Glycan Binding Proteins in Therapeutic Mesenchymal Stem Cell Research

Abstract

Mesenchymal stem/stromal cells (MSCs) are multipotent adult stem cells that hold enormous therapeutic potential. They are currently in a focus of intense clinical and scientific investigation. MSCs are a promising cell type for various applications in the field of tissue engineering due to their multi-lineage differentiation capacity. Furthermore, one of their most interesting characteristics is that they possess immunomodulatory properties making these cells an attractive candidate for therapy of several immune-mediated disorders. MSCs are of nonembryonic origin and thus provide a less controversial and technically more feasible alternative for ESCs in future therapeutic applications. Due to their location on the cell surface, glycans are ideal molecules for identification, purification, and characterization of cells for therapeutic purposes. Methods to reliably and proficiently determine both the change in the presence of a specific glycan structures and the changes in the glycome profile of a cell, are needed. Glycan binding proteins in general serve as diagnostic tools in medical and scientific laboratories. High affinity and exquisite specificity are important factors for their successful use. The aim of this study was to characterize the glycans on the surface of MSCs in order to find novel MSC specific glycan markers. Further goal was to develop antibodies specific for MSC surface glycans, including the novel MSC marker. As described in the original publications of this study, we first characterized the glycome of MSCs and discovered that certain specific glycan epitopes are present only in MSCs, and not in cells differentiated from them. These epitopes include i antigen, which was further characterized to be a marker for umbilical cord blood derived MSCs. An antibody against the i antigen was generated using recombinant technology. Antibodies recognizing MSC surface glycans were also generated by utilizing hybridoma technology, using whole MSCs in the immunization. Taken together, these studies provide information of the changes in the glycome profile during MSC differentiation and describe a novel MSC marker. In these studies, we used two different methods to generate anti-glycan antibodies and emphasize the importance of thorough characterization of the binding properties of GBPs. The information of the characteristic glycosylation features of MSCs, and specific markers especially, can be used to isolate and characterize desired, therapeutically advantageous cell populations for distinct applications. Development of better glycan binding proteins will advance the field of cellular therapy and also the glycobiological research in general.Mesenkymaaliset kantasolut (eli mesenkymaaliset stroomasolut) ovat monikykyisiä soluja, jotka pystyvät erilaistumaan useiksi erilaisiksi solutyypeiksi. Viime aikoina näiden solujen tutkimus ja kliininen käyttö on herättänyt paljon huomiota ja kiinnostusta. Mesenkymaalinen kantasolu on lupaava solutyyppi moniin terapeuttisiin sovelluksiin. Erityisesti kudosteknologiset sovellukset käyttävät hyväkseen mesenkymaalisten kantasolujen erilaistumiskykyä. Yksi mesenkymaalisten kantasolujen kiinnostavimmista piirteistä on kuitenkin niiden vaikutus immuunivasteeseen ja mahdollinen käyttö immuunivälitteisten sairauksien, kuten käänteishyljintäreaktion hoidossa. Sekä tutkimus- että terapiakäyttöön tarkoitetut solut täytyy voida tunnistaa, eristää ja karakterisoida hyvin. Solun pinnalla olevat sokerimolekyylit eli glykaanit tarjoavat tähän oivan mahdollisuuden. Sokerirakenteista voidaan tarkkailla yksittäisten glykaanien esiintymisen muutoksia sekä pinnan sokeriprofiilin kokonaismuutoksia. Tutkimusmenetelmät ovat viime vuosina kehittyneet huimasti, mutta vaativat vielä jatkuvaa kehitystä. Sokerirakenteita sitovat proteiinit (vasta-aineet ja lektiinit) ovat laboratorioissa yleisesti käytettyjä diagnostisia työkaluja, ja soveltuvat hyvin solun pinnan sokereiden tutkimiseen. Tarkasti määritetty sitoutumisspesifisyys ja riittävän hyvä sitoutumislujuus ovat merkittäviä tekijöitä glykaaneja sitovien proteiinien onnistuneelle käytölle sekä niiden avulla saatujen tulosten oikeellisuudelle. Tämän tutkimuksen tarkoituksena oli kartoittaa mesenkymaalisten kantasolujen pinnan sokerirakenteita tavoitteena löytää spesifinen markkeri sekä kehittää vasta-aineita näitä rakenteita tunnistamaan. Ensiksi havaitsimme solun pinnan sokeriprofiilin muuttuvan solun erilaistuessa. Keskityimme tarkastelemaan lineaarista poly-LacNAc rakennetta, eli i-antigeenia, jonka määrä solun pinnalla väheni huomattavasti solujen erilaistuessa. Tarkempi karakterisointi osoitti i-antigeenin olevan spesifinen markkeri mesenkymaalisille kantasoluille. Kehitimme i-antigeenin tunnistavan vasta-aineen rekombinanttitekniikalla sekä mesenkymaalisen solun pinnan sokereille spesifisiä vasta-aineita hybridoomatekniikalla. Jotta soluterapiaa voidaan turvallisesti kehittää lisääntyviin hoitotarpeisiin, tarvitaan tarkkoja karakterisointimenetelmiä ja hyviä työkaluja solujen tunnistamiseen ja eristämiseen. Tietoa pinnan sokerirakenteiden muutoksista voidaan käyttää eristettäessä haluttuja solupopulaatiota eri terapiasovelluksiin. Sokerirakenteita sitovien proteiinien kehittäminen edesauttaa sekä soluterapian että glykobiologisen tutkimuksen kehittymistä