The Fountain of Youth: A tale of parabiosis, stem cells, and rejuvenation
Massimo Conese et al., Open Medicine, 2017.
Ссылки см. в оригинале статьи.
Перевод: Евгения Рябцева
Рассказ о парабиозе, стволовых клетках и омоложении
История парабиоза (окончание)
В целом приведенные в начале статьи данные свидетельствуют о том, что в условиях молодого организма способствующие гомеостатическому поддержанию жизнеспособности стволовых клеток клетки остеобластной ниши претерпевают возрастные изменения и начинают способствовать накоплению нефункциональных гемопоэтических стволовых клеток. Судя по всему, эти возрастные изменения клеток ниши происходят под действием неохарактеризованных циркулирующих факторов, одним из механизмов действия которых является воздействие на сигнальный механизм, опосредуемый инсулиноподобным фактором роста-1 в самих клетках ниши (рисунок 3). Очень вероятно, что инсулиноподобный фактор роста-1 не играет одинаково важную роль в старении разных тканей, так как, несмотря на способствующее старению влияние на остеобластную нишу, в скелетной мускулатуре локальная экспрессия этого фактора, напротив, способствует поддержанию регенеративной способности клеток стареющих животных.
Рисунок 3. Предложенная модель, описывающая возрастные изменения остеобластной клеточной ниши и гемопоэтических стволовых клеток, а также возможные методы восстановления этих изменений с помощью гетерохронного парабиоза. Возрастные изменения аутокринных или паракринных эффектов инсулиноподобного фактора роста-1 на клетки остеобластной ниши происходят под действием циркулирующих растворимых факторов, изменяющихся с возрастом. Опосредуемый инсулиноподобным фактором роста-1 сигнальный механизм в клетках стареющей остеобластной ниши (a) непосредственно способствует возрастным нарушениям функций гемопоэтических стволовых клеток, в том числе накоплению избытка этих клеток и смещению равновесия между дифференцировкой клеток в В-лимфоидный (B cell) и миелоидный (My) ростки кроветворения. При гетерохронном парабиозе или после нейтрализации опосредуемого фактором роста-1 сигнального механизма in vivo (b) происходит восстановление активности клеток стареющей ниши до уровня молодого организма, в результате чего они прекращают индуцировать чрезмерное накопление или сдвиг дифференцировки гемопоэтических стволовых клеток.
В октябре 2010 году три из четырех авторов, в том числе Эми Вэйджерс (Amy J. Wagers), отозвали эту статью. В частности, они опровергли роль клеток остеобластной ниши в омоложении гемопоэтических клеток старых мышей. Было установлено, что первый автор статьи осуществил манипуляции над изображениями костных узелков, формирующихся в остеобластной нише у молодых и старых мышей. Таким образом, этот вопрос нуждается в дальнейшем изучении, в особенности учитывая то, что модель парабиоза использовалась для изучения омоложения других органов. Впоследствии было опубликовано две работы, демонстрирующие, что воздействие стареющего системного окружения на молодую мышь может ингибировать миогенез и нейрогенез.
В 2013 году исследователи под руководством Эми Вэйджерс опубликовали еще одну статью, в которой они с помощью парабиотической модели показали, что возрастную гипертрофию сердечной мышцы можно обратить вспять воздействием молодого циркуляторного окружения всего лишь за 4 недели в состоянии парабиоза. Результаты изменения кровяного давления и уровней ангиотензина II и альдостерона в крови животных разных групп четко продемонстрировали, что обращение вспять процессов гипертрофии сердечной мышцы старых мышей, подвергшихся воздействию крови молодых животных, нельзя объяснить только снижением кровяного давления или модуляцией его влияния на организм старого животного. Интересен тот факт, что гетерохронный парабиоз не приводил к изменениям значений соотношения массы сердца к длине большеберцовой кости, размера кардиомиоцитов и кровяного давления у молодых мышей, имеющих старых партнеров. Эти данные свидетельствуют в пользу существования антигипертрофического фактора, продуцируемого организмом молодой мыши (а не разведения прогипертрофического фактора, продуцируемого организмом старой мыши) и запускающего ремоделирование сердечной мышцы в условиях гетерохронного парабиоза. В модели «ложного парабиоза», то есть при хирургическом соединении двух животных без формирования общего кровообращения, у старых мышей не наблюдалось уменьшения выраженности возрастной гипертрофии сердечной мышцы, что послужило дополнительным подтверждением первоочередной роли перекрестного кровообращения и обмена циркулирующими в кровотоке факторами. В результате поиска этих факторов с помощью крупномасштабного протеомного анализа на основе оптомерной технологии было идентифицировано 13 аналитов, позволяющих достоверно отличить молодую мышь от старой. Один их этих кандидатов – фактор роста и дифференцировки-11, относящийся к суперсемейству активин/трансформирующих факторов роста-бета, был подтвержден в дальнейших экспериментах. Его сниженное содержание в плазме старых изохронных парабионтов по сравнению с молодыми изохронными парабионтами восстанавливалось до нормальных (молодых) значений у старых мышей после их парабиоза с молодыми животными. Ежедневное введение фактора роста и дифференцировки-11 старым животным в течение 30 дней приводило к значительному снижению отношения массы сердца к длине большеберцовой кости по сравнению с животными группы контроля, которым делались инъекции физиологического раствора. Эти данные свидетельствуют о том, что, по крайней мере, один из патологических компонентов возрастной диастолической сердечной недостаточности имеет гормональную природу. Однако наблюдаемая регрессия гипертрофии сердечной мышцы у старых мышей под действием молодого кровотока не может быть обусловлена восстановлением концентрации одного фактора, а другие факторы еще предстоит идентифицировать.
