The effect of diabetes mellitus on mesenchymal stem cells and their potential to differentiate into insulin-producing cells /
Omar Ibrahim Hassan Badr,
The effect of diabetes mellitus on mesenchymal stem cells and their potential to differentiate into insulin-producing cells / تأثير مرض السكري على الخلايا الجذعية الوسيطة وقدرتها على التمايز إلى خلايا منتجة للأنسولين by Omar Ibrahim Hassan Badr ; supervised by Prof. Dr. Sherine Maher Rizk, Prof. Dr. Mohamed Mostafa Kamal, Dr. Heba Ramadan Ghaiad Mosalam. - 84 pages : illustrations ; 25 cm. + CD.
Thesis (M.Sc.)-Cairo University, 2023.
Bibliography: pages 70-84.
Diabetes mellitus (DM) is a global epidemic with dramatically increasing incidences. DM is a devastating metabolic disease associated with chronic hyperglycemia. Aside from conventional treatments, there is no clinically approved complete cure for DM up till now. Differentiating mesenchymal stem cells (MSCs) into insulin-producing cells (IPCs) is a promising approach for curing DM. Our study was conducted to investigate the effect of DM on the differentiation of MSCs into IPCs in vitro and in vivo. The Ad-MSCs were isolated and characterized from the epididymal fat of normal and STZ-induced diabetic Sprague Dawley rats. Afterward, the in vitro differentiation of normal-derived adipose MSCs (N-Ad-MSCs) and diabetic-derived adipose MSCs (DM-Ad-MSCs) into IPCs were compared morphologically then through determining the gene expression of β-cell markers including neurogenin-3 (Ngn-3), NK6 homeobox 1 (Nkx6.1), musculoaponeurotic fibrosarcoma oncogene homolog A (MafA), and insulin-1 (Ins-1) and eventually, through performing glucose-stimulated insulin secretion test (GSIS). Finally, the therapeutic potential of N-Ad-MSCs and DM-Ad-MSCs transplantation was determined and compared in vivo in STZ-induced diabetic rats. Our results showed no significant difference in the characteristics of both N-Ad-MSCs and DM-Ad-MSCs. However, significantly higher abilities of N-Ad-MSCs in differentiating into IPCs in vitro was demonstrated by morphological appearance, β-cell markers expression, and functional assessment of the generated IPCs using the GSIS test. In addition, N-Ad-MSCs can better control hyperglycemia and improve the STZ-induced histopathological changes in diabetic rats in vivo. These results reveal the effectiveness of N-Ad-MSCs in differentiating into IPCs in vitro and controlling the hyperglycemia of STZ-induced diabetic rats in vivo compared to DM-Ad-MSCs.
الخلايا الجذعية هي خلايا بيولوجية ذات قدرة استنساخية عالية حيث إنها قادرة على التمايز إلى أنواع متعددة من الخلايا. الخلايا الجذعية الجنينية، والخلايا الجذعية البالغة، والخلايا الجذعية المستحثة متعددة القدرات هي ثلاثة أنواع من الخلايا الجذعية. وتعد الخلايا الجذعية الوسيطة أهم أنواع الخلايا الجذعية البالغة التي تتجدد ذاتيًا حيث تمتلك القدرة على التمايز إلى الخلايا الدهنية والخلايا العظمية والخلايا الغضروفية. علاوة على ذلك، فإن الخلايا الجذعية الوسيطة لديها القدرة على الهجرة إلى مواقع الالتهاب حيث تقوم بتأثيرات مثبطة للمناعة ومضادة للالتهابات من خلال التفاعل مع الخلايا الليمفاوية التي تمثل جزء من جهاز المناعة. ومؤخرا تتم دراسة الخلايا الجذعية الوسيطة في الدراسات السريرية لعديد من الأمراض المزمنة، بما في ذلك أمراض القلب، والأوعية الدموية، وأمراض الكبد والسكري.
