Подготовка пациента к клеточной терапии стволовыми клетками диабета 1 типа

На кафедре экспериментальной медицины под руководством проф. Юрия Захарова (CIRM) с 2006 года разрабатываются и используются в клинической практике разные способы клеточной терапии стволовыми клетками сахарного диабета 1 типа. Важное значение имеет предварительная подготовка ниши стволовых клеток. Для этого используются различные фитохимические и фармакологические вещества и даже диетические вмешательства, а также способы физических методов (принятых в реабилитологии).

Диетические факторы и пищевой статус влияют на функционирование стволовых клеток в организме человека. Микронутриенты не только влияют на клеточный метаболизм, но и являются важными сигнальными молекулами, которые могут модулировать регуляторные пути и определять активность стволовых клеток. В частности, витамины, минералы и фитохимические вещества имеют решающее значение для поддержания пролиферации и самообновления стволовых клеток, влияя на экспрессию генов и эпигенетическую регуляцию. Все больше данных свидетельствует о том, что регуляция питания является новой мишенью для функции стволовых клеток, которая может влиять не только на выживаемость клеток, но и на пулы стволовых клеток в тканях. Недавние исследования указывают на прямую связь между действием специфических молекул и опосредованным стволовыми клетками тканевым гомеостазом и дифференцировкой. Витамины A, D, C, E, витамины группы B и минералы, такие как цинк, селен, магний и кальций, были выделены как ключевые микронутриенты для функционирования стволовых клеток.

Влияние витаминов и микроэлементов на судьбу и поддержание жизнедеятельности МСК.

Вещество	Влияние на МСК	Концентрация	Тип/модель клетки	Ссылки.
Витамин С	↑ Пролиферация, самообновление, экспрессия генов плюрипотентности (Nanog, Oct4, Sox2) ↓ Старение (снижение количества клеток SA-β-gal+, подавление p16) Ингибирование роста/апоптоз при более высоких дозах.	10–250 мкМ (стимуляция), >250 мкМ (ингибирование), 200 мкМ (омолаживающий эффект)	Стволовые клетки десны (GSC); мезенхимальные стволовые клетки крыс.	[ 8 , 56 ]
Витамин D	↑ Экспрессия генов плюрипотентности (Nanog, Sox2, Oct4), устойчивость к дисфункции ↓ Количество стареющих клеток, экспрессия p16 Подавление пролиферации при дефицитных и избыточных дозах.	1 × 10 ⁻⁷ М (с витамином Е) 0 МЕ/кг или 1000 МЕ/кг (подавление), 250–500 МЕ/кг (оптимальная доза)	МСК, полученные из костного мозга (BM-MSCs); МСК, полученные из легких крысы (модель in vivo)	[ 17 , 54 , 58 , 60 , 61 ]
Витамин Е	↓ Апоптоз (за счет модуляции пути AKT) ↑ Экспрессия маркеров пролиферации ↓ Пролиферация (в сочетании с витамином D)	12 мкМ (с витамином D)	Стволовые клетки пульпы зуба человека (hDPSCs); стволовые клетки, полученные из десны (GSCs)	[ 9 , 77 , 78 , 79 ]
Витамин В3	↑ Выживаемость МСК ↓ Задерживает репликативное старение	5 мМ	Человеческие мезенхимальные стволовые клетки костного мозга	[ 65 ]
Магний ( ^Mg²⁺ )	↑ Жизнеспособность, пролиферация, адгезия. Ингибирование/цитотоксичность при высоких концентрациях.	1,2–1,8 мМ (MgCl₂ ₎ , 5,7–8,7 мМ (Mg²⁺ ⁾ , >20 мМ (MgSO₄ ₎ (ингибирование), 32,1 мМ (цитотоксичность)	Человеческие мезенхимальные стволовые клетки; мезенхимальные стволовые клетки костного мозга крысы
Цинк ( ^Zn²⁺ )	↑ Пролиферация, экспрессия генов плюрипотентности (Oct4, Sox2, Nanog) и теломеразы (TERT). Цитотоксичность при более высоких концентрациях.	20 мкМ (оптимальная концентрация) >100 мкМ (цитотоксичность)	МСК, полученные из пуповины (hUC-MSCs)	[ 10 ]
Селен (Se)	↑ Жизнеспособность ↓ Старение. Снижение жизнеспособности при более высоких концентрациях.	50 нг/мл (наночастицы Se) 0,1 мкм (селенит натрия), 300 нг/мл (пониженная жизнеспособность)	МСК костного мозга крысы	[ 49 , 69 ]
Железо (Fe)	↑ Рост (в виде FeSO₄ ₎ ↓ Рост и старение (в виде наночастиц оксида железа)	4 × 10 ⁻⁸ М (FeSO ₄ ), 100 мкг/мл (наночастицы)	МСК, полученные из жировой ткани; МСК из костного мозга	[ 71 , 72 ]
Кальций ( ^Ca²⁺ )	↑ Пролиферация/выживание	0,01–100 мг/мл (стимуляция), 1 мг/мл (оптимальная концентрация), 4–10 мМ (стимуляция), 6 мМ (оптимальная концентрация), >6 мМ (ингибирование); в виде наночастиц фосфата кальция — не указано.	В условиях in vitro : стволовые клетки апикальной папиллы человека (SCAPs); мезенхимальные стволовые клетки костного мозга ( BM-MSCs).

Модуляция и контроль дифференцировки МСК витаминами и неорганическими ионами.

Вещество	Дифференциация	Эффект и механизм	Концентрация	Тип/модель клетки	Ссылки.
Витамин С	Остеогенез	↑ Восстанавливает остеогенный потенциал в стареющих мезенхимальных стволовых клетках путем активации теломеразы. Усиливает минерализацию и экспрессию RUNX2, ALP, COL1A1. Необходим для синтеза коллагена, который, в свою очередь, повышает экспрессию Runx2.	50 мкг/мл	Стареющие мезенхимальные стволовые клетки костного мозга человека; стволовые клетки жировой ткани	[ 32 , 57 , 85 ]
	Адипогенез	↓ Подавляет дифференцировку в адипоциты	250–500 мкМ, 150 мкМ (оптимальная концентрация)	Мезенхимальные клетки, полученные из эмбриональной мезодермы мыши	[ 81 ]
	Хондрогенез	↑ Способствует дифференцировке и защищает хондроциты от окислительного стресса ( _H₂O₂₎	50 мкг/мл (~170 мкМ) (ADSCs); 50 мкмоль/л (GSCs)	Глиальные стволовые клетки (ГСК); мезенхимальные стволовые клетки, полученные из жировой ткани (МСКЖТ).	[ 8 , 98 ]
Витамин D	Остеогенез	↑ Усиливает экспрессию ALP, OCN, RUNX2 через рецептор витамина D (VDR). Действует синергически с BMP-2, TGF-β1, метформином и дексаметазоном. Активирует сигнальные пути Wnt/β-catenin и BMP2. Снижает уровень АФК (активных форм кислорода).	20 нМ (пиковый эффект)	Мезенхимальные стволовые клетки костного мозга (МСККМ)	[ 49 , 50 , 61 , 87 , 89 , 92 , 93 ]
Витамин D	Адипогенез	↓ Снижает накопление липидов. Понижает экспрессию генов, специфичных для адипоцитов, путем ингибирования транскрипционного фактора PPARγ2.	20 нМ (наиболее сильное ингибирование)	Человеческие мезенхимальные стволовые клетки костного мозга	[ 50 , 95 , 96 , 97 ]
Витамин Е	Остеогенез	↑ Усиливает остеогенную дифференцировку, особенно в сочетании с витамином D (0,1 мкМ)	12 мкМ (hDPSCs); 6,06 мкг/мл α-токоферола (концентрация в сыворотке крови человека, используемая в культуре BM-MSCs)	Стволовые клетки пульпы зуба человека (hDPSCs); мезенхимальные стволовые клетки костного мозга (BM-MSCs)	[ 9 , 82 ]
Витамин _К2	Остеогенез	↑ В сочетании с витамином D3 ₍ 10 нМ) усиливает экспрессию остеокальцина, остерикса и Runx2.	10 нМ	Модели мышей с ожирением, вызванным диетой (первичные остеобласты)	[ 110 ]
Магний	Остеогенез	↑ Усиливает раннюю дифференцировку посредством сигнальных путей Notch и Wnt, а также аутофагии. Высокие концентрации могут нарушать минерализацию на поздних стадиях.	5–10 мМ (усиливает) <1,3 мМ (способствует) 0,1 мМ (стимулирует аутофагию)	МСК костного мозга крыс и человека	[ 67 , 68 , 100 , 101 , 102 , 103 ]
Магний	Хондрогенез	↑ Поддерживает дифференцировку и синтез специфической для хрящевой ткани внеклеточной матрицы посредством опосредованной интегринами сигнализации.	~5 мМ	МСК костного мозга; синовиальные МСК	[ 104 ]
Кальций	Остеогенез	↑ Повышает экспрессию OCN, BSP, ALP. Осуществляется через L-тип кальциевых каналов и сигнальный путь CaMKII.	Не указано — используется в качестве поверхности биоматериалов на основе фосфата кальция.	Человеческие мезенхимальные стволовые клетки костного мозга (hMSC); hMSC, иммуноселектированные с помощью антитела STRO1; кроличьи мезенхимальные стволовые клетки костного мозга (BM-MSC).	[ 111 , 112 , 113 ]
Цинк	Остеогенез	↑ Усиливает дифференцировку остеобластов, формирование матрикса и минерализацию.	Не указано — используется в виде наночастиц MOF.	МСК, полученные из жировой ткани	[ 109 ]
Селен	Остеогенез	↑ Изменяет судьбу МСК в сторону остеогенной линии. Повышает активность щелочной фосфатазы и транскрипцию остеогенных генов.	25–100 нг/мл (оптимально 50 нг/мл)	МСК, полученные из эмбриональных стволовых клеток человека	[ 49 ]
Селен	Адипогенез	↓ Подавляет дифференцировку адипоцитов	25–100 нг/мл	МСК, полученные из эмбриональных стволовых клеток человека	[ 49 ]

Витамины и микроэлементы, участвующие в регенерации и ремоделировании тканей с помощью МСК.

Вещество	Эффект ткани	Механизм	Дозировка	Тип/модель клетки	Ссылки.
Витамин С	↑ Способствует регенерации костных дефектов и восстановлению тканей.	Выступает в качестве кофактора для синтеза коллагена; поддерживает образование и отложение внеклеточного матрикса (ВКМ); улучшает кровоснабжение и неоваскуляризацию.	200 мкМ (компонент культуральной среды); 50 мкг/мл (регенерация/тканевая инженерия); 0,05–0,2 мМ (кофактор синтеза коллагена)	Модели ишемии конечностей in vivo на мышах (SCB-MSCs); ASCs	[ 13 , 32 , 55 , 71 , 91 , 94 , 114 , 115 , 125 , 126 , 127 , 128 ]
Витамин D	↑ Способствует регенерации костной ткани, восстановлению сосудов и развитию легких.	Способствует остеогенной дифференцировке; модулирует иммунную среду; улучшает адгезию и миграцию эндотелиальных клеток-предшественников (ЭКП); ослабляет воспаление, опосредованное ФНО-α.	250 и 500 МЕ/кг (оптимальные дозы для приема с пищей)	Крысиные модели (перинатальная диетическая добавка); мезенхимальные стволовые клетки легких	[ 50 , 60 , 116 , 117 ]
Витамин Е	↑ Улучшает выживаемость мезенхимальных стволовых клеток и регенерацию хряща.	Предварительная обработка защищает мезенхимальные стволовые клетки от окислительного стресса (H₂O₂ ₎_; повышает экспрессию TGF-β; снижает экспрессию генов апоптоза; уменьшает высвобождение VEGF и LDH; увеличивает содержание протеогликанов в хряще.	100 мкМ	Предварительная обработка мезенхимальных стволовых клеток in vitro ; in vivo: модели остеоартроза у крыс.	[ 77 , 118 , 119 ]
Витамин В6	↑ Ускоряет выведение мезенхимальных стволовых клеток из организма	Это привело к снижению количества обнаруживаемых ucMSC через 4 часа после инъекции, особенно в сочетании с ретиновой кислотой.	1 мкМ	Мышиная модель гепатита (мыши, получавшие лечение человеческими мезенхимальными стволовыми клетками).	[ 120 ]
Магний	↑ Поддерживает гомеостаз костной ткани и регенерацию хрящевой ткани.	Усиливает адгезию мезенхимальных стволовых клеток к дефектам; способствует синтезу хрящевого матрикса; индуцирует рост кристаллов апатита на каркасах для минерализации.	5 мМ MgCl₂ ₍ в PBS) — модель in vivo на кроликах; 1 мМ и 10 мМ MgCl₂ ₍ в PBS) — исследования ex vivo; 5 мМ и 10 мМ MgCl₂ ₍ в PBS) — исследования in vitro. Не указано (использовались в виде микрокаркасов Mg-BCP, приготовленных с соотношением молей (Ca+Mg)/P 0,01 и 1,602) (человеческие AT-MSCs).	In vivo : с использованием модели остеохондрального дефекта у кроликов (мезенхимальные стволовые клетки синовиальной оболочки кроликов); Ex vivo : с остеохондральной тканью (мезенхимальные стволовые клетки синовиальной оболочки человека); In vitro : оценка хондрогенеза, клеточная адгезия (мезенхимальные стволовые клетки синовиальной оболочки человека); In vitro : исследования с использованием мезенхимальных стволовых клеток жировой ткани человека.	[ 104 , 121 ]
Цинк	↑ Способствует восстановлению тканей за счет усиления направленного перемещения клеток.	Значительно улучшает миграцию и адгезию мезенхимальных стволовых клеток; каркасы, содержащие медь, способствуют как остеогенезу, так и ангиогенезу.	5–100 мкМ (стимуляция), 20 мкМ (оптимальная концентрация), >250 мкМ (ингибирование); Цинксодержащие каркасы: PLLA@MOF, содержащий 0,30 моль ZnO	Анализ миграции клеток in vitro (hUC-MSCs); МСК, полученные из жировой ткани человека	[ 10 , 109 ]
Железо (иононаночастицы)	↑ Улучшает заживление ран и уменьшает фиброз печени	Усиливает миграцию мезенхимальных стволовых клеток к местам повреждения, что приводит к улучшению ангиогенеза.	15 мкг/л наночастиц AuFe, 3 мкг/мл ps-TNCs. Доза не указана — 100 мкг Fe использовано для мечения, 1 × ^10⁶ MSCs	Мышиная модель кожных ран; мышиная модель ишемии задних конечностей (ангиогенез) (использовались человеческие стволовые клетки); крысиная модель фиброза печени (крысиные мезенхимальные стволовые клетки костного мозга).

Модуляция иммунорегуляторных функций МСК витаминами и минералами.

Вещество	Эффект	Механизм	Концентрация	Тип/модель клетки	Ссылки.
Витамин С	↓ Снижает провоспалительный фенотип	Подавляет ассоциированный со старением секреторный фенотип (SASP), снижая уровни TNF-α, IL-1β, IL-6, IL-8. Способствует активации NK-клеток и цитотоксических Т-лимфоцитов.	200 мкмоль/л	SCS-MSCs (клетки с избыточной экспрессией преламина А — MSC/PLA)	[ 115 ]
Витамин D	↓ Выраженное противовоспалительное действие	Снижает секрецию TNF-α, IL-1β, IL-6 путем блокирования сигнализации NF-κB. Усиливает подавление пролиферации CD4+ Т-клеток, опосредованное МСК. Подавляет дифференцировку макрофагов M1. Способствует дифференцировке макрофагов M2. Ингибирует миграцию МСК, опосредованную макрофагами M1, в зависимости от дозы.	100 нМ 1,25(OH) _₂D₃₁₀ нМ и 100 нМ 100 и 1000 нг/кг, подкожно оказывает вредное воздействие на стадии провоспалительного процесса, нейтральное воздействие на стадии регенерации 15 000 МЕ/кг массы тела 3000 МЕ/кг корма	Стволовые клетки периодонтальной связки человека (hPDLSCs); In vitro : мезенхимальные стволовые клетки костного мозга мышей; In vivo : исследования на мышах (заживление переломов костей); In vivo : острая модель на мышах, ЛПС; In vivo : хроническая модель на мышах, диета с высоким содержанием жиров.	[ 42 , 130 , 132 ]
Витамин В6	↑ Повышает иммуногенность и иммуномодулирующий потенциал.	Увеличивает поверхностную экспрессию HLA классов I и II. Повышает экспрессию PD-L1 и значительно увеличивает уровень мРНК IL-1RA.	1 мкМ	МСК, полученные из пуповины человека (ucMSCs)	[ 120 ]
Ретиноевая кислота	↑ Усиливает иммунодепрессию (но может быть провоспалительным)	Подавляет пролиферацию CD4+ и CD8+ Т- клеток. Снижает экспрессию PD-L1 (вместе с витамином B6). Значительно увеличивает экспрессию HLA класса I и HLA класса II . Снижает секрецию TNF-α. В другом контексте, активирует провоспалительную ось NF-κB/NLRP3: способствует выработке провоспалительного цитокина интерлейкина-1β.	1 мкМ или 10 мкМ (эффект достигается, когда ретиноевая кислота входит в состав коктейля MC) ucMSC, предварительно обработанные 1 мкМ или 10 мкМ ретиноевой кислоты — отсутствие эффекта; 1 мкМ или 10 мкМ — ограниченный эффект (только ингибирование TNF-α); 100 нМ, 1 мкМ, 10 мкМ (провоспалительный эффект)	In vitro : мезенхимальные стволовые клетки, полученные из пуповины человека (ucMSCs) In vivo : мышиная модель заболевания печени Ex vivo : модель совместного культивирования клеток при воспалении печени Стволовые клетки периодонтальной связки человека (hPDLSCs)	[ 120 , 135 ]
Магний	↓ Выраженное противовоспалительное и иммунодепрессивное действие	Снижает уровни IL-1β и IL-6; повышает уровни IL-10 и PGE2. Модулирует NF-κB и STAT3.	5 мМ	Мышиные мезенхимальные стволовые клетки; макрофаги (через культуральную среду)	[ 136 ]
Цинк	↓ Оказывает противовоспалительное действие	Усиливает экспрессию генов, участвующих во взаимодействии рецепторов цитокинов и в активации сигнальных путей IL-17/TNF. Дефицит повышает уровень TNF-α, IL-1β, IL-8.	5 мкмоль/л	МСК, полученные из пуповинной крови человека (hUC-MSCs)	[ 137 ]
Железо (иононаночастицы)	↓ Усиливает противовоспалительные свойства	Изменяет профиль цитокинов, снижая уровень провоспалительных факторов (IL-2, TNF-α) и увеличивая секрецию противовоспалительных цитокинов (IL-4, IL-10).	50 мкг/мл наночастиц Fe3O4@PDA, 1 × ^10⁶ МСК , меченных наночастицами Fe3O4@PDA	In vitro : мезенхимальные стволовые клетки костного мозга крыс. In vivo : модель ожога, вызванного лазером, у крыс.

Роль отдельных микронутриентов в эпигенетической регуляции МСК.

Вещество	Роль/Эффект	Механизм	Концентрация	Тип/модель клетки	Ссылки.
Витамин С	Непосредственно модулирует деметилирование ДНК и гистонов.	Выступает в качестве кофактора для ферментов TET, способствуя активному деметилированию ДНК (5mC → 5hmC). Поддерживает гистоновые деметилазы Jumonji (JHDM) (например, H3K36me2/3), что приводит к увеличению c-Myc/Klf4 и подавлению p21.	200–250 мкМ	Стволовые клетки десны; мышиные АСК	[ 8 , 126 , 159 ]
Витамин В3	Регулирует деацетилирование гистонов и поддержание теломер.	Активирует SIRT1, НАД ⁺ -зависимую гистоновую деацетилазу, которая замедляет старение и поддерживает дифференцировку.	5 мМ	МСК, полученные из жировой ткани мыши	[ 65 ]
Цинк ( ^Zn²⁺ )	Регулирует деацетилирование гистонов и стабильность теломер.	Активирует SIRT3 (гистоновую деацетилазу). Выступает в качестве структурного компонента для транскрипционных факторов с цинковыми пальцами и белков, ремоделирующих хроматин. Увеличивает экспрессию TERT.	0,14 мкг/мл _ZnSO₄	МСК, полученные из жировой ткани крысы	[ 160 ]
Селен	Поддерживает цикл метилирования и целостность хроматина.	В качестве компонента селенопротеинов он обеспечивает доступность S-аденозилметионина (SAM), универсального донора метильных групп для DNMT и HMT. Снижает показатели повреждения ДНК (микроядра) до 58%.	100 нМ селенита натрия	Человеческие мезенхимальные стволовые клетки костного мозга

Регулирование активности МСК фитохимическими веществами растительного происхождения.

Вещество	Эффект	Механизм	Концентрация	Тип/модель клетки	Ссылки.
Эпигаллокатехин галлат (ЭГКГ) — полифенол (зеленый чай)	Защищает от окислительного стресса и старения клеток, а также усиливает пролиферацию и остеогенез.	Активация сигнального пути Nrf2, снижение ацетилирования p53/p21; усиление Wnt/β-катенина, увеличение циклина D1.	10–50 мкМ	hMSC, BM-MSC (человеческий)	[ 161 , 162 , 165 ]
Куркумин — полифенол (Curcuma longa)	Защищает мезенхимальные стволовые клетки от окислительного стресса, снижает апоптоз, поддерживает дифференцировку.	Ингибирование образования АФК и оксида азота, поддержание активности антиоксидантных ферментов.	5–20 мкМ	hMSC (человеческие)	[ 164 ]
Аллицин — органическое серосодержащее соединение, содержащееся в чесноке.	Усиливает остеогенез и ремоделирование костной ткани.	Повышает экспрессию ALP, BGLAP, RANKL, OPG; активирует остеобластные клетки. Аллицин высвобождается из биокерамических каркасов (количество зависит от материала).	Аллицин, высвобождаемый из биокерамических каркасов (количество зависит от материала).	Совместное культивирование hMSC и моноцитов in vivo на крысиной модели	[ 166 ]
Ресвератрол — полифенол (виноград, арахис, черника)	Усиливает пролиферацию и дифференцировку остеобластов.	Активация сигнального пути ERK1/2 через эстрогенный рецептор; участие p38 MAPK.	1–10 мкМ	hBMSC (человеческие)	[ 167 ]
Коэнзим Q10 (убихинон) — липофильный хинон	Подавляет старение мезенхимальных стволовых клеток, снижает окислительный стресс и экспрессию генов старения (p53, p21, p16).	Снижение уровня АФК, ингибирование пути Akt/mTOR, регуляция экспрессии PPARγ и антиоксидантных ферментов.	1–100 мкМ (старение, вызванное D-галактозой)	hMSC (человеческие)	[ 172 ]
Мелатонин — индоламин (эндогенный, растительного происхождения)	Повышает выживаемость, пролиферацию и паракринную активность мезенхимальных стволовых клеток, снижает стресс эндоплазматического ретикулума и митохондрий.	Активация TGF-β, PI3K/Akt, антиоксидантное и противовоспалительное действие.	0–10 мкМ (24 ч)	ADMSC, NPMSC (человеческий)	[ 171 , 175 , 176 ]