IV. Các phân tử tín hiệu điều hòa sự kích hoạtvà phát triển của SCs
4.1. Tổng quan phát triển cơ xương
Tất cả các cơ bắp xương động vật có xương sống (ngoài cơ đầu) có nguồn gốc từ các tế bào tiền thân mesodermal nguồn gốc từ somites (biểu mô hình cầu của bên trục trung bì). Trong quá trình phôi thai phát triển, đặc điểm của các tiền tế bào
mesodermal đến dòng myogenic được quy định bởi các tìn hiệu hoạt hóa và ức chế từ
các mô xung quanh. Trong quá trình phát triển cơ bắp, một quần thể riêng biệt của myoblasts không biệt hóa, nhưng vẫn liên kết với bề mặt của myofiber phát triển như
tế bào vệ tin him lặng Sau khi thành thục sinh dục, cơ xương là một mô ổn định đặc
trưng bởi đa nhân postmitotic sợi cơ.
4.2. Vị trí của tế bào satellite (SC) và các phân tử tín hiệu kích hoạt.
Các SC đóng vai trò quan trọng trong tái tạo cơ xương, vị trí SC và các tín hiệu tác động lên SC đóng vai trò then chốt trong hoạt động tái tạo.
Hình 4.1 Các yếu tố tín hiệu liên quan đến hình thành cơ xương trong phôi. (A) phôi ngày 10,5 (E10.5) chuột phôi mang một dòng Myf5 gây ra biểu hiện không thể đảo ngược của một protein huỳnh quang màu đỏ. Biểu thức có thể được quan sát thấy trong các nguồn gốc trung bì , các đốt , và một số trong các cấu trúc đầu. (B) Minh họa của các gradient morphogen dọc có hình giống mỏ chim dọc theo trục đuôi của phôi thai. (C) Sơ đồ của phần ngang qua phôi thai sớm (i) và (ii) giai đoạn cuối của somitogenesis. (Ci) Morphogens tiết ra từ các vị trí khác nhau trong phôi thai chỉ định đốt của côn trùng sớm để hình thành sclerotome (SC) và dermomyotome (DM). Wnts tiết ra từ ống thần kinh lưng (NT) và ngoại bì bề mặt (SE) cùng với protein xương morphogenetic (BMP) từ trung bì tấm bên duy trì không biệt hóa đốt của côn trùng, trong khi Sonic hedgehog (Shh) tín hiệu từ sàn ống thần kinh và notochord (NC) gây ra sự hình thành của các sclerotome. (CII) sclerotome cách ly, cơ bắp tế bào nguyên bản (MPCs) dorsomedial (DML) và ventrolateral (VII) môi của dermomyotome trưởng thành để làm phát sinh (MY) myotome. Ở cấp độ chồi chân tay, Pax3 phụ thuộc vào di cư MPCs delaminate từ môi ventrolateral để sau này làm phát sinh cơ bắp.
Hình 4.2. Vị trí SC và các tín hiệu kích hoạt. ECM: chất nền ngoại bào, MCN: myocyte hạt nhân, SC: tế bào vệ tinh. Các ổ SC nằm giữa màng sarcolemma của 1 tế bào cơ xương (đường gạch màu xanh ) và basallamina (lớp ngoài bề mặt của màng tế bào) đường liền màu đỏ). SC liên kết với protein laminin chính của lớp màng nền (màu xanh đi qua), phía đỉnh thể hiện M-cadherin (màu xanh lá cây đường gạch gạch). SC thường yên lặng và được kích hoạt sau khi cơ bị tổn thương, thông qua tác động của nhiều yếu tố.
SC nằm trên các ổ trên tế bào cơ, lúc bình thường khi cơ không tổn thương thì chúng tvoonf tại vở dạng yên lặng, nhưng một khi cơ bị thương tổn thì các SC sẽ
chuyển sang trạng thái bị hoạt hóa, bởi các yếu tố đến từ nhân của tế bào cơ ( HGF,
NO, SDF-1 ), các yếu tố miễn dịch ( PDGF, IGF 1,2, FGF, HGF, TGF-β ) hay các yếu
tố đến từ mạch máu, từ chất nền ngoại bào (EMC), từ tế bào thần kinh vận động, thậm
chí ngay tự thân các SC cũng tiết ra các yế tố kích hoạt chúng theo cơ chế autocrine.
