Стволовые клетки и старение
Антиэйджинг – влияние стволовых клеток на старение и старение стволовых клеток
Antiaging — Effect of Stem Cells on Aging and Stem Cell Aging
Jisook Moon and Sang-Hun Bae, College of Life Science, Department of Bioengineering, CHA University, Seoul, Korea.
Глава из сборника Progress in Stem Cell Transplantation
Edited by Taner Demirer, издательство InTech, 2015.
Перевод: Евгения Рябцева
1. Введение
В широком смысле старение является нормальным прогрессирующим процессом, сопровождающимся усугублением предрасположенности к заболеваниям и смерти. Тот факт, что процесс старения неизбежен, но поддается регулированию, делает его привлекательной мишенью для исследований, посвященных изучению ассоциированных с возрастом молекулярных изменений. Основная проблема при этом заключается в расшифровке базовых механизмов старения с помощью традиционных экспериментальных подходов, что обусловлено сложностью процесса старения и множественностью вносящих в него вклад факторов.
Это свидетельствует о необходимости изучения старения одновременно во многих аспектах. По этой причине в настоящее время процесс старения изучается с помощью так называемых «-омик» (OMICS), в том числе геномики, транскриптомики, протеомики и метаболомики, что позволяет проводить многофакторное изучение возрастных изменений. Все это указывает на существование потребности в новых подходах к расшифровке биологических основ старения на различных молекулярных уровнях, результаты которой способны углубить наше понимание фундаментальных аспектов биологического старения и долголетия.
Для процесса старения характерно постепенное кумулятивное повреждение структуры и функций стволовых клеток, происходящее на протяжении всей жизни организма. В данной статье обсуждаются интегративные исследования старения стволовых клеток и терапевтический эффект взрослых стволовых клеток, в том числе клеток пуповинной крови, и основополагающие механизмы этого сложного процесса на различных молекулярных уровнях, конечной целью которых является практическое применение стволовых клеток в терапии пожилых людей для поддержания их здоровья. Помимо этого обсуждается интегративный метод – технологии класса «-омик», – способный помочь нам разобраться в сложной биологии старения.
Старение можно рассматривать как процесс, в котором пул эндогенных стволовых клеток с возрастом прогрессивно утрачивает свою способность замещать поврежденные клетки. Почти для всех живых организмов зависимое от времени угасание регенеративного потенциала стволовых клеток несет ответственность за повышенную предрасположенность к старению и ряду возрастных болезней. Пониженная регенеративная способность эндогенных стволовых клеток частично объясняется повреждениями ДНК, изменениями ниш стволовых клеток и активацией гена-супрессора опухолевого роста. Однако неясно, до какой степени эти факторы способствуют старению человека, в особенности старению стволовых клеток, и определяют продолжительность жизни. Сложность процесса старения обуславливает потребность в новых подходах к прояснению его многофакторных механизмов.
2. Технологии класса «-омик» и старение стволовых клеток
В последние годы для более глубокого погружения в биологию старения применяются новые высокопроизводительные технологии, известные как «-омики», или OMICS. Они применяются в форме различных подходов для изучения сопровождающих старение молекулярных изменений. К «-омикам» относятся технологии, названия которых содержат суффикс «-омик». Эти технологии, в том числе геномика, транскриптомика, протеомика, метаболомика, разработаны для качественного и количественного анализа пулов молекул на разных уровнях. Исследователи применяют «-омики» в экспериментах, целью которых является выявление взаимосвязи между молекулярными изменениями и старением. Однако на сегодняшний день исследования в данной области преимущественно основываются на изучении образцов крови, содержащих различные типы клеток, и обычно используют одну из «-омик», что затрудняет интерпретацию выявляемого феномена или приводит к ошибочной интерпретации сложного процесса старения.
Еще одним фактором, усложняющим проведение исследований, являются возрастные тканеспецифичные изменения генной экспрессии, еще больше усложняющие интерпретацию процесса. Поэтому альтернативным подходом может быть изучение старения стволовых клеток с помощью «-омик».
Стволовые клетки на протяжении взрослой жизни организма выступают в роли эндогенного источника клеток, замещающих клетки, погибающие в ходе гомеостаза или повреждений. Регенеративная способность разных тканей угасает по мере старения и часто перестает соответствовать потребностям развивающих тканей, что приводит к развитию множества возрастных фенотипов или болезней. В результате в процессе старения накопление нарушений функции может проявляться в различных макромолекулах, начиная от ДНК и заканчивая метаболитами, считающихся наиболее приближенными к фенотипам. Поврежденные макромолекулы, в свою очередь, нарушают сигнальные пути, что способствует возникновению сопровождающей старение дисфункции стволовых клеток и формирует порочный круг. Помимо этого сокращение пулов стволовых клеток, по всей вероятности, ассоциировано с сопровождающим старение функциональным угасанием гемопоэза, нейрогенеза и миогенеза. Поэтому можно предположить, что ключом к задержке процесса старения или его обращению вспять является углубление наших знаний о взрослых стволовых клетках.
Так же, как и другие факторы старения, механизмы, индуцирующие зависящее от времени угасание стволовых клеток, до сих пор остаются малопонятными и поэтому нуждаются в интегративном анализе, для проведения которого можно применить технологии класса «-омик». Понимание молекулярных процессов, вовлеченных в нарушение функционирования стволовых клеток, может пролить свет на причины старения, что в конечном итоге приведет к появлению стратегий предотвращения запуска процесса старения или его обращения вспять.
Поддержание жизнеспособности стволовых клеток или их омоложение обладает большим терапевтическим потенциалом в отношении возрастных нарушений. Например, гетерохронный парабиоз – создание общей кровеносной или физиологической системы между молодым и старым организмом – продемонстрировал свою эффективность в устранении возрастных фенотипов посредством улучшения функционирования стволовых клеток. Одно знаковое исследование парабиоза продемонстрировало, что поступление молодых клеток крови в кровоток старых мышей облегчает проявления нарушений познавательной функции, улучшая пластичность синапсов головного мозга. Результаты еще одного эксперимента продемонстрировали, что под действием ниши мышечной ткани молодых мышей у старых животных происходила регенерация поврежденных сателлитных клеток, что обеспечивало восстановление регенеративного потенциала мышечной ткани.
Получаемые в последнее время данные также подтверждают, что снижение регенеративной способности обратимо и что процесс старения можно отсрочить за счет улучшения функционирования стволовых клеток, что способствует восстановлению поврежденных тканей. Это свидетельствует о том, что воздействие на стволовые клетки разного происхождения может обеспечить восстановление ассоциированных с возрастом дефектов посредством замены поврежденных клеток в стареющих тканях.
По мере расширения сферы применения в настоящее время метаболомика превращается в новый подход к расшифровке вовлеченных в старение механизмов регуляции метаболизма. Метаболиты являются продуктами сложных биологических процессов и могут рассматриваться в качестве конечных реакций на внутренние состояния и внешние воздействия, которые, возможно, способны предоставить новые неожиданные данные о том, каким образом угасание функций стволовых клеток влияет на старение человека. Было продемонстрировано, что окислительный метаболизм и поддержание функционирования митохондрий ассоциированы со старением стволовых клеток. В соответствии с этим, метаболическим состояниям стволовых клеток принадлежит ключевая роль в определении судьбы клеток, которые могут либо пролиферировать, либо дифференцироваться. Оба состояния преимущественно ассоциированы с механизмами, регулирующими баланс между гликолизом и окислительным фосфорилированием. Помимо этого, клинические исследования, посвященные изучению взаимосвязи между старением и метаболическими профилями, продемонстрировали существование сильных корреляций между специфичными для возраста метаболитами, некоторые из которых ассоциированы с окислением жирных кислот, что свидетельствует о важности метаболомики для интерпретации процесса старения.
2.1. Анализ транскриптома нервных стволовых клеток в процессе дофаминовой дифференцировки
В своем исследовании авторы в первую очередь проанализировали изменения экспрессии генов в нервных стволовых клетках в процессе дифференцировки в дофаминергические нейроны и по мере пересевов на новый пассаж в пролиферативном состоянии. Оба эти состояния можно рассматривать как старение: дифференцировку – как компонент «хронологического старения», а увеличение пассажей – как «репликативное старение».
В процессе дифференцировки нервные стволовые клетки продемонстрировали специфичные для этой стадии развития профили генной экспрессии, при этом специфичные гены принимали участие в нейрогенезе посредством формирования молекулярной сети ко-экспрессии.
В условиях поддержания пролиферативного состояния стволовые клетки индуцировали экспрессию генов, белковые продукты которых вовлечены в фосфорилирование, пролиферацию клеток, киназный каскад, реакцию на стресс и передачу сигналов.
Для вступления в фазу дифференцировки характерно повышение экспрессии генов, преимущественно вовлеченных в митотический клеточный цикл, митоз и деление клетки. На поздних стадиях дифференцировки происходит повышение экспрессии генов, ответственных за передачу сигналов в синапсах и регуляцию синаптической пластичности.
Полученные результаты четко продемонстрировали, что в старение клеток в состояниях пролиферации и дифференцировки вовлечены разные биологические процессы, скорее всего, приводящие к синтезу метаболитов, специфичных для разных клеточных состояний.
2.2. Анализ транскриптома при влиянии гипоксии на клетки плаценты по мере увеличения пассажей (пересева)
Помимо этого авторы изучали влияние гипоксии и нормоксии на многократно пересеваемые клетки плаценты на основании данных транскриптома. Онтологический анализ генов показал, что большинство генов, для которых характерна повышенная экспрессия в условиях гипоксии, ассоциированы с пролиферацией клеток, синтезом макромолекул, метаболическими и сигнальными путями, а также клеточным гомеостазом. Это было подтверждено полученными in vitro данными, согласно которым условия гипоксии повышают пролиферативную способность культуры клеток. При этом снижение экспрессии в условиях гипоксии было характерно для генов, ассоциированных с клеточной гибелью/апоптозом и агрегацией белков, что поддерживает гипотезу, согласно которой белковый гомеостаз и баланс между пролиферацией и физиологическим старением критичны для старения стволовых клеток.
Эти данные свидетельствуют о том, что в условиях гипоксии стволовые клетки входят в состояние, характеризующееся повышенной пролиферацией и выживаемостью и подавлением механизмов клеточной гибели и способствующих старению сигнальных путей. На поздней стадии культивирования клеток многие из дифференциально экспрессирующихся в условиях гипоксии генов были ассоциированы со сборкой нуклеосом и организацией хроматина, что свидетельствует о вовлеченности эпигенетической регуляции.
И наконец, авторы составили метаболические профили стареющих мышей, которым были трансплантированы клетки плаценты. Большая часть метаболитов, уровни которых повысились в результате клеточной терапии, были ассоциированы с метаболизмом липидов, что, вероятно, ассоциировано с уникальными профилями генной экспрессии после трансплантации клеток и указывает на целесообразность проведения дальнейших исследований с использований интегрированных данных, полученных с помощью «-омик».
Полученные результаты придают вес мнению, согласно которому изучение старения стволовых клеток с помощью «-омик» является эффективным подходом к расшифровке биологических основ процесса старения.
Эти данные подтолкнули авторов к проведению продолжающегося в настоящее время исследования, в рамках которого старым мышам (старше 23 месяцев) переливают пуповинную кровь человека (самую молодую доступную кровь). Помимо этого проводится клиническое исследование результатов переливания пуповинной крови старым людям. Также в качестве потенциального антивозