اعتقاد براین است که تنش های فیزیولوژیکی میزان اکسیژن پایین، عملکردهای سلول های بنیادی هماتوپوئیتیکی (HSC) را در مغز استخوان (BM; 0-5%) تنظیم می کنند. در عوض، بند ناف و جفت در مواجهه با تنش های فیزیولوژیکی میزان اکسیژن تا حدی بالاتر (3-10%) می باشند. فرضیه ما این بود که غلظت های O2 در این گستره ممکن است جهت تکثیر و حفظ HSCهای حاصل از خون بند ناف (UCB) و جفت در شرایط ex vivo  قابل بهره برداری باشند. تکثیر سلول های CD34⁺ در UCB در کشت های همزمان با سلول های استرومایی/بنیادی مزانشیمی BM تحت میزان اکسیژن 2، 5، 10 و 21 درصد مطالعه شد. اکسیژن 2 درصد منجر به کاهش قابل توجه تکثیر سلول های CD34+ (25 برابر در مقابل 60، 64 و 92 برابر در طی 10 روز به ترتیب در شرایط 5، 21 و 10 درصد اکسیژن). در عوض، اکسیژن 10 درصد منجر به بیشترین میزان تکثیر سلول های CD34+ CD90+ می گردد که پس از 14 روز میزان آنها به 22 برابر در مقابل 6/5 و 7/5 برابر به ترتیب در شرایط 2، 5 و 21 درصد می رسد. الگوهای تمایزی مشابهی تحت تنش های مختلف اکسیژن مشاهده گردید که به طور عمده سلول ها به سمت رده نوتروفیل ها تمایز پیدا می کردند. سرعت تقسیمات سلولی بیانگر وضعیت تکثیری بالای سلول های کشت شده در اکسیژن 10    و 21 درصد در مقابل اکسیژن 2 درصد بود. طبق انتظار، مصرف گلوکز بالاتر و نرخ تولید لاکتات در اکسیژن 2 درصد در مقایسه با غلظت های بالاتر اکسیژن (5 الی 21 درصد) تعیین گردید. به طور کلی، این نتایج پیشنهاد می کنند که تنش های فیزیولوژیکی اکسیژن، به ویژه اکسیژن 10 درصد، می توانند تکثیر سلول های پروژنیتوری/بنیادی UCB در شرایط ex vivo و در کشت همزمان با BM MSCs را افزایش دهند. قابل اهمیت است که این مطالعات، اهمیت استفاده از دانش ریزمحیط نیچ هماتوپوئیتیکی در جهت تعیین سیستم های کشت کارا و قابل کنترل ex vivo قادر به تولید تعداد زیاد HSCها جهت کاربردهای بالینی را برجسته می سازند.

Ex vivo expansion of cord blood haematopoietic stem/progenitor cells under physiological oxygen tensions: clear-cut effects on cell proliferation, differentiation and metabolism.

Andrade PZ, de Soure AM, Dos Santos F, Paiva A, Cabral JM, da Silva CL.

Source

Department of Bioengineering and Institute for Biotechnology and Bioengineering (IBB), Instituto Superior Técnico, Technical University of Lisbon, Portugal.

Abstract

Physiologically low O₂ tensions are believed to regulate haematopoietic stem cell (HSC) functions in the bone marrow (BM; 0-5%). In turn, placenta and umbilical cord are characterized by slightly higher physiological O₂ tensions (3-10%). We hypothesized that O₂ concentrations within this range may be exploited to augment the ex vivo expansion/maintenance of HSCs from umbilical cord (placental) blood (UCB). The expansion of UCB CD34⁺-enriched cells was studied in co-culture with BM mesenchymal stem/stromal cells (MSCs) under 2%, 5%, 10% and 21% O₂ . 2% O₂ resulted in a significantly lower CD34⁺ cell expansion (25-fold vs 60-, 64- and 92-fold at day 10 for 5%, 21%, 10% O₂ , respectively). In turn, 10% O₂ promoted the highest CD34⁺ CD90⁺ cell expansion, reaching 22 ± 5.4- vs 5.6 ± 2.4- and 5.7 ± 2.0-fold for 2%, 5% and 21% O₂ , respectively, after 14 days. Similar differentiation patterns were observed under different O₂ tensions, being primarily shifted towards the neutrophil lineage. Cell division kinetics revealed a higher proliferative status of cells cultured under 10% and 21% vs 2% O₂ . Expectedly, higher specific glucose consumption and lactate production rates were determined at 2% O₂ when compared to higher O₂ concentrations (5-21%). Overall, these results suggest that physiological oxygen tensions, in particular 10% O₂ , can maximize the ex vivo expansion of UCB stem/progenitor cells in co-culture with BM MSCs. Importantly, these studies highlight the importance of exploiting knowledge of the intricate microenvironment of the haematopoietic niche towards the definition of efficient and controlled ex vivo culture systems capable of generating large HSCs numbers for clinical applications. Copyright © 2013 John Wiley & Sons, Ltd.

PMID:23596131