Nhìn chung một khi cơ bị thương tổn có rất nhiều yếu tố ến tác động phá vỡ trạng thái
im lặng của các SC để kích hoạt chúng đi vào trạng thái tái tạo cơ nhằm phục hồi các thương tổn.
Một điều khác cần để nói là tế bào vệ tinh từngđược coi là nguồn duy nhất cho
sữa chữa cơ bắp. nhưng những phát hiện gần đây cho thấy còn có một số vị trí khác ví dujgg như tủy xương (BM). Gần đây BM có nguồn gốc từ tế bào (BMDCs) được
chứng minh là một phần của một số mô trưởng thành trong đó có cơ xương. Có những báo cáo đã chứng minh rằng BMDCs không chỉ làm phát sinh tế bào gốc vệ tinh, nhưng ngoài ra cùng với một số điều kiện sinh lý cụ thể nó có thể tạo thành các sợi cơ trưởng thành nghi ngờ có thể tồn tại hai cơ chế trong một mô, và rằng BMDCs có thể
trở thành tế bào vệ tinh và có khả năng myogenesis. Bên cạnh còn có các HSC, MSP cũng có khả năng đóng góp vào tái tạo cơ xương, tuy nhiên cần có nhiều nghiên cứu hơn nhữa cũng như tạo điều kiện môi trường tối ưu để chuyển đổi các tế bào gốc.
4.3. Các con đường tín hiệu liên quan.
Các tế bào SC không hoạt động gì cho đến khi được kích hoạt để vào chu kì tế
bào chấn thương. Những nghiên cứu trước đây chỉ ra rằng phía dưới của tế bào SC biểu hiện thụ thể integrin tương tác với laminin (Burkin và Kaufman, 1999), trong khi
phía đỉnh của SC thể hiện M-cadherin liên nó kết với các myofiber, và cahuyeenr đổi tín hiệu từ myofiber (Cornelison và Wold, 1997). Vì vậy, một trong những giả thuyết
chính đáng cho yên lặng là sự bám dính integrin qua trung gian laminin của màng nền
ức chế tín hiệu kích hoạt từ myofiber và interstitium (Quảng et al, 2008. xem xét). Sự tách rời SC từ màng hầm hốc dưới màng sau chấn thương sẽ phá hủy sựức chế này, cho phép kích hoạt tín hiệu được phát hành bởi sợi cơ người bị thương và liên tế bào
trong hoạt động của SC, cho rằng tín hiệu calcitonin cũng tham gia trong việc duy trì yên lặng (Fukada et al, 2007).
Prouty1, một chất ức chế của RTK tín hiệu, được thể hiện trong các tế bào SC ở cơ bắp không bịthương. Đó là điều hòa xuống trong sinh sản tế bào vệ tinh sau khi bị thương (Fukada et al, 2007). Đánh dấu di truyền có điều kiện Shea et al. (2010) cho thấy, đểđáp ứng với chấn thương đó là một quần thể nhỏ của Pax7các tế bào vệ tinh các trở lại yên lặng sau khi vào chu kỳ tế bào và là biểu hiện của gen Sprouty 1 (một chất ức chế RTK tín hiệu) là cần thiết cho sự trở về này. Áng 1 và thụ thể của nó Tie-2 cũng được thể hiện qua SC yên lặng. Ức chế Tie-2 gây ra kết quảtăng thêm chu kì tế
bào vệ tinh và biểu hiện quá mức Ang1 bằng myofibers trong việc tái tạo cơ bắp gây ra sự nhập của tế bào vệ tinh vào trạng thái yên lặng (Abou-Khalil et al, 2009).
Các yếu tốquy định kích hoạt, tăng sinh, và sự khác biệt của các tế bào vệ tinh
được minh họa trong hình 4.3.