В двух последующих исследованиях Вэйджерс и ее коллеги установили, что фактор роста и дифференцировки-11 стимулирует рост новых кровеносных сосудов и нейронов в головном мозге, а также улучшает способность стволовых клеток регенерировать скелетную мускулатуру в зонах повреждений. В одной из этих работ мышиная модель гетерохронного парабиоза продемонстрировала увеличение объема кровеносных сосудов головного мозга и усиление кровотока в ответ на воздействие системных факторов молодого организма с одновременной стимуляцией самообновления и дифференцировки популяции нервных стволовых клеток в субвентрикулярной зоне, обеспечивавшей улучшение способности к распознаванию запахов (рисунок 2). Более того, авторы установили, что фактор роста и дифференцировки-11 может улучшать объем кровеносных сосудов, а также стимулировать нейрогенез у старых мышей. Интересно, что кровь 15-месячной мыши не вызывала уменьшения численности популяции нервных стволовых клеток в мозге молодого животного, тогда как кровь более старой особи (21 месяц) оказывала негативное действие. Это свидетельствует в пользу того, что чем старше животное, тем выше концентрация вредных системных факторов и/или ниже уровни защитных факторов молодого организма. С другой стороны, в статье, написанной под руководством Рандо (Rando) и Тони Уисс-Кори (Tony Wyss-Corey), хемокин CCL11/эотаксин был идентифицирован как возрастной фактор крови, ассоциированный со сниженным нейрогенезом и нарушениями обучения и запоминания у мышей. В будущем еще предстоит выяснить, взаимодействует ли CCL11 непосредственно с клетками-предшественниками в процессе старения, оказывая влияние на их способность к дифференцировке, или он оказывает свое действие опосредованно – через взаимодействия с другими типами клеток нейрогенной ниши.
Еще в одной работе Вэйджерс и ее коллеги продемонстрировали, что выделенные из мускулатуры старых гетерохронных парабионтов сателлитные клетки имели повышенный потенциал к миогенной дифференцировке, а также более низкий уровень повреждений ДНК по сравнению с миосателлитами изохронных парабионтов из группы контроля такого же возраста. Что касается обращения вспять процессов возрастной гипертрофии миокарда, ежедневное внутрибрюшинное введение старым животным рекомбинантного фактора роста и дифференцировки-11 в течение 4 недель увеличивало количество сателлитных клеток с неповрежденной ДНК по сравнению с клетками пожилых животных, получавших инъекции плацебо. Более того, в модели мышечного повреждения введение старым мышам фактора роста и дифференцировки-11 на протяжении 28 дней до и 7 дней после нанесения травмы восстанавливало диаметр регенерирующих фибрилл до значений, характерных для более молодого возраста. Также прошедшие терапию фактором роста и дифференцировки-11 старые мыши демонстрировали выносливость и силу захвата, превосходящую среднестатистические значения.
В этой последней работе авторы также установили, что in vitro воздействие фактора роста и дифференцировки-11 на стареющих миосателлитные клетки вызывало дозозависимое повышение активности пролиферации и дифференцировки этих клеток, чего не происходило при воздействии миостатина (еще одного члена суперсемейства трансформирующих факторов роста-бета) или трансформирующего фактора роста-бета-1. Это наблюдением свидетельствует о том, что, в отличие от миостатина, фактор роста и дифференцировки-11 может оказывать непосредственное влияние на миосателлитные клетки, изменяя их функции.
