DERLEME/REVIEW Akad Geriatri 2011; 3: 53-62 Gelifl Tarihi/Received: 12/04/2011 - Kabul Edilifl Tarihi/Accepted: 18/04/2011 Kök Hücre ve Geriatri Servet Ar o ul Hacettepe Üniversitesi T p Fakültesi, ç Hastal klar Anabilim Dal, Geriatri Ünitesi, Ankara, Türkiye Geriatrics Unit, Department of Internal Medicine, Faculty of Medicine, Hacettepe University, Ankara, Turkey ÖZET Kök hücreler, dokular ve organlar oluflturan ana hücrelerdir. Henüz farkl laflmam fl olan bu hücreler, s n rs z bölünebilme ve kendini yenileme, organ ve dokulara dönüflebilme yetene ine sahiptir. Bu özellikleri bak m ndan kök hücrelerin kanser, sinir sistemi hasarlar, Alzheimer hastal ve kalp hastal klar gibi birçok hastal n tedavisinde kullan labilirli i üzerine çal flmalar yap lmaktad r. Bu derlemede, kök hücreler ve kök hücrelerin geriatride s k görülen hastal klarda kullan m üzerine bilgiler verilecektir. Anahtar Kelimeler: Kök hücre, geriatri, Alzheimer hastal, kanser. ABSTRACT Stem cells are pluripotent cells that form tissues and organs. These undifferentiated cells are capable of convertibility to organs and tissues with their infinite divisibility and self-renewability. These features render them a potential treatment modality in many diseases, such as cancer, nervous system damage, Alzheimer's disease, and heart diseases. Information about stem cells and their use in common diseases in the geriatric age group is given in this review. Key Words: Stem cell, geriatrics, Alzheimer s disease, cancer. Kök hücreler, aralar nda bulunduklar doku-organlara göre fark eden fonksiyonellik farklar gösterir: a. Yüksek hücresel dönüfl (turnover) ve yüksek rejeneratif potansiyelli olanlar: Kan hücreleri, Meme epiteli, Ba rsak epiteli, Vasküler endotelyum, Epidermis. b. Düflük hücresel dönüfl (low cellular turnover) ve yüksek rejeneratif potansiyelli olanlar: Karaci er, Ufak damarlar, skelet kas, Pankreas, Adrenal korteks. c. Düflük hücresel dönüfl ve düflük rejeneratif potansiyelli olanlar: Yaz flma Adresi/Address for Correspondence Prof. Dr. Servet Ar o ul Hacettepe Üniversitesi T p Fakültesi, ç Hastal klar Anabilim Dal, Geriatri Ünitesi, Ankara/Türkiye e-posta: sariogul@hacettepe.edu.tr 53
Akci er parankimi, Beyin, Kalp, Retina, Böbrek, Spinal kord. Bu durumda düflük hücresel dönüfl ve düflük rejeneratif potansiyelli olanlar n bulundu u doku veya organlarda bir hasar oldu unda, endojen yolla onar m güç oldu u için kök hücrelerin bir alternatif olabilecekleri yorumu yap l r. Kök hücrelerde yafllanman n etkisiyle azalma oldu- unu gösteren çal flmalar oldu u gibi de iflmedi ini saptayan çal flmalar da vard r. Ancak üzerinde karar birli i olan konu, say dan ziyade fonksiyonel yetersizlik olmas d r. Kök hücrelerin yafllanma ile farkl l k gösterip göstermediklerinin en yo un incelendikleri kök hücre gruplar ; hematopoietik hücreler ve iskelet kas kök hücreleri (satellitler) dir. Çünkü bu lokalizasyonlar in vivo ve in vitro incelenebilmektedir. skelet kas kök hücreleri hareketsizdir. Fakat bir zedelenme veya hastal kta proliferasyon gösterir. Kaslardaki satellit hücrelerin say s n n yafllanma ile azald, sabit kald veya hafif artt n gösteren çal flmalar vard r. Fakat üzerinde fikir birli i olunan konu, say sal de ifliklikten ziyade rejeneratif potansiyelinin bozuldu u gerçe idir (1). Eriflkin kök hücrelerinin yafllanma sonucu olan de- iflikliklerdeki rolüne ait çeflitli örnekler verilebilir: Derimiz ölü hücreleri devaml olarak d flar atarken, kök hücreleri de buna karfl l k devaml olarak deri hücrelerine dönerek kayb gen ve orta yafllarda karfl lar. Yafllanma ile kök hücreler azald için bu süreç aksar, deri incelir, kurur, elastisitesini kaybeder, genç görünümü kalmaz. Yine folliküllerin azalmas yla saç incelir, azal r, melanositlere dönüflümün azalmas yla birlikte ise saçlar beyazlafl r (www.lifecoderx.com/stem-cells.aging). Kiflilerde zamanla kaybedilen hücrelerin yerine yenilerinin konulmas gerekir. Yak n zaman öncesine kadar postmitotik olarak bilinen beyin hücreleri ve pankreas hücrelerinin yerine yeni hücre oluflturma görevlerinin yine olamamas na karfl n o dokulardaki kök hücreleri arac l yla yeni hücreye dönüflümün hayat boyu devam edebildi i anlafl lm flt r. Buna karfl n biraz yukar da de indi imiz üzere; ba rsak iç yüzeyi neredeyse haftada bir yenilenmekte, kemik ili inde ise günde trilyonlarca yeni hücre yap lmaktad r. Fakat bu bölünmelerin adeta bir bedeli olarak kök hücrelerde önce hasar, sonra da somatik mutasyonlar oluflabilmekte olup, bunlar n bir k sm kanser ba lant l genlerdir. Umblikal kord hücrelerinin yaklafl k %1 inde akut lösemi için onkojenik füzyonlar (AML-ETO gibi), üç eriflkinin birinde ise folliküler lenfoma ile ba lant l IgH-BCL2 translokasyonlar - n n varl bunlara örnektir. Bunlara karfl insanda üç mekanizma ile tümör bask lanmas sa lanmaktad r: 1. P16, 2. P53, 3. Telomerlerin boylar n n k salmas. Bu mekanizmalarla antikanseröz devrede olmakta fakat bedel olarak hücre yafllanmaktad r (2). Yafllanma ile birlikte kan organlar nda çeflitli etkiler görülmektedir. Bunlar