Hình 4.3. Sơ đồ minh họa sự kích hoạt, phát triển và biệt hóa các tế bào SC sau chấn thương. Ở hình trên (1) các tế bào vệ tinh cơ bắp (DM) tiết ra MMP-2 và MMP-9. MMP-2 làm thoái hóa màng nền, trong khi MMP-9 làm giảm ECM của các mô kẽ (IECM), phát hành pro-HGF đã được cô lập trong ECM. (2) Khái quát từ những gì xảy ra trong gan tái sinh, urokinase plasminogen activator (UPA) khắng khít pro-HGF để sản xuất HGF, (3) thúc đẩy các tế bào vệ tinh vào chu kỳ tế bào thông qua thụ thể c-met của nó. Các tế bào vệ tinh tại làm cho HGF riêng của họ, và cũng có thể yếu tố tăng trưởng cơ học (MGF) và FGFs, tất cả các ổ đĩa phổ biến bởi hành động autocrine, ngoài việc tự tái tạo của tế bào vệ tinh (4). Các tế bào myogenic hợp và phân biệt vào myofibers, cùng một lúc downregulat những biểu hiện của HGF, MGF và FGF (5). Trong quá trình này, một phần nhỏ của pro-HGF sản xuất được cô lập trong các IECM để sẵn sàng cho vòng tái sinh sau.
Các phân tử tác động thông qua nhiều con đường và cơ chế khác nhau, những
con đường được quan tâm và tìm hiểu kỹ như Notch, BMP, hay con đường Wnt. Con
đường Notch là con đường được quan tâm nhất về hoạt động của nó trong việc tác động để biệt hóa SC. Những kết quả thí nghiệm cho thấy biểu hiện con đường Notch1 ức chế việc biệt hóa nguyên bào cơ. Notch1 ức chế mạnh mẽ trong việc tái tạo cơ bắp
chuột (Conboy và Rando, 2002; Zhao và Hoffman, 2004), thông qua việc ức chế yếu
tố phiên mã Pax7 để ức chế việc tạo ra MyoD và Myf5. Trong cơ chế đó cũng có một
yếu tố đó là Numb một protein được thể hiện trong các tế bào con có nguồn gốc từ
một SC, có vai trò ức chế kiềm hãm sự hoạt động của Notch1(Conboy và Rando,
2002) để thúc đẩy sự tạo thành MyoD, Myf5 góp phần tái tạo cơ.
Hình 4.4. Các con đường tín hiệu tái tạo cơ
Ngược lại, bộ phận đối xứng của các tế bào gốc vệ tinh xuất hiện đểđược quy
định thông qua con đường Wnt,tế bào phân cực (PCP), (LeGrand et al, 2009). Wnt7a và Fzd7 thụ thể của nó được rõ rệt upregulated trong biệt hóa SC (xem thêm Polesskaya et al, 2003.). In vitro, Wnt7a kích thích sựgia tăng đối xứng SC, và rời của Fzd7 kết quả một ức chế của Wnt7a để gây phân chia đối xứng. PCP liên quan đến
phân chia đối xứng SC được đánh dấu lên quy định của Vangl2 protein PCP và sự
phân biệt của nó ở hai cực đối diện của hai tế bào con. Knockdown của Vangl2 bởi
siRNA đáng kể giảm tỷ lệ phần trăm phân chia đối xứng. Cuối cùng, electroporation của Wnt7a vào khảnăng tái tạo cơ bắp trong cơ thể sản xuất tăng 63% trong myf5 tế
bào gốc phù hợp với sựgia tăng trong việc phân chia đối xứng.
Polesskaya et al. (2003) báo cáo rằng khi cơ bắp bị thương sản xuất các Wnt5a,
5b, 7a, và dạng đồng dạng 7b sớm nhất là 24 giờ sau khi bị chấn thương, cho thấy
rằng con đường tín hiệu Wnt liên quan đến việc kích hoạt SC. Ngược lại, báo cáo của
Zhao và Hoffman (2004) không thấy có biểu hiện khác biệt của Wnt5a, b hoặc 7a
trong việc tái tạo so với cơ bắp còn nguyên vẹn trên 27 thời điểm sau khi chấn thương cơ bắp, đồng thời kiểm tra con đường tín hiệu và BMP cho thấy vai trò của chúng chưa dc biết rõ ràng trong tái tạo cơ bắp. Những kết quả này cho thấy rằng con đường
Wnt, Shh, BMP,không tham gia trong kích hoạt SC. Những kết quả mâu thuẫn nên
được điều tra hơn nữa, kể từ khi một hoặc nhiều trong những con đường Wnt, Shh, và
BMP đã được chứng minh là quan trọng đối với kích hoạt các loại tế bào gốc khác, ví
dụ, EpSCs và ISCs, và MSC phát triển trong xương.
