Celulele stem endogene în homeostazie și îmbătrânire Partea 1

AbstractÎn aproape toate țesuturile și organele umane, celulele stem adulte sau celulele stem tisulare sunt prezente într-o locație unică, așa-numita nișă de celule stem sau echivalentul său, completând continuu celulele funcționale diferențiate. Acele celule stem endogene pot fi extinse pentru terapie celulară utilizând culturi celulare ex vivo sau rechemate pentru repararea țesuturilor in situ prin traficul de celule și homing. În procesul de îmbătrânire, ineficiența mecanismului de vindecare mediat de celule stem endogene poate apărea dintr-o varietate de deficiențe care se acumulează în procesele de auto-reînnoire a celulelor stem, funcție, capacitatea de diferențiere și traficul prin căi intrinseci autonome de celule (cum ar fi alterari epigenetice) sau cai extrinseci sistemice. Această revizuire examinează homeostazia celulelor stem endogene, în special a celulelor stem din măduva osoasă, și dereglarea acestora în boli și îmbătrânire și discută posibile strategii de intervenție. Mai mulți factori sistemici pro-îmbătrânire și întinerire, recunoscuți în parabioza heterocronică sau modelele animale progeroide de îmbătrânire prematură, sunt analizați ca posibile ținte farmaceutice anti-îmbătrânire din perspectiva unui mediu sănătos pentru celulele stem endogene. O varietate de modificări epigenetice și arhitecturi cromozomiale sunt revizuite ca o cale celulară intrinsecă pentru îmbătrânire și senescență. O creștere treptată a sarcinii inflamatorii în timpul îmbătrânirii este, de asemenea, revizuită. În cele din urmă, repararea țesuturilor și efectele anti-îmbătrânire ale Substanței-P, o peptidă care stimulează traficul de celule stem din măduva osoasă și modifică răspunsul inflamator, sunt discutate ca o viitoare țintă anti-îmbătrânire.

Glicozidul cistanchei poate crește, de asemenea, activitatea SOD în țesuturile inimii și hepatice și poate reduce semnificativ conținutul de lipofuscină și MDA din fiecare țesut, eliminând eficient diferiți radicali reactivi de oxigen (OH-, H₂O₂ etc.) și protejând împotriva daunelor cauzate de ADN. de radicalii OH. Glicozidele feniletanoide Cistanche au o capacitate puternică de captare a radicalilor liberi, o capacitate de reducere mai mare decât vitamina C, îmbunătățește activitatea SOD în suspensia de spermă, reduc conținutul de MDA și au un anumit efect protector asupra funcției membranei spermatozoizilor. Polizaharidele Cistanche pot spori activitatea SOD și GSH-Px în eritrocite și țesuturi pulmonare ale șoarecilor senescenți experimental cauzate de D-galactoză, precum și pot reduce conținutul de MDA și colagen în plămâni și plasmă și pot crește conținutul de elastină, au un bun efect de curățare asupra DPPH, prelungește timpul de hipoxie la șoarecii senescenți, îmbunătățește activitatea SOD în ser și întârzie degenerarea fiziologică a plămânilor la șoarecii senescenți experimental. Cu degenerarea morfologică celulară, experimentele au arătat că Cistanche are o bună capacitate antioxidantă. și are potențialul de a fi un medicament pentru prevenirea și tratarea bolilor de îmbătrânire a pielii. În același timp, echinacozidul din Cistanche are o capacitate semnificativă de a elimina radicalii liberi DPPH și poate elimina speciile reactive de oxigen, poate preveni degradarea colagenului indusă de radicalii liberi și, de asemenea, are un efect bun de reparare asupra daunelor anionice a radicalilor liberi de timină.

Faceți clic pe Cistanche Herba

【Pentru mai multe informații:george.deng@wecistanche.com / WhatApp:86 13632399501】

Cuvinte cheieCelula stem hematopoietică · Celulă stem măduvă osoasă · Celulă precursoare endotelială · Întinerirea îmbătrânirii

1. Introducere

Îmbătrânirea este un fenomen natural marcat de o scădere progresivă a funcțiilor homeostatice și regenerative ale unui organism, inclusiv deteriorarea legată de vârstă a funcțiilor celulelor stem [1]. Studii recente între animalele tinere și bătrâne și oameni au dezvăluit modificări legate de vârstă ale trăsăturilor celulelor stem, mărimea pool-ului de celule stem și diversitatea de diferențiere [2-4]. La vârstnici, se acumulează modificări epigenetice autonome de celule în celulele stem, care pot cauza senescența celulelor stem/progenitoare și pot reduce atât acumularea de celule stem, cât și funcția celulelor stem. Experimentele de parabioză heterocronică între animale tinere și bătrâne au demonstrat existența unor modificări legate de vârstă în mediile sistemice și locale, inclusiv factorii sistemici de întinerire și pro-îmbătrânire [5-7], care ar putea controla funcția și durata de viață a celulelor stem endogene și a celulelor stem. nișele celulare. Mai proeminent, experimentele au dezvăluit creșterea legată de vârstă a citokinelor inflamatorii și inflamația cronică [8–10], care ar putea afecta, de asemenea, funcția celulelor stem, nișa celulelor stem, traficul de celule stem și diversitatea de diferențiere. Aceste rapoarte despre îmbătrânire și boli degenerative, cum ar fi boala Parkinson, boala Alzheimer, diabetul, bolile vasculare cronice și osteoartrita au evidențiat posibile legături între starea celulelor stem și etiologia bolii și între starea celulelor stem și speranța de viață.

În 2013, Carlos Lopez-Otin și colab. [2] au identificat și clasificat nouă semne distinctive celulare și moleculare care contribuie la procesul de îmbătrânire: instabilitatea genomică, uzura telomerilor, modificări epigenetice, pierderea proteostazei, dereglarea sensibilității nutrienților, disfuncția mitocondrială, senescența celulară, epuizarea celulelor stem și comunicarea intercelulară alterată. Cele mai multe daune și deteriorare legate de vârstă se acumulează treptat în timp, ceea ce a fost studiat pe larg în domeniile cancerului, bolilor metabolice și bolilor degenerative. În special, conceptul de epuizare a celulelor stem, prin căi intrinseci autonome de celule sau căi extrinseci, ar putea explica consecințele integrative ale multiplelor tipuri de daune asociate îmbătrânirii și scăderea potențialului regenerativ [11, 12]. Șoarecii progeroid și experimentele recente de parabioză folosind șoareci tineri și bătrâni au demonstrat că factori sistemici, cum ar fi activatorul factorului de creștere a hepatocitelor (HGFA), care sunt abundenți la șoarecii tineri, pot inversa declinul funcției celulelor stem neuronale și musculare găsite la șoarecii bătrâni sau progeroidi [13]. –15]. Aceste lucrări seminale propun că factorii extrinseci sistemici, acționând ca o intervenție farmacologică, ar putea stimula întinerirea celulelor stem și ar inversa fenotipul de îmbătrânire.

Această revizuire discută despre celulele stem endogene in vivo, în special celulele stem din măduva osoasă, cum ar fi celulele stem hematopoietice (HSC), celulele stem stromale (sau mezenchimale) din măduva osoasă (BMSC) și celulele precursoare endoteliale (EPC), pe baza ontogeniei lor, normală. funcții și modificări funcționale legate de vârstă. În al doilea rând, modificările legate de vârstă ale factorilor sistemici, candidați pentru factori anti-îmbătrânire sau pro-îmbătrânire, sunt luate în considerare pentru posibilele lor legături cu homeostazia și îmbătrânirea celulelor stem și pentru potențialul lor ca ținte farmacologice de a întârzia sau controla procesul de îmbătrânire. În al treilea rând, sunt revizuite modificările legate de vârstă în nișa celulelor stem din măduva osoasă. În al patrulea rând, modificările epigenetice ale celulelor stem în timpul îmbătrânirii, așa-numita îmbătrânire celulară autonomă a celulelor stem, sunt revizuite și discutate în ceea ce privește modificarea histonelor, metilarea ADN-ului și ARN-ul necodant. În al cincilea rând, sunt discutate efectele răspunsurilor inflamatorii îmbunătățite în timpul îmbătrânirii, în special în bolile degenerative legate de vârstă și repararea defectuoasă a țesuturilor. Concluziile și perspectivele pentru cercetările viitoare includ o luare în considerare a faptului dacă deteriorarea legată de vârstă a celulelor stem endogene și a mediului lor poate fi controlată și noi ținte farmacologice pentru sănătatea umană.