aras nda; Azalm fl immünite, Kemik ili i yetmezli i insidans n n artmas, Hematolojik neoplazmlar n artmas, Hafif anemi vard r. Yafll bireyler sitotoksik kemoterapiye ba l toksisiteye daha yatk nd r. Bu gözlemler, hematopoietik kök hücrelerin normal insan yafllanmas nda klinik olarak belirgin azalma gösterdiklerine iflarettir. Ancak fare gibi kemiricilerde yafllanma ile birlikte hematopoietik kök hücre fonksiyonunun azalmas na karfl n, say ca azalma olmad n hatta artt n göstermektedir. Saçlar n yafllanma ile beyazlaflmas, melanositlerin ana hücresi olan melanoblastlar n kök hücrelerinin azalmas yla iliflkilidir. Tip 2 diabetes mellitusta tek nedenin insülin direnci olmad fakat islet adac k hücreleri oluflturan kök hücrelerde azalma veya fonksiyon bozuklu u olmas muhtemeldir. Farelerde yafllanma ile nöral kök hücrelerin yeni nöron oluflturma yetene i azalmakta olup, muhtemel neden telomer k salmas veya disfonksiyonudur. Yafllanma ile oluflan kök hücre yetmezli inde ekstrensek yafllanma da denilen mikroçevre-nifl etkisi de vard r. Genç farelerin kas rejenerasyonunun yafll mikroçevre ile muamele edildiklerinde azald görülmektedir. 54 Akad Geriatri 2011; 3: 53-62
Kök Hücre ve Geriatri Kök hücre dahil hücre yafllanmas n n temel nedenleri: Birkaç mekanizma belirtilmifl olsa da DNA hasar - n n tümör süpresör mekanizma (p53) y aktive etti ini, bunun da yafllanma ile kök hücre fonksiyonunu s n rland rd n söyleyebiliriz. Yafllanmada hedef molekül olan DNA n n her gün spontane ve ekstrensek mutasyonel etkilere maruz kald n, baz lar n n onar ld n ancak baz DNA k s mlar n n tamir edilmeyerek birikti ini biliyoruz. Sonuçta bu DNA hasar kök hücre fonksiyonunun da azalmas na yol açmaktad r. Buna bir kan t da; DNA tamir proteinlerinden FANCDI dan eksik olan farelerin hematopoietik kök hücrelerinin belirgin fonksiyonel yetersizlik göstermesidir. Hasarl kök hücrelerini bekleyen dört sonuç vard r: 1. p53 kayb sonucu kanseröz de iflim, 2. Telomer disfonksiyonu sonucu kök hücre yafllanmas ve sonuçta rejeneratif yetmezlik, 3. Apopitoz, 4. Kök hücrelerde yafllanma ve kanser DNA hasar - n n birleflik sonuçlar. Telomer disfonksiyonunun; DNA hasar n n özgül bir formu oldu u ve insan kök hücrelerinin yafllanmas na katk l oldu u üzerinde çok durulmufltur. Yafllanma ile telomer k salarak telomer disfonksiyonu olmasa bile telomeraz aktivitesi oldu u takdirde kanserleflme olmaktad r. Yani p53 gibi tümör bask lay c unsurlar n varl -, oluflan DNA hasar n alg lamakta, onarmaya çal flmakta, onaram yorsa apopitoza zorlayarak, kanserleflmeyi önlemektedir. Yine buna bir örnek olarak; telomer disfonksiyonu olan hayvanlar n hematopoietik kök hücre, intestinal kript ve testis gibi özgül yenilenme kompart manlar nda erken yafllanma ve apopitoz görülmektedir. p16 gibi büyüme (growth) inhibitör moleküllerinin ve p53 gibi tümör süpresörlerinin yaflland r c etkilerinin kendini yenileyen hücrelerde görüldü ünü söyleyebiliriz. Buna karfl n p16 eksikli i tam tersine yafllanmay geciktirmektedir. Ek olarak kalori k s tlamas da yafll l geciktirmektedir. Sonuçta tümör süpresör mekanizmalar n yafllanmaya katk s oldu unu söyleyebiliriz. Reaktif oksijen türevlerinin artmas p38 arac l yla hematopoietik kök hücrelerin fonksiyonunu bozmaktad r. Yine FOXO transkripsiyon faktörü eksik olanlarda kök hücre yenilenmesi azalmaktad r. Bu arada reaktif oksijen türevlerinin önce DNA hasar oluflturdu unu sonra da hematopoietik kök hücre fonksiyonunu bozdu- unu belirtelim. Telomeraz aktivitesinin do umsal eksikli ine ba l telomer k sal olan insanlarda kemik ili i yetmezli i ve akci er yetmezli i görülmektedir. Dahas telomer k - salmas olan kronik hepatitli hastalarda sirozun daha kolay olufltu u, yine k salman n ateroskleroz geliflmesi, kanser geliflmesi ve mortaliteyi art r c etkisi oldu u görülmektedir. Ayr ca, telomer k salmas ilerleyen y llarda düzenli olarak cereyan etmemekte, en çok genç eriflkinlik döneminde olmakta ve sonra yavafllamakta, fakat sonuçta iyice k salarak, DNA hasar uyar s vermektedir (3). Telomer k salmas n n hücre yafllanmas na ve Hayflick fenomenine (yani hücrenin bölüne bölüne sonunda bölünemez telomer uzunlu una indi i nokta) yol açt - n tekrar belirtelim. Telomer uzunlu u adeta mitotik bir saat gibidir ve hücrenin proliferatif geçmiflini yans t r. Telomer k salmas ve birlikte disfonksiyone hücrelerden sal nan proteinler yafllanman n ve yafllanmaya ba l dejeneratif hastal klar n bir iflareti olmaktad r (yafll hücre içinde lipofusin birikmesi gibi). Telomer k - salmas tüm dokularda uniform de ildir, örne in; beyin ve kalp kök hücrelerinde bölünme dolay s yla telomer k salmas daha yavaflt r (4). Telomer boyunun organizman n yafllanmas na paralel olarak k salmas ve birlikte kök hücre disfonksiyonunun oluflmas n n fareler ve insanlarda yafllanman n da bir nedeni olmas üzerinde çok durulmaktad r (5). skelet kas n n rejenerasyonu satellit hücreleri de denen endojen kök hücrelerinin yaflam boyu etkinli ine mükemmel bir örnektir. Yafllanma ile birlikte kök hücrelerinin rejenerasyonu etkisizleflmekte ve sonuçta kas n yerini ya dokusu ve fibroz doku almaktad r. nsanda bu duruma sarkopeni diyoruz. Yafllanm fl miyofibrillerde biriken DNA hasar n n sonunda oluflan apopitoz hücrelerde irregüler ve fragmante nükleuslar görülür. Sarkopeni denilen bu yafll l k kas atrofisinin fenotipi konjenital miyopatidir. Normalde bir kas hasar nda endojen kök hücreler rejenerasyonu sa lar. Uyuyan kök hücreler travmay takiben 24 saat içinde G1/S faz na geçer, 2-3 gün sonra ço al r. Kök hücreler önce Delta/Notch sinyali ile aktive olur, sonra önce miyoblasta sonra miyosite dö- Akad Geriatri 2011; 3: 53-62 55
nerek onar m yapacak hücreleri oluflturmufl olur. Yafll da ise kök hücrelerin aktivasyonunda ve ço almas nda yetersizlik görülür. Kök hücrelerinin yafllanma ile oluflan fonksiyonel yetersizli inde çevrenin (nifl) de etkisi vard r. Buna bir kan t olarak; fonksiyonel yetersizlik gösteren yafll kök hücrelerinin ortam na genç nifl konuldu unda kök hücrelerinin normal fonksiyon gösterdikleri görülür. Sonuç olarak; yafll da görülen rejenerasyon kusurunun hem kök hücre fonksiyon bozuklu una hem de çevresel yetersizli e ba l oldu unu söyleyebiliriz (6). S çanlarda; kök hücrelerinde yafllanman n etkisiyle baflta DNA k r klar olmak üzere DNA hasar olur, bunun temel nedeni; serbest oksijen radikallerinin oluflturdu u oksidatif DNA hasar d r (7,8). Yaflayan bir organizman n yenilenme yetene i onun kök hücrelerinin hasarl doku veya kullan-at hücrelerinin yerine yenileri koyma yetene iyle orant l d r. Dolay s yla bir yaflayan organizma onun kök hücreleri kadar yafll d r. leri evolüsyon geçiren canl lar (örn. memeliler, özellikle de insanlar) bunun bedelini rejenerasyon kapasitesini kaybederek veya azaltarak öderken, alt canl larda durum çok de ifliktir. Örne in; bir kertenkelenin kuyru- u, hatta baca kesildi inde günler içinde yenilendi i görülür. Çünkü oransal olarak bu hayvanlar n kök hücreleri çok oldu u gibi kök hücrelerinin bu yenileme için yeterli olmad durumlarda ise eriflkin-diferansiye hücrelerinin tekrar kök hücreye dönüflme potansiyelleri de vard r, bu olaya de-diferansiyon denilir. Sonuçta oluflan hücreler hasar n oldu u yere yönlenir ve kopan parça 2-3 hafta içinde yerine gelmifl olur (9). Kök hücrelerinin bulunduklar organizman n yafl ile uyumlu özellikler gösterdi ini yukar da belirtmifltik. Dolay s yla onlar da di er bölünen hücrelerin maruz kald reaktif oksijen türevlerinin etkisiyle zedelenme gösterir. Kemik ili inden türeyen ancak hematopoietik olmayan kök hücreleri de vard r: Bunlara mezenkimal kök hücreleri denir. Mezenkimal kök hücrelerinin beklendi- i üzere sadece mezodermik hücrelere (örn. osteoblastlar, kondrositler, endotelyal hücreler, ya hücrelerine) de il, nonektodermal hücrelere (örn. nöronlara) kadar diferansiye olabildikleri gösterilmifltir (10). nsan mezenkimal kök hücreleri de kemik ili i, periosteum, trabeküler kemik, ya dokusu, sinovyum, iskelet kas ve diflten izole edilebilmifllerdir. Mezenkimal kök hücreler çeflitli hücrelere dönüflüm multipotansiyalitelerinden dolay rejeneratif t p için çekici bir aday olmufltur. Mezenkimal kök hücrelerinin art s : Hepatik growth faktör, prostaglandinler, transforming growth faktör, nitrik oksit ve interlökin-10 sal nmas ile çeflitli immün hücreleri süprese de ederek transplantasyon sonras baflar y art r r (11). Mezenkimal kök hücrelerin eksileri: Yaflland kça hem intrensek (oksidatif etki baflta olmak üzere) hem de ekstrensek etkilerle: Say sal azalma, Fonksiyonel azalma (bölünme, farkl laflma gibi), Mobilizasyonda azalma, Di er ço u kök hücresinde oldu u gibi telomeraz aktiviteleri olmad için yafllanma ve apopitoz söz konusu olmaktad r (12). Antioksidanlarla zenginlefltirilen insan mezenkimal kök hücre kültürlerinde bu kök hücrelerinin yaflam sürelerinin uzad görülmektedir. Mezenkimal kök hücrelerinin de yafll l kla birlikte say ca azald klar görülmüfltür. Yafllanma ile birlikte çevreden gelen (nifl) ve onun yenilenmesini sa layan sinyallerin azalmas da söz konusudur. Yafllanma ile birlikte mezenkimal kök hücrelerinin de telomerleri k - salmakta ve proliferatif kapasiteleri azalmaktad r. Telomeraz aktivitesi ve dolay s yla telomer devaml l ; 1. Embriyonik kök hücrelerinde, 2. Hematopoietik kök hücrelerinde, 3. Tümör hücrelerinde, 4. Germ hücrelerinde, 5. Deri kök hücrelerinde, 6. Ba rsak kök hücrelerinde mevcuttur. Ancak flimdiye kadar mezenkimal kök hücrelerinde telomeraz aktivitesi gösterilmemifltir. Demek oluyor ki, mezenkimal kök hücreleri de yafllanmaktad r (10). Yafllanma, Beyin ve Kök Hücreler 1955 y l nda Brody yafla ba l olarak beyin a rl - n n azald n ve bu azalman n bütün kortikal tabakalardaki nöron kayb na ba l oldu unu ileri sürdü. Daha sonraki çal flmalarda da kortikal nöron say s n n yafll - l kta adölesan dönemindekinden %10-60 daha az oldu- 56 Akad Geriatri 2011; 3: 53-62
Kök Hücre ve Geriatri unu ortaya koydu. Dikkat çeken konu nöron azalmas - n n hipokampusta belirgin olmas d r. 1980 y l ndan sonraki çal flmalar hipokampus ve neokorteksteki belirgin nöron kayb n n normal yafllanma için bir kural olmad fleklinde de olsa, çok yak nda maymunlardaki bir çal flma yafllanma ile nöron say s n n %30 azald - n göstermifltir (13). Memeli santral sinir sisteminde nöroplastik de ifliklikler için özellikle aday yer hipokampustur. Hipokampus bir filtre istasyonu olup, hangi k sa süreli bellek notlar n n uzun süreli bellek deposuna al naca na karar verir ve uygular. Nöronlar n sadece embriyonik hayatta olufltu u sonra art k oluflmad efsanesi nöral kök hücrelerinin gösterilmesiyle geride kalm flt r. Hipokampus kortikal sahalardan uyar y al r, ifller ve kortekse geri gönderir. K sa süreli belle in (dakikalar) uzun süreli belle e al nmas nda hipokampusun temel rolünün oldu una dair bilgi ilk kez refrakter epilepsi nedeniyle hipokampusu ç kar lanlarda gösterilmifltir (14). Bu hastalarda anterograd amnezi geliflmifltir. Bu hastalar yeni bilgiyi uzun süreli belle e aktaramamakt rlar. Kemiricilerde epizodik belle in bir elementi olarak spasiyal bellek incelenmifl ve yafllanman n spasiyal bellekte azalmaya yol açt gösterilmifltir (farenin yeme inin nerede oldu unu bulamamas gibi). Yafllanma spasiyal bellekte kusura yol açmakla kalmamakta, yak n belle in kodlanmas nda da kusur oluflturmaktad r. Yafllanmaya ba l hipokampal fonksiyonunun bozulmas n n alt ndaki temel neden tam anlafl lamamakla birlikte, nöronlarda dramatik kay p ve nöronal morfolojinin yafllanmaya ba l de iflmesi söz konusudur. Ancak son y llardaki çal flmalar bunun herkeste geçerli olmad n fakat yaflla akso-dendritik sinapslar n azald n ortaya koymaktad r. Beyin kökenli nörotrofik faktör (brain derived neurotrophic factor; BDNF) ve vasküler endotelyal büyüme faktörün azalmas da söz konusudur. Yafllanma hipokampusta dendat girusta yeni nöron yap m n n (nörogenez) azalmas na da yol açmaktad r ki, bunun nedeni nöral kök hücrelerinde diferansiyasyon kapasitesinin azalmas d r. Kald ki, yeni nöronlar n üç hafta sonra takriben ancak %30-40 stabil kalabilmektedir. Eriflkin farelerde fiziksel aktivite ve çevresel zenginlik fonksiyonel nöronlar n oluflmas n art rmaktad r. Nörogenezin belirgin azalmas na yol açan durumlar da vard r: Stres (majör depresyonla birlikte), nflamasyon. Bir kemiricinin yaflam süresinde yafllanma ile hipokampal nöral kök hücrelerinin proliferatif aktivite ve nöronal diferansiyasyonda 10 kat azalma oldu u görülmüfltür. Yafla ba l kognitif gerilemede hiç olmazsa baz çal flmalarda nörogenezin azalmas n n etkili oldu u söylenebilir. Yafll farelerin kortikosteroid düzeylerinin genç fare düzeylerine düflürülmesi halinde nörogenez normale gelmektedir. Yine yafll farelerde fiziksel egzersizin yedi hafta yap lmas yeni oluflacak nöronlar n say s n befl kat art rmaktad r (15). Yine antidepresanlar n da hipokampusta dendat sahada yeni nöron oluflumunu art rd gösterilmifltir (16). Eriflkin santral sinir sistemindeki hücrelerin ço unlu u genellikle embriyonik ve daha az da postnatal dönemde oluflturulur. Ancak art k eriflkinde de memeli beyinlerinin belirli bölgelerinde yeni nöron yap m n n oldu- u bilinmektedir. Kemiricilerde, maymunlarda (1995, 2001) ve insanlarda (1998, 1999) hipokampusun dendat girusundaki subgranüler tabakada ve lateral ventrikülün subventriküler bölgesi içinde nörogenezin varl gösterilmifltir. Nöral kök hücreler tüm sinir sisteminde bulunur, ancak eriflkin yaflamda sadece iki bölgede nörogeneze gider: 1. Hipokampusun dendat girusunun subgranüler zonu, 2. Frontal subventriküler zon. Di er bölgelerde nöral kök hücreleri gliyal hücrelere farkl laflma olur (17). Genç farelerde (2-4 ayl k) subventriküler zonlardaki nöral kök hücrelerin yafll farelerdekinden (24-26 ayl k) iki kat fazla say da oldu u gösterilmifl olup, bu yafllanma ile nörogenezdeki azalmaya bir kan t olmaktad r (18). Dendat girustaki subgranüler zon nöronlar, astrositler ve oligodendrisitlere dönüflen nöral kök hücre-progenitör hücreleri bar nd r r, ancak temelde oluflan hücrelerin nöronlar oldu unu belirtelim. Hipokampustaki nörogenez s ras nda kök hücre-progenitörler bölünür, nöronlar oluflturur, bu nöronlar Akad Geriatri 2011; 3: 53-62 57
dendat girusa gider. Ancak bu her oluflan nöronun olgun oldu u anlam na gelmez, olgunlaflanlar granüle olanlard r. Olgun nöronlar çevresinde görev yapmaya bafllar. Ancak hem kök hücrelerinin hem de nöronlar n yeterli görevleri için ekstrensek faktörlerin de (hormonlar, nörotransmitterler, hipoksi, trofik ve morfolojik) etkisi vard r. Nörogenezin düzenlenmesi ve onun yafllanan veya hastalanan beyin üzerindeki etkisi kompleks olup, bu mekanizmalar n anlafl lmas ve yafla ba l de iflikliklerle iliflkilendirilmesi nöral kök hücrelerin tedavi amac yla kullan lmas ndan önce gereklidir. Lateral ventrikülün epandimine komflu yerde bulunan subventriküler zon beynin nöral kök-progenitör hücrelerden zengin di er bir bölgesidir. Eriflkin subventriküler zon in vitro olarak kesinlikle multipotent nöral prekürsörleri içerir. Son y llarda bu bölgeden al - nan biyopsilerde astrositlerin nörosferler oluflturdu u ve nöronlara, astrositlere ve oligodendrisitlere diferansiye olduklar