Ендогенни стволови клетки в хомеостазата и стареенето Част 1

РезюмеВ почти всички човешки тъкани и органи възрастни стволови клетки или тъканни стволови клетки присъстват на уникално място, така наречената ниша на стволови клетки или неин еквивалент, непрекъснато попълващи функционални диференцирани клетки. Тези ендогенни стволови клетки могат да бъдат разширени за клетъчна терапия с помощта на ex vivo клетъчна култура или изтеглени за възстановяване на тъкани in situ чрез клетъчен трафик и насочване. В процеса на стареене неефективността на ендогенния медииран от стволови клетки лечебен механизъм може да възникне от различни увреждания, които се натрупват в процесите на самообновяване, функция, капацитет за диференциация и трафик през клетъчно-автономни вътрешни пътища (като напр. епигенетични промени) или системни външни пътища. Този преглед разглежда хомеостазата на ендогенните стволови клетки, особено стволовите клетки от костен мозък, и тяхната дисрегулация при заболяване и стареене и обсъжда възможни стратегии за интервенция. Няколко системни про-стареещи и подмладяващи фактора, разпознати в хетерохронна парабиоза или преждевременно стареещи прогероидни животински модели, се разглеждат като възможни фармацевтични цели против стареене от гледна точка на здравословна среда за ендогенни стволови клетки. Разнообразие от епигенетични модификации и хромозомни архитектури се разглеждат като присъщ клетъчен път за стареене и стареене. Разгледано е и постепенното увеличаване на възпалителния товар по време на стареенето. И накрая, възстановяването на тъканите и ефектите против стареене на Substance-P, пептид, стимулиращ трафика на стволови клетки от костния мозък и модифициращ възпалителния отговор, се обсъждат като бъдеща цел против стареене.

Гликозидът на цистанхе може също така да повиши активността на SOD в сърдечните и чернодробните тъкани и значително да намали съдържанието на липофусцин и MDA във всяка тъкан, като ефективно улавя различни реактивни кислородни радикали (OH-, H₂O₂ и др.) и предпазва от увреждане на ДНК, причинено от ОН-радикали. Cistanche phenylethanoid гликозидите имат силна способност за изчистване на свободните радикали, по-висока редуцираща способност от витамин С, подобряват активността на SOD в сперматозоидната суспензия, намаляват съдържанието на MDA и имат известен защитен ефект върху функцията на мембраната на спермата. Полизахаридите Cistanche могат да повишат активността на SOD и GSH-Px в еритроцитите и белодробните тъкани на експериментално стареещи мишки, причинени от D-галактоза, както и да намалят съдържанието на MDA и колаген в белите дробове и плазмата и да увеличат съдържанието на еластин, имат добър очистващ ефект върху DPPH, удължава времето на хипоксия при стареещи мишки, подобрява активността на SOD в серума и забавя физиологичната дегенерация на белия дроб при експериментално стареещи мишки. С клетъчна морфологична дегенерация експериментите показват, че Cistanche има добра антиоксидантна способност и има потенциала да бъде лекарство за предотвратяване и лечение на заболявания, свързани със стареенето на кожата. В същото време, ехинакозидът в Cistanche има значителна способност да улавя свободните радикали DPPH и може да улавя реактивни кислородни видове, да предотвратява индуцираното от свободните радикали разграждане на колагена и също така има добър възстановителен ефект върху увреждането на аниона от свободните радикали на тимина.