2 Celulele stem endogene din măduva osoasă și îmbătrânirea

Homeostazia, repararea țesuturilor și regenerarea sunt menținute și stimulate continuu de celulele stem ale țesuturilor endogene din organism. Măduva osoasă este un rezervor de celule stem pentru HSC, BMSC, EPC și alte celule stem care nu au fost încă identificate. Celulele stem din măduva osoasă sunt implicate vital în regenerarea țesuturilor, iar senescența sau pierderea funcției acestor celule stem este principala cauză a eșecului în homeostazia și repararea țesuturilor (Fig. 1) [4].

HSC-urile furnizează continuu celule sanguine, inclusiv celule imunitare, celule roșii din sânge și celule albe din sânge, de-a lungul vieții. Disfuncția hematopoietică apare în vârstă, ceea ce duce la scăderea răspunsului imun adaptativ și creșterea răspunsurilor mieloide și anemie. O alterare proeminentă asociată îmbătrânirii, așa-numita inflamație, un fenotip proinflamator mocnit [9, 16], ar putea rezulta și din disfuncția HSC sau din pierderea diversității de diferențiere. BMSC-urile sunt celule stromale din măduva osoasă care ar putea sprijini hematopoieza ca celule de nișă a celulelor stem, precum și osteogeneza pentru formarea osului. La vârstnici, BMSC-urile de asemenea scad, iar potențialul lor de diferențiere se înclină spre adipogeneză, rezultând măduvă galbenă și osteoporoză. EPC, precursori ai celulelor endoteliale, de asemenea, scad în timpul îmbătrânirii, provocând afectarea reparării vasculare și afectarea funcției de nișă vasculară pentru HSC.

2.1 Definiția HSC/ontogenie/îmbătrânire

HSC-urile sunt singurele celule care pot produce întreaga linie de celule sanguine. Acestea generează * 1 9 1010 globule roșii și * 1 9 108 globule albe în fiecare oră de-a lungul vieții [11]. Acest proces continuu de producere a celulelor sanguine mature, numit hematopoieză, implică proliferarea, auto-reînnoirea și diferențierea HSC și ieșirea celulelor progenitoare mature în sângele circulant [12]. Hematopoieza are loc în fluxurile ontogenetice. Fazele primitive și fazele definitive produc HSC adevărate. Apariția HSC-urilor primitive începe în sacul vitelin la 30 de zile după concepție la om și E7.5 la șoareci și apoi se mută la alantois și placentă. La 4 săptămâni post-concepție (wpc) la om și E10.5 la șoareci, HSC-urile se află în mezonefrul aorta-gonad, o regiune a mezodermului embrionar care dă naștere la HSC definitive. HSC-urile sunt apoi însămânțate în placentă, timus și ficat la 5 wpc la oameni și E11 la șoareci, în splină la 8 wpc la om și E14 la șoareci și în măduva osoasă la 12 wpc la om și E18 la șoareci. După naștere, HSC există numai în măduva osoasă și timus, iar măduva osoasă susține majoritatea hematopoiezei [17]. HSC-urile dau naștere atât la celule progenitoare mieloide comune (CMP) cât și la progenitoare limfoide comune (CLP) pentru a genera toate celulele sanguine. CMP se diferențiază în monocite, macrofage, celule dendritice, neutrofile, bazofile, eozinofile, eritrocite, megacariocite și trombocite. CLP-urile se diferențiază în celule T, celule B și celule NK (Fig. 2).

O ierarhie HSC poate fi definită pe baza capacității de repopulare a măduvei osoase, a potențialului de diferențiere și a expresiei markerilor de suprafață multiple. În 1994, Spangrude et al. [18, 19] au împărțit populația de HSC-uri în trei tipuri multipotenți: pe termen lung (LT)-HSC, pe termen scurt (ST)-HSC și progenitori multipotenți (MPP). Ei au identificat acele celule folosind un grup divers de markeri de diferențiere, cum ar fi CD34, CD38, CD90, CD133, CD105, CD45 și factorul de celule stem c-kit. În 2005, pentru a identifica subpopulația distinctă din punct de vedere funcțional a HSC-urilor de la MPP-uri care nu se auto-reînnoiesc, Morrison și colab. [20, 21] au raportat că familia de receptori a moleculei de activare a limfocitelor de semnalizare (SLAM), inclusiv CD150 (slamf1), CD48 (slamf2), CD229 (slamf3) și CD224 (slamf4) a fost exprimată diferențial între celulele stem și celulele progenitoare funcțional distincte. la soareci. În plus, colorarea slabă cu coloranți vitali, cum ar fi Hoechst 33342 (populație secundară) sau rodamină 123 poate fi utilizată pentru a izola HSC-uri cu celule de dimensiuni mici. Capacitatea progenitorilor hematopoietici de a prolifera și de a se diferenția în colonii este examinată cu testul unității formatoare de colonii (CFU) folosind medii semisolide pe bază de metilceluloză, ca răspuns la stimularea citokinelor pentru limfocite (CFU-L), celule pre-B (CFU-). Pre-B), granulocite, eritrocite, macrofage și megacariocite (CFU-GEMM). Pentru a identifica starea ciclului celular, se utilizează etichetarea Ki-67, analiza încorporării BrdU și sistemul de indicator al ciclului celular (Fucci) bazat pe fluorescență ubiquitinare. Folosind fuziunea proteinelor fluorescente cu proteinele specifice ciclului celular geminin, cdt1 și p27, sistemul Fucci poate vizualiza celulele prin colorarea nucleilor celulari în fazele G1, S/G2/M și G0 ale ciclului celular în cyan, verde și, respectiv, roșu [22].

Au fost raportate o varietate de modificări celulare și moleculare legate de vârstă în HSC și hematopoieză. În funcția HSC, îmbătrânirea duce la supraproliferarea HSC, în timp ce îmbătrânirea scade numărul de celule stem și activitatea ciclului celular în celulele stem ale mușchilor scheletici, celulele stem germinale și celulele stem neuronale [1, 23]. Modul în care aceste schimbări sunt controlate și reglementate rămâne neclar. Cu toate acestea, s-a raportat că HSC-urile îmbătrânite au arătat o scădere a auto-reînnoirii, pierderea polarității celulare, ieșirea în fluxul sanguin, capacitatea de homing afectată și diferențierea mieloidă și trombocitară [12, 24].

Modificările legate de vârstă în factorii sistemici, căile de semnalizare intracelulară și moleculele care controlează ciclul celular par, de asemenea, să fie implicate în diversitatea de auto-reînnoire și diferențiere a HSC. TGF-b1 îmbunătățește diferențierea mieloidă mai degrabă decât diferențierea limfoidă [25], iar regulatorul cromatinei Satb1, care este indus în timpul diferențierii limfoide, scade în HSC-urile îmbătrânite [26]. HSC-urile în vârstă activează calea de semnalizare non-canonică Wnt în loc de calea canonică Wnt, care crește expresia Wnt5a și activează polaritatea proteinei de control al diviziunii celulare 42 (Cdc42). Reglarea polarității și distribuției Cdc42 este importantă pentru capacitatea de regenerare și homing-ul măduvei osoase [27]. De asemenea, la bătrâni, punctele de control ale ciclului celular, cum ar fi p16INK4a, BCL-2, BATF și p53 sunt activate. Eliminarea p16INK4a crește potențialul de regenerare al celulelor stem din măduva osoasă și creier, iar un nivel scăzut de p53 promovează menținerea celulelor stem, în timp ce un nivel ridicat induce moartea celulelor și senescența [28].

Speciile reactive de oxigen (ROS) și oxidul nitric (NO) ar putea fi, de asemenea, regulatori importanți în îmbătrânirea HSC. Acumularea de ROS în celulele îmbătrânite induce epuizarea FOXO, activarea NF-jB, activarea p38-mTOR, scurtarea telomerilor, deteriorarea ADN-ului și disfuncția mitocondrială [12]. Insulina și IGF activează calea de semnalizare PI3K-Akt și fosforilează FOXO, urmată de inhibarea exprimării anti-oxidantului N-acetil-L-cisteină [28]. După stresul oxidativ, HSC-urile cresc nivelul de NO, ceea ce duce la pierderea auto-reînnoirii, proliferarea anormală și malignitatea [12, 29].