gösterilmifltir. Subventriküler zondaki hücrelerin yafll larda ve özellikle serebral dejeneratif hastal olanlarda yaflayan nöral kök-progenitör hücreye sahip olup olmad klar da araflt r lm flt r, sonuçta; postmortem erken dönemde al nan biyopsilerde sadece yafll larda de il, nörodejeneratif hastal bulunanlarda (Alzheimer tip demans, Parkinson, Lewy cisimcikli demans gibi) da nöral kök hücrelerinin yaflayabildi i gösterilmifltir (19). Yafllanman n etkilerine bakt m zda; farelerde hücre proliferasyonu postnatal ikinci haftada zirveye var rken, yafll farelerde proliferasyon o seviyenin %60 na düfler. Yine yafll farelerde subventriküler zonda nöral hücre proliferasyonunun genç farelere göre 2-3 kat azald gösterilmifltir. Yafllanma ile nöral hücre proliferasyonunun azalmas nda etkili olan dört büyüme faktörü vard r: 1. Epidermal büyüme faktörü azal r. 2. nsülin benzeri büyüme faktörü (gliyalar taraf ndan sentezlenir) azal r. 3. Fibroblast büyüme faktörü (astrositler taraf ndan sentezlenir) azal r. 4. Vasküler endotelyal büyüme faktörü azal r. Yafllanan beyinde serebral mikrovasküler yap da da azalma vard r. Kapiller yap da ise %25 azalma vard r. Bunun da nedeni vasküler endotelyal büyüme faktörünün azalmas d r. Yafllanma ile azalan nörogenez ve spasiyal belle in en önemli nedenlerinden birisi kronik kortikosteroid sal n m d r. Gerçekten de adrenalleri en a r bulunan dolay s yla hipotalamo-pituiter aksi en aktif olan farelerde spasiyal belle in en kötü oldu u saptanm flt r. Buna karfl l k adrenolektomi yap lan farelerde yafla ba l kognitif bozulman n çok azald görülmüfltür. Genç eriflkin farelerin zengin çevreye maruz b rak ld klar nda hipokampal nörogenezin artt görülmüfltür. Yine farelerde fiziksel egzersizin (tekerlek çevirme gibi) nörogenezi art rd görülmüfltür. On dokuz ayl k farelere 45 gün süreyle yapt r lan egzersiz yapt r ld - nda nörogenezin egzersiz yapt r lmayan üç ayl k farelerdeki düzeylere kadar (2-5 kat) art fl sa lad görülmüfltür. Nörogenezin art fl spasiyal belle i de güçlendirmektedir. Gebe farelere maternal dönemde egzersiz ve yüzme yapt r lmas nörogenezi ve k sa dönem belle i art rmaktad r. Bu gözlem prenatal egzersizin yafllanma ile ortaya ç kan kognitif yetersizli i azaltaca yorumunu getirmifltir (20). Yine bir çal flmada gebe farelere tekerlek çevirterek yapt r lan egzersizin postnatal hipokampal neogenezi iki kat art rd saptanm flt r (21). lginç olarak valdenafilin de nörogenezi art rd gösterilmifltir (22). Nöral kök hücreler, kendilerini yenileme ve kendili- inden nöron ve gliyal hücrelere diferansiye olma yeteneklerinden dolay ilgi çekmifllerdir. Eriflkin beyninde multipotent kök hücrelerinin gösterilmesi nörogenezin yaflam boyu devam etti inin kan t olmufltur. Nöral kök hücreler fetal ve eriflkin beyninden izole edilebilmifller ve in vitro kültür sistemlerinde ço alt labilmifllerdir. nsan nöral kök hücrelerinin yafll fare beyinlerine transplantasyonu sonucu farelerde kognitif düzelme sa lad n n görülmesi ayn yöntemin Alzheimer gibi nörodejeneratif hastal klarda kullan lma düflüncesini getirmifltir. Nöroreplasman tedavi için en ak ll ca yol, insan nöral kök hücrelerinin in vitro ortamda ço alt larak insana nakli olmas d r (Parkinson hastal nda bafllad üzere). Nörodejeneratif hastal klarda embriyonel kök hücrelerinin kullan l fl önerilmifl, ancak bu konu etik-yasal ba- 58 Akad Geriatri 2011; 3: 53-62
Kök Hücre ve Geriatri z çekingeleri de beraberinde getirmifltir (23). Eriflkin kök hücrelerinin kullan l fl bu yönden daha pratik olup, kiflinin kendi kök hücrelerinin elde edilmesi, ço- alt lmas ve yine hastan n kendisine nakledilmesinden ibarettir (otolog). Kemik ili i sadece hematopoiez için; mezenkimal dokular (kemik, tendon, k k rdak) için gerekli kök hücreleri de il, karaci er, kas, hatta sinir sistemi için de gerekli kök hücreleri bar nd r r. Eriflkin kök hücrelerinin farkl laflma yeteneklerinin de fetal ve embriyonik kök hücrelerinkinden az olmad n biliyoruz. Yafllanma ve mental stres nöral kök hücrelerinin proliferasyonunu azalt r, kafa travmalar ve serebral iskemide ise nöronal yap m upregüle olur. Demek ki, nöral kök hücreler beyinde tamir ve normal adaptif fonksiyonlarda rol oynamaktad r; MS-818 gibi bileflikler nöral kök hücre yap m n uyarmaktad r. Dolay s yla bu ve benzeri bilefliklerin kök hücre transplantasyonunda baflar y art rmas olas d r. Son y llarda induced stem cell denilen ve eriflkin somatik hücrelerinden örne in; fibroblastlardan embriyogenez iliflkin genlerin hücreye dahil edilmeleri sonucu oluflturulan yeni kök hücreler oluflturulmufltur. Demek oluyor ki, embriyonik kök ve dokuya özgül kök hücrelere -hematopoietik kök hücreler, kemik ili i mezenkimal kök hücreler, ya dokusu kökenli kök hücreler, amniyotik s v kök hücreleri ve nöral kök hücreleri gibi- ek olarak mühendislikle induced stem cell (uyar lm fl kök hücreler) de dahil olmufltur. Bu ba lamda nöral kök hücrelerin fetüs beyinlerinde ve eriflkin beyinlerinde bulundu unu ve üç hücre tipi olan nöron, astrosit ve oligodendrisitlere diferansiye olduklar n hat