Проблема получения клеточной культуры эндотелиальных клеток роговицы для регенеративных целей

Клетки заднего эпителия роговицы человека, или эндотелия, обладают ограниченной пролиферативной активностью как in vivo так и in vitro. Повреждение или дисфункция этих клеток приводит к нарушению прозрачности роговицы различной степени выраженности, вплоть до слепоты. В настоящее время единственным действенным методом лечения патологии эндотелия является трансплантация донорской роговицы, содержащей пул здоровых и функционально активных клеток. Однако существует глобальная нехватка донорских роговиц, что приводит к неудовлетворенной клинической потребности и тому, что хирургическое лечение получает лишь 1 пациент из 10 нуждающихся. В связи с этим создание клеточных конструкций и искусственных аналогов роговицы человека, содержащих здоровый эндотелий, является весьма актуальной задачей современной офтальмо-трансплантологии. В данном обзоре представлены текущее состояние вопроса, сложности и перспективы получении клеточной культуры эндотелиальных клеток роговицы in vitro для целей трансплантации.

1. Clausen MV, Hilbers F, Poulsen H. The structure and function of the Na,K-ATPase isoforms in health and disease. Front Physiol. 2017; 8: 371.

2. Hutcheon AEK, Zieske JD, Guo X. 3D in vitro model for human corneal endothelial cell maturation. Exp Eye Res. 2019; 184: 183–191. doi: 10.1016/j.exer.2019.04.003.

3. Yamamoto A, Tanaka H, Toda M, Sotozono C, Hamuro J, Kinoshita S et al. A physical biomarker of the quality of cultured corneal endothelial cells and of the long-term prognosis of corneal restoration in patients. Nat Biomed Eng. 2019; 3 (12): 953–960. doi: 10.1038/s41551-0190429-9.

4. Robaei D, Watson S. Corneal blindness: a global problem. Clin Exp Ophthalmol. 2014; Apr; 42 (3): 213–214. doi: 10.1111/ceo.12330.

5. Малюгин БЭ, Мороз ЗИ, Борзенок СА, Дроздов ИВ, Айба ЭЭ, Паштаев АН. Первый опыт и клинические результаты задней автоматизированной послойной кератопластики (ЗАПК) с использованием предварительно выкроенных консервированных ультратонких роговичных трансплантатов. Офтальмохирургия. 2013; 3: 12–16.

6. Малюгин БЭ, Шилова НФ, Антонова ОП, Анисимова НС, Шормаз ИН. Сравнительный анализ клинико-функциональных результатов задней послойной кератопластики с использованием фемтосекундного лазера и микрокератома. Офтальмохирургия. 2019; 1: 20–26.

7. Малюгин БЭ, Шилова НФ, Анисимова НС, Антонова ОП. Трансплантация эндотелия и десцеметовой мембраны. Вестник офтальмологии. 2019; 135 (1): 98–103.

8. Rajan MS. Surgical strategies to improve visual outcomes in corneal transplantation. [e-journal]. Eye. 2014; 28 (2): 196.

9. Калинников ЮЮ, Динь ТХА, Золотаревский АВ, Калинникова СЮ. Новый хирургический подход к предесцеметовой эндотелиальной кератопластике (PDEK). Вестник офтальмологии. 2023; 139 (1): 55–66.

10. Baydoun L, Tong CM, Tse WW. Endothelial cell density after Descemet membrane endothelial keratoplasty: 1 to 5-year follow-up. Am J Ophthalmol. 2012; 154: 762– 763.

11. Tarantino-Scherrer JN, Kaufmann C, Bochmann F, Bachmann LM, Thiel MA. Visual recovery and endothelial cell survival after Descemet stripping automated endothelial keratoplasty for failed penetrating keratoplasty grafts: A cohort study. Cornea. 2015; 34: 1024–1029.

12. Eye Bank Assotiation of America (EBAA). Eye banking statistical report. Washington, D.C., 2019. 110 p.

13. Малюгин БЭ, Борзенок СА, Комах ЮА, Арбуханова ПМ, Желтоножко АА, Сабурина ИН и др. Современные возможности клеточных технологий в конструировании биологического эквивалента искусственной роговицы. Бюллетень СО РАМН. 2014; 34 (5): 43–47.