История о сюрпризе и новых препаратах
Появление данных о роли фактора роста и дифференцировки-11 в омоложении мышечной ткани не прошло без последствий. Полной неожиданностью оказались результаты пересмотра более раннего убеждения, согласно которым миостатин – белок, находящийся в близком родстве с фактором роста и дифференцировки-11, – подавляет миогенез. В относительно недавнем исследовании эта закономерность была опровергнута. Эгерман (Egerman) и коллеги провели тщательный повторный анализ гипотезы и установили, что антитела, ранее применяемые для идентификации фактора роста и дифференцировки-11, являются неспецифичными, то есть не позволяют отличить миостатин от фактора роста и дифференцировки-11. Также оказалось, что общие уровни миостатина/фактора роста и дифференцировки-11 увеличиваются с возрастом, что противоречит более ранним данным. Использование более специфичного реагента для выявления фактора роста и дифференцировки-11 позволило выявить тенденцию к повышению уровней этого фактора в сыворотке стареющих крыс и людей по сравнению с молодыми. Более того, концентрации кодирующей этот фактор иРНК в мышечной ткани крыс увеличивались по мере их старения. Эксперименты in vitro также показали, что как фактор роста и дифференцировки-11, так и миостатин индуцируют одни и те же сигнальные пути (активацию SMAD 2/3 и MAPK) в одинаковой степени в первичных и иммортализованных клетках скелетной мускулатуры человека и что дифференцировка первичных человеческих миобластов в мышечные трубочки ингибируется фактором роста и дифференцировки-11 и миостатином. Применив тот же самый протокол, разработанный Синха (Sinha) с коллегами, авторы не выявили различий в регенеративной способности скелетной мускулатуры старых мышей, получивших терапию фактором роста и дифференцировки-11 или плацебо через 7 дней после повреждения, вызванного кардиотоксином. Вместо этого повышенные системные уровни фактора роста и дифференцировки-11 были ассоциированным с нарушенной регенерацией у молодых животных, о чем свидетельствовало увеличенное количество очень мелких мышечных волокон в мышцах животных после введения этого фактора. И наконец, они также установили, что введение фактора роста и дифференцировки-11 дозозависимо подавляло рост взрослых и стареющих культур миосателлитных клеток. Данным этого исследования, свидетельствующим о повышении уровня фактора роста и дифференцировки-11 с возрастом, та же группа ученых ранее продемонстрировала, что активность запускаемого миостатином/фактором роста и дифференцировки-1 сигнального пути, для которого характерно фосфорилирование гена SMAD3, также повышена у стареющих крыс. Суть вскрытой закономерности заключается в том, что если у стареющих людей на фоне очень высоких уровней фактора роста и дифференцировки-11 наблюдается атрофия мышечной ткани (саркопения), они являются кандидатами на проведении избирательной блокады фактора роста и дифференцировки-11 или более общей блокады, помимо этого фактора распространяющейся на миостатин и их рецепторы.
Несмотря на то, что на первый взгляд полученные Эгерманом данные противоречат результатам Эми Вэйджерс, фактор роста и дифференцировки-12 может быть представлен разными формами и только уровень одной из них может снижаться с возрастом. Это предположение было опубликовано в журнале The Scientist на основании электронного сообщения, полученного от Эми Вэйджерс. Более того, специалисты группы компаний Novartis наносили более обширные повреждения мышечной ткани и впоследствии применяли более высокие дозы фактора роста и дифференцировки-11, чем группа Вэйджерс, поэтому полученные ими результаты непригодны для непосредственного сопоставления (специалисты Novartis использовали молодых животных и в три раза более высокую дозировку фактора). Фактически результаты Эгермана могут отчасти объяснить механизм действия бимагрумаба (bimagrumab) – экспериментального препарата Novartis, предназначенного для лечения мышечной слабости и истощения мышечной ткани. В настоящее время находящийся на стадии клинических исследований препарат блокирует миостатин и, возможно, фактор роста и дифференцировки-1.
Вкратце, нет никаких сомнений в том, что молодая кровь омолаживает старых мышей, однако специалисты Novartis утверждают, что предложенного гарвардскими учеными объяснение не соответствует действительности. Возможно, правда где-то посередине и поддержание уровня фактора роста и дифференцировки-11 в пределах физиологической нормы необходимо для сохранения здоровья мышечной ткани. Также важно не забывать слова Эми Вэйджерс: «Мы не обращаем вспять старение животных. Мы возвращаем функциональность их тканям». В данном контексте оказывать свое действие могут и другие факторы. В 2014 году Ирина и Майкл Конбой (Irina and Michael Conboy) идентифицировали один из антиэйджинговых факторов, циркулирующих в кровотоке. Им оказался окситоцин – синтезируемый в гипоталамусе нонапептид, вовлеченный в процессы родовой деятельности и формирование привязанности. Они установили, что у старых мышей (18-24 месяца) происходит снижение концентрации окситоцина, подкожное введение препарата которого восстанавливает регенеративную способность мышечных клеток этих животных в условиях повреждения кардиотоксином.