2.2 BMSC în măduva osoasă tânără și bătrână

BMSC, denumite în general și celule stem mezenchimale (BMSC), nu exprimă HSC și markerul EPC CD34, dar dezvăluie proprietăți clonogene plastice aderente și se diferențiază într-o varietate de tipuri de celule, cum ar fi osteoblaste, condrocite, adipocite și miocite, după cultura celulară in vitro [30–32]. BMSC exprimă CD73, CD90, CD105, CD29, CD44, CD71, CD106, CD120a, CD124, CD56 și CD271 pe suprafața lor, dar le lipsește suprafața CD11b, CD14, CD117, CD19, CD34, CD45, CD79a și HLA-DR. markeri [33]. În timp ce BMSC-urile in vivo exprimă CD146, SCA1, PDGFRa, CXCL12 și nestin, BMSC-urile în vârstă ex vivo exprimă CD106 și CD295 [34]. Expresia îmbunătățită a CD295, un receptor de leptină, marchează celulele apoptotice și celulele care nu se auto-reînnoiesc.

BMSC-urile au capacitate de auto-reînnoire, se mobilizează la locurile de leziune și participă la modularea imună, vindecarea rănilor și repararea aproape tuturor țesuturilor [34-37]. Principala capacitate fiziologică a BMSC este o funcție de modulație imună prin eliberarea de citokine, care pare să fie independentă de activitatea tradițională a celulelor stem. În îmbătrânire, capacitatea de proliferare, potențialul de diferențiere și stabilitatea genomică a BMSC scad. În timp ce s-au efectuat cercetări extinse privind îmbătrânirea HSC, cercetarea privind BMSC în procesul de îmbătrânire rămâne insuficientă. În măduva osoasă îmbătrânită, aberațiile din micromediul BMSC, cum ar fi inflamația cronică, duc la depozite de grăsime care coincid cu o scădere a progenitorilor mezenchimale, pierderi osoase și fibroză [38]. Această scădere dependentă de vârstă a funcției BMSC slăbește capacitatea sa de modulare imună. BMSC-urile din măduva osoasă a șoarecilor în vârstă au arătat o capacitate scăzută de formare a coloniilor. Mai mult, BMSC-urile din măduva osoasă în vârstă au prezentat o mobilizare redusă proeminent, posibil prin reglarea în jos a fosforilării semnalizării JNK [39]. Prin urmare, menținerea unui număr suficient de BMSC și a traficului competent de BMSC din măduva osoasă este esențială pentru un mediu măduvă sănătos pentru modularea inflamației și, de asemenea, pentru a facilita regenerarea țesuturilor după mai multe tipuri de leziuni tisulare periferice. La vârstnici, potențialul de regenerare scăzut, răspunsul autoimun îmbunătățit și răspunsul inflamator îmbunătățit ar putea fi toate puternic interconectate cu dezintegrarea și disfuncția BMSC legate de vârstă [38].

2.3 EPC în măduva osoasă și îmbătrânire

EPC-urile din măduva osoasă și EPC-urile circulante din sângele periferic se pot diferenția în celule endoteliale și formează căptușeala endotelială a sistemului vascular. Atât EPC-urile cât și HSC-urile din măduva osoasă sunt derivate din hemangioblast [40]. EPC-urile din măduva osoasă exprimă CD34, CD133 și VEGFR2 (KDR/Flk1). După trecerea de la măduva osoasă la sânge, EPC circulante își pierd capacitatea de progenitor și încep diferențierea endotelială, exprimând factorul von Willebrand, CD31, CD144, VEcadherin și eNOS [41, 42].

