Endogenní kmenové buňky v homeostáze a stárnutí, část 1

AbstraktníTéměř ve všech lidských tkáních a orgánech jsou dospělé kmenové buňky nebo tkáňové kmenové buňky přítomny na jedinečném místě, tzv. nike kmenových buněk nebo jejím ekvivalentu, průběžně doplňující funkční diferencované buňky. Tyto endogenní kmenové buňky mohou být expandovány pro buněčná terapeutika s použitím ex vivo buněčné kultury nebo mohou být vyvolány pro opravu tkáně in situ prostřednictvím přenosu buněk a navádění. V procesu stárnutí se může neúčinnost mechanismu hojení zprostředkovaného endogenními kmenovými buňkami objevit v důsledku různých poškození, která se hromadí v procesech sebeobnovy kmenových buněk, jejich funkce, diferenciační kapacity a přenosu prostřednictvím buněčně autonomních vnitřních drah (jako např. epigenetické změny) nebo systémové vnější cesty. Tento přehled zkoumá homeostázu endogenních kmenových buněk, zejména kmenových buněk kostní dřeně, a jejich dysregulaci při onemocnění a stárnutí a diskutuje možné intervenční strategie. Několik systémových pro-stárnutí a omlazujících faktorů, rozpoznávaných v heterochronní parabióze nebo předčasném stárnutí progeroidních zvířecích modelů, je posouzeno jako možné farmaceutické cíle proti stárnutí z pohledu zdravého prostředí pro endogenní kmenové buňky. Různé epigenetické modifikace a chromozomové architektury jsou zhodnoceny jako vnitřní buněčná cesta pro stárnutí a senescenci. Zhodnocen je také postupný nárůst zánětlivé zátěže během stárnutí. Nakonec jsou diskutovány účinky Substance-P na opravu tkání a proti stárnutí, což je peptid stimulující přenos kmenových buněk z kostní dřeně a modifikující zánětlivou odpověď jako budoucí cíl proti stárnutí.

Glykosid cistanche může také zvýšit aktivitu SOD v srdeční a jaterní tkáni a významně snížit obsah lipofuscinu a MDA v každé tkáni, účinně zachycovat různé reaktivní kyslíkové radikály (OH-, H₂O₂ atd.) a chránit před způsobeným poškozením DNA. OH-radikály. Cystanche fenylethanoidové glykosidy mají silnou schopnost vychytávání volných radikálů, vyšší redukční schopnost než vitamín C, zlepšují aktivitu SOD v suspenzi spermií, snižují obsah MDA a mají určitý ochranný účinek na funkci membrány spermií. Polysacharidy Cistanche mohou zvýšit aktivitu SOD a GSH-Px v erytrocytech a plicních tkáních experimentálně senescentních myší způsobených D-galaktózou, stejně jako snížit obsah MDA a kolagenu v plicích a plazmě a zvýšit obsah elastinu. dobrý čisticí účinek na DPPH, prodlužuje dobu hypoxie u senescentních myší, zlepšuje aktivitu SOD v séru a oddaluje fyziologickou degeneraci plic u experimentálně senescentních myší Experimenty prokázaly, že Cistanche má dobrou antioxidační schopnost s buněčnou morfologickou degenerací a má potenciál být lékem k prevenci a léčbě nemocí stárnutí kůže. Zároveň má echinakosid v Cistanche významnou schopnost vychytávat volné radikály DPPH a dokáže vychytávat reaktivní formy kyslíku, bránit volnými radikály indukované degradaci kolagenu a má také dobrý opravný účinek na poškození aniontů volnými radikály thyminu.

Klikněte na Cistanche Herba

【Další informace:george.deng@wecistanche.com / WhatApp:{0}}】

Klíčová slovaHematopoetická kmenová buňka · Kmenová buňka kostní dřeně · Endoteliální prekurzorová buňka · Omlazení stárnutím

1. Úvod

Stárnutí je přirozený jev vyznačující se progresivním snižováním homeostatických a regeneračních funkcí těla, včetně stárnutí funkcí kmenových buněk [1]. Nedávné studie mezi mladými a starými zvířaty a lidmi odhalily změny související s věkem ve vlastnostech kmenových buněk, velikosti kmene kmenových buněk a diverzitě diferenciace [2–4]. Ve stáří se hromadí buněčně autonomní epigenetické změny v kmenových buňkách, které mohou způsobit stárnutí kmenových/progenitorových buněk a snížit jak zásobu kmenových buněk, tak funkci kmenových buněk. Experimenty s heterochronní parabiózou mezi mladými a starými zvířaty prokázaly existenci změn souvisejících s věkem v systémovém a místním prostředí, včetně systémových omlazujících faktorů a faktorů podporujících stárnutí [5–7], které by mohly řídit funkci a délku života endogenních kmenových buněk a kmenových buněk. buněčné výklenky. Experimenty odhalily zvýšení zánětlivých cytokinů a chronický zánět [8–10] související s věkem, což by také mohlo ovlivnit funkci kmenových buněk, niku kmenových buněk, obchodování s kmenovými buňkami a diverzitu diferenciace. Tyto zprávy o stárnutí a degenerativních onemocněních, jako je Parkinsonova choroba, Alzheimerova choroba, diabetes, chronické vaskulární onemocnění a osteoartritida, poukázaly na možné souvislosti mezi stavem kmenových buněk a etiologií onemocnění a mezi stavem kmenových buněk a očekávanou délkou života.

V roce 2013 Carlos Lopez-Otin a spol. [2] identifikovali a kategorizovali devět buněčných a molekulárních znaků, které přispívají k procesu stárnutí: genomovou nestabilitu, opotřebování telomer, epigenetické změny, ztrátu proteostázy, deregulované snímání živin, mitochondriální dysfunkci, buněčné stárnutí, vyčerpání kmenových buněk a změněnou mezibuněčnou komunikaci. Většina poškození a zhoršování souvisejících s věkem se postupně hromadí v průběhu času, což bylo rozsáhle studováno v oblasti rakoviny, metabolických onemocnění a degenerativních onemocnění. Zejména koncept vyčerpání kmenových buněk prostřednictvím buněčně autonomních vnitřních drah nebo vnějších cest by mohl vysvětlit integrační důsledky více typů poškození souvisejících se stárnutím a pokles regeneračního potenciálu [11, 12]. Progeroidní myši a nedávné experimenty s parabiózou na mladých a starých myších ukázaly, že systémové faktory, jako je aktivátor hepatocytárního růstového faktoru (HGFA), které se hojně vyskytují u mladých myší, mohou zvrátit pokles funkce nervových a svalových kmenových buněk nalezený u starých nebo progeroidních myší [13] –15]. Tyto klíčové práce navrhují, že systémové vnější faktory, působící jako farmakologická intervence, by mohly stimulovat omlazení kmenových buněk a zvrátit fenotyp stárnutí.

Tento přehled pojednává o endogenních kmenových buňkách in vivo, zejména o kmenových buňkách kostní dřeně, jako jsou hematopoetické kmenové buňky (HSC), stromální (nebo mezenchymální) kmenové buňky kostní dřeně (BMSC) a endoteliální prekurzorové buňky (EPC), na základě jejich ontogeneze, normální funkce a funkční změny související s věkem. Za druhé, změny v systémových faktorech související s věkem, kandidáty na faktory proti stárnutí nebo pro-stárnutí, jsou zvažovány pro jejich možné vazby na homeostázu kmenových buněk a stárnutí a pro jejich potenciál jako farmakologické cíle pro zpomalení nebo kontrolu procesu stárnutí. Za třetí jsou přezkoumány změny související s věkem ve výklenku kmenových buněk kostní dřeně. Za čtvrté, epigenetické změny kmenových buněk během stárnutí, tzv. buněčné autonomní stárnutí kmenových buněk, jsou přezkoumány a diskutovány z hlediska modifikace histonů, metylace DNA a nekódující RNA. Za páté, jsou diskutovány účinky zesílených zánětlivých reakcí během stárnutí, zejména u degenerativních onemocnění souvisejících s věkem a při opravě defektních tkání. Závěry a perspektivy budoucího výzkumu zahrnují zvážení toho, zda stárnutí endogenních kmenových buněk a jejich prostředí lze kontrolovat a nové farmakologické cíle pro lidské zdraví.