14. Joyce NC, Navon SE, Roy S, Zieske JD. Expression of cell cycle-associated proteins in human and rabbit corneal endothelium in situ. [e-journal]. Investig Ophthalmol Vis Sci. 1996; 37 (8): 1566.

15. Mannagh JJ, Irving A. Human corneal endothelium: Growth in tissue cultures. Arch Ophthalmol. 1965; 74: 847–849.

16. Joyce NC, Zhu CC. Human corneal endothelial cell proliferation: potential for use in regenerative medicine. Cornea. 2004; 23: S8–S19.

17. Parekh M, Ahmad S, Ruzza A, Ferrari S. Human Corneal Endothelial Cell Cultivation From Old Donor Corneas With Forced Attachment. Sci Rep. 2017; 7 (1): 142. doi: 10.1038/s41598-017-00209-5.

18. Ронкина ТИ. Закономерности возрастных изменений эндотелия роговицы человека в норме и патологии, возможности активации пролиферации эндотелия и их значение в офтальмологии: дис. … докт. мед. наук. М., 1994; 50.

19. Явишева ТМ. Морфо-функциональные особенности эндотелия роговицы человека в норме и патологии и отбор донорского материала для кератопластики: дис. … канд. мед. наук. М., 1990; 198.

20. Bartakova A, Kuzmenko O, Alvarez-Delfin K, Kunzevitzky NJ, Goldberg JL. A Cell Culture Approach to Optimized Human Corneal Endothelial Cell Function. Invest Ophthalmol Vis Sci. 2018; 59 (3): 1617–1629. doi: 10.1167/iovs.17-23637.

21. Parekh M, Ferrari S, Sheridan C, Kaye S, Ahmad S. Concise Review: An Update on the Culture of Human Corneal Endothelial Cells for Transplantation. Stem Cells Transl Med. 2016; 5 (2): 258–264. doi: 10.5966/sctm.2015-0181.

22. Казанцев АД, Островский ДС, Борзенок СА. Результаты разработки протокола выделения и культивирования заднего эпителия роговицы человека. Вестник Совета молодых ученых и специалистов Челябинской области. 2017; 3 (4 (19)): 50–52.

23. Казанцев АД, Островский ДС, Герасимов МЮ, Борзенок СА. Изучение экспериментальных методов выделения и культивирования клеток эндотелия роговицы человека. Современные технологии в офтальмологии. 2017; 4: 105–108.

24. Малюгин БЭ, Борзенок СА, Островский ДС, Антонова ОП, Хубецова МХ, Цикаришвили НР. Разработка метода получения суспензии эндотелиальных клеток роговицы человека и ее последующей трансплантации в эксперименте ex vivo. Офтальмохирургия. 2022; 4: 56–64. doi: 10.25276/0235-4160-2022-4-56-64.

25. Peh GS, Toh KP, Wu FY, Tan DT, Mehta JS. Cultivation of human corneal endothelial cells isolated from paired donor corneas. PLoS One. 2011; 6 (12): e28310. doi: 10.1371/journal.pone.0028310.

26. Ishino Y, Sano Y, Nakamura T, Connon CJ, Rigby H, Fullwood NJ, Kinoshita S. Amniotic membrane as a carrier for cultivated human corneal endothelial cell transplantation. Invest Ophthalmol Vis Sci. 2004; 45: 800–806.

27. Zhu C, Joyce NC. Proliferative response of corneal endothelial cells from young and older donors. Invest Ophthalmol Vis Sci. 2004; 45: 1743–1751.

28. Li W, Sabater AL, Chen YT, Hayashida Y, Chen SY, He H, Tseng SC. A novel method of isolation, preservation, and expansion of human corneal endothelial cells. Invest Ophthalmol Vis Sci. 2007; 48: 614–620.

29. Engelmann K, Friedl P. Optimization of culture conditions for human corneal endothelial cells. In Vitro Cell Dev Biol. 1989; 25: 1065–1072.

30. Zhu YT, Chen HC, Chen SY, Tseng SC. Nuclear p120 catenin unlocks mitotic block of contact-inhibited human corneal endothelial monolayers without disrupting adherent junctions. J Cell Sci. 2012; 125 (Pt 15): 3636–3648.