Кликнете върху Cistanche Herba

【За повече информация:george.deng@wecistanche.com / WhatApp:86 13632399501】

Ключови думиХемопоетични стволови клетки · Стволови клетки от костен мозък · Ендотелни прекурсорни клетки · Подмладяване на стареенето

1. Въведение

Стареенето е естествено явление, характеризиращо се с прогресивно намаляване на хомеостатичните и регенеративни функции на тялото, включително свързано с възрастта влошаване на функциите на стволовите клетки [1]. Скорошни проучвания между млади и стари животни и хора разкриха свързани с възрастта промени в характеристиките на стволовите клетки, размера на пула от стволови клетки и разнообразието на диференциация [2–4]. При възрастните се натрупват клетъчно-автономни епигенетични промени в стволовите клетки, които могат да причинят стареене на стволови/прогениторни клетки и да намалят както набора от стволови клетки, така и функцията на стволовите клетки. Експериментите с хетерохронна парабиоза между млади и стари животни са показали съществуването на свързани с възрастта промени в системната и локална среда, включително системни подмладяващи и про-стареещи фактори [5–7], които могат да контролират функцията и продължителността на живота на ендогенните стволови клетки и стволовите клетки. клетъчни ниши. По-видно е, че експериментите разкриват свързано с възрастта повишаване на възпалителните цитокини и хронично възпаление [8–10], което също може да повлияе на функцията на стволовите клетки, нишата на стволовите клетки, трафика на стволови клетки и разнообразието на диференциация. Тези доклади за стареене и дегенеративни заболявания като болестта на Паркинсон, болестта на Алцхаймер, диабет, хронични съдови заболявания и остеоартрит посочиха възможни връзки между състоянието на стволовите клетки и етиологията на заболяването и между състоянието на стволовите клетки и очакваната продължителност на живота.

През 2013 г. Carlos Lopez-Otin et al. [2] идентифицира и категоризира девет клетъчни и молекулярни отличителни белега, които допринасят за процеса на стареене: геномна нестабилност, изтриване на теломерите, епигенетични промени, загуба на протеостаза, дерегулирано усещане за хранителни вещества, митохондриална дисфункция, клетъчно стареене, изтощение на стволови клетки и променена междуклетъчна комуникация. Повечето свързани с възрастта увреждания и влошаване се натрупват постепенно с течение на времето, което е широко проучено в областта на рака, метаболитните заболявания и дегенеративните заболявания. По-специално, концепцията за изчерпване на стволови клетки, чрез клетъчно-автономни вътрешни пътища или външни пътища, би могла да обясни интегративните последици от множество видове свързани със стареенето увреждания и намаляването на регенеративния потенциал [11, 12]. Прогероидни мишки и скорошни експерименти с парабиоза, използващи млади и стари мишки, показаха, че системни фактори като активатор на хепатоцитен растежен фактор (HGFA), които са в изобилие при млади мишки, могат да обърнат намаляването на функцията на нервните и мускулните стволови клетки, установено при стари или прогероидни мишки [13]. -15]. Тези основополагащи разработки предполагат, че системните външни фактори, действащи като фармакологична интервенция, могат да стимулират подмладяването на стволовите клетки и да обърнат фенотипа на стареенето.

Този преглед обсъжда ендогенни стволови клетки in vivo, особено стволови клетки от костен мозък, като хематопоетични стволови клетки (HSC), стромални (или мезенхимни) стволови клетки от костен мозък (BMSC) и ендотелни прекурсорни клетки (EPC), въз основа на тяхната онтогенеза, нормално функции и свързани с възрастта функционални промени. Второ, свързаните с възрастта промени в системните фактори, кандидати за фактори против стареене или про-стареене, се разглеждат за техните възможни връзки с хомеостазата на стволовите клетки и стареенето и за техния потенциал като фармакологични цели за забавяне или контрол на процеса на стареене. Трето, разглеждат се свързаните с възрастта промени в нишата на стволовите клетки на костния мозък. Четвърто, епигенетичните промени в стволовите клетки по време на стареенето, така нареченото клетъчно автономно стареене на стволови клетки, се разглеждат и обсъждат по отношение на модификация на хистони, метилиране на ДНК и некодираща РНК. Пето, обсъждат се ефектите от засилените възпалителни реакции по време на стареенето, особено при свързаните с възрастта дегенеративни заболявания и възстановяване на дефектна тъкан. Заключенията и перспективите за бъдещи изследвания включват обмисляне на това дали свързаното с възрастта влошаване на ендогенните стволови клетки и тяхната среда може да бъде контролирано и нови фармакологични цели за човешкото здраве.