2 Endogenní kmenové buňky v kostní dřeni a stárnutí

Homeostáza, tkáňová oprava a regenerace jsou nepřetržitě udržovány a stimulovány endogenními tkáňovými kmenovými buňkami v těle. Kostní dřeň je rezervoárem kmenových buněk pro HSC, BMSC, EPC a další kmenové buňky, které dosud nebyly identifikovány. Kmenové buňky v kostní dřeni se životně podílejí na regeneraci tkání a stárnutí nebo ztráta funkce těchto kmenových buněk je hlavní příčinou selhání tkáňové homeostázy a opravy (obr. 1) [4].

HSC nepřetržitě zásobují krevní buňky, včetně imunitních buněk, červených krvinek a bílých krvinek, po celý život. Hematopoetická dysfunkce se objevuje ve věku, což má za následek sníženou adaptivní imunitní odpověď a zvýšené myeloidní odpovědi a anémii. Výrazná alterace související se stárnutím, tzv. inflammaging, doutnající prozánětlivý fenotyp [9, 16], může být také výsledkem dysfunkce HSC nebo ztráty diverzity diferenciace. BMSC jsou stromální buňky v kostní dřeni, které mohou podporovat hematopoézu jako nikové buňky kmenových buněk a také osteogenezi pro tvorbu kosti. Ve stáří také BMSC klesají a jejich diferenciační potenciál se vychyluje směrem k adipogenezi, což vede ke žluté dřeni a osteoporóze. EPC, prekurzory endoteliálních buněk, také klesají během stárnutí, což způsobuje poškození vaskulární opravy a zhoršenou funkci vaskulární niky pro HSC.

2.1 Definice HSC/ontogeneze/stárnutí

HSC jsou jediné buňky, které mohou produkovat celou krevní linii. Každou hodinu po celý život vytvářejí * 1 9 1010 červených krvinek a * 1 9 108 bílých krvinek [11]. Tento nepřetržitý proces produkce zralých krvinek, nazývaný hematopoéza, zahrnuje proliferaci, sebeobnovu a diferenciaci HSC a výstup zralých progenitorových buněk do cirkulující krve [12]. Hematopoéza se vyskytuje v ontogenetických tocích. Primitivní fáze a definitivní fáze produkují skutečné HSC. Výskyt primitivních HSC začíná ve žloutkovém váčku 30 dnů po početí u lidí a E7,5 u myší a poté se přesouvá do alantois a placenty. Ve 4 týdnech po početí (wpc) u lidí a E10,5 u myší leží HSC v aorta-gonádovém mesonefros, oblasti embryonálního mezodermu, která dává vznik definitivním HSC. HSC jsou následně vysety do placenty, brzlíku a jater při 5 wpc u lidí a E11 u myší, do sleziny při 8 wpc u lidí a E14 u myší a do kostní dřeně při 12 wpc u lidí a E18 u myší. Po narození existují HSC pouze v kostní dřeni a brzlíku a kostní dřeň podporuje většinu krvetvorby [17]. HSC dávají vzniknout jak běžným myeloidním progenitorovým buňkám (CMP), tak běžným lymfoidním progenitorům (CLP), které generují všechny krevní buňky. CMP se diferencují na monocyty, makrofágy, dendritické buňky, neutrofily, bazofily, eozinofily, erytrocyty, megakaryocyty a krevní destičky. CLP se diferencují na T buňky, B buňky a NK buňky (obr. 2).