rlatal m. Yine bu ba lamda kök hücreler büyük ço unlu u deneysel fare modellerinde olmak üzere tedavide: Parkinson hastal nda, Huntington hastal nda, Amiyotrofik lateral sklerozda, Alzheimer hastal nda, Multipl sklerozda, nmede, Spinal kord zedelenmelerinde, Beyin tümörlerinde, Lizozomal depo hastal nda araflt r lm fl ve araflt r lmaktad r (22,24,25). Embriyonik hipokampustan elde edilen multipotent nöral kök/progenitör hücreler Alzheimerl yafll hipokampus bölgeleri için potansiyel donörlerdir. Fakat nöral kök hücre naklinin özellikle hasarl yafll hipokampusundaki etkinli i pek bilinmedi i için bir çal flma düzenlenmifltir. Bu çal flmada 14 günlük embriyo farelerin hipokampusundan elde edilen nöral kök hücrelerin fibroblast büyüme faktörü ve epidermal büyüme faktörü ile mitojeniteleri art r lm fl ve CA3 bölgesi zedelendirilen yafll farelerin (24 ayl k) hipokampuslar na greftlendirilmifltir. Greftlenen fareler greftlemeden bir ay sonra aç lm fl ve nöral kök hücrelerin migrasyonlar ve di er hücrelere farkl laflmalar yönünden incelenmifllerdir. ncelemede greftlenen nöral kök hücrelerin nöronlara, astrositlere, oligodendrisitlere farkl laflt klar ancak zedelenmifl hipokampus tabakalar na yönlenmedikleri (migrasyon) görülmüfltür. Bu çal flma, embriyonik (fetal) hipokampustan elde edilen nöral kök hücrelerin greftlenebildiklerini ve zedelenmifl hipokampusta yaflayabildiklerini ve de üç beyin hücresine de farkl laflabildiklerini gösteren ilk çal flma olmufltur. Fakat nöral kök hücrelerin migrasyonunun sa lanamamas çevresel (nifl) faktörlerin henüz afl lamad n göstermektedir (26). Yafll fare beyinlerine nöral kök hücre transplantasyonu sonucu, bu kök hücrelerin nöronlara farkl laflt klar n n ve kognitif düzelmeye yol açt n n gösterilmifl olmas Alzheimer hastal için de umut fl olmufltur. Ancak bu konudaki en önemli sorun Alzheimerl beyindeki artm fl A betan n nöral kök hücrelerinin migrasyonunu inhibe etmesi ve hücresel kalsiyum homeostaz n bozmas d r. Bunun sonucunda transplante edilen nöral kök hücreler yeterli etkinli i gösterememektedir (27,28). Yine di er bir sorun; Alzheimer hastal nda amiloid prekürsör proteininden yap m çok artm fl beta-amiloid yap m n n nöral kök hücrelerinin nöronlardan ziyade astrositlere ve gliyal hücrelere farkl laflmas na yol açmas - d r. Normal koflullarda amiloid prekürsör proteini onar mda rol oynarken, fazla sentezi, nörogenezi bozmaktad r (29). lginç olarak, birlikte fenserin tedavisi amiloid prekürsör proteinin nöral kök hücrelerinin gliyal hücrelere farkl laflma etkisini de azaltmaktad r. Olaya böylece toplu bak ld nda otolog kök hücre ve fenserin birlikte uygulanmas n n ümit verici oldu u görülmektedir. Alzheimer hastal nda amiloid beta plaklar n n nöronal ölüme yol açma mekanizmalar n n oksidatif Akad Geriatri 2011; 3: 53-62 59
stres ve gliyal aktivasyon arac l yla oldu u düflünülmektedir. Yap lan bir çal flmada amiloid beta enjekte edilerek akut Alzheimer hastal oluflturulan farelerde insan umblikal kord kan kökenli mezenkimal kök hücrelerinin intrahipokampal enjeksiyonlar sonunda gliyal aktivasyon, oksidatif stres ve apopitozun belirgin azald, hatta ö renme/bellek fonksiyonlar n n düzelme gösterdi i saptanm flt r. Bu çal flma, umblikal kord kökenli kök hücrelerinin fare deneysel Alzheimer modelinde etkinli inin gösterildi i ilk çal flmad r (30). Bir çal flmada da dört haftal k belli cins farelerin kemik ili inden elde edilen mezenkimal kök hücreler, ayn cinsteki 50 adet farenin hipokampus dendat girus ve kontrol olarak striatuma implante edilmifl, al c fareler 6-12 hafta sonra incelemeye al nm fllard r. Sonuçta; implante edilen mezenkimal kök hücrelerinin %1 oran nda nöronlara dönüfltü ü (nöronlara has nükleoprotein saptanmas ile teyid), astrosit ve oligodendrisitlere ise dönüflmedi i saptanm flt r (17). Transjenik Alzheimer fare deneylerinde nöral kök hücre transplantasyonu sonunda bu kök hücrelerinin nöron, astrosit ve oligodendrisitlere farkl laflt klar, hipokampal sinapslar art rarak kognitif düzelmeye yol açt klar ve bu süreçte BDNF art fl n n efllik etti i görülmüfltür. lginç olarak Alzheimer etyolojisinde BDNF azalmas n n rol oynayabilece i daha önce de telkin edilmifltir. BDNF nin sadece Alzheimer da de il, hafif kognitif bozuklukta da beyinde, serumda, serebrospinal s v da azalm fl olarak bulundu unu, BDNF deki azalman n MMSE deki azalma ile korelasyon gösterdi ini, amiloid beta enjeksiyonunun BDNF azalmas na yol açt - n ve bütün bu bulgular n BDNF nin Alzheimer hastal n n patogenezindeki önemli rolüne iflaret etti ini burada belirtelim (31). nsan embriyonik kök hücrelerinin insan fibroblast büyüme faktörü ile uyar lmas sonucunda nöral kök hücrelere farkl laflabildikleri gösterilmifltir (32). Yak n zamanda eriflkin kök hücrelerin baz subpopülasyonunun orijinlerine bak lmaks z n olgun hücrelere dönüflebildikleri gösterilmifl ve buna transdiferansiyon denilmifltir. Eriflkin kök hücre popülasyonlar n n olgun organizman n çeflitli k s mlar ndan izole edilen daha önceden sadece embriyonik kök hücrelerin gösterdi- i