2 Ендогенни стволови клетки в костния мозък и стареене

Хомеостазата, възстановяването на тъканите и регенерацията непрекъснато се поддържат и стимулират от ендогенни тъканни стволови клетки в тялото. Костният мозък е резервоар за стволови клетки за HSCs, BMSCs, EPCs и други стволови клетки, които все още не са идентифицирани. Стволовите клетки в костния мозък са жизненоважни за регенерацията на тъканите и стареенето или загубата на функцията на тези стволови клетки е основната причина за неуспех в тъканната хомеостаза и възстановяване (фиг. 1) [4].

HSC непрекъснато доставят кръвни клетки, включително имунни клетки, червени кръвни клетки и бели кръвни клетки, през целия живот. Хемопоетичната дисфункция се появява с възрастта, което води до намален адаптивен имунен отговор и повишен миелоиден отговор и анемия. Забележима промяна, свързана със стареенето, така нареченото възпаление, тлеещ провъзпалителен фенотип [9, 16], също може да бъде резултат от дисфункция на HSC или загуба на диференциационно разнообразие. BMSCs са стромални клетки в костния мозък, които могат да поддържат хемопоезата като нишови клетки на стволови клетки, както и остеогенезата за образуване на кост. При възрастните BMSCs също намаляват и техният потенциал за диференциация се изкривява към адипогенеза, което води до жълт костен мозък и остеопороза. EPCs, прекурсори на ендотелни клетки, също намаляват по време на стареене, причинявайки увреждане на съдовото възстановяване и нарушена функция на съдовата ниша за HSCs.

2.1 Дефиниция на HSC/онтогенеза/стареене

HSC са единствените клетки, които могат да произведат цялата линия на кръвните клетки. Те генерират * 1 9 1010 червени кръвни клетки и * 1 9 108 бели кръвни клетки всеки час през целия живот [11]. Този непрекъснат процес на производство на зрели кръвни клетки, наречен хематопоеза, включва пролиферация, самообновяване и диференциация на HSCs и излизане на зрели прогениторни клетки в циркулиращата кръв [12]. Хематопоезата възниква в онтогенетичните потоци. Примитивните фази и окончателните фази произвеждат истински HSC. Появата на примитивни HSCs започва в жълтъчната торбичка 30 дни след зачеването при хора и E7.5 при мишки и след това се премества към алантоиса и плацентата. На 4 седмици след зачеването (wpc) при хора и E10.5 при мишки, HSCs лежат в аортно-гонадния мезонефрос, област на ембрионалната мезодерма, която поражда окончателни HSCs. HSC впоследствие се посяват в плацентата, тимуса и черния дроб при 5 wpc при хора и E11 при мишки, в далака при 8 wpc при хора и E14 при мишки и в костния мозък при 12 wpc при хора и E18 при мишки. След раждането HSCs съществуват само в костния мозък и тимуса, а костният мозък поддържа по-голямата част от хематопоезата [17]. HSC пораждат както общи миелоидни прогениторни клетки (CMP), така и общи лимфоидни прогениторни клетки (CLP), за да генерират всички кръвни клетки. CMPs се диференцират в моноцити, макрофаги, дендритни клетки, неутрофили, базофили, еозинофили, еритроцити, мегакариоцити и тромбоцити. CLPs се диференцират в Т-клетки, В-клетки и NK-клетки (фиг. 2).