Hierarchii HSC lze definovat na základě kapacity repopulace kostní dřeně, diferenciačního potenciálu a exprese více povrchových markerů. V roce 1994 Spangrude a kol. [18, 19] rozdělili populaci HSC na tři multipotentní typy: dlouhodobé (LT)-HSC, krátkodobé (ST)- HSC a multipotentní progenitory (MPP). Identifikovali tyto buňky pomocí různorodého shluku diferenciačních markerů, jako jsou CD34, CD38, CD90, CD133, CD105, CD45 a c-kit faktoru kmenových buněk. V roce 2005 Morrison et al., aby identifikovali funkčně odlišnou subpopulaci HSC od nesamoobnovujících se MPP. [20, 21] uvedli, že rodina receptorů aktivujících signální lymfocyty (SLAM) včetně CD150 (slamf1), CD48 (slamf2), CD229 (slamf3) a CD224 (slamf4) byla rozdílně exprimována mezi funkčně odlišnými kmenovými buňkami a progenitorovými buňkami. u myší. Kromě toho lze k izolaci HSC s malou velikostí buněk použít slabé barvení vitálními barvivy, jako je Hoechst 33342 (vedlejší populace) nebo rhodamin 123. Schopnost hematopoetických progenitorů proliferovat a diferencovat se do kolonií se zkoumá pomocí testu jednotky tvořící kolonie (CFU) s použitím polotuhého média na bázi methylcelulózy v reakci na stimulaci cytokinů pro lymfocyty (CFU-L), pre-B buňky (CFU- Pre-B), granulocyty, erytrocyty, makrofágy a megakaryocyty (CFU-GEMM). K identifikaci stavu buněčného cyklu se používá značení Ki-67, analýza začlenění BrdU a systém indikátoru buněčného cyklu založený na fluorescenci ubikvitinace (Fucci). Pomocí fúze fluorescenčních proteinů s proteiny geminin, cdt1 a p27 specifické pro buněčný cyklus může Fucci systém vizualizovat buňky barvením buněčných jader ve fázích G1, S/G2/M a G0 buněčného cyklu v azurové, zelená, respektive červená [22].

Byly hlášeny různé buněčné a molekulární změny HSC a hematopoézy související s věkem. Ve funkci HSC vede stárnutí k nadměrné proliferaci HSC, zatímco stárnutí snižuje počet kmenových buněk a aktivitu buněčného cyklu v kmenových buňkách kosterního svalstva, zárodečných kmenových buňkách a nervových kmenových buňkách [1, 23]. Jak jsou tyto změny kontrolovány a regulovány, zůstává nejasné. Bylo však hlášeno, že stárnoucí HSC vykazovaly sníženou sebeobnovu, ztrátu polarity buněk, únik do krevního řečiště, zhoršenou schopnost navádění a myeloidní a trombocytární diferenciaci [12, 24].

Změny v systémových faktorech, intracelulárních signálních drahách a molekulách řídících buněčný cyklus související s věkem se také zdají být zapojeny do sebeobnovy a diferenciace HSC. TGF-b1 zvyšuje myeloidní diferenciaci spíše než lymfoidní diferenciaci [25] a chromatinový regulátor Satb1, který je indukován během lymfoidní diferenciace, u starších HSC klesá [26]. Starší HSC aktivují nekanonickou Wnt signální dráhu namísto kanonické Wnt dráhy, což zvyšuje expresi Wnt5a a aktivuje polaritu kontrolního proteinu 42 buněčného dělení (Cdc42). Regulace polarity a distribuce Cdc42 je důležitá pro regenerační kapacitu a homing kostní dřeně [27]. Ve stáří jsou také aktivovány kontrolní body buněčného cyklu, jako jsou p16INK4a, BCL-2, BATF a p53. Zrušení p16INK4a zvyšuje regenerační potenciál kmenových buněk z kostní dřeně a mozku a nízká hladina p53 podporuje udržování kmenových buněk, zatímco vysoká hladina indukuje buněčnou smrt a stárnutí [28].

