells — impact of selected miRNAs and culture conditions

Regeneracja mięśni szkieletowych to wieloetapowy proces, który jest możliwy dzięki obecności unipotencjalnych komórek macierzystych, zwanych komórkami satelitowymi. Komórki satelitowe ulegają aktywacji w przypadku urazu tkanki mięśniowej, a następnie proliferują i różnicują w kierunku mioblastów. Mioblasty następnie fuzjują i tworzą wielojądrowe miotuby, z których powstają nowe włókna mięśniowe. Wiadomo, że komórki satelitowe są niezbędne do prawidłowej regeneracji mięśni szkieletowych. Jednak nie jest to jedyna populacja zaangażowana w rekonstrukcję mięśni szkieletowych. Inne populacje komórek takie, jak np. komórki stanu zapalnego, komórki śródbłonka naczyń krwionośnych czy związane z naczyniami krwionośnymi perycyty, odpowiedzialne są za odtwarzanie naczyń krwionośnych, unerwienie włókien mięśniowych, czy regulację środowiska regenerującej tkanki, np. poprzez wydzielanie czynników wzrostu oraz cytokin. Jednak mięśnie szkieletowe nie zawsze regenerują w sposób prawidłowy. Dzieję się tak w przypadku rozległych urazów tkanki, a także chorób takich, jak dystrofie mięśniowe czy nowotwory. Jedną z potencjalnych form terapii nieprawidłowo regenerujących mięśni szkieletowych jest terapia komórkowa, czyli przeszczep komórek, które mogłyby wspomóc rekonstrukcję tkanki. W takiej terapii można by wykorzystać komórki o potencjale miogenicznym (np. komórki satelitowe), czyli populacje, które bezpośrednio mogłyby przechodzić różnicowanie i współtworzyć nowopowstające włókna mięśniowe. Alternatywą jest wykorzystanie komórek pozbawionych miogenicznego charakteru, ale które pośrednio, poprzez parakrynne wydzielanie czynników wzrostu czy cytokin, mogłyby wspomóc rekonstrukcję tkanki przez endogenne komórki obecne w mięśniach biorcy. Jednak wdrożenie terapii komórkowej w kontekście mięśni szkieletowych jest trudne, a sam przeszczep komórek zwykle jest niewystarczający, aby wydajnie poprawić kondycję regenerujących mięśni. Dlatego też poszukuje się różnych populacji komórek macierzystych i progenitorowych, które miałyby potencjał do wspomagania regeneracji mięśni szkieletowych. Równocześnie bada się metody zwiększania potencjału regeneracyjnego komórek poprzez zastosowanie szczególnych metod hodowli lub traktowanie komórek cytokinami czy czynnikami wzrostu, które mogłyby zwiększyć, np. ich zdolność do proliferacji, migracji lub różnicowania. W badaniach, które są przedmiotem niniejszej rozprawy doktorskiej skupiłem się na wpływie mikroRNA oraz warunków obniżonego stężenia tlenu (hipoksji) na potencjał miogeniczny oraz regeneracyjny komórek macierzystych oraz progenitorowych. Opisałem także populację komórek obecną w mięśniach myszy, charakteryzującą się ekspresją markera CD146+ i mającą potencjał miogeniczny, ale różną od komórek satelitowych. Prowadzone przeze mnie badania pozwoliły na wytypowanie szeregu cząsteczek mikroRNA (np. miR-10a, miR-425 czy miR-5100), które są zaangażowane w migrację komórek, różnicowanie miogeniczne, sekrecję czynników wzrostu, a także regulację aktywności szlaków sygnałowych takich, jak NOTCH. Wykazałem również, że hodowla in vitro komórek w warunkach hipoksji istotnie zwiększa ich potencjał regeneracyjny po transplantacji do uszkodzonych mięśni myszy.

Skeletal muscle regeneration is a multistep process, possible due to the presence of unipotent skeletal muscle stem cells called satellite cells. Satellite cells activated after skeletal muscle injury start to proliferate and differentiate into myoblasts, which further fuse into multinucleated myotubes. Finally, maturing myotubes give rise to newly formed myofibers. Satellite cells have been well established to be necessary for proper skeletal muscle regeneration. However, it is not the only cell population that contributes to the reconstruction of skeletal muscles. Other cell populations are responsible for the revascularization and reinnervation of newly formed myofibers, as well as the regulation of regenerating tissue microenvironment through the secretion of cytokines and growth factors. Among these cells are immune cells, endothelial cells or blood vessel-associated pericytes. However, skeletal muscles do not always regenerate properly, mostly in the case of severe muscle damage or during diseases such as muscular dystrophies or cancers. One of the potential treatments of such improperly regenerating muscles is cell therapy, i.e., transplantation of cells that could support tissue reconstruction. Two cell types are considered for such therapy. First, myogenic cells (such as satellite cells) that are capable of differentiation into myogenic lineage and direct contribution to the formation of new myofibers. Alternatively, non-myogenic cells, which through their secretive properties could support tissue reconstruction. Unfortunately, the use of cell therapy to treat skeletal muscles is difficult and often transplantation of naïve cells is not sufficient to efficiently support regenerating tissue. Therefore, there is an urgent need to look for cell populations that have regeneration potential and for new methods that could be used to increase the regenerative potential of transplanted cells. Among these methods could be specific culture conditions or the treatment of cells with growth factors and cytokines that could increase cell proliferation, migration or differentiation. My research was focused on the impact of other factors, i.e., microRNAs or the hypoxic environment, on the myogenic and regenerative potential of stem and progenitor cells. Moreover, I described the CD146+ cell population in mouse skeletal muscles which exhibited myogenic properties but differed from satellite cells. Furthermore, I described a number of microRNAs (such as miR-10a, miR-425, or miR-5100) that were involved in cell migration, myogenic differentiation, growth factors secretion, or regulation of signaling pathways such as NOTCH. My studies also showed that in vitro cell preconditioning in a hypoxic environment significantly increases their regenerative potential after engraftment into damaged mouse skeletal muscles.