Sifat Imunomodulatori Sel Punca Dental dan Aplikasi Terapeutiknya

Artikel ini merupakan rangkuman dan translasi dari jurnal:
Li P, Ou Q, Shi S, Shao C. Immunomodulatory properties of mesenchymal stem cells/dental stem cells and their therapeutic applications. Cell Mol Immunol. 2023 Jun;20(6):558-569.

Mesenchymal Stem Cell (MSC) berperan penting dalam regenerasi jaringan dan pengaturan sistem kekebalan tubuh. MSC dapat memperbaharui diri dan berubah menjadi berbagai jenis sel, seperti adiposit, kondrosit, osteoblas, dan miofibroblas, sebagai respons terhadap sinyal berbeda, seperti sinyal diferensiasi atau inflamasi. Jenis MSC yang menarik adalah yang berasal dari jaringan gigi, misalnya DPSC (sel punca pulpa gigi) dan PDLSC (sel punca ligamen periodontal). Kedua jenis ini memiliki potensi terapeutik penting untuk gangguan hiperinflamasi, penyakit saraf, dan lainnya. MSC juga dapat diambil dari jaringan di luar gigi, seperti tali pusat dan jaringan adiposa, untuk potensi pengobatan penyakit gigi. Tulisan ini merinci potensi penggunaan MSC dalam terapi, menjelaskan mekanisme pengaturan imun oleh MSC, dan membahas peluang untuk meningkatkan efek terapeutik sel-sel ini. Secara umum, MSC menjanjikan untuk mengatasi berbagai penyakit dan gangguan dalam dunia medis.

Perkembangan dan diferensiasi DSCs

MSCs di organ internal biasanya berasal dari mesoderm, sedangkan DSCs dari neural crest. Meskipun beda asal, keduanya punya sifat umum seperti regenerasi, diferensiasi multipoten, dan ekspresi penanda MSC. Namun, DSCs lebih kuat dalam proliferasi dan diferensiasi saraf, berguna dalam regenerasi jaringan saraf dan penyakit neurodegeneratif. Prekursor DSC dari perisit NG2+ berperan dalam diferensiasi odontoblas selama perkembangan pulpa gigi. Studi garis keturunan menunjukkan DPSC berasal dari glia saraf perifer, pola transisi unik dalam evolusi garis keturunan DPSC. MSCs Gli1+ mengelilingi loop serviks insisivus sebagai sel punca PDLSCs dan DPSCs. SCAPs CD24a+ adalah sel punca akar gigi multipoten yang meregenerasi akar dengan dentin dan struktur mirip saraf.

DSCs memiliki banyak subset, preferensi odontogenik tinggi, tapi diferensiasi kondrogenik dan adipogenik rendah. Diferensiasi DSCs teratur oleh jalur BMP/TGF-β dan WNT/β-katenin. Aktivitas BMP/TGF-β dibutuhkan dalam diferensiasi DSCs dan akar. WNT/β-katenin penting dalam pemeliharaan DSCs oleh sel transit amplifying (TACs).DSCs dari berbagai bagian gigi berbeda dalam proliferasi, diferensiasi, dan angiogenesis. Perlu penanda jaringan dan eksplorasi fungsi DSCs lebih lanjut. Teknologi pelacakan garis keturunan sel tunggal berpotensi mengungkapkan heterogenitas dan fungsi DSCs berbagai jenis.

Interaksi DSC dengan lingkungan mikro jaringan

Penelitian sebelumnya menunjukkan bahwa aktivitas regeneratif dan imunomodulatori dari DSCs sangat dipengaruhi oleh lingkungan sel punca dan mikrolingkungan imun. PDLSCs yang diisolasi dari jaringan peradangan memiliki proliferasi yang lebih tinggi tetapi potensi osteogenesis yang lebih rendah. Studi menunjukkan bahwa penyakit periodontitis dapat memengaruhi osteogenesis PDLSCs melalui jalur sinyal UCHL1/BMP2/Smad dan dapat menyebabkan piroptosis pada PDLSCs yang tergantung pada gasdermin-D (GSDMD), yang menghasilkan peradangan dan osteoklastogenesis yang lebih intens melalui pelepasan IL-1β.