В сфере поиска специфичных омолаживающих факторов множество вопросов на сегодняшний день остается без ответов. Например, во многом неясно, каким образом CCL11 и фактор роста и дифференцировки-11 улучшают микроокружение стареющих тканеспецифичных стволовых клеток. Более того, ряд наблюдений очень плохо согласуются друг с другом. Например, кровь старых животных с пониженным содержанием фактора роста и дифференцировки-11 в сыворотки оказывает отрицательное влияние на нейрогенез и познавательную функцию молодых особей. Это противоречит тому факту, что старая сыворотка разводится молодой сывороткой, ставя под сомнение способность микроРНК или других белковых факторов воздействовать на фактор роста и дифференцировки-11 для снижения или повышения его экспрессии. В контексте данного обзора следует отметить, что, по крайней мере, однако компания пытается воспроизвести полученные Вэйджерс результаты в клинических условиях, используя плазму здоровых молодых людей для лечения пациентов с болезнью Альцгеймера. Интересен тот факт, что в 1972 году исследователи из университета Калифорнии изучали продолжительность жизни старых и молодых крыс, соединенных в парабиотические пары. Старые партнеры жили на 4-5 месяцев дольше животных группы контроля, что впервые указало на способность молодой крови влиять на продолжительность жизни. В сентябре 2014 года калифорнийский старт-ап Alkahestin начал проведение открытого клинического исследования в одной группе, целью которого была оценка безопасности и эффективности одной дозы плазмы молодых доноров (мужчин в возрасте 30 лет или младше) в качестве средства для лечения болезни Альцгеймера легкой или умеренной тяжести. Результаты, касающиеся как первичных (симптомы и нежелательные явления), так и вторичных (показатели магнитно-резонансной томографии и результаты анализа крови), ожидаются уже в этом году. Однако, несмотря на то, что это клиническое исследование рассчитано на 4 недели, эта практика может вызывать определенное беспокойство. Например, есть вероятность, что продолжительная активация стволовых клеток может приводить к повышению риска развития рака.
За и против применения цельной крови по сравнению со специфичными факторами
Преимущество введения молодой крови старому человеку заключается в том, что она может содержать различные омолаживающие факторы, которые могут оказывать плейотропные эффекты на многие пораженные заболеванием органы одновременно. Фактически цельная кровь является смесью клеток, коллоидов и кристаллоидов. Каждый из этих компонентов можно отделить от остальных для получения готовых компонентов крови, в том числе концентратов эритроцитов и тромбоцитов, свежезамороженной плазмы и криопреципитата, применяемых в разных ситуациях. Переливание цельной крови и ее компонентов сегодня является безопасной клинической практикой и имеет широкий спектр показаний в регенеративной медицине. Однако некоторые из ее компонентов, такие как белки плазмы, лейкоциты, антигены эритроцитов, плазма и патогены, могут запускать развитие нежелательных побочных реакций, варьирующих от умеренных аллергических проявлений до фатальных осложнений. Более того, нам неизвестно, например, содержит ли плазма молодых доноров факторы, полезные для пациентов с мышечной дистрофией или болезнью Альцгеймера. По этой причине более безопасным подходом может быть идентификация специфичных факторов, избирательно способствующих омоложению и восстановлению функций определенных органов или тканей. Часть специалистов предпочли бы провели клинические исследования определенных факторов крови или комбинаций известных факторов, синтезированных в лабораторных условиях. Недостаток этого подхода заключается в том, что механизмы действия идентифицированных на сегодняшний день факторов (CCL11/эотаксин, фактор роста и дифференцировки-11 и окситоцин) еще во многом неясны. Вполне может быть, что эти факторы не оказывают непосредственного действия, а их активность зависит от эпигенетических механизмов (например микроРНК) или что они оказывают свое омолаживающее действие только в комбинации с другими неизвестными компонентами крови.
Выводы
В данной статье описана долгая история не прекращаемого человеком поиска «источника вечной молодости». На протяжении многих лет парабиоз указывал на то, что факторы молодой крови могут способствовать регенерации пораженных болезнью и стареющих тканей. Одни предпочти бы использовать цельную кровь или ее производные, такие как плазма. В то же время, другие являются сторонниками применения специфичных факторов или их коктейлей. Оптимальным сценарием является использование для заживления ран и регенерации ткани собственной плазмы, выделенных из тромбоцитов цитокинов или факторов роста пациента. Ряд доказательств целесообразности подхода получен в исследованиях на животных, однако клинические результаты остаются задачей будущего.
Портал «Вечная молодость» http://vechnayamolodost.ru