يمكن عزل الخلايا الجذعية الوسيطة من مصادر مختلفة أهمها الأنسجة الدهنية. الخلايا الجذعية الوسيطة المستمدة من الأنسجة الدهنية لها تأثيرات واضحة على علاج مرض السكري. تمتلك الخلايا الجذعية الوسيطة المستمدة من الخلايا الدهنية القدرة على التمايز إلى خلايا منتجة للأنسولين. حيث تمتلك القدرة على تجديد خلايا بيتا بالبنكرياس، وتحسين إنتاج الأنسولين، وتعزيز كبت المناعة. في حين أن هناك حاجة إلى إجراء المزيد من الدراسات السريرية من أجل التحقق إذا كان من الممكن ان يكون ارتفاع السكر في الدم واضطرابات الايض لمرض السكري يمكن ان تحد من قدرات الخلايا الجذعية الوسيطة المستخرجة من الأنسجة الدهنية مما يؤدي إلى ضعف تأثير الزرع الذاتي وحدوث مضاعفات. حيث ان عمليات الزرع الذاتية للخلايا الجذعية تكون من نفس الشخص الذي سيحصل على عملية الزرع حيث يكون المريض متبرعًا لنفسه. بينما تستخدم عمليات الزرع الخيفي للخلايا الجذعية من شخص آخر غير المريض.
ولذلك قامت هذه الدراسة بتحفيز مرض السكري في الجرذان عن طريق حقن ستربتوزوتوسين (STZ) بتركيز (50 مليغرام لكل كيلو جرام من وزن الجرذان) مذاب في محلول السترات عن طريق حقن الجرذان داخل الصفاق. وقد تم التأكد من إحداث المرض عن طريق قياس مستوى السكر في الجرذان الصائمة حيث تعتبر التركيزات الأعلى من 200mg/dl دليلا على إصابة الحيوانات بمرض السكري. وبعدها تم ترك الجرذان لمده 14 يوم، ثم تمكنا من عزل الخلايا الجذعية الوسيطة المستمدة من الأنسجة الدهنية من بربخ الجرذان السليمة غير المصابة بالسكري (بتركيز سكر الدم الصائم (80-110 mg/dl) وسُميت الخلايا الجذعية الوسيطة المفصولة ب (N-Ad-MSCs). بينما الخلايا الجذعية الوسيطة المفصولة من الجرذان المصابة بداء السكري المستحث بـالستربتوزوتوسين قد سُميت ب (DM-Ad-MSCs). ثم قامت هذه الدراسة بتمييز Ad-MSCs المعزولة من خلال تحقيق قدرة الخلايا على الالتصاق للبلاستيك، وتشابهها مع الخلايا الليفية (fibroblast-like cells) إضافة الي قدرة وإمكان الخلايا الي التمايز الي خلايا متعددة السلالات (الخلايا الدهنية والخلايا العظمية والخلايا الغضروفية).
ثم قامت هذه الدراسة بفحص قدرات التمايز والتحقق من وجود دلالات الخلايا الجذعية الوسيطة وعدم وجود دلالات الخلايا المكونه للدم وقدره الخلايا (N-Ad-MSCs) و((DM-Ad-MSCs التحول الي الخلايا المنتجة للأنسولين وذلك عن طريق التحقق من وجود دلالات خلايا بيتا مثل neurogenin-3 (Ngn-3) , homeobox protein (Nkx6.1), musculoaponeurotic fibrosarcoma oncogene homolog A (MafA), Insulin-1 (Ins-1) في الخلايا المنتجة للأنسولين والفحص عن الطريق التفاعل البلمرة المتسلسل الكمي. علاوة على ذلك، قامت هذه الدراسة بتقييم وظيفي لقدرات الخلايا المنتجة للأنسولين عن طريق قدرتها على إنتاج الأنسولين في تحدي الجلوكوز باستخدام تركيزات مختلفة من الجلوكوز (LG/2mM، HG/20mM). إضافة الي ذلك، قامت هذه الدراسة بفحص تأثير زرع (N-Ad-MSCs) و((DM-Ad-MSCs من خلال حقن (1-1.5) مليون من الخلايا عن طريق الوريد الذيلي في الجرذان مصابه بالمرض السكري بعد تحفيز المرض باستخدام الستربتوزوتوسين كما هو موضح من قبل وذلك لمده تصل الي 35 يوما وذلك لتقيم قدرة تلك الخلايا على التحكم في ارتفاع والتحكم في منسوب السكر الصائم في الدم في
الجرذان المصابة. وقد تمت متابعة الحيوانات بعد الزرع عن طريق قياس وزن الجسم واختبار السكر الصائم بمعدل مرة واحدة بالأسبوع متبوعًا بالفحص التشريحي للكبد والبنكرياس المعزول في نهاية التجربة.