Reaktivní formy kyslíku (ROS) a oxid dusnatý (NO) by také mohly být důležitými regulátory stárnutí HSC. Akumulace ROS ve stárnoucích buňkách indukuje depleci FOXO, aktivaci NF-jB, aktivaci p38-mTOR, zkrácení telomer, poškození DNA a mitochondriální dysfunkci [12]. Inzulín a IGF aktivují signální dráhu PI3K-Akt a fosforylují FOXO s následnou inhibicí exprese antioxidantu N-acetyl-L-cysteinu [28]. Po oxidativním stresu HSC zvyšují hladiny NO, což má za následek ztrátu sebeobnovy, abnormální proliferaci a malignitu [12, 29].

2.2 BMSC v mladé a staré kostní dřeni

BMSC, obecně nazývané také mezenchymální kmenové buňky (BMSC), neexprimují HSC a EPC marker CD34, ale vykazují plastické adherentní klonogenní vlastnosti a diferencují se na různé typy buněk, jako jsou osteoblasty, chondrocyty, adipocyty a myocyty. in vitro buněčná kultura [30–32]. BMSC exprimují na svém povrchu CD73, CD90, CD105, CD29, CD44, CD71, CD106, CD120a, CD124, CD56 a CD271, ale postrádají povrch CD11b, CD14, CD117, CD19, CD34, CD45, CD79a a HLA-DR markery [33]. Zatímco in vivo BMSC exprimují CD146, SCA1, PDGFRa, CXCL12 a nestin, ex vivo staré BMSC exprimují CD106 a CD295 [34]. Zvýšená exprese CD295, leptinového receptoru, označuje apoptotické buňky a buňky, které se neobnovují.

BMSC mají schopnost sebeobnovy, mobilizují se do míst poranění a účastní se imunitní modulace, hojení ran a opravy téměř všech tkání [34–37]. Hlavní fyziologickou kapacitou BMSC je imunitní modulační funkce uvolňováním cytokinů, která se zdá být nezávislá na tradiční aktivitě kmenových buněk. V průběhu stárnutí klesá proliferační kapacita, diferenciační potenciál a genomová stabilita BMSC. Zatímco byl proveden rozsáhlý výzkum stárnutí HSC, výzkum BMSC v procesu stárnutí zůstává nedostatečný. Ve staré kostní dřeni mají aberace v mikroprostředí BMSC, jako je chronický zánět, za následek ukládání tuku, které se shoduje s poklesem mezenchymálních progenitorů, úbytkem kostní hmoty a fibrózou [38]. Tento věkem závislý pokles funkce BMSC oslabuje jeho imunitní modulační kapacitu. BMSC z kostní dřeně starých myší vykazovaly sníženou schopnost tvořit kolonie. Navíc BMSC ze staré kostní dřeně vykazovaly výrazně sníženou mobilizaci, pravděpodobně prostřednictvím downregulace fosforylace signalizace JNK [39]. Proto je udržování dostatečného množství BMSC a kompetentní přenos BMSC z kostní dřeně zásadní pro prostředí zdravé dřeně pro modulaci zánětu a také pro usnadnění regenerace tkáně po několika typech poškození periferní tkáně. U starších pacientů může být snížený regenerační potenciál, zesílená autoimunitní odpověď a zesílená zánětlivá odpověď silně propojena s věkem souvisejícím rozpadem a dysfunkcí BMSC [38].

2.3 EPC v kostní dřeni a stárnutí

EPC v kostní dřeni a cirkulující EPC v periferní krvi se mohou diferencovat na endoteliální buňky a tvořit endoteliální výstelku vaskulatury. EPC i HSC v kostní dřeni pocházejí z hemangioblastu [40]. EPC v kostní dřeni exprimují CD34, CD133 a VEGFR2 (KDR/Flk1). Po přesunu z kostní dřeně do krve ztrácejí cirkulující EPC svou progenitorovou kapacitu a začínají endoteliální diferenciaci, exprimují von Willebrandův faktor, CD31, CD144, VEcadherin a eNOS [41, 42].

