SOLUISTA KUDOKSIKSI Veli-Pekka Lehto, M.D., Ph.D. Patologian osasto/Medicum/Helsingin yliopisto

Prof. Ismo Virtanen,

Kudos - määritelmä tissue (e), vävdad (r) tietyn tyyppisten solujen ja niille ominaisen soluväliaineen kokonaisuus, joka erottuu ulkonäöltään, rakenteeltaan ja toiminnaltaan muista vastaavista klokonaisuuksista

Elin - määritelmä organ (e) (r) ihmisen tai muun eliön kehon rakenteellinen ja toiminnalinen osakokonaisuus esim. munuainen, haima, mahalaukku

Kudostyypit Kudosten histogeneettinen luokittelu –epiteeli –sidekudos –lihaskudos –hermokudos

Alkiolehtialkuperä –endodermi –mesodermi –ektodermi 1.blastula 2.gastrula

Endodermi

Mesodermi

Ektodermi

"It is not birth, marriage, or death, but gastrulation, which is truly the most important time in your life.” –Lewis Wolpert (1986)

“I would teach the world that science is the best way to understand the world, and that for any set of observations, there is only one correct explanation. Also, science is value-free, as it explains the world as it is. Ethical issues arise only when science is applied to technology – from medicine to industry.” Wolpert, 2005

Entodermi –hengitysteiden ja ruuansulatuskanavan epiteeli ja niihin liittyvät rauhaset, maksa ja haima Mesodermi –luusto –lihaksisto –virtsatiet –sukupuolielimet –veri ja verenkiertoelimet –luuydin Ektodermi –iho –keskushermosto –silmän verkkokalvo

Kehitysbiologia (developmental biology) solukasvu ja -jakautuminen solujen erilaistuminen morfogeneesi

Epigenetics Sanoista epigenesis ja genetics (C. H. Waddington 1942) –solujen erilaistuminen sikiökehityksen aikana Q: Miten yhdestä totipotentista solusta voi muodostua useita erilaisia solutyyppejä, joissa kaikissa on sama genomi? A: Kysymys on geenien säätelystä l. epigeneettisistä muutoksista ja vaikutuksista

Epigenetic landscape

Epigenetics is “...the study of the mechanisms of temporal and spatial control of gene activity during the development of complex organisms.” Robin Holliday

Morfogeneesin molekyylit Morfogeenit –säätelevät solujen positiota ja ryhmittymistä –vaikuttavat reseptorien kautta –vaikutus riippuu konsentraatiosta –esim TGFbeta, Hedgehog, Sonic Hedgehog, Wingless, EGF, FGF

Morfogeneesin molekyylit Transkriptiotekijät –säätelevät geenien luentaa –Homeobox-geenit sisältävät homeodomain-jakson, joka tunnistaa tietyn DNA-sekvenssin “master genes”; säätelevät morfogeneesin kannalta tärkeiden transkriptiotekijöiden ilmentymistä Adheesiomolekyylit –ilmentyminen vaihtelee ja ohjaa solujen kulkeutumista määräpaikkoihinsa

Homeobox-geenit Ohjaavat ruumiin segmenttien erilaistumista Hox-geenit >homeodomain proteins =transcription factors

Mesenkyymi ja parenkyymi Mesenkyymi –elimen ” sidekudoksinen ” osa soluväliaine verisuonet hermot Parenkyymi –spesifit ” business ” osat esim. maksan hepatosyytit ja sappitiet

Elimen parenkyymi- ja mesenkyymiosat

Epiteelikudos vapailla pinnoilla, ihossa ja limakalvoissa Toiminnalliset tyypit –peittoepiteeli –imeytymisepiteeli –aistinepiteeli –rauhasepiteeli

Epiteelikudos Histologinen luokittelu –yhdenkertainen levyepiteeli keuhkorakkulat, verisuonten endoteeli –yhdenkertainen kuutioepiteeli rauhasputkien seinämät munuaistiehyet –yhdenkertainen lieriöepiteeli ruuansulatuskanava –välimuotoinen epiteeli virtsarakko –kerrostunut epiteeli voi olla levy-, kuutio- tai lieriöepteeliä iho, ruuansulatus, äänihuulet, emätin

Epiteelikudos Erityispiirteitä –kypsyminen basaalisesta kerroksesta kerrostuneessa epiteelissä –tyvikalvo –mikrovillukset, värekarvat –solujen väliset liitokset desmosomit tiiviit liitokset –rauhasepiteeli avorauhanen, eritys pintaan umpirauhanen, eritys verenkiertoon

kerrostunut levyepiteeli kerrostunut kuutioepiteeli kerrostunut lieriöepiteeli

Epiteelisolujen väliset liitokset

Rauhasepiteeli sylkirauhanen –hiilihydraatit ja proteiini haima –proteiinit lis ämu nuaiset ja talirauhaset –lipidit maitorauhaset