واظهرت النتائج أن الخلايا المعزولة من الجرذان السليمة (N-Ad-MSCs) أو المصابة بداء السكري (DM-Ad-MSCs) تتشابه في خصائص التمايز مثل التمايز الي خلايا متعددة السلالات مع وجود دلالات الخلايا الجذعية الوسيطة وعدم وجود دلالات الخلايا المكونة للدم. إلا أنها تختلف في قدرتها على التمايز والتحول إلى الخلايا المنتجة للأنسولين حيث تشير النتائج إلى أن كلا من (N-Ad-MSCs) و((DM-Ad-MSCs يمكن أن تتميز وتتحول الي خلايا البنكرياس، ولكن بقدر مختلف حيث أظهرت (N-Ad-MSCs) وجود تغييرات مورفولوجية أكثر وضوحا بالإضافة الي تعبيرا أعلي في دلالات خلايا بيتا. كما أوضحت النتائج أن الخلايا المنتجة للأنسولين المنتجة من (N-Ad-MSCs) لها قدره وظيفية أكبر اتجاه التركيزات المختلفة أكثر والتي قد تشير إلى ان (N-Ad-MSCs) لها قدرة احتمالية أعلى نحو التمايز والتحول الي الخلايا المنتجة للأنسولين.
ومن المثير للاهتمام أن (N-Ad-MSCs) أظهرت تمايزًا وقدرة أفضل على خفض نسبة الجلوكوز في الدم في الجرذان المصابة بالسكري على الرغم انه لم يتمكن من خفض السكر الصائم تماما للجرذان المصابة الي النسبة الطبيعية مقارنة بالجرذان السليمة غير المصابة بالمرض السكري. وايضا لم تتمكن كلا من الخلايا من التحكم في نقص الوزن للجرذان المصابة. تشير ايضا النتائج التشريحية إلى أنه على الرغم من زرع (N-Ad-MSCs) ولكن فشل في استعادة الأنسجة الطبيعية للبنكرياس أو الكبد تمامًا والي الوصول إلى مستوى السكر طبيعي في الدم. ومع ذلك، لا يزال بإمكان (N-Ad-MSCs) استعادة هذه الأعضاء بشكل أفضل مقارنةً بـ (DM-Ad-MSCs).
تلخيصا لما سبق، انه يمكن استخدام الخلايا الجذعية الوسيطة كمصدر في علم تجديد الأنسجة والطب التجديدي. كما تم توضيح قدرة الخلايا على التحول الي الخلايا المنتجة للأنسولين وذلك املا في ايجاد علاج لمرضي السكري. ولكن لا يزال العلاج الذاتي والخيفي بالخلايا الجذعية قيد الفحص. حيث أظهرت هذه الدراسة أن التأثير الضار للمرض السكري علي الخلايا الجذعية الوسيطة قد يعوق هذا الاستخدام الذاتي للخلايا في علاج مرضى السكري وتشجع هذه الدراسة الي المزيد من البحث حول مصادر الخلايا الجذعية الوسيطة الأكثر ملاءمة للزرع الخيفي.
Text in English and abstract in Arabic & English.
Pharmacology.