31. Peh GS, Chng Z, Ang HP, Cheng TY, Adnan K, Seah XY et al. Propagation of human corneal endothelial cells: a novel dual media approach. Cell Transplant. 2015; 24 (2): 287–304. doi: 10.3727/096368913X675719.

32. Parikumar P, Haraguchi K, Senthilkumar R. Human corneal endothelial cell transplantation using nanocomposite gel sheet in bullous keratopathy. Am J Stem Cells. 2018; 7 (1): 18–24.

33. Kinoshita S, Koizumi N, Ueno M, Okumura N, Imai K, Tanaka H et al. Injection of cultured cells with a ROCK inhibitor for bullous keratopathy. N Engl J Med. 2018; 995–1003.

34. Lee JG, Kay EP. FGF-2-mediated signal transduction during endothelial mesenchymal transformation in cor- neal endothelial cells. Exp Eye Res. 2006; 83 (6): 1309– 1316.

35. Liu X, Tseng SC, Zhang MC, Chen SY, Tighe S, Lu WJ, Zhu YT. LIF-JAK1-STAT3 signaling delays contact inhibition of human corneal endothelial cells. Cell Cycle. 2015; 14 (8): 1197–1206. doi: 10.1080/15384101.2015.1013667.

36. Zhu YT, Chen HC, Chen SY, Tseng SC. Nuclear p120 catenin unlocks mitotic block of contact-inhibited human corneal endothelial monolayers without disrupting adherent junctions. J Cell Sci. 2012; 125: 3636–3648.

37. Chen KH, Azar D, Joyce NC. Transplantation of adult human corneal endothelium ex vivo: a morphologic study. Cornea. 2001; 20 (7): 731–737.

38. Liu Y, Sun H, Hu M, Zhu M, Tighe S, Chen S et al. Human Corneal Endothelial Cells Expanded In Vitro Are a Powerful Resource for Tissue Engineering. Int J Med Sci. 2017; 14 (2): 128–135. doi: 10.7150/ijms.17624.

39. Yokoi T, Seko Y, Yokoi T, Makino H, Hatou S, Yamada M et al. Establishment of functioning human corneal endothelial cell line with high growth potential. PLoS One. 2012; 7 (1): e29677. doi: 10.1371/journal.pone.0029677.

40. Zhu YT, Tighe S, Chen SL, John T, Kao WY, Tseng SC. Engineering of Human Corneal Endothelial Grafts. Curr Ophthalmol Rep. 2015; 3 (3): 207–217.

41. Koizumi N, Okumura N, Ueno M. Rho-associated kinase inhibitoreye drop treatment as a possiblemedicaltreatment for Fuchs corneal dystrophy. Cornea. 2013; 32 (8): 1167–1170. doi: 10.1097/ico.0b013e318285475d.

42. Okumura N, Kinoshita S, Koizumi N. The Role of Rho Kinase Inhibitors in Corneal Endothelial Dysfunction. Curr Pharm Des. 2017; 23 (4): 660–666. doi: 10.2174/1 381612822666161205110027.

43. Galvis V, Tello A, Fuquen JP, Rodríguez-Barrientos CA, Grice JM. ROCK Inhibitor (Ripasudil) as Coadjuvant After Descemetorhexis Without an Endothelial Graft. Cornea. 2017; 36 (12): e38–e40. doi: 10.1097/ICO.0000000000001381.

44. Bi YL, Zhou Q, Du F, Wu MF, Xu GT, Sui GQ. Regulation of functional corneal endothelial cells isolated from sphere colonies by Rho associated protein kinase inhibitor. Exp Ther Med. 2013; 5: 433–437.

45. Peh GS, Toh KP, Ang HP, Seah XY, George BL, Mehta JS. Optimization of human corneal endothelial cell culture: density dependency of successful cultures in vitro. BMC Research Notes. 2013; 6: 176.

46. Островский ДС, Герасимов МЮ, Хубецова МХ, Казанцев АД, Борзенок СА. Культивирование клеток заднего эпителия роговицы человека с использованием биопокрытия коллагена I типа. Гены и клетки. 2019; 14 (S): 174.

47. Малюгин БЭ, Борзенок СА, Сабурина ИН, Репин ВС, Кошелева НВ, Колокольцова ТД и др. Разработка биоинженерной конструкции искусственной роговицы на основе пленочного матрикса из спидроина и культивированных клеток лимбальной зоны глазного яблока. Офтальмохирургия. 2013; 4: 89–97.

48. Zhu YT, Hayashida Y, Kheirkhah A, He H, Chen SY, Tseng SC. Characterization and comparison of intercellular adherent junctions expressed by human corneal endothelial cells in vivo and in vitro. Invest Ophthalmol Vis Sci. 2008; 49 (9): 3879–3886.

49. Engelmann K, Böhnke M, Friedl P. Isolation and longterm cultivation of human corneal endothelial cells. Invest Ophthalmol Vis Sci. 1988; 29 (11): 1656–1662.

50. Miyata K, Drake J, Osakabe Y, Hosokawa Y, Hwang D, Soya K et al. Effect of donor age on morphologic variation of cultured human corneal endothelial cells. Cornea. 2001; 20 (1): 59–63.

51. Okumura N, Kakutani K, Numata R, Nakahara M, Schlötzer-Schrehardt U, Kruse F et al. Laminin-511 and -521 enable efficient in vitro expansion of human corneal endothelial cells. Invest Ophthalmol Vis Sci. 2015; 56 (5): 2933–2942.

52. Vázquez N, Rodríguez-Barrientos CA, Aznar-Cervantes SD, Chacón M, Cenis JL, Riestra AC et al. Silk Fibroin Films for Corneal Endothelial Regeneration: Transplant in a Rabbit Descemet Membrane Endothelial Keratoplasty. Invest Ophthalmol Vis Sci. 2017; 58 (9): 3357–3365. doi: 10.1167/iovs.17-21797.

53. Audrey EK, Hutcheon James D, Xiaoqing G. 3D In Vitro Model for Human Corneal Endothelial Cell Maturation. Exp Eye Res. 2019; 184: 183–191.

54. Островский ДС, Казанцев АД, Комах ЮА, Малюгин БЭ, Борзенок СА. Получение культуры клеток заднего эпителия роговицы человека для трансплантации. Вестник трансплантологии и искусственных органов. 2018; 20 (S1): 157.

55. Okumura N, Kagami T, Watanabe K, Kadoya S, Sato M, Koizumi N. Feasibility of a cryopreservation of cultured human corneal endothelial cells. PLoS One. 2019; 14 (6): e0218431. doi: 10.1371/journal.pone.0218431.

56. Chen Y, Huang K, Nakatsu MN, Xue Z, Deng SX, Fan G. Identification of novel molecular markers through transcriptomic analysis in human fetal and adult corneal endothelial cells. Hum Mol Genet. 2013; 22: 1271–1279.

57. Dorfmueller S, Tan HC, Ngoh ZX, Toh KY, Peh G, Ang HP et al. Isolation of a recombinant antibody specific for a surface marker of the corneal endothelium by phage display. Nat Publ Gr. 2016; 6: 1–12.

58. Bartakova A, Alvarez-Delfin K, Weisman AD, Salero E, Raffa GA, Merkhofer RM et al. Novel identity and functional markers for human corneal endothelial cells. Invest Ophthalmol Vis Sci. 2016; 57: 2749–2762.

59. Казанцев АД, Островский ДС, Герасимов МЮ, Борзенок СА. Разработка протокола фенотипирования клеток заднего эпителия роговицы кадаверных глаз человека. Современные технологии в офтальмологии. 2018; 4: 158–162.

60. Hamuro J, Ueno M, Toda M, Sotozono C, Montoya M, Kinoshita S. Cultured human corneal endothelial cell aneuploidy dependence on the presence of heterogeneous subpopulations with distinct differentiation phenotypes. Invest Ophthalmol Vis Sci. 2016; 57: 4385–4392.

61. Toda M, Ueno M, Hiraga A, Asada K, Montoya M, Sotozono C et al. Production of homogeneous cultured human corneal endothelial cells indispensable for innovative cell therapy. Invest Ophthalmol Vis Sci. 2017; 58: 2011–2020.

62. Cheong YK, Ngoh ZX, Peh GS, Ang HP, Seah XY, Chng Z et al. Identification of cell surface markers glypican-4 and CD200 that differentiate human corneal endothelium from stromal fibroblasts. Invest Ophthalmol Vis Sci. 2013; 54: 4538–4547.

63. Okumura N, Hirano H, Numata R, Nakahara M, Ueno M, Hamuro J et al. Cell surface markers of functional phenotypic corneal endothelial cells. Invest Ophthalmol Vis Sci. 2014; 55: 7610–7618.

64. Ueno M, Asada K, Toda M, Hiraga A, Montoya M, Sotozono C et al. Micro RNA profiles qualify phenotypic features of cultured human corneal endothelial cells. Invest Opthalmol Vis Sci. 2016; 57: 5509.

65. Ueno M, Asada K, Toda M, Nagata K, Sotozono C, Kosaka N et al. Concomitant evaluation of a panel of exosome proteins and MIRS for qualification of cultured human corneal endothelial cells. Invest Ophthalmol Vis Sci. 2016; 57: 4393–4402.

66. Wei Z, Batagov AO, Carter DRF, Krichevsky AM. Fetal bovine serum RNA interferes with the cell culture derived extracellular RNA. Sci Rep. 2016; 6: 31175.

67. Takahashi K, Yamanaka S. Induction of pluripotent stem cells from mouse embryonic and adult fibroblast cultures by defined factors. Cell. 2006 Aug 25; 126 (4): 663–676. doi: 10.1016/j.cell.2006.07.024. Epub 2006 Aug 10. PMID: 16904174.

68. Martínez García de la Torre RA, Nieto-Nicolau N, Morales-Pastor A, Casaroli-Marano RP. Determination of the Culture Time Point to Induce Corneal Epithelial Differentiation in Induced Pluripotent Stem Cells. Transplant Proc. 2017; 49 (10): 2292–2295.

69. Chakrabarty K, Shetty R, Ghosh A. Corneal cell therapy: with iPSCs, it is no more a far-sight. Stem Cell Res Ther. 2018 Oct 25; 9 (1): 287.

70. Naylor RW, McGhee CN, Cowan CA, Davidson AJ, Holm TM, Sherwin T. Derivation of Corneal KeratocyteLike Cells from Human Induced Pluripotent Stem Cells. PLoS One. 2016 Oct 28; 11 (10): e0165464.

71. Lee JB, Song JM, Lee JE, Park JH, Kim SJ, Kang SM et al. Available human feeder cells for the maintenance of human embryonic stem cells. Reproduction. 2004; 128 (6): 727–735.

72. Chen P, Chen JZ, Shao CY, Li CY, Zhang YD, Lu WJ et al. Treatment with retinoic acid and lens epithelial cell-conditioned medium in vitro directed the differentiation of pluripotent stem cells towards corneal endothelial cell-like cells. Exp Ther Med. 2015; 9 (2): 351–360.

73. Zhang K, Pang K, Wu X. Isolation and transplantation of corneal endothelial cell-like cells derived from in-vitrodifferentiated human embryonic stem cells. Stem Cells Dev. 2014; 23 (12): 1340–1354.

74. Joyce NC, Harris DL, Markov V, Zhang Z, Saitta B. Potential of human umbilical cord blood mesenchymal stem cells to heal damaged corneal endothelium. Mol Vis. 2012; 18: 547–564.

75. Mimura T, Yamagami S, Yokoo S, Araie M, Amano S. Comparison of rabbit corneal endothelial cell precursors in the central and peripheral cornea. Invest Ophthalmol Vis Sci. 2005; 46 (10): 3645–3648. doi: 10.1167/iovs.050630.

76. Van Horn DL, Sendele DD, Seideman S, Buco PJ. Regenerative capacity of the corneal endothelium in rabbit and cat. Invest Ophthalmol Vis Sci. 1977; 16 (7): 597– 613.

77. Van Horn DL, Hyndiuk RA. Endothelial wound repair in primate cornea. Exp Eye Res. 1975; 21 (2): 113–124. doi: 10.1016/0014-4835(75)90076-7.

78. Numa K, Imai K, Ueno M, Kitazawa K, Tanaka H, Bush JD et al. Five-Year Follow-up of First 11 Patients Undergoing Injection of Cultured Corneal Endothelial Cells for Corneal Endothelial Failure. Ophthalmology. 2021; 128 (4): 504–514. doi: 10.1016/j.ophtha.2020.09.002.1155.