Rauhasepiteeli Eritteen mukaan –Mukoosi rauhanen runsaasti hiilihydraatteja (lima) –Ser öösi rauhanen runsaasti vett ä ja proteiineja –Seromukoosi rauhanen

Tukikudos Side-, rasva-, luu- ja rustokudoksen piirteitä –poikkeavat toisistaan väliaineeltaan retikuliinisäikeet kollageenisäikeet elastiset säikeet

Tukikudos Sidekudos –löyhä sidekudos, perustyyppi uusiutuu nopeasti vettä ja glykoproteiineja fibroblastit, makrofagit, syöttösolut –tiivis sidekudos jänteet, fasciat

Tukikudos Rustokudos –joustava ja kestävä –nivelpinnat, selkärangan nikamien välilevyt, henkitorvi –perusaine kondroitiinisulfaatti –perussolut kondrosyytit

Tukikudos Luukudos –muodostuu suoraan sidekudoksesta tai rustokudoksen kautta –epifyysi- eli kasvulevyt –luukalvo, tiivisluu, hohkaluu, ydinontelo –kuivapainosta n. 75% kalsiumpitoista hydroksiapatiittia –osteoblastit ja osteosyytit –elimistön kalsium- ja fosfaattivarasto –monet hormonit säätelevät luuston koostumusta kasvuhormoni, sukupuolihormonit, parathormoni

Hermokudos Hermosolut l. neuronit Hermoston tukisolut l. gliasolut Hermosolut erilaistuneet sähköisen viestin välittämiseen Sähköinen viesti, aktiopotentiaali, synapsin kautta kohde-elimeen

Hermokudos Aivojen valkea aine –syvemmällä aivoissa, suurin osa –runsaasti myeliinitupellisia hermosyitä Aivojen harmaa aine –kuorikerros –hermosolun soomaosat (tumat)

Kudostyyppien uusiutuminen epiteelisolut kauttaaltaan uusiutuvia kantasolujen kautta sidekudoksen useimmat solutyypit pystyvät uusiutumaan rustokudos uusiutuu huonosti luurankolihas uusiutuu hyvin satelliittikantasolujen kautta sileälihas uusiutumiskykyistä sydänlihas uusiutuu huonosti hermokudos uusiutuu huonosti

Kantasolut Kantasolut ovat monisoluisten eliöiden sellaisia soluja, joilla on kyky lähes rajattomaan uusiutumiseen erilaistumatta (jakautumalla) ja jotka voivat erilaistua moniksi eri solutyypeiksi (> 250)

Elimistön eri solutyyppien muodostuminen

AIKUISEN ELIMISTÖN SOLUTYYPIT NIIDEN JAKAUTUMISKYVYN PERUSTEELLA Erilaistuneet solut, jotka eivät enää jakaudu/uusiudu - sydänlihassolut, hermosolut Lepotilassa olevat solut - jakautuvat esim. kudosvaurion seurauksena - ihon fibroblastit, sileälihassolut, endoteelisolut ja monet epiteelisolut (maksa, haima, rinta, jne) Kantasolut

Kantasolujen ominaisuuksia Nimi Totipotentti (Täyskykyinen) Määritelmä Kykenee muodostamaan koko yksilön Esimerkki Blastomeeri Pluripotentti (Monikykyinen) Kykenee muodostamaan kaikkia kudoksia, rajaton uusiutumiskyky Embryonaalinen kantasolu Multipotentti (Monikykyinen) Voi tuottaa useita solu- tyyppejä ja uusiutua yksilön eliniän ajan Hemangioblasti Progenitori (Kommittoitunut) Voi tuottaa rajallisen määrän solutyyppejä, rajallinen uusiutum.kyky Hermokantasolu

KANTASOLUTYYPIT EMBRYONAALISET l. ALKIOKANTASOLUT - hedelmöittynyt munasolu - rakkula-alkion solut - totipotentteja, pluripotentteja AIKUISEN KUDOKSEN l. SOMAATTISET KANTASOLUT - aikuisen kudoksissa - multipotentteja, pluripotentteja (NAPAVEREN KANTASOLUT)

EMBRYONAALISET KANTASOLUT Peräisin rakkula-alkion (blastokysta) sisäsoluisista (ICM = inner cell mass) Voidaan ylläpitää solulinjoina (ES-solut) - ensimmäinen ihmisen ES-solulinja perustettu 1998 Pluripotentteja - voivat erilaistua eri alkiolehtien solutyypeiksi (ekto-, endo-, mesodermi) Mahdollisia solukorvaushoidon välineitä -regeneratiivinen lääketiede -kudoskorjaukset Käyttöön liittyy eettisiä ongelmia

Alkion kehittyminen – rakkula-alkio - blastokysta

ES-solulinjan perustaminen (hiiri)

AIKUISKUDOKSEN (SOMAATTISET) KANTASOLUT Erilaistumattomia soluja, jotka jakautumalla ja erilaistumalla voivat korvata solukon/kudoksen kuolevat ja vaurioituneet solut Kommittoituja (multipotentti) tai progenitorisoluja (multipotentti) Voidaan eristää kudoksista Käyttöön ei liity eettisiä ongelmia

Specialized stem cells maintain skin

SOMAATTISET KANTASOLUT (ADULT STEM CELLS) Multipotentteja Voivat erilaistua esim. elimen eri solutyypeiksi -> elimen regeneraatio

SOMAATTISET KANTASOLUT Muuntautumiskyky (plastisuus) - kyky muodostaa eri tyyppisiä soluja jopa “yli” alkiolehtien (transdifferentaatio, plasticity)

ERI TYYPPISIÄ SOMAATTISIA KANTASOLUJA Rasvakudoksen kantasolut (adipose-derived stem cells; ASCS) - voidaan eristää esim. rasvaimumateriaalista - voivat erilaistua luiksi, rustoksi, rasvaksi ja hermoiksi Mesenkymaaliset kantasolut (Mesenchymal stem cells; MSCI) -luuydinperäisiä -samanlaisia kuin ASCS Rintarauhasen kantasolut - aktivoituvat puberteetissä ja raskauden aikana

Mesenkymaaliset kantasolut voivat tuottaa useita erilaistuneita solutyyppejä

ERI TYYPPISIÄ SOMAATTISIA KANTASOLUJA Hermokantasolut -lateraaliventrikkelin tuntumassa, gyrus dentatuksessa ja hippokampuksessa -ominaisuudet vielä epäselvät -voivat transdifferentoitua jopa immunosysteemin soluiksi Hematopoieettiset kantasolut - tuottavat veren eri solutyypit

Luuytimen mesenkymaaliset kantasolut tuottavat useita eri solutyyppejä Luuytimen hematopoieettiset kantasolut tuottavat veren eri solutyypit

SOMAATTISET KANTASOLUT Jakautuminen ja erilaistuminen - symmetrinen jakautuminen johtaa kahden kantasolutyyppisen tytärsolun syntyyn -> ylläpito - epäsymmetrinen jakautuminen johtaa yhden kantasolun ja yhden progenitorisolun syntyyn -> erilaistuminen

Niche (tasku) säätelee kantasolun jakautumista

KANTASOLUJEN ERILAISTUMISEN SÄÄTELY Mikä säätelee kantasolujen valtavaa erilaistumispotentiaalia? Geneettinen valmius suuntautua vaihtoehtoisille kasvu- urille Ympäristöstä tulevat kasvu- ja erilaistumissignaalit Todennäköisesti kantasolut ovat heterogeeninen joukko, josta ympäristösignaalit “valikoivat” erilaistumaan lähtevän solukon (vrt. plastisuus)

KANTASOLUJEN TUNNISTAMINEN JA ERISTÄMINEN Pintamarkkereiden avulla Tutkimalla niiden erilaistumista Leimaamalla solut ja seuraamalla niiden kulkeutumista eri elimiin ja kudoksiin koe-eläimissä Tutkimalla eristettyjen solujen erilaistumista in vitro Lääkeaineresistenssi (multidrug resistance; MDR) - Pintakalvon pumppausmekanismit (ATP- binding cassette family of proteins) estävät monien lääkeaineiden ja orgaanisten molekyylien kertymisen somaattisiin kantasoluihin

SOMAATTISET KANTASOLUT Jakautumisen ja erilaistumisen säätelymekanismit -Bmi-1 -transkription estäjä -säätelee jakautumista -esim. hermokantasoluissa - Notch - säätelee erilaistumista - esim. hematopoieettiset, hermoston ja rintarauhasen kantasolut - Sonic hedgehog ja Wnt

Induced pluripotent stem cells (iPSC) Pluripotentteja soluja, jotka on tuotettu erilaistuneista somaattisista soluista siirtämällä niihin geenejä, joilla tiedetään olevan tärkeä merkitys “Stemness”-ominaisuuden ylläpidossa. –Oct-3/4, SOX2, c-MYC, and Klf4.

KANTASOLUT uusi näkökulma perusbiologiaan, sairauksien syntyyn ja hoitoon

Nobel prize 2012

Visio: kantasoluhoidon mahdollisuudet

Artificial muscles created from gold-plated onion cells Onion artificial muscles Chien-Chun Chen 1, Wen-Pin Shih 2,a), Pei-Zen Chang 1, Hsi-Mei Lai 3, Shing-Yun Chang 3, Pin-Chun Huang 2 and Huai-An Jeng 2,4 Appl. Phys. Lett. 106, (2015);