Một số yếu tố tăng trưởng có liên quan đến kích hoạt và gia tăng của SCs .
Trong một tìm kiếm các yếu tố kích hoạt và thúc đẩy sự gia tăng của SCS, Bischoff (1986) được tìm thấy rằng một phần của nghiền chiết xuất từ cơ đưa SCs vào chu kỳ tế
bào. PDGF-BB, FGF-2, và transferrin (glucoprotein trong huyết tương có khả năng kết
hợp với sắt) có mặt trong chiết xuất từ cơ nghiền nát (Chen et al., 1994), những yếu
tố IGF-1, IGF-2, TGF-β 1, TGF-β2 có thể kích hoạt các SC yên lặng (Johnson và Allen, 1995).
Một vài dòng bằng chứng cho thấy, giống như tế bào gan, kích hoạtvà biệt hóa SC được gây ra bởi HGF. Đầu tiên, HGF là yếu tố tăng trưởng duy nhất có thể bắt chước các phần hoạt chiết xuất (Allen et al, 1995). Thứ hai, khả năng của cơ bắp
nghiền trích xuất để kích thích học sớm SCs vào chu kỳ tế bào được bãi bỏ bởi các
kháng thể anti-HGF (Tatsumi et al, 1998). Thứ ba, mặc dù HGF không thể hiện ở người lớn không bị thương sợi cơ, nó hiện diện trong ECM xung quanh các sợi cơ , thể
hiện qua sinh sản SCs, và điều hòa xuống khi phản ứng tổng hợp và sự biệt hóa của họ
vào myotubes (Jennische et al, 1993;. Tatsumi và cộng sự, 1998). Thứ tư, thụ thể của
HGF là c-met, hiện diện trong huyết tương màng của SCs y (Allen et al, 1995; Cornelison và Wold, năm 1997; Tatsumi et al, 1998) và được đồng bản địa hoá với
HGF trong SCs yên lặng của cơ bắp hồi phục ở những con chuột bị loạn dưỡng mdx
(Tatsumi et al,1998). Cuối cùng, kích hoạt SC được kích thích bởi việc tiêm HGF vào
cơ bắp không bị thương trước tibialis ( cơ cẳn chân ) con chuột 12 tháng tuổi (Tatsumi et al, 1998). Những quan sát cho rằng chấn thương phát hành HGF từ ECM của các tế bào cơ bắp, kích hoạt SC kích hoạt và phổ biến vũ khí. Là một phần của quá trình kích hoạt SCs tự thể hiện HGF, hoạt động trong một thời trang autocrine. Có khả năng là HGF ràng buộc với cơ ECM được kích hoạt trong cùng một cách như nó là trong việc
tái tạo gan, do uPA →chất hoạt hóa plasminogen → plasmin cascade (Miyazawa et al, 1996). Có lẽ, một số các HGF sản xuất bởi SCS sinh sản sẽ bị ràng buộc mới được tổng hợp phân tử ECM của tái tạo cơ, được phát hành tiếp theo vòng tái sinh. Các hoạt
động của HGF có thể phụ thuộc vào thượng nguồn tín hiệu nitric oxide (Tatsumi et al, 2006.; Wozniak và Anderson, 2007).