plastisiteyi gösterebildi i belli olmufltur. Bu plastisiteyi gösterebilen kök hücreler: Beyin, Kemik ili i, Deri, Ya dokusu, skelet kas, Umblikal kord kan, Tükürük bezi ve di er viseral organlardan izole edilmifltir. Bugüne kadar en iyi karakterize edilen transdiferansiyon kapasitesine sahip eriflkin kök hücre gruplar kemik ili i mezenkimal kök hücreleridir (multipotent stromal hücreler de denilen) (33). Yukar da ad n belirtti imiz tükürük bezi kök hücrelerinin kolay ulafl labilirlik ve ço alt labilirliklerinden dolay hücresel bazl rejeneratif tedavide multipotent kök hücrelerinin otolog kayna olabilece i 2010 y l verisi olarak sunulmufltur (34). Belirtti imiz gibi nöral kök hücreler hem fetal hem de eriflkin memeli dokular ndan elde edilebilmifllerdir. Halen teknoloji; kemik ili i kökenli kök hücrelerin düflük moleküler a rl kl bilefliklerin periferik verilmesiyle daha da fazla miktarda elde edilmelerini ve onlar n da nöral kök hücrelere farkl laflacaklar n göstermifltir. Etik ve immünolojik konular n da afl labilmesi yönünden otolog hücre temini cazip gözükmektedir (35). Nörolojik hastal klar n kök hücre nakli ile tedavisinde üç farkl hücre kullan labilir: 1. Blastokistten elde edilen embriyonik kök hücreler, 2. Eriflkin santral sinir sistemi ve fetal santral sinir sisteminden elde edilen nöral kök hücreler, 3. Di er doku kök hücreleri; Kemik ili inden, Umblikal korddan. Elde edilen kök hücreler prediferansiye ettirilir ve/ veya genetik modifikasyonu yap l r, sonra hipokampal bölge veya endikasyona göre spinal bölgeye transplante edilir (36,37). Nöral kök hücrelerinin iyi taraf : 1. Gliya veya nöronlara (hipokampusta) farkl laflmalar, 60 Akad Geriatri 2011; 3: 53-62
Kök Hücre ve Geriatri 2. Uzun süre sa kalmalar d r. Nöral kök hücrelerinin etraf n saran mikroçevrede astrogliyalar, mikrogliyalar ve endotel hücreleri vard r ki bunlar kök hücrelerin bölünmesini, migrasyonunu ve farkl laflmas n düzenler. Bu yönde üç olay nöral kök hücrelerini çeker: 1. Aktive mikrogliyalar n yol açt inflamasyon, 2. Reaktif astrositlerin yol açt reaktif astrositoz, 3. Aktive endotelyal hücrelerin yol açt anjiyogenez. Bir baflka anlat mla; hipoksi ve santral sinir sistemi zedelenmesi mikrogliyal aktivasyona, o, reaktif astrositoza yol açmaktad r. Reaktif astrositoz ya gliyal skara yol açmakta ya da gliyaya benzer astrositlerin yani astrogliyalar n aktivasyonuna; o da nöral kök hücrelerinin zedelenme bölgesine yönlenmesini sa lamaktad r. Demek oluyor ki, nöral kök hücrelerinin görevlerini yapabilmeleri için önce mikrogliyalara sonra astrositlere gereksinimi vard r (38). nsanda Alzheimer hastal n n patoloji modelinin yafll hayvanlardaki tam karfl l yoktur. En çok araflt rma yap lan hayvanlar olan farelerde Alzheimer hastal - n n tipik belirtileri olan plak ve nörofibriler yumaklar yok denecek kadar azd r. Daha büyük hayvanlardan kedi, köpek, maymun ve develerde plaklar rapor edilmifltir. Patolojik lezyonlar n nadirli ine ra men farelerde yafllanmaya paralel olarak dopamin, noradrenalin, serotonin ve kolinerjik mark rlar n düfltü ü görülmektedir. Alzheimerl hasta insanlarda flu ana kadar embriyonik transplantlar n klinik kullan m na ait rapor yoktur. Sonuç olarak; Alzheimer hastal tedavisi için kök hücre greftlemesi halen preklinik safhadad r. Kök hücrelerin nörodejeneratif hastal klardan Alzheimer hastal nda tedavi amaçl kullan m nda baflar - y olumsuz etkileyebilecek veriler ve sorular flöyle özetlenebilir: 1. Hangi kök hücrenin uygun oldu unun henüz anlafl lmam fl olmas ; Embriyonik, Eriflkin, Mezenkimal, Nöral (fetüs veya eriflkin beyninden). 2. Kök hücrenin kimden al naca ; hastan n kendisinden al nacaksa kök hücrenin örne in, mezenkimal kök hücresi olmas halinde onun da yafllanm fl olmas ve dolay s yla nörogeneze katk s n n az olmas, 3. Kök hücrenin hangi yolla uygulanaca n n henüz belirlenmemifl olmas : Serebral intrahipokampal, Serebral intraventriküler (39), ntravenöz (40,41), 4. Kök hücrelerin çok düflük oranlarda nöronlara dönüflebilmesi, 5. Zedeli bölgeye migrasyon göstermemesi, 6. Serebral anjiyogenezin azalmas, 7. Büyüme faktörlerinin az sal nmas nedeniyle nörogenezin sekteye u ramas, 8. nsanda kullan m na ait güvenilir veri var m? KAYNAKLAR 1. Rando TA. Stem cell ageing and the quest for immortality. Nature 2006; 441: 1080-6. 2. Sharpless NE, DePinho RA. Telomeres, stem cells, senescence and cancer. J Clin Invest 2004; 113: 160-8. 3. Sharpless NE, DePinho RA. How stem cells age and why this makes us grow old. Nat Rev Mol Cell Biol 2007; 8: 703-13. 4. Calado RT, Young MS. Telomere diseases. N Engl J Med 2009; 361: 365. 5. Blasco MA. Telomere length, stem cell and aging. Nat Chem Biol 2007; 3: 640-9. 6. Silva H, Conboy IM. Aging and stem cell renewal. www.stembook. org. 2008. July. 7. Rossi DJ, Bryder D, Weisman L. Experimental. Gerontology 2007; 42: 385-90. 8. Nijnik A, Crockford TL. DNA repair is limiting for hematopoietic stem cells during ageing. Nature 2010; 447: 686-90. 9. Ho AD, Wagner W, Mahlknecht V. Stem cells and ageing. EMBO Rep 2005; 6: 35-8. Special issue. 11. Lai HY, Yang MJ, Wen KC, Chao KC, Shih CC, Lee OK. Mesenchymal stem cells negatively regulate dendritic lineage commitment of umbilical cord blood-derived hematopoietic stem cells. An unappreciated mechanism of immunomodulators. Tissue Eng Part A 2010; 16: 2987-97. 12. Fehrer C, Lepperdinger G. Mesenchymal stem cell aging. Mini Review Exp Gerontol 2005; 40: 926-30. 13. Burke SN, Barnes CA. Neural plasticity in the aging brain. Nat Rev Neurosci 2006; 7: 30-40. 14. Milner L. Handbook of stem cells. Volume 2. Adult and fetal stem cells. 2004. Akad Geriatri 2011; 3: 53-62 61