Diabetes Mellitus Mesenchymal Stem Cells Insulin-Producing Cells
615.1
The effect of diabetes mellitus on mesenchymal stem cells and their potential to differentiate into insulin-producing cells / تأثير مرض السكري على الخلايا الجذعية الوسيطة وقدرتها على التمايز إلى خلايا منتجة للأنسولين by Omar Ibrahim Hassan Badr ; supervised by Prof. Dr. Sherine Maher Rizk, Prof. Dr. Mohamed Mostafa Kamal, Dr. Heba Ramadan Ghaiad Mosalam. - 84 pages : illustrations ; 25 cm. + CD.
Thesis (M.Sc.)-Cairo University, 2023.
Bibliography: pages 70-84.
Diabetes mellitus (DM) is a global epidemic with dramatically increasing incidences. DM is a devastating metabolic disease associated with chronic hyperglycemia. Aside from conventional treatments, there is no clinically approved complete cure for DM up till now. Differentiating mesenchymal stem cells (MSCs) into insulin-producing cells (IPCs) is a promising approach for curing DM. Our study was conducted to investigate the effect of DM on the differentiation of MSCs into IPCs in vitro and in vivo. The Ad-MSCs were isolated and characterized from the epididymal fat of normal and STZ-induced diabetic Sprague Dawley rats. Afterward, the in vitro differentiation of normal-derived adipose MSCs (N-Ad-MSCs) and diabetic-derived adipose MSCs (DM-Ad-MSCs) into IPCs were compared morphologically then through determining the gene expression of β-cell markers including neurogenin-3 (Ngn-3), NK6 homeobox 1 (Nkx6.1), musculoaponeurotic fibrosarcoma oncogene homolog A (MafA), and insulin-1 (Ins-1) and eventually, through performing glucose-stimulated insulin secretion test (GSIS). Finally, the therapeutic potential of N-Ad-MSCs and DM-Ad-MSCs transplantation was determined and compared in vivo in STZ-induced diabetic rats. Our results showed no significant difference in the characteristics of both N-Ad-MSCs and DM-Ad-MSCs. However, significantly higher abilities of N-Ad-MSCs in differentiating into IPCs in vitro was demonstrated by morphological appearance, β-cell markers expression, and functional assessment of the generated IPCs using the GSIS test. In addition, N-Ad-MSCs can better control hyperglycemia and improve the STZ-induced histopathological changes in diabetic rats in vivo. These results reveal the effectiveness of N-Ad-MSCs in differentiating into IPCs in vitro and controlling the hyperglycemia of STZ-induced diabetic rats in vivo compared to DM-Ad-MSCs.
الخلايا الجذعية هي خلايا بيولوجية ذات قدرة استنساخية عالية حيث إنها قادرة على التمايز إلى أنواع متعددة من الخلايا. الخلايا الجذعية الجنينية، والخلايا الجذعية البالغة، والخلايا الجذعية المستحثة متعددة القدرات هي ثلاثة أنواع من الخلايا الجذعية. وتعد الخلايا الجذعية الوسيطة أهم أنواع الخلايا الجذعية البالغة التي تتجدد ذاتيًا حيث تمتلك القدرة على التمايز إلى الخلايا الدهنية والخلايا العظمية والخلايا الغضروفية. علاوة على ذلك، فإن الخلايا الجذعية الوسيطة لديها القدرة على الهجرة إلى مواقع الالتهاب حيث تقوم بتأثيرات مثبطة للمناعة ومضادة للالتهابات من خلال التفاعل مع الخلايا الليمفاوية التي تمثل جزء من جهاز المناعة. ومؤخرا تتم دراسة الخلايا الجذعية الوسيطة في الدراسات السريرية لعديد من الأمراض المزمنة، بما في ذلك أمراض القلب، والأوعية الدموية، وأمراض الكبد والسكري.