Dalam berinteraksi dengan sistem kekebalan, DSCs memiliki efek imunosupresif melalui sekresi sitokin imunoregulatori. Interaksi timbal balik antara DSCs dan sel-sel imun membantu menjaga keseimbangan jaringan dan mencegah respons inflamasi berlebihan. Sebagai contoh, DPSCs dari pulpitis inflamasi (I-DPSCs) dapat menghambat fungsi proinflamasi makrofag melalui poros TNF-α/IDO, meredakan peradangan. Mikrolingkungan periodontitis dapat mengurangi efek imunomodulatori PDLSCs dan berkontribusi pada penumpukan sel imun peradangan dalam tulang periodontal. Eksosom yang berasal dari GMSCs dalam lingkungan inflamasi dapat meningkatkan polarisasi makrofag M2 dan mencegah kerugian tulang periodontal. Semua temuan ini menegaskan peran penting aktivitas regeneratif dan imunomodulatori DSCs dalam menjaga keseimbangan jaringan gigi.

Penggunaan terapeutik saat ini dari MSCs/DSCs untuk perbaikan jaringan dan pengendalian peradangan

Perbaikan jaringan

MSCs/DSCs dari kres neural memiliki potensi diferensiasi tinggi ke sel saraf dan kondrosit, serta efek imunomodulatori yang kuat in vitro dan in vivo, mengindikasikan potensi terapeutik besar dalam perbaikan jaringan seperti tulang, gigi, dan jaringan lunak. PDLSCs memiliki kapasitas regenerasi yang kuat dibandingkan MSCs sumsum tulang pada cacat ukuran kritis pada tikus dengan sistem kekebalan rendah, menunjukkan keunggulan PDLSCs dalam terapi regenerasi tulang. Stem cells from human exfoliated deciduous teeth (SHED) dapat memperbaiki osteoporosis dan mempromosikan regenerasi tulang pada mencit dengan lupus eritematosus sistemik. Matriks ekstraseluler DPSC meningkatkan integrasi tulang buatan dan regenerasi tulang, serta DPSC memiliki potensi neurogenik dan angiogenik kuat untuk regenerasi pulpa gigi. Selain itu, DSCs dianjurkan untuk rekonstruksi jaringan lunak seperti ligamen periodontal, dan memiliki potensi untuk mengembalikan aktivitas induksi neurovaskular.

Kontrol inflamasi

DSCs memiliki sifat imunomodulatori yang cocok untuk terapi penyakit imun dan peradangan. DPSCs dapat mengurangi peradangan melalui mekanisme seperti apoptosis pada sel T dan pelepasan sitokin antiinflamasi. GMSCs juga mempolarkan makrofag menjadi fenotipe M2, yang memiliki efek antiinflamasi. DSCs, termasuk DFSCs dan DPSCs, juga dapat meredakan kondisi seperti sindrom Sjögren dan stres oksidatif. Studi menunjukkan bahwa DSCs memiliki potensi besar dalam aplikasi terapeutik pada penyakit peradangan.

Studi klinis

Studi Klinis DSCs semakin populer setelah keamanan dan efektivitasnya terkonfirmasi. Lebih dari 15 uji klinis telah dilakukan, termasuk untuk regenerasi jaringan dan penyembuhan penyakit, seperti DPSCs untuk COVID-19 dan SHEDs untuk pulpa gigi. Beberapa hasil menarik dicapai dalam studi ini. Salah satunya adalah uji acak oleh Chen et al. dengan PDLSCs autologus untuk cacat periodontal, yang memvalidasi keamanan penggunaan DSCs dalam aplikasi klinis. Xuan et al. berhasil meregenerasi pulpa gigi tiga dimensi dengan SHEDs yang diimplantasi pada pasien nekrosis pulpa. Manfaat klinis DSCs terlihat dari kapasitas regeneratif dan kemampuannya mengembalikan keseimbangan imun jaringan.