15. van Praag H. Neurogenesis and exercise: past and future directions. Neuromolecular Med 2008; 10: 128-40. 16. Schmidt HD, Duman RS. The role of neurotrophic factors in adult hippocampal neurogenesis, antidepressant treatments and animal models. Behav Pharmacol 2007; 18: 391-418. 17. Lepski G, Jannes CE, Strauss B, Marie SK, Nikkhah G. Survival and neuronal differentiation of mesenchymal stem cells transplanted into the rodent brain are dependent upon microenvironment. Tissue Eng Part A 2010; 16: 2769-82. 18. Maslov AY, Barone TA, Pluskett RJ, Pruitt SC. Neural stem cell detection, characterization and age-related changes in the subventricular zone of mice. J Neurosci 2004; 24: 1726-33. 19. Leonard BW, Mastroeni D, Grover A, Liu Q, Yang K, Gao M, et al. Subventricular zone neural progenitors from rabbit brain autopsies of elderly subjects with and without neurodegenerative disease. J Comp Neurol 2009; 505: 269-94. 20. Drapeav E, Abrous DN. Stem cell review series: role of neurogenesis in age-related memory disorders. Aging Cell 2008; 7: 569-89. 21. Bick-Sander A, Steiner B, Wolf SA, Babu H, Kempermann G. Running in pregnancy transiently increases postnatal hippocampal neurogenesis in the offspring. Proc Natl Acad Sci USA 2006; 103: 3852-7. 22. Kim SU, Vellis JD. Stem cell-based therapy in neurological diseases. A Review. J Neurosci Res 2007; 87: 2183-209. 23. Zhongling Feng, Gang Zhao, Lei Yu. Neural stem cells and Alzheimer s disease: challenges and hope. Am J Alzheimer Dis Other Demen 2009; 24: 52-7. 24. Cummings JL, Doody R, Clark C. Disease modifying for Alzheimer s disease. Neurology 2007; 69: 1622-34. 25. Salloway S, Mintzer J, Weiner MF, Cummings JL. Disease modifying therapies in Alzheimer s disease. Alzheimers Dement 2008; 4: 65-79. 26. Shetty AK, Rao MS, Hattiangady B. Behaviour of hippocampal stem/progenitor cells following grafting into the injured aged hippocampus. J Neurosci Res 2008; 86: 3062-74. 27. Sugaya K. Possible use of autologous stem cell therapies for Alzheimer s disease. Curr Alzheimer Res 2005; 2: 363-76. 28. Sugaya K, Merchant S. How to approach Alzheimer s disease therapy using stem cell technologies. J Alzheimers Dis 2008; 15: 241-54. 29. Sugaya K, Alvarez A, Marutley D, Kwak E, Choumking E. Stem cell strategies for Alzheimer s disease therapy. Panminerva Med 2006; 48: 87-96. 30. Lee H, Lee JK. The therapeutic potential of human umbilical cord blood derived mesenchymal stem cells in Alzheimer s disease. Neurosci Lett 2010; 481: 30-5. 31. Blurton-Jones M, Kitazawa M, Martinez-Coria H, Castello NA, Müller FJ, Loring JF, et al. Neural stem cells improve cognition via BDNF in a transgenic model of Alzheimer s disease. Proc Natl Acad Sci USA 2009; 106: 13594-9. 32. Joannides AJ, Fiore-Hériché C, Battersby AA, Athauda-Arachchi P, Bouhon IA, Williams L, et al. A scaleable and defined system for generating stem cells from human embryonic stem cells. Stem Cells 2007; 25: 731-7. 33. Barzilag R, Melamed F. Introducing transcription factors to multipotent mesenchymal stem cells-making transdifferentiation possible. Stem Cells 2009; 27: 2509-15. 34. Petschnik AE, Klatte JE, Evers LH, Kruse C, Paus R, Danner S. Phenotyping indications that human sweat glands are a rich source of nestin-positive stem cell populations. Br J Dermatol 2010; 162: 380-3. 35. Sugaya K, Kwak YD, Ohmitsu O, Marutle A, Greig NH, Choumrina E. Practical issues in stem cell therapy for Alzheimer s disease. Curr Alzheimer Res 2007; 4: 370-7. 36. Lindval O, Kokaia Z. Stem cells for the treatment of neurological disorders. Nature 2006; 441: 1094-7. 37. Sharp J, Keirstead HS. Stem cell-based cell replacement strategies for the central nervous system. Neurosci Lett 2009; 456: 107-11. 38. Müller FJ, Snyder EY, Loring JF. Gene therapy: can neural stem cells deliver? Nat Rev Neurosci 2006; 7: 75-84. 39. Richter RW, Richter BZ (eds). Alzheimer s Disease: A Physician s Guide to Practical Management. New Jersey: Humana Press, 2004: 290-9. 40. Brown AB, Yang W, Schmidt NO, Carroll R, Leishear KK, Rainov NG, et al. Intravascular delivery of neural stem cell lines to target intracranial and extracranial tumors of neural and non-neural origin. Hum Gene Ther 2003; 14: 1777-85. 41. Pluchim S, Quattrini A, Brambilla E, Gritti A, Salani G, Dina G, et al. Injection of adult neurospheres induces recovery in a chronic model of multiple sclerosis. Nature 2003; 442: 688-94. 62 Akad Geriatri 2011; 3: 53-62