Йерархията на HSC може да бъде дефинирана въз основа на капацитета за репопулация на костния мозък, потенциала за диференциация и експресията на множество повърхностни маркери. През 1994 г. Spangrude et al. [18, 19] разделят популацията на HSCs на три мултипотентни типа: дългосрочни (LT)-HSCs, краткосрочни (ST)-HSCs и мултипотентни предшественици (MPPs). Те идентифицираха тези клетки, използвайки разнообразен клъстер от маркери за диференциация, като CD34, CD38, CD90, CD133, CD105, CD45 и c-kit фактор на стволови клетки. През 2005 г., за да се идентифицира функционално различната субпопулация на HSCs от несамообновяващи се MPPs, Morrison et al. [20, 21] съобщават, че семейството от рецептори на сигнализираща молекула за активиране на лимфоцити (SLAM), включително CD150 (slamf1), CD48 (slamf2), CD229 (slamf3) и CD224 (slamf4), е диференцирано експресирано сред функционално различни стволови клетки и прогениторни клетки при мишки. В допълнение, слабо оцветяване с жизненоважни багрила като Hoechst 33342 (странична популация) или родамин 123 може да се използва за изолиране на HSC с малки размери на клетките. Способността на хемопоетичните предшественици да пролиферират и да се диференцират в колонии се изследва с анализ на образуваща колония единица (CFU), като се използва полутвърда среда на основата на метилцелулоза в отговор на цитокинова стимулация за лимфоцити (CFU-L), пре-В клетки (CFU- Pre-B), гранулоцити, еритроцити, макрофаги и мегакариоцити (CFU-GEMM). За идентифициране на статуса на клетъчния цикъл се използват маркиране с Ki-67, анализ на включването на BrdU и система за индикатор на клетъчния цикъл, основана на убиквитиниране на флуоресценция (Fucci). Използвайки сливането на флуоресцентни протеини със специфичните за клетъчния цикъл протеини geminin, cdt1 и p27, системата Fucci може да визуализира клетки чрез оцветяване на клетъчните ядра във фазите G1, S/G2/M и G0 на клетъчния цикъл в циан, съответно зелено и червено [22].

Съобщава се за различни свързани с възрастта клетъчни и молекулярни промени в HSC и хемопоезата. При функцията на HSC стареенето води до свръхпролиферация на HSCs, докато стареенето намалява броя на стволовите клетки и активността на клетъчния цикъл в стволовите клетки на скелетните мускули, стволовите клетки от зародишната линия и невралните стволови клетки [1, 23]. Как тези промени се контролират и регулират остава неясно. Съобщава се обаче, че възрастните HSCs показват намалено самообновяване, загуба на клетъчна полярност, излизане в кръвния поток, нарушена способност за самонасочване и миелоидна и тромбоцитна диференциация [12, 24].

Свързаните с възрастта промени в системните фактори, вътреклетъчните сигнални пътища и молекулите, контролиращи клетъчния цикъл, също изглежда са замесени в самообновяването и диференциационното разнообразие на HSC. TGF-b1 засилва миелоидната диференциация, а не лимфоидната диференциация [25], а хроматиновият регулатор Satb1, който се индуцира по време на лимфоидната диференциация, намалява в остарелите HSC [26]. Старите HSC активират неканоничния Wnt сигнален път вместо каноничния Wnt път, което увеличава експресията на Wnt5a и активира полярността на протеина за контрол на клетъчното делене 42 (Cdc42). Регулирането на полярността и разпределението на Cdc42 е важно за регенеративния капацитет и насочването на костния мозък [27]. Освен това при възрастните се активират контролни точки на клетъчния цикъл като p16INK4a, BCL-2, BATF и p53. Премахването на p16INK4a увеличава регенеративния потенциал на стволовите клетки от костния мозък и мозъка, а ниското ниво на p53 насърчава поддържането на стволови клетки, докато високото ниво предизвиква клетъчна смърт и стареене [28].