EPC-urile pot fi mobilizate din măduva osoasă și joacă un rol esențial în repararea țesuturilor cu mecanisme de regenerare și menținere a endoteliului prin reglarea coagulării, tonusului arterial, permeabilității, creșterii vaselor și inflamației. Pe măsură ce îmbătrânirea progresează, numărul de EPC și funcția lor scade odată cu creșterea stresului oxidativ, a inflamației, a lipoproteinei de joasă densitate oxidată cu fenotip senescent (ox-LDL) și a scurtării telomerilor, care în cele din urmă crește riscul de boli vasculare, cum ar fi ateroscleroza și bolile cardiovasculare. [43]. EPC-urile de la oameni în vârstă sunt sensibile la stresul oxidativ, probabil datorită nivelurilor și activității reduse a enzimei antioxidante glutation peroxidază-1 (GPX1), care apoi scade supraviețuirea celulară [44]. Ox-LDL, un factor de risc pentru bolile cardiovasculare, se acumulează odată cu vârsta și reduce supraviețuirea și funcția EPC prin inhibarea expresiei și activității eNOS [45]. EPC-urile îmbătrânite sunt identificate prin capacitatea lor de supraviețuire a celulelor și prin analiza unității formatoare de colonii, chiar dacă mecanismele de îmbătrânire ale EPC nu au fost suficient studiate. Prin urmare, disfuncția EPC cu îmbătrânirea ar putea fi, de asemenea, interconectată cu repararea întârziată a leziunilor vasculare ischemice și un risc mai mare de boli cardiovasculare.

3 Factori sistemici de întinerire și factori pro-îmbătrânire

Schimbarea sistemică produce diferențe între tineri și bătrâni și între indivizii sănătoși și cei bolnavi. Factorii activi din celulele stem le pot influența sistemic și direct fitnessul și le pot ghida destinele.

Experimentele de parabioză heterocronică au elucidat prezența factorilor sistemici de întinerire și pro-îmbătrânire și alterările acestora odată cu vârsta (Fig. 3). În 1864, fiziologul francez Paul Bert a efectuat experimente de parabioză heterocronică pe șobolani albinoși pentru a studia efectele îmbătrânirii. Parabioza (din cuvintele grecești, para „în afară de” și bios „viață”) folosește o tehnică chirurgicală pentru a conecta fizic vasele de sânge și a crea un sistem de circulație comun pentru două organisme vii de vârste diferite [5]. În anii 1950, cercetătorii au descoperit că șoarecii bătrâni au experimentat efecte de întinerire, iar șoarecii tineri au avut durate de viață mai scurte decât media între conectarea chirurgicală a două animale. În anii 1970, experimentele de parabioză au fost interzise de reglementările cercetării animale. Cu toate acestea, au devenit din nou activi în anii 2000 pentru cercetarea îmbătrânirii. Studii recente de parabioză au arătat că factorii de întinerire din sânge pot întoarce ceasul celulelor stem înapoi: funcțiile celulelor stem vechi au fost întinerite, iar funcțiile celulelor stem mai tinere au fost slăbite atunci când au fost expuse la ser tânăr sau, respectiv, vechi. Factorii sistemici de întinerire și pro-îmbătrânire sunt rezumați în tabelul 1. Factorul de diferențiere de creștere (GDF) 11, oxitocina, bursiconul și HGFA sunt toți factori candidați de întinerire sistemică și chemokine cu motive C–C (CCL) 11 și b2- microglobulina (B2M) sunt factori favorizanți ai îmbătrânirii.

3.1 GDF11

Efectul de întinerire al GDF11 a fost identificat pentru prima dată în experimentele de parabioză. Proteina morfogenetică osoasă 11, un alt nume pentru GDF11, a fost raportată ca un factor circulant care a inversat hipertrofia cardiacă legată de vârstă la șoareci [6]. GDF11, un membru al superfamiliei TGF-b, scade în timpul procesului de îmbătrânire. Refacerea tinerilor GDF11

Cu toate acestea, în 2016–2017, au fost publicate recenzii contradictorii care sugerează că GDF11 a indus pierderea mușchiului scheletic și cardiac [48–51] și că GDF11 nu scade la șobolani sau la oameni în timpul îmbătrânirii [48]. Îmbătrânirea este un fenomen complex, pe tot parcursul vieții, care se acumulează în timp. Prin urmare, ar trebui efectuate studii mai intense cauza-efect pentru a elabora în mod decisiv rolul GDF11 ca factor de întinerire.

【Pentru mai multe informații:george.deng@wecistanche.com / WhatApp:86 13632399501】