Jalur imunoregulatori dari MSCs/DSCs

Beberapa penelitian telah menunjukkan bahwa MSCs/DSCs yang diperluas secara in vitro dapat memfasilitasi perbaikan dan regenerasi jaringan yang rusak melalui tindakan imunomodulatori mereka. MSCs/DSCs memiliki kemampuan imunomodulatori yang kuat, memberikan potensi terapi pada berbagai gangguan degeneratif dan inflamasi. Efek imunomodulatori MSCs/DSCs dihasilkan melalui produksi metabolit, sitokin, faktor pertumbuhan, kemokin, EVs, dan vesikel apoptotik serta regulasi imun sel T melalui kematian (Gambar 2). Berikut kami soroti beberapa jalur utama yang berkontribusi pada imunomodulasi yang dimediasi oleh MSCs/DSCs.

Gambar 2. Jalur utama melalui mana MSCs/DSCs menyampaikan efek regulasi imunnya.

Metabolit: NO, metabolit triptofan, PGE2.

Studi baru menunjukkan bahwa injeksi lokal adipose-derived stem cells (ADSCs) secara signifikan mengurangi kerugian tulang alveolar dan rasio makrofag iNOS+/CD206+ dalam model tikus periodontitis. ADSCs melepaskan kynurenine, metabolit triptofan yang dihasilkan oleh IDO, untuk mengaktifkan reseptor aril hidrokarbon dan meningkatkan NFE2L2 dalam makrofag, menghasilkan efek terapeutik pada periodontitis. Asam kynurenic, metabolit lain yang dihasilkan oleh IDO, dapat meredakan infiltrasi neutrofil pada paru-paru yang cedera. Efek imunosupresif MSCs juga melibatkan ekspresi enzim COX1/COX2 dan produksi prostaglandin E2 (PGE2), yang berperan dalam imunomodulasi oleh PDLSCs dan regenerasi jaringan periodontal.

Faktor pertumbuhan, sitokin, dan kemokin

MSCs memancarkan beragam faktor pertumbuhan yang tidak hanya berperan dalam perbaikan jaringan, tetapi juga mengatur diferensiasi MSCs itu sendiri. Misalnya, faktor pertumbuhan fibroblast-2 kuat memicu proliferasi ADSC dan pelepasan HGF pada perbaikan jaringan lemak, yang berkontribusi pada regenerasi jaringan lemak dan penghambatan fibrogenesis. Selain itu, MSCs menghasilkan VEGF-C yang meningkat saat terpapar sitokin inflamasi IFN-γ dan TNF-α, berperan penting dalam penyembuhan luka oleh MSCs. Perlakuan VEGF-C juga meningkatkan ekspresi RUNX2 dan gen penanda osteogenesis serta mineralisasi MSCs. MSCs juga dapat mengeluarkan IGF-2 untuk memprogram makrofag matang menjadi fenotipe anti-inflamasi saat terpapar konsentrasi rendah IGF-2. GMSCs juga mampu mengarahkan polarisasi makrofag menuju fenotipe M2 dengan bantuan IL-6 dan GM-CSF. Selain itu, DPSCs menunjukkan kemampuan menghambat respons imun allogeneic dan mengatur fungsi makrofag melalui aksis TNF-α/IDO. Kemokin yang dihasilkan oleh MSCs juga mengatur migrasi dan fungsi sel imun untuk menjaga homeostasis jaringan.

Vesikel ekstraseluler

MSCs melepaskan extracellular vehicles (EVs) ke ruang ekstraseluler dengan protein, organel, dan asam nukleat. Ada 3 jenis utama EVs: eksosom (50-100 nm), mikrovesikel (0,1-1 μm), dan badan apoptotik (1-5 μm). MSCs menghasilkan minimal 3 jenis EVs, berbeda dalam afinitas lipid dan fungsi. Eksosom MSC adiposa menghambat sel T dan mereduksi pelepasan IFN-γ. Eksosom ADSC tikus mempengaruhi polarisasi makrofag menuju M2 via transfer STAT3. Tikus obes dengan eksosom ADSC mengalami perbaikan metabolisme dan resistensi obesitas. DSCs juga menghasilkan EVs untuk imunitas. GMSCs memiliki EVs kecil lebih banyak daripada BM-MSCs dan MSC kulit yang kaya akan IL-1RA. GMSCs menggunakan kompleks Fas/Fas-associated phosphatase-1/caveolin-1 untuk memproduksi EVs kecil yang mempercepat penyembuhan luka gusi. Eksosom GMSC mereduksi kerusakan pada ensefalomielitis autoimun dan kehilangan tulang pada periodontitis.