Một chất kích hoạt SC tiềm năng là sphingomy Elin phái sinh sphingosine-1- phosphate (S1P). nuôi cấy myofibers tiếp xúc để S1P biểu hiện một sự gia tăng đáng
kể trong SCs kích hoạt. Do thuốc ức chế S1P Synthe - sis trong mitogen kích thích myofibers giảm số lượng SC kích hoạt, một nửa và thuốc ức chế bị chấn thương cơ
bắp tibialis cardiotoxin trước của người lớn chuột dẫn đến tái sinh nghèo (Nagata et al, 2006). Calveolin-1 và sphingomyelin đồng thể hiện trong màng invaginations (calveoli), SC yên lặng. Tách rời SC từ màng tầng hầm và calveolin-1-qua trung gian hóa calveoli với nhau, và con chuột thiếu calveolin biểu hiện thiếu cơ tái sinh
(Schubert et al, 2007). Vì vậy, sản xuất các S1P từ internalized sphingomyelin sẽ phục vụđể hỗ trợ trong việc kích hoạt của SC.
Mặc dù không kích hoạt SC,nhưng PDGF, TGF-β, FGF-2, và yếu tố ức chế ung thư bạch cầu (LIF) được tìm thấy trong dịch chiết cơ nghiền có tác dụng điều
chỉnh, hợp tác tăng sinh của SCs trong ống nghiệm (Johnson và Allen, năm 1995; Pastoret và Partridge, 1998). Trong cơ không bị thương, những yếu tố này ràng buộc
với các thành phần ECM và các thụ thể của họ không biểu lộ bởi SCs yên lặng
(DiMario et al, 1989). Sau khi chấn thương, nó được phát hành từ ECM và cũng được
sản xuất bởi các đại thực bào để tương tác với thụ thể upregulated trên kích hoạt SCs
(Pastoret và Partridge, 1998). Các yếu tố sản xuất bởi các đại thực bào, tuy nhiên, không xuất hiện là cần thiết cho kích hoạt của SCs. Xoá bỏ các phản ứng viêm ở chuột
bằng cách chiếu xạ cơ thể làm giảm khả năng tái sinh trong cơ bắp bị thương do vết
rạch hoặc lòng, nhưng không không bãi bỏ tái sinh (Robertson et al, 1992). Ngăn chặn
sự phát triển SCs chiếu xạ nặng cục bộ , tuy nhiên, không ngăn chặn phản ứng viêm, kết quả thất bại của các tái sinh cơ bắp.
Các thành viên của gia đình FGF đóng một vai trò quan trọng trong sự phát
triển rộng rãi trong sự phát triển của SC. Ái lực cao thụ thể FGF-2 không có mặt ở
SCs yên lặng , nhưng upregulated bởi HGF invitro và in vivo của họ kích hoạt, trùng khớp với sự biểu hiện của FGF-2 (Garrett và Anderson, 1995). FGF-1, 6, 7, và 13 là cũng khác biệt upregulated tái sinh trong cơ chuột, như là thụ FGF, FGFR4 (Zhao và
Hoffman, 2004). Các cơ tái sinh của những con chuột bị loạn dưỡng mdx thể hiện cao
bất thường của FGF (Anderson et al, 1991.), có lẽ vì mức độ cao của MMPs đại thực bào làm suy đồi ECM (Kherif et al, 1999). Các cơ bắp của những con chuột này cũng
thể hiện LIF và IL-6. LIF liên kết với các thành phần ECM và kích thích sự hình thành của myotubes lớn hơn khi truyền liên tục vào cơ bắp mdx, có lẽ bằng cách gia tăng sự gia tăng kích hoạt SC (Kurek et al, 1996). Do đó, nó xuất hiện rằng HGF và một loạt các FGFs cùng nhau thúc đẩy biệt hóa SC. Ngược lại, IGF I và II và TGF-β2 ngăn
chặn sự phát triển SC và thúc đẩy sự biệt hóa vào sợi cơ.
Sulfate Heparan là cần thiết cho sự hoạt hóa của SCs bởi HGF hoặc FGF, có lẽ
chế HSPG sulfat bằng cách xử lý của myofiber nguyên vẹn với kết quả clorat sự phát
triển trễ và thay đổi MyoD biểu hiện của SCs trong cơ bắp bị thương (Cornelison et al, 2001). Điều này cho thấy biểu hiện syndecan 3 và 4 bởi SC có thể cung cấp các sulfate
heparan cần thiết cho dimer hóa thụ HGF và FGF trong kích hoạt SC.
Một số các yếu tố ức chế sinh trưởng cũng tác động đến quá trình biệt hóa SC.