يمكن عزل الخلايا الجذعية الوسيطة من مصادر مختلفة أهمها الأنسجة الدهنية. الخلايا الجذعية الوسيطة المستمدة من الأنسجة الدهنية لها تأثيرات واضحة على علاج مرض السكري. تمتلك الخلايا الجذعية الوسيطة المستمدة من الخلايا الدهنية القدرة على التمايز إلى خلايا منتجة للأنسولين. حيث تمتلك القدرة على تجديد خلايا بيتا بالبنكرياس، وتحسين إنتاج الأنسولين، وتعزيز كبت المناعة. في حين أن هناك حاجة إلى إجراء المزيد من الدراسات السريرية من أجل التحقق إذا كان من الممكن ان يكون ارتفاع السكر في الدم واضطرابات الايض لمرض السكري يمكن ان تحد من قدرات الخلايا الجذعية الوسيطة المستخرجة من الأنسجة الدهنية مما يؤدي إلى ضعف تأثير الزرع الذاتي وحدوث مضاعفات. حيث ان عمليات الزرع الذاتية للخلايا الجذعية تكون من نفس الشخص الذي سيحصل على عملية الزرع حيث يكون المريض متبرعًا لنفسه. بينما تستخدم عمليات الزرع الخيفي للخلايا الجذعية من شخص آخر غير المريض.
ولذلك قامت هذه الدراسة بتحفيز مرض السكري في الجرذان عن طريق حقن ستربتوزوتوسين (STZ) بتركيز (50 مليغرام لكل كيلو جرام من وزن الجرذان) مذاب في محلول السترات عن طريق حقن الجرذان داخل الصفاق. وقد تم التأكد من إحداث المرض عن طريق قياس مستوى السكر في الجرذان الصائمة حيث تعتبر التركيزات الأعلى من 200mg/dl دليلا على إصابة الحيوانات بمرض السكري. وبعدها تم ترك الجرذان لمده 14 يوم، ثم تمكنا من عزل الخلايا الجذعية الوسيطة المستمدة من الأنسجة الدهنية من بربخ الجرذان السليمة غير المصابة بالسكري (بتركيز سكر الدم الصائم (80-110 mg/dl) وسُميت الخلايا الجذعية الوسيطة المفصولة ب (N-Ad-MSCs). بينما الخلايا الجذعية الوسيطة المفصولة من الجرذان المصابة بداء السكري المستحث بـالستربتوزوتوسين قد سُميت ب (DM-Ad-MSCs). ثم قامت هذه الدراسة بتمييز Ad-MSCs المعزولة من خلال تحقيق قدرة الخلايا على الالتصاق للبلاستيك، وتشابهها مع الخلايا الليفية (fibroblast-like cells) إضافة الي قدرة وإمكان الخلايا الي التمايز الي خلايا متعددة السلالات (الخلايا الدهنية والخلايا العظمية والخلايا الغضروفية).
ثم قامت هذه الدراسة بفحص قدرات التمايز والتحقق من وجود دلالات الخلايا الجذعية الوسيطة وعدم وجود دلالات الخلايا المكونه للدم وقدره الخلايا (N-Ad-MSCs) و((DM-Ad-MSCs التحول الي الخلايا المنتجة للأنسولين وذلك عن طريق التحقق من وجود دلالات خلايا بيتا مثل neurogenin-3 (Ngn-3) , homeobox protein (Nkx6.1), musculoaponeurotic fibrosarcoma oncogene homolog A (MafA), Insulin-1 (Ins-1) في الخلايا المنتجة للأنسولين والفحص عن الطريق التفاعل البلمرة المتسلسل الكمي. علاوة على ذلك، قامت هذه الدراسة بتقييم وظيفي لقدرات الخلايا المنتجة للأنسولين عن طريق قدرتها على إنتاج الأنسولين في تحدي الجلوكوز باستخدام تركيزات مختلفة من الجلوكوز (LG/2mM، HG/20mM). إضافة الي ذلك، قامت هذه الدراسة بفحص تأثير زرع (N-Ad-MSCs) و((DM-Ad-MSCs من خلال حقن (1-1.5) مليون من الخلايا عن طريق الوريد الذيلي في الجرذان مصابه بالمرض السكري بعد تحفيز المرض باستخدام الستربتوزوتوسين كما هو موضح من قبل وذلك لمده تصل الي 35 يوما وذلك لتقيم قدرة تلك الخلايا على التحكم في ارتفاع والتحكم في منسوب السكر الصائم في الدم في
الجرذان المصابة. وقد تمت متابعة الحيوانات بعد الزرع عن طريق قياس وزن الجسم واختبار السكر الصائم بمعدل مرة واحدة بالأسبوع متبوعًا بالفحص التشريحي للكبد والبنكرياس المعزول في نهاية التجربة.
واظهرت النتائج أن الخلايا المعزولة من الجرذان السليمة (N-Ad-MSCs) أو المصابة بداء السكري (DM-Ad-MSCs) تتشابه في خصائص التمايز مثل التمايز الي خلايا متعددة السلالات مع وجود دلالات الخلايا الجذعية الوسيطة وعدم وجود دلالات الخلايا المكونة للدم. إلا أنها تختلف في قدرتها على التمايز والتحول إلى الخلايا المنتجة للأنسولين حيث تشير النتائج إلى أن كلا من (N-Ad-MSCs) و((DM-Ad-MSCs يمكن أن تتميز وتتحول الي خلايا البنكرياس، ولكن بقدر مختلف حيث أظهرت (N-Ad-MSCs) وجود تغييرات مورفولوجية أكثر وضوحا بالإضافة الي تعبيرا أعلي في دلالات خلايا بيتا. كما أوضحت النتائج أن الخلايا المنتجة للأنسولين المنتجة من (N-Ad-MSCs) لها قدره وظيفية أكبر اتجاه التركيزات المختلفة أكثر والتي قد تشير إلى ان (N-Ad-MSCs) لها قدرة احتمالية أعلى نحو التمايز والتحول الي الخلايا المنتجة للأنسولين.
ومن المثير للاهتمام أن (N-Ad-MSCs) أظهرت تمايزًا وقدرة أفضل على خفض نسبة الجلوكوز في الدم في الجرذان المصابة بالسكري على الرغم انه لم يتمكن من خفض السكر الصائم تماما للجرذان المصابة الي النسبة الطبيعية مقارنة بالجرذان السليمة غير المصابة بالمرض السكري. وايضا لم تتمكن كلا من الخلايا من التحكم في نقص الوزن للجرذان المصابة. تشير ايضا النتائج التشريحية إلى أنه على الرغم من زرع (N-Ad-MSCs) ولكن فشل في استعادة الأنسجة الطبيعية للبنكرياس أو الكبد تمامًا والي الوصول إلى مستوى السكر طبيعي في الدم. ومع ذلك، لا يزال بإمكان (N-Ad-MSCs) استعادة هذه الأعضاء بشكل أفضل مقارنةً بـ (DM-Ad-MSCs).
تلخيصا لما سبق، انه يمكن استخدام الخلايا الجذعية الوسيطة كمصدر في علم تجديد الأنسجة والطب التجديدي. كما تم توضيح قدرة الخلايا على التحول الي الخلايا المنتجة للأنسولين وذلك املا في ايجاد علاج لمرضي السكري. ولكن لا يزال العلاج الذاتي والخيفي بالخلايا الجذعية قيد الفحص. حيث أظهرت هذه الدراسة أن التأثير الضار للمرض السكري علي الخلايا الجذعية الوسيطة قد يعوق هذا الاستخدام الذاتي للخلايا في علاج مرضى السكري وتشجع هذه الدراسة الي المزيد من البحث حول مصادر الخلايا الجذعية الوسيطة الأكثر ملاءمة للزرع الخيفي.
Text in English and abstract in Arabic & English.
Pharmacology.
Diabetes Mellitus Mesenchymal Stem Cells Insulin-Producing Cells
615.1