Vesikel apoptotik

Apoptotic Vehicles (apoVs) dari MSCs memiliki peran penting dalam pengobatan penyakit autoimun. Penelitian menunjukkan bahwa MSCs mengalami apoptosis setelah pengobatan, yang penting untuk efek imunosupresi. ApoVs ini diambil oleh fagosit penerima dan memicu respons imun yang meredakan peradangan. Kalretikulin di permukaan apoVs memicu makrofag untuk 'memakan' apoVs, menghasilkan efek antiinflamasi di hati. Studi baru juga menunjukkan bahwa apoVs dapat meredakan dampak sepsis dengan mengubah reaksi neutrofil dari NETosis menjadi apoptosis, melalui interaksi elektrostatik. FasL dalam apoVs memicu perubahan ini, membantu melindungi organ dari kerusakan.

Imunoregulasi melalui kematian sel T

Telah dilaporkan bahwa bone marrow mesenchymal stem cells (BM-MSCs) menginduksi apoptosis sel T melalui jalur FasL yang bergantung pada Fas. Fas dan FasL adalah anggota keluarga reseptor faktor nekrosis tumor (TNF) dan TNF, masing-masing. Interaksi Fas dengan FasL mengaktifkan kaskade kaspase yang memulai apoptosis. Sel T yang mengalami apoptosis kemudian merangsang makrofag untuk menghasilkan TGF-β dalam jumlah tinggi, yang pada gilirannya meningkatkan sel T regulasi dan toleransi imun. DPSCs juga dapat menginduksi apoptosis sel T yang diaktifkan melalui mekanisme serupa dan mengurangi cedera jaringan terkait peradangan dalam model kolitis tikus. Selain itu, saat dikultur bersama sel B normal, PDLSC manusia menekan proliferasi, diferensiasi, dan migrasi sel B. Secara mekanis, PDLSC manusia menekan aktivasi sel B melalui kontak antar sel, yang sebagian besar dimediasi oleh PD1 dan PD-L1. Lebih lanjut, transplantasi PDLSC manusia allogenic menekan kekebalan humoral dalam model periodontitis babi mini.

Bagaimana MSCs/DSCs memperoleh dan menjaga sifat imunomodulatori mereka

Sitokin dan faktor sekresi lainnya

Gambar 3. Bagaimana MSCs/DSCs mendapatkan dan menjaga sifat imunomodulatori

Studi menunjukkan MSCs tikus diinduksi oleh sitokin inflamasi. IFN-γ penting bagi sifat imunosupresif MSCs, dengan kehadiran TNF-α, IL-1α, atau IL-β juga diperlukan. MSCs manusia gunakan IDO untuk hambat sel T, MSCs tikus gunakan NO. Ekspresi molekul adhesi juga penting. IL-17 bekerja dengan IFN-γ dan TNF-α untuk tingkatkan PD-L1 pada MSCs. IL-6 dari sel endotelial aktifkan IL-6R dan STAT3 pada DPSCs. Sitokin inflamasi penting pada efek imun MSCs, TGF-β memiliki efek berlawanan pada efek imunosupresif MSCs. Analisis transkriptom sel tunggal oral manusia baru dilaporkan. Atlas transkriptom tunjukkan lanskap seluler kompleks dari jaringan oral, termasuk sel epitel, endotel, imun, dan stroma. Sel stroma utama merekrut neutrofil pada periodontitis. Rangsangan yang aktifkan sel stroma menghasilkan kemokin bagi neutrofil pada periodontitis perlu diidentifikasi.

ApoVs dan Metabolit Apoptosis

Di dalam tubuh, miliaran sel mengalami apoptosis setiap hari dan MSCs perlu mengonsumsi sel-sel ini untuk mempertahankan kemampuan mereka. Sel yang mati merilis sinyal nukleotida untuk dibersihkan oleh fagosit. Baru-baru ini, terungkap bahwa sel yang mati juga melepaskan metabolit seperti ATP, spermidin, dan kreatin. MSCs dapat menelan sel-sel mati ini untuk mempertahankan kemampuan imunosupresif dan merangsang produksi PGE2 yang menghambat respons sel T. EVs yang dihasilkan oleh MSCs memengaruhi sel imun dan kemungkinan MSCs juga menyerap vesikel lainnya untuk mempengaruhi fungsi mereka. Efek metabolit dari vesikel pada fungsi imunomodulatori MSCs perlu dipelajari lebih lanjut, sehingga memberikan wawasan yang lebih komprehensif mengenai hubungan ini.