Реактивните кислородни видове (ROS) и азотният оксид (NO) също могат да бъдат важни регулатори при стареенето на HSC. Натрупването на ROS в остарели клетки предизвиква изчерпване на FOXO, активиране на NF-jB, активиране на p38-mTOR, скъсяване на теломерите, увреждане на ДНК и митохондриална дисфункция [12]. Инсулинът и IGF активират PI3K-Akt сигналния път и фосфорилират FOXO, последвано от инхибиране на експресията на антиоксиданта N-ацетил-L-цистеин [28]. След оксидативен стрес HSC повишават нивата на NO, което води до загуба на самообновяване, анормална пролиферация и злокачествено заболяване [12, 29].

2.2 BMSC в млад и стар костен мозък

BMSCs, също така обикновено наричани мезенхимни стволови клетки (BMSCs), не експресират HSC и EPC маркера CD34, но те разкриват пластични прилепнали клоногенни свойства и се диференцират в различни видове клетки, като остеобласти, хондроцити, адипоцити и миоцити, при in vitro клетъчна култура [30–32]. BMSC експресират CD73, CD90, CD105, CD29, CD44, CD71, CD106, CD120a, CD124, CD56 и CD271 на техните повърхности, но им липсват CD11b, CD14, CD117, CD19, CD34, CD45, CD79a и HLA-DR повърхност маркери [33]. Докато in vivo BMSC експресират CD146, SCA1, PDGFRa, CXCL12 и нестин, ex vivo старите BMSC експресират CD106 и CD295 [34]. Повишената експресия на CD295, лептинов рецептор, маркира апоптотични клетки и несамообновяващи се клетки.

BMSC имат капацитет за самообновяване, мобилизират се към местата на нараняване и участват в имунната модулация, заздравяването на рани и възстановяването на почти всички тъкани [34–37]. Основният физиологичен капацитет на BMSCs е имуномодулираща функция чрез освобождаване на цитокини, което изглежда е независимо от традиционната активност на стволовите клетки. При стареене капацитетът на пролиферация, потенциалът за диференциация и геномната стабилност на BMSCs намаляват. Докато са проведени обширни изследвания на стареенето на HSC, изследванията на BMSC в процеса на стареене остават недостатъчни. В остарелия костен мозък аберациите в микросредата на BMSC, като хронично възпаление, водят до мастни отлагания, които съвпадат с намаляване на мезенхимните прогенитори, костна загуба и фиброза [38]. Този зависим от възрастта спад на функцията на BMSC отслабва неговия капацитет за имунна модулация. BMSC от костния мозък на възрастни мишки показват намален капацитет за образуване на колонии. Освен това, BMSCs от остарял костен мозък показват значително намалена мобилизация, вероятно чрез регулиране надолу на фосфорилирането на JNK сигнализация [39]. Следователно, поддържането на достатъчен пул от BMSC и компетентен трафик на BMSC от костния мозък е от съществено значение за здравословна среда на костния мозък за модулиране на възпалението, а също и за улесняване на тъканната регенерация след няколко типа увреждане на периферната тъкан. При възрастните, намаленият потенциал за регенерация, засиленият автоимунен отговор и засиленият възпалителен отговор могат да бъдат тясно взаимосвързани със свързаното с възрастта разпадане и дисфункция на BMSC [38].

2.3 EPCs в костния мозък и стареенето

EPC в костния мозък и циркулиращите EPC в периферната кръв могат да се диференцират в ендотелни клетки и да образуват ендотелната обвивка на васкулатурата. Както EPCs, така и HSCs в костния мозък са получени от хемангиобласт [40]. EPCs в костния мозък експресират CD34, CD133 и VEGFR2 (KDR/Flk1). След като се преместят от костния мозък в кръвта, циркулиращите EPC губят своя прогениторен капацитет и започват ендотелна диференциация, експресирайки фактор на von Willebrand, CD31, CD144, VEcadherin и eNOS [41, 42].