EPC mohou být mobilizovány z kostní dřeně a hrají klíčovou roli při opravě tkáně s mechanismy pro regeneraci a udržování endotelu regulací koagulace, arteriálního tonu, permeability, růstu cév a zánětu. S postupujícím stárnutím se počet EPC a jejich funkce snižuje se zvýšeným oxidačním stresem, zánětem, senescentním fenotypem oxidovaného lipoproteinu s nízkou hustotou (ox-LDL) a zkracováním telomer, což nakonec zvyšuje riziko vaskulárních onemocnění, jako je ateroskleróza a kardiovaskulární onemocnění. [43]. EPC ze starých lidí jsou citlivé na oxidační stres, pravděpodobně kvůli sníženým hladinám a aktivitě antioxidačního enzymu glutathionperoxidázy-1 (GPX1), který pak snižuje přežití buněk [44]. Ox-LDL, rizikový faktor kardiovaskulárních onemocnění, se s věkem hromadí a inhibicí exprese a aktivity eNOS snižuje přežití a funkci EPC [45]. Stárnuté EPC se identifikují podle jejich schopnosti přežít buňky a pomocí testu jednotky tvořící kolonie, i když mechanismy stárnutí EPC nebyly dostatečně prostudovány. Dysfunkce EPC se stárnutím by proto mohla být také propojena s opožděnou reparací ischemického vaskulárního poškození a vyšším rizikem kardiovaskulárních onemocnění.

3 Systémové faktory omlazení a faktory pro-stárnutí

Systémové změny vytvářejí rozdíly mezi mladými a starými lidmi a mezi zdravými a nemocnými jedinci. Aktivní faktory v kmenových buňkách mohou systémově a přímo ovlivňovat jejich zdatnost a řídit jejich osudy.

Experimenty s heterochronní parabiózou objasnily přítomnost systémových omlazujících a pro-aging faktorů a jejich změny s věkem (obr. 3). V roce 1864 provedl francouzský fyziolog Paul Bert experimenty s heterochronní parabiózou na albínských krysách, aby studoval účinky stárnutí. Parabióza (z řeckých slov para ''vedle'' a bios ''život'') používá chirurgickou techniku ​​k fyzickému spojení krevních cév a vytvoření sdíleného oběhového systému pro dva živé organismy různého věku [5]. V padesátých letech minulého století vědci zjistili, že staré myši zaznamenaly omlazující účinky a mladé myši měly kratší než průměrnou délku života mezi chirurgickým spojením dvou zvířat. V 70. letech byly experimenty s parabiózou zakázány předpisy pro výzkum na zvířatech. V roce 2000 se však znovu aktivizovali pro výzkum stárnutí. Nedávné studie parabiózy ukázaly, že omlazovací faktory v krvi mohou vrátit zpět hodiny kmenových buněk: funkce starých kmenových buněk byly omlazeny a funkce mladších kmenových buněk byly oslabeny, když byly vystaveny mladému nebo starému séru. Systémové omlazující faktory a faktory podporující stárnutí jsou shrnuty v tabulce 1. Růstový diferenciační faktor (GDF) 11, oxytocin, bursikon a HGFA jsou všechny kandidátní systémové omlazující faktory a chemokin C–C motiv (CCL) 11 a b2- mikroglobulin (B2M) jsou faktory pro stárnutí.

3.1 GDF11

Omlazující účinek GDF11 byl poprvé identifikován v experimentech s parabiózou. Kostní morfogenetický protein 11, jiný název pro GDF11, byl popsán jako cirkulující faktor, který zvrátil věkem podmíněnou srdeční hypertrofii u myší [6]. GDF11, člen superrodiny TGF-b, se během procesu stárnutí snižuje. Obnovení mladistvého GDF11

V letech 2016–2017 však byly publikovány protichůdné přehledy naznačující, že GDF11 indukuje chřadnutí kosterního a srdečního svalu [48–51] a že GDF11 u potkanů ​​ani lidí během stárnutí neklesá [48]. Stárnutí je celoživotní, komplexní jev, který se v průběhu času hromadí. Proto by měly být provedeny intenzivnější studie příčin a následků, aby se rozhodně rozvinula úloha GDF11 jako omlazujícího faktoru.

【Další informace:george.deng@wecistanche.com / WhatApp:{0}}】