Pengaruh biofisika

Gaya mekanik berperan penting pada nasib dan karakteristik PDLSCs. Sklerostin dari osteosit tulang alveolar mengatur PDLSC Gli1+ dan dihambat oleh gaya oklusal. PDLSCs yang diberi gaya menunjukkan proliferasi tinggi, reduksi diferensiasi, dan ekspresi sitokin RANKL. Gaya mekanik juga tingkatkan protein eksosomal PDLSCs, memfasilitasi eksosom oleh makrofag dan osteoklas. MSCs pada matriks lunak menghasilkan lebih banyak faktor imunomodulatori. TSG-6 diatur oleh sinyal MAPK dan Hippo serta kompleks AP1. Tekanan shear meningkatkan potensi imunomodulatori MSCs, dengan produksi PGE2, IDO1 meningkat, dan penekanan produksi TNF-α, IFN-γ oleh sel imun. Eksosom 3D-exos dari MSCs menunjukkan efek antiinflamasi. Hidrogel nanofiber protein sutra anisotropik juga berpengaruh pada fungsi imunomodulatori MSCs.

Rute metabolik

Rute Metabolik MSCs baru-baru ini diselidiki. Sitokin inflamasi mengubah metabolisme asam dan glikolisis, memengaruhi fungsi imunoregulasi MSCs. Penghambat ATP sintesis meningkatkan fungsi imunosupresif MSCs. Pengaturan PI3K-AKT diperlukan untuk menginduksi perubahan metabolisme yang disebabkan oleh TNF-α dan IFN-γ. Mitokondria berperan penting dalam homeostasis seluler. Gangguan mitokondria terkait dengan penyakit. Peradangan kronis menyebabkan kerusakan mitokondria dalam MSCs, yang dapat diatasi dengan nanopartikel.

Rute Kematian Sel MSCs dan Fungsi Imunomodulatori

Meskipun MSCs transplantasi memiliki efek imunomodulatori kuat pada penyakit autoimun dan GvHD, MSCs cepat dibersihkan setelah transplantasi. MSCs tampaknya memberikan sinyal atau membangunkan jaringan tuan rumah tanpa perlu bertahan lama. Pada model tikus GvHD, MSCs mengalami apoptosis tergantung perforin yang penting bagi fungsi imunosupresif. Pasien GvHD yang merespons infus MSCs memiliki aktivitas sitotoksik tinggi terhadap MSCs. Infus MSCs apoptotik juga memiliki efek terapeutik, memicu fagosit penerima untuk menghasilkan IDO1, efektor imunosupresi. Ferroptosis dalam MSCs, diinduksi oleh besi oksida superparamagnetik, mempromosikan efirofagositosis oleh makrofag dan meningkatkan efek perlindungan pada tikus sepsis. Bagaimana nasib MSCs lainnya, seperti piroptosis dan nekroptosis, memengaruhi fungsi imunomodulatori masih perlu diteliti.

Strategi untuk Memperkuat Sifat Terapeutik MSCs/DSCs

Dengan lebih memahami tentang bagaimana MSCs/DSCs memberikan efek imunoregulasi dan faktor-faktor yang merangsang dan menjaga fungsi imunoregulasi mereka, kita bisa memanipulasi MSCs untuk meningkatkan efikasi terapinya. Beberapa strategi telah dibahas untuk meningkatkan potensi MSCs. Seperti sel-sel imun, MSCs juga perlu diaktifkan atau diinduksi untuk mendapatkan fungsi imunomodulatori. Sitokin inflamasi yang diproduksi oleh sel-sel imun atau jenis sel lainnya menjadi rangsangan penting untuk menginduksi fungsi ini. Glikolisis penting bagi fungsi inflamasi sel-sel imun, tapi berbeda untuk MSCs yang gunakan untuk fungsi imunosupresif. Pendekatan pengembangan jaringan perkembangan dapat menghasilkan bahan berbasis MSCs dengan fungsi imunomodulatori yang tahan lama di dalam tubuh.