EPC могат да бъдат мобилизирани от костния мозък и да играят ключова роля в възстановяването на тъканите с механизми за регенериране и поддържане на ендотела чрез регулиране на коагулацията, артериалния тонус, пропускливостта, растежа на съдовете и възпалението. С напредването на стареенето броят на EPCs и тяхната функция намалява с повишен оксидативен стрес, възпаление, стареещ фенотип окислен липопротеин с ниска плътност (ox-LDL) и скъсяване на теломерите, което в крайна сметка увеличава риска от съдови заболявания като атеросклероза и сърдечно-съдови заболявания [43]. EPCs от възрастни хора са чувствителни към оксидативен стрес, вероятно поради намалени нива и активност на антиоксидантния ензим глутатион пероксидаза -1 (GPX1), който след това намалява клетъчното оцеляване [44]. Ox-LDL, рисков фактор за сърдечно-съдови заболявания, се натрупва с възрастта и намалява преживяемостта и функцията на EPC чрез инхибиране на експресията и активността на eNOS [45]. Остарелите EPCs се идентифицират чрез способността им за оцеляване на клетките и анализа на единица, образуваща колония, въпреки че механизмите на стареене на EPC не са достатъчно проучени. Следователно дисфункцията на EPC със стареенето може също да бъде свързана със забавено възстановяване на исхемично съдово увреждане и по-висок риск от сърдечно-съдови заболявания.

3 Фактори за системно подмладяване и фактори за стареене

Системната промяна създава различия между млади и стари хора и между здрави и болни индивиди. Активните фактори в стволовите клетки могат системно и директно да повлияят на тяхната годност и да ръководят съдбите им.

Експериментите с хетерохронна парабиоза изясниха наличието на системни подмладяващи и про-стареещи фактори и техните промени с възрастта (фиг. 3). През 1864 г. френският физиолог Пол Берт провежда експерименти с хетерохронна парабиоза върху плъхове албиноси, за да изследва ефектите от стареенето. Парабиозата (от гръцките думи para „освен“ и bios „живот“) използва хирургична техника за физическо свързване на кръвоносните съдове и създаване на споделена циркулираща система за два живи организма на различна възраст [5]. През 50-те години на миналия век изследователите открили, че старите мишки са имали подмладяващ ефект, а младите мишки са имали по-кратък от средния живот между хирургичното свързване на две животни. През 70-те години експериментите с парабиоза са забранени от разпоредбите за изследвания върху животни. Въпреки това, те отново станаха активни през 2000-те години за изследване на стареенето. Скорошни изследвания на парабиоза показват, че факторите за подмладяване в кръвта могат да върнат часовника на стволовите клетки: функциите на старите стволови клетки са подмладени, а функциите на по-младите стволови клетки са отслабени, когато са били изложени съответно на млад или стар серум. Системните подмладяващи и стимулиращи стареенето фактори са обобщени в таблица 1. Факторът на диференциация на растежа (GDF) 11, окситоцин, бурсикон и HGFA са всички кандидати за системни подмладяващи фактори и C–C мотив хемокин (CCL) 11 и b2- микроглобулин (B2M) са про-стареещи фактори.

3.1 ГДФ11

Подмладяващият ефект на GDF11 е идентифициран за първи път в експерименти с парабиоза. Костният морфогенетичен протеин 11, друго име за GDF11, се съобщава като циркулиращ фактор, който обръща свързаната с възрастта сърдечна хипертрофия при мишки [6]. GDF11, член на суперсемейството на TGF-b, намалява по време на процеса на стареене. Възстановяване на младостта GDF11

Въпреки това през 2016–2017 г. бяха публикувани противоречиви прегледи, които предполагат, че GDF11 предизвиква загуба на скелетни и сърдечни мускули [48–51] и че GDF11 не намалява при плъхове или хора по време на стареене [48]. Стареенето е комплексен феномен, който продължава цял живот и се натрупва с времето. Следователно трябва да се проведат по-интензивни причинно-следствени проучвания, за да се изясни решително ролята на GDF11 като подмладяващ фактор.

【За повече информация:george.deng@wecistanche.com / WhatApp:86 13632399501】