İnfantil osteopetrozisli hasta uyarılmış pluripotent kök hücreleri ile osteoklast defektinin modellenmesi, osteoklast ve hematopoietik niş ilişkisi

Abstract

Malign infantil osteopetrozis otozomal resesif bir hastalıktır ve tek tedavi yöntemi allojenik hematopoetik kök hücre tedavisidir. Tez çalışmasının ana hedefi, osteopetrozis hastalığında hematopoetik nişin modellenmesidir. Bu kapsamda TCIRG1 mutasyonu taşıyan üç osteopetrozis hastasının periferik kan mononükleer hücrelerinden Uyarılmış Pluripotent Kök Hücre (uPKH) hatları elde edilmiştir. uPKH hatları ilk olarak Hematopoetik Kök Hücre'lere (HKH) daha sonra myeloid progenitor ve osteoklast hücrelerine farklılaştırılmıştır. Uyarılmış Pluripotent Kök Hücre'lerden elde edilen Hematopoetik Kök Hücre (uHKH) kaynaklı osteoklast hücreleri taramalı elektron mikroskop (SEM), akım sitometri, immünfloresan boyama ve osteoklast spesifik moleküler belirteç ifadesi değerlendirilerek karakterize edilmiştir. In vitro hematopoetik niş modelleme için, osteopetrotik–HKH ve sağlıklı-ve/veya osteopetrotik MKH'leri arasındaki etkileşimi değerlendirmek amacıyla kemik iliği MKH ve uHKH'lerin farklı kokültür kombinasyonları yapılmıştır. Kokültür deneylerinden sonra, MKH'lerde HKH'lerin kinetiği ile ilişkili genlerin ifadesi analizi edilmiş ve migrasyon deneyleri yapılmıştır. Bütün uPKH hatları morfoloji, pluripotensi yüzey belirteçleri, pluripotensi ile ilişkili gen ifade profili açısından EKH'lere benzer özellikler göstermiştir. Bütün uPKH hatları başarılı bir şekilde HKH'lere, myeloid progenitörlere ve osteoklastlara farklılaştırılmıştır. Osteopetrotik uPKH kaynaklı osteoklast hücreleri Kathepsin K ve TRAP ile zayıf boyanmış, osteoklast spesifik yüzey belirteç ifadesi gözlemlenmiş, ancak zayıf aktin halka ve kısa podozom oluşumu, Kathepsin K, Kalsitonin-R ve NFATC1 ifadesinin ise önemli ölçüde azaldığı tespit edilmiştir. Sağlıklı-kontrol uHKH'leri ile kokültür sonrası, Jagged-1, Ang-1, Kit-L, Sdf-1 ve Opn ifadesi artmıştır. Osteopetrotik MKH'lerde artmış N-kadherin ifadesi gözlemlenmiş, ancak sağlıklı uHKH'ler ile kokültür sonrası azalmıştır. Kontrol uHKH'ler ile karşılaştırıldığında osteopetrotik uHKH'lerin migrasyon potansiyelinin bozulduğu gözlemlenmiştir. Sonuç olarak, osteopetrozisde disfonksiyonel osteoklast hücreleri defektif HKH niş oluşumuna neden olmaktadır. Bunun da temel nedenleri MKH kompartmanında görülen değişim ve HKH'lerin nişteki yerleşiminin bozulmasıdır.

Malignant infantile osteopetrosis is an autosomal recessive disorder. The only available treatment is allogeneic hematopoietic stem cell transplantation. The objective of this study was to model hematopoietic niche in ostepetrosis. hiPSC lines were generated from peripheral blood mononuclear cells of three patients carrying TCIRG1. IPSC lines were differentiated first into HSCs, then into myeloid progenitors and osteoclasts using a step-wise protocol. iHSCs-derived osteoclasts were characterized by scanning-electron-microscope(SEM), flow-cytometry, IF-staining and expression of osteoclast-specific molecular markers. Different coculture conditions with bone marrow-derived-hMSCs and iHSCs were set up to study the interaction between osteopetrotic-HSCs and healthy- and/or osteopetrotics-MSCs as an in vitro hematopoietic niche model. After coculture, expression of the genes in MSCs related to HSC kinetics were analyzed and migration assays were done. All iPSC lines were showed typical ESC features with regards to morphology, pluripotency surface markers and pluripotency-associated gene expression profile. All lines were differentiated succesfully into HSCs, myeloid progenitors and osteoclasts. Osteopetrotic-iPSCs-derived osteoclasts were weak positive for Cathepsin K, and TRAP, were showed weak positive actin ring and short podosome formation, and exhibited osteoclast-spesific surface markers, but showed significantly reduced expression of Cathepsin K, Calcitonin-R, and NFATC1compared to controls. Following coculture with healthy-control iHSCs, the expression of Jagged-1,Ang-1,Kit-L,Sdf-1, and Opn increased while overexpression of N-cadherin decreased after coculture in osteopetrotic MSCs. The migration potential of osteopetrotic iHCSs were found impaired compared to control-iHSCs. In conclusion, our results indicate that dysfunctional osteoclasts in osteopetrosis lead to defective HSC niche formation resulting from altered MSC compartment, and abnormal HSC homing besides insufficient marrow space resulting from defective bone resorbtion.