The Fountain of Youth: A tale of parabiosis, stem cells, and rejuvenation
Massimo Conese et al., Open Medicine, 2017.
Ссылки см. в оригинале статьи.
История о парабиозе, стволовых клетках и омоложении
Перевод Евгении Рябцевой.
Введение
Испанский конкистадор Хуан Понсе де Леон (Juan Ponce de León) прославился тем, что открыл полуостров Флориду, хотя всю жизнь искал совсем другое – легендарный «источник вечной молодости».
Это только один из примеров непрерывного поиска, который люди посвятили обретению возможности жить вечно. Интересен тот факт, что еще один часто упоминаемый подход к омоложению заключался в попытках переноса тепла и жидкостей молодости от молодых людей старым. К примерам этого подхода относятся половые акты с девственницами – метод, прописываемый даже учеными в 17-18 столетиях, а также купание в крови или ее употребление внутрь.
Кровь, плазма крови и их компоненты производятся и применяются в современной медицине для улучшения функционирования стволовых клеток, а также для стимуляции регенерации тканей и восстановления их повреждений. Обогащенные тромбоцитами производные крови, такие как обогащенная тромбоцитами плазма и обогащенный тромбоцитами фибрин, продуцируют и высвобождают факторы роста, обладающие антиапоптотическим и ангиогенным действием. Это стимулирует регенеративные способности стволовых клеток и клеток-предшественников как локально, так и при введении извне. Обогащенная тромбоцитами плазма приобрела популярность в качестве средства, применяемого при различных ортопедических хирургических вмешательствах, проводимых для лечения разных заболеваний, в том числе остеоартрита, в пластической хирургии для улучшения приживления трансплантата, а также в борьбе с некрозом кожи. Таким образом, нет никаких сомнений в том, что кровь и ее производные могут успешно применяться не только в стратегиях регенеративной медицины, но и даже в качестве «священного Грааля» омоложения – обращения процесса старения вспять.
История парабиоза
Убеждение, что кровь может омолаживать органы человека, было воскрешено в 2005 и 2010 годах исследовательской группой из медицинской школы Стэнфордского университета. За основу этих работы были взяты наблюдения, согласно которым регенеративная способность тканей угасает с возрастом. В таких тканях, как мышцы, кровь, печень и головной мозг, это угасание приписывалось сниженной реактивности тканеспецифичных стволовых клеток и клеток-предшественников. Однако стареющая мышечная ткань успешно регенерирует при имплантации в мышцу молодого животного, тогда как молодая мышечная ткань демонстрирует нарушенную регенерацию при имплантации в мышцу старого животного. За эти противоположные эффекты могут быть ответственны как локальные, так и системные факторы. Для того, что проверить, могут ли системные факторы поддерживать регенерацию тканей молодых животных и/или ингибировать регенерацию у старых животных, Конбой (Conboy) и коллеги в 2005 году разработали экспериментальную модель, в которой, в противоположность трансплантации, регенерирующие ткани старых животных подвергались действию исключительно циркулирующих факторов молодых животных и наоборот. Таким образом они разработали метод парабиотического соединения молодых и старых мышей (гетерохронный парабиоз), в качестве контрольной постановки для которого выступало парабиотическое соединие двух молодых или двух старых мышей (изохронный парабиоз) (рисунок 1).
При парабиозе две мыши хирургическим путем соединяются друг с другом таким образом, что у них формируется общая кровеносная система с быстрым и постоянным обменом клеток и растворимых факторов в физиологических концентрациях, происходящая через их совместный кровоток. Парабиоз был изобретен в 1864 году физиологом Полом Бертом (Paul Bert) для изучения процесса формирования кровеносной системы. Биохимик и геронтолог Клив Маккей (Clive McCay) из Корнельского университета впервые применил парабиоз для изучения старения, однако эта методика утратила популярность после 1970-х годов, вероятнее всего потому, что множество крыс погибло от загадочного состояния, получившего название парабиотическая болезнь. Оно развивается примерно через 1-2 недели после соединения животных и может быть вариантом иммунологического отторжения тканей. Только в начале 21 столетия Ирвинг Вайссман (Irving Weissman) и Томас Рандо (Thomas A. Rando) из Стэнфордского университета вернули парабиоз к жизни для изучения перемещения и судьбы гемопоэтических стволовых клеток.
Рисунок 1. Парабиоз. Две мыши соединены вместе и имеют общий кровоток. Гетерохронный парабиоз – это хирургическое соединение молодого и старого животных, тогда как изохронный парабиоз – это попарное соединение двух молодых или двух старых животных.
Стэнфордская группа изучала регенерацию мышечной ткани и клеток печени в условиях парабиоза. После травмы мышечной ткани регенерация мышц оценивалась по формированию мышечных трубочек, экспрессирующих тяжелую цепь мышечного миозина – специфичный маркер регенерирующих мышечных трубочек у взрослых животных. Через пять дней после повреждения мышцы молодых животных как в изохронном, так и в гетерохронном парабиозе демонстрировали выраженную регенерацию. В то же время поврежденные мышцы старых изохронных парабионтов регенерировали плохо, тогда как парабиоз с молодыми мышами значительно улучшал регенерацию мышц их старых партнеров. Регенерация стареющих мышц происходила практически эксклюзивно за счет активации резидентных старых клеток-предшественников, а не за счет приживления циркулирующих клеток-предшественников их молодых партнеров (оценивалось по присутствию менее чем 0,1% экспрессирующих зеленый флуоресцирующий белок клеток их молодых трансгенных партнеров). Возрастное угасание способности мышечной ткани к регенерации частично обусловлено возрастным нарушением активации лиганда Delta белка Notch после мышечной травмы, поэтому экспрессия Delta также стала объектом изучения. Следует отметить, что сателлитные мышечные клетки (сателлитоциты, миосателлиты) старых партнеров гетерохронных парабиотов демонстрировали выраженную активацию Delta, сопоставимую с наблюдаемой у их молодых партнеров и у молодых мышей, не подвергавшихся парабиотическому соединению (рисунок 2).
В экспериментах по изучению омоложения печени, также как и в случае мышечной ткани, пролиферация альбумин-положительных клеток у старых изохронных парабионтов была менее выражена, чем пролиферация, наблюдаемая у молодых изохронных парабионтов, в то время как парабиоз с молодым партнером значительно повышал активность пролиферации гепатоцитов старых мышей. Так же как и в случае мышечной ткани, усиление пролиферации гепатоцитов у старых мышей было обусловлено клетками-резидентами, а не приживлением циркулирующих в кровотоке клеток молодых партнеров. Снижение активности пролиферации клеток-предшественников гепатоцитов обусловлено формированием комплекса, в состав которого входит CCAAT/энхансер связывающий белок-альфа (cEBP-α) и фактор реконструкции хроматина brahma (Brm), ингибирующий экспрессию генов, запускаемую фактором транскрипции E2F. Параллельно с влиянием на регенерацию гепатоцитов в печенях старых гетерохронных парабионтов было зафиксировано формирование комплекса cEBP-α-Brm, чего не наблюдалось в печени молодых изохронных парабионтов, при этом у первых формирование комплекса было относительно слабо выраженным (рисунок 2).
Рисунок 2. Старение мышц, печени и головного мозга старых мышей и омоложение через гетерохронный парабиоз. Регенерация скелетной мускулатуры после повреждений связана с активацией лиганда Delta белка Notch, утрачиваемого с возрастом (верхние ячейки). Пролиферация гепатоцитов у молодых животных коррелирует со снижением комплекса cEBP-α-brahma (cEBP-α-Brm) по сравнению со старыми мышами (средние ячейки). Тогда как молодых животных может происходить усиление нейрогенеза и ангиогенеза в субвентрикулярной зоне головного мозга, где присутствуют стволовые клетки, для старых животных это невозможно (нижние ячейки). В целом гетерохронный парабиоз обращает вспять все фенотипические и молекулярные проявления старения посредством воздействия растворимых факторов и клеток.
И наконец, в мышцах и печени молодых мышей после парабиотического соединия со старыми животными было зафиксировано снижение пролиферации клеток-предшественников. Это свидетельствует о том, что кровь старых мышей обогащена ингибиторными факторами, концентрация которых снижается при парабиозе за счет разведения. Полученные данные свидетельствуют о том, что системные факторы могут модулировать молекулярные сигнальные пути, критичные для активации или ингибирования тканеспецифичных клеток-предшественников, а также то, что системное окружение организмов молодых животных способствует успешной регенерации, тогда у старых животных оно не стимулирует или даже активно ингибирует успешную регенерацию тканей. В конечном итоге эта работа также продемонстрировала, что тканеспецифичные стволовые клетки и клетки-предшественники сохраняют бОльшую часть присущего им пролиферативного потенциала до старости, однако возрастные изменения системного окружения и/или ниши, в которой обитают клетки-предшественники, препятствуют полной активации этих клеток, необходимой для продуктивной регенерации тканей.
В статье 2010 года Вэйджерс (Wagers) с соавторами попытались разобраться в роли локальных, обусловленных микроокружением/нишей, и системных факторов в старении гемопоэтических стволовых клеток и клеток-предшественников с помощью in vivo парабиотической мышиной системы, а также изучить частоту встречаемости гемопоэтических стволовых клеток и количество «долгосрочных» гемопоэтических стволовых клеток. Для того чтобы отличать клетки молодых и старых животных использовались конгенные (отличающиеся по одному хромосомному локусу) маркеры. На уровне костного мозга старение сопровождается значительной экспансией гемопоэтических стволовых клеток и клеток-предшественников, парадоксально ассоциированным со снижением способности к обновлению крови и нарушенным дифференцировочным потенциалом после трансплантации. Старые гетерохронные парабионты демонстрировали значительное снижение количества долгосрочных гемопоэтических стволовых клеток до практически нормальных (характерных для молодого организма) значений. Следует отметить, что этот эффект является результатом изменений внутри самой популяции стареющих гемопоэтических стволовых клеток, а не перемещения «молодых» клеток в костный мозг старого партнера. Более того, гетерохронный парабиоз также индуцировал восстановление функций долгосрочных гемопоэтических стволовых клеток в преклонном возрасте. Об этом свидетельствовало восстановление потенциала к приживлению трансплантата и восстановление нормального («молодого») соотношения В-лимфоидных и миелоидных клеток. Так же как и в случае гемопоэтических стволовых клеток, и частота встречаемости, и общее количество клеток остеобластной ниши, изолируемых у старых мышей, повышалось по сравнению с молодыми мышами группы контроля. In vitro эксперименты по изучению взаимодействия между клетками молодого костного мозга с клетками стареющей остеобластной ниши также продемонстрировали экспансию гемопоэтических стволовых клеток. Это свидетельствовало о том, что омолаживающее влияние парабиоза на эти клетки опосредовано обращением вспять возрастных изменений клеток остеобластной ниши. Фактически частота встречаемости и количество остеобластов у старых животных восстанавливались до нормальных уровней под действием «молодого» системного окружения, формируемого гетерохронным парабиозом. Более того, клетки ниши, изолированные у старых гетерохромных парабионтов, демонстрировали значительно сниженную способность вызывать накопление гемопоэтических стволовых клеток и клеток-предшественников, в отличие от клеток ниши старых изохронных парабионтов. Интересен тот факт, что клетки остеобластной ниши, изолированные у молодых гетерохронных парабионтов, индуцировали слабую экспансию молодых гемопоэтических стволовых клеток и клеток-предшественников, по сравнению с клетками молодых изохронных парабионтов. Эти исследования in vitro указывают на возможность взаимного воздействия стареющего циркуляторного окружения на активности ниши у молодых гетерохронных партнеров и указывают на способность системных сигналов восстанавливать стареющие ниши. Целью последующих экспериментов была оценка способности молодых гемопоэтических стволовых клеток и клеток-предшественников восстанавливать гемопоэз. Полученные результаты показали, что, аналогично нарушению способности состарившихся естественным образом гемопоэтических клеток восстанавливать гемопоэз после трансплантации, молодые гемопоэтические клетки, подвергшиеся in vitro воздействию клеток старых изохронных парабионтов, демонстрировали сниженную способность к восстановлению гемопоэза. Судя по всему, взаимодействия со стареющими клетками остеобластной ниши достаточно для индукции нарушений функциональности гемопоэтических стволовых клеток. Однако клетки старых гетерохронных парабионтов не изменяли восстанавливающую способность молодых гемопоэтических стволовых клеток. В комплексе все эти данные свидетельствуют о том, что индуцированные старением функциональные изменения клеток регуляторной ниши гемопоэтических стволовых клеток могут быть обращены вспять воздействием циркулирующих факторов молодого организма. Это указывает на то, что омолаживающее влияние молодого циркуляторного окружения на гемопоэтические стволовые клетки опосредовано сигнальными механизмами, запускаемыми омоложенными клетками остеобластной ниши.
Для того чтобы выяснить какой фактор вовлечен в регуляцию функций клеточной ниши авторы решили изучить возможную роль инсулиноподобного фактора роста-1. Этот фактор известен как сохранившийся в ходе эволюции регулятор процесса старения и долголетия. Эксперименты in vitro и in vivo продемонстрировали, что локальное, но не системное, воздействие инсулиноподобного фактора роста-1 индуцирует старение клеток ниши, регулирующих активность гемопоэтических стволовых клеток. При этом нейтрализация опосредуемого инсулиноподобным фактором роста-1 сигнального механизма в микроокружении костного мозга обращает вспять возрастные изменения клеток остеобластной ниши, искажающие осуществляемую ими регуляцию гемопоэтических стволовых клеток.
Окончание следует.
Портал «Вечная молодость» http://vechnayamolodost.ru
