Transdiferencijacija, također poznata kao reprogramiranje loze, proces je u kojem se jedna zrela somatska ćelija transformira u drugu zrelu somatsku ćeliju bez prolaska kroz međufazu pluripotentnosti ili progenitorska ćelija. To je vrsta metaplazija, koja uključuje sve promjene sudbine ćelija, uključujući interkonverziju matičnih ćelija. Sadašnja upotreba transdiferencijacije uključuje modeliranje bolesti i otkrivanje lijekova, a u budućnosti bi mogla uključivati gensku terapiju i regenerativnu medicinu. Termin 'transdiferencijacija' prvobitno su skovali Selman and Kafatos,1974. za opis promjenu u svojstvima ćelija kako ćelije koje proizvode kutikulu postaju ćelije koje luče so kod svilenih moljaca koji prolaze kroz metamorfozu. Otkriće Davis i saradnici su 1987. godine izvijestili o prvom slučaju transdiferencijacije gdje se ćelija promijenila iz jednog tipa odrasle ćelije u drugi. Utvrđeno je da je prisiljavanje mišjih embrionalnih fibroblasta da eksprimiraju MyoD dovoljno da se te ćelije pretvore u mioblaste.
Prirodni primjeri Jedini poznati slučajevi gdje se odrasle ćelije direktno mijenjaju iz jedne loze u drugu javljaju se kod vrsta Turritopsis dohrnii (također poznata kao besmrtna meduza) i Turritopsis nutricula. Kod tritona, kada se ukloni očno sočivo, pigmentirane epitelne ćelije se dediferenciraju, a zatim rediferenciraju u ćelije sočiva. Vincenzo Colucci opisao je ovaj fenomen 1891. godine, a Gustav Wolff je opisao istu stvar 1894. ; pitanje prioriteta se ispituje u Nizozemskoj (2021). Kod ljudi i miševa je dokazano da alfa ćelije u pankreasu mogu spontano promijeniti sudbinu i transdiferencirati se u beta ćelije. Ovo je dokazano i kod zdravih i kod dijabetičkih pankreasnih ostrvaca. Iako se ranije vjerovalo da su ćelije jednjaka razvijene transdiferencijacijom glatkih mišićnih ćelija, pokazalo se da je to pogrešno.
Inducirani i terapijski primjeri Prvi primjer funkcionalne transdiferencijacije dali su Ferber et al.Ferber S, Halkin A, Cohen H, Ber I, Einav Y, Goldberg I, Barshack I, Seijffers R, Kopolovic J, Kaiser N, Karasik A (2000) Pancreatic and duodenal homeobox gene 1 induces expression of insulin genes in liver and ameliorates streptozotocin-induced hyperglycemia. http://www.nature.com/nm/journal/v6/n5/full/nm0500_568.html izazivanjem promjene u razvojnoj sudbini ćelija u jetri i njihovim pretvaranjem u ćelije slične 'pankreasnim β-ćelijama. Ćelije su izazvale širok, funkcionalan i dugotrajan proces transdiferencijacije koji je smanjio efekte hiperglikemije kod dijabeteskih miševa.Sarah Ferber, Amir Halkin, Hofit Cohen, Idit Ber, Yulia Einav, Iris Goldberg, Iris Barshack, Rhona Seijffers, Juri Kopolovic, Nurit Kaiser & Avraham Karasik (2000) - "Pancreatic and duodenal homeobox gene 1 induces expression of insulin genes in liver and ameliorates streptozotocin-induced hyperglycemia" Štaviše, utvrđeno je da su transdiferencirane beta-slične ćelije otporne na autoimunski napad koji karakterizira dijabetes tipa 1.Shternhall-Ron K et al., Ectopic PDX-1 expression in liver ameliorates type 1 diabetes, Journal of Autoimmunity (2007),doi:10.1016/j.jaut.2007.02.010. http://www.orgenesis.com/uploads/default/files/shternhall-jai-2007.pdf Drugi korak je bio podvrgnuti se transdiferencijaciji u ljudskim uzorcima. Transdukcijom ćelija jetre jednim genom, Sapir et al. uspjeli su inducirati transdiferencijaciju ljudskih ćelija jetre u ljudske β –ćelije.Tamar Sapir, Keren Shternhall, Irit Meivar-Levy, Tamar Blumenfeld, Hamutal Cohen, Ehud Skutelsky, Smadar Eventov-Friedman, Iris Barshack, Iris Goldberg, Sarah Pri-Chen, Lya Ben-Dor, Sylvie Polak-Charcon, Avraham Karasik, Ilan Shimon, Eytan Mor, and Sarah Ferber (2005) Cell-replacement therapy for diabetes: Generating functional insulin-producing tissue from adult human liver cells Ovaj pristup je demonstriran na miševima, pacovima, ksenopusu i ljudskim tkivima.
Shematski model procesa transdiferencijacije hepatocita u beta ćelije: Hepatociti se dobijaju biopsijom jetre dijabetičara, kultivišu i ekspandiraju ex vivo, transduciraju s PDX1 virusom, transdiferenciraju u funkcionalne beta-ćelije koje proizvode insulin i transplantiraju nazad u pacijenta.Granulosa i teka-ćelije u jajnicima odraslih ženki miševa mogu se transdiferencirati u Sertolijeve i Leydigove ćelije, putem induciranog nokauta gena FOXL2. Slično tome, Sertolijeve ćelije u testisima odraslih mužjaka miševa mogu se transdiferencirati u granulosa ćelije putem induciranog nokauta gena DMRT1.
Metode Pristup zasnovan na lozi U ovom pristupu, transkripcijski faktori iz progenitorskih ćelija ciljnog tipa ćelija se transficiraju u somatsku ćeliju, kako bi se indukovala transdiferencijacija. Postoje dva različita načina određivanja koje transkripcijske faktore koristiti: počevši s velikim skupom i sužavajući faktore jedan po jedan ili počevši s jednim ili dva i dodajući još. Jedna teorija koja objašnjava tačne specifičnosti je da transkripcijski faktori ektopijski usmjeravaju ćeliju u ranije progenitorsko stanje, a zatim je preusmjeravaju prema novom tipu ćelije. Preuređenje strukture hromatina putem metilacije DNK ili modifikacije histona također može imati ulogu. Evo spiska in vitro primjera i in vivo transdiferencijacije pristupom zasnovanim na lozi. In vivo metode transfekcije specifičnih mišjih ćelija koriste iste vrste vektora kao in vitro eksperimenti, osim što se vektor ubrizgava u određeni organ. Zhou et al. (2008) ubrizgali su Ngn3, Pdx1 i Mafa u dorzalni režanj slezine miševa, kako bi reprogramirali egzokrine ćelije pankreasa u β-ćelije s ciljem ublažavanja hiperglikemije. Pristup početne faze epigenetičke aktivacije Somatske ćelije se prvo privremeno transficiraju pluripotentnim faktorima reprogramiranja (Oct4, Sox2, Nanog, itd.) prije nego što se transficiraju željenim inhibitornim ili aktivirajućim faktorima. Evo spiska primjera in vitro.
Farmakološki agensi Inhibitor metilacije DNK, 5-azacitidin, također je poznat po tome što podstiče fenotipsku transdiferencijaciju srčanih ćelija u skeletne mioblaste.
Kod raka prostate, liječenje terapijama usmjerenim na androgene receptore inducira neuroendokrinu transdiferencijaciju kod podskupine pacijenata. Ne postoji standardna njega za ove pacijente, a oni kojima je dijagnosticiran neuroendokrini karcinom izazvan liječenjem obično se liječe palijativno.
Mehanizam djelovanja
Transkripcijski faktori služe kao kratkoročni okidač za nepovratan proces. Transdiferencijacija jetrenih ćelija uočena je osam mjeseci nakon jedne injekcije pdx1.
Ektopijski transkripcijski faktori isključuju repertoar ekspresija gena domaćina u svakoj od ćelija. Međutim, alternativni željeni repertoar uključuje se samo u subpopulaciji predisponiranih ćelija. Uprkos masovnoj dediferencijaciji – pristup praćenja loze zaista pokazuje da transdiferencijacija potiče iz odraslih ćelija.
Mogrifyev algoritam Određivanje jedinstvenog skupa ćelijskih faktora koji su potrebni za manipulaciju za svaku konverziju ćelija je dug i skup proces koji je uključivao mnogo pokušaja i grešaka. Kao rezultat toga, ovaj prvi korak u identifikovanju ključnog skupa ćelijskih faktora za konverziju ćelija je glavna prepreka s kojom se istraživači suočavaju u oblasti reprogramiranja ćelija. Međunarodni tim istraživača razvio je algoritam, nazvan Mogrify(1), koji može predvidjeti optimalni skup ćelijskih faktora potrebnih za pretvaranje jednog tipa ljudske ćelije u drugi. Prilikom testiranja, Mogrify je bio u stanju da precizno predvidi skup ćelijskih faktora potrebnih za prethodno objavljene konverzije ćelija. Kako bi dodatno potvrdili Mogrifyjevu prediktivnu sposobnost, tim je proveo dvije nove konverzije ćelija u laboratoriji koristeći ljudske ćelije, a oba pokušaja bila su uspješna isključivo koristeći Mogrifyjeva predviđanja.Jane Byrne (Jul 2021). Mogrify looks to transform cell therapy development . BIOPHARMA-REPORTER.COM Mogrify has been made available online for other researchers and scientists.
Problemi
Evaluacija Prilikom ispitivanja transdiferenciranih ćelija, važno je tražiti markere ciljnog tipa ćelije i odsustvo markera donorskih ćelija, što se može postići korištenjem zelenog fluorescentnog proteina ili imunodetekcije. Također je važno ispitati funkciju ćelija, profile epigenoma, transkriptoma i proteoma. Ćelije se također mogu procijeniti na osnovu njihove sposobnosti da se integrišu u odgovarajuće tkivo in vivo i funkcionalno zamijene svoj prirodni pandan. U jednoj studiji, transdiferenciranje repnih fibroblasta u ćelije slične hepatocitima, korištenjem transkripcijskih faktora Gata4, Hnf1α i Foxa3, te inaktivacija p19(Arf), obnovili su funkcije jetre slične hepatocitima samo kod polovine miševa, koristeći preživljavanje kao sredstvo evaluacije.
Tranzicija sa mišjih na ljudske ćelije Općenito, transdiferencijacija koja se dešava u mišjim ćelijama ne utiče na efikasnost ili brzinu u ljudskim ćelijama. Pang i saradnici otkrili su da, dok transkripcijski faktori Ascl1, Brn2 i Myt1l pretvaraju mišje ćelije u zrele neurone, isti skup faktora pretvara samo ljudske ćelije u nezrele neurone. Međutim, dodatak NeuroD1 uspio je povećati efikasnost i pomoći ćelijama da dostignu zrelost.
Redoslijed ekspresije transkripcijskih faktora Redoslijed ekspresije transkripcijskih faktora može usmjeriti sudbinu ćelije. Iwasaki i saradnici (2006) pokazali su da u hematopoetskim lozama, vrijeme ekspresije Gata-2 i (C/EBPalfa) može promijeniti da li se limfoidno posvećeni progenitori mogu diferencirati u granulocitne/monocitne progenitore, eozinofilne, bazofilne ili bipotentne bazofilne/mastocitne progenitore.
Imunogenost Utvrđeno je da je kod induciranih pluripotentnih matičnih ćelija, kada se ubrizgaju u miševe, imunološki sistem sinergijskog miša odbacio teratome koji su se formirali. Dio toga može biti zato što je imunološki sistem prepoznao epigenetičke markere specifičnih sekvenci ubrizganih ćelija. Međutim, kada su ubrizgane embrionalne matične ćelije, imunski odgovor bio je mnogo slabiji. Ostaje da se istraži da li će se ovo dogoditi unutar transdiferenciranih ćelija.
Metoda transfekcije Da bi se postigla transfekcija, mogu se koristiti integrirajući virusni vektori kao što su lentivirusi ili retrovirusi, neintegrirajući vektori kao što su Sendai virusi ili adenovirusi, mikroRNK i razne druge metode, uključujući korištenje proteina i plazmida; jedan primjer je nevirusna isporuka plazmida koji kodiraju transkripcijske faktore s polimernim nosačem, kako bi se izazvala neuronska transdiferencijacija fibroblasta. Kada strane molekule uđu u ćelije, mora se uzeti u obzir moguće nedostatke i potencijal za izazivanje tumorskog rasta. Integrirajući virusni vektori imaju mogućnost da izazovu mutacije kada se umetnu u genom. Jedan od načina da se ovo zaobiđe je uklanjanje virusnog vektora nakon što se dogodi reprogramiranje, primjer je Cre-Lox rekombinacija Neintegrirajući vektori imaju druge probleme u vezi s efikasnošću reprogramiranja, a također i uklanjanjem vektora. Razlike kod pluripotentnog reprogramiranja Gotovo svi faktori koji reprogramiraju ćelije u pluripotentnost otkriveni su i mogu pretvoriti širok spektar ćelija nazad u indukovane pluripotentne matične ćelije (iPSC). Međutim, mnogi faktori reprogramiranja koji mogu promijeniti ćelijsku liniju nisu otkriveni i ovi faktori se primjenjuju samo za tu specifičnu liniju. Konačni produkti transdiferenciranih ćelija mogu se koristiti u kliničkim studijama, ali iPSC-i moraju biti diferencirani. U budućnosti bi moglo postati moguće koristiti transdiferencijaciju in vivo'', dok pluripotentno reprogramiranje može uzrokovati teratome in vivo. Transdiferencirane ćelije će zahtijevati manje epigenetičkih oznaka za resetiranje, dok pluripotentno reprogramiranje zahtijeva uklanjanje gotovo svih, što može postati problem tokom rediferencijacije. Transdiferencijacija je usmjerena na kretanje između sličnih loza, dok pluripotentno reprogramiranje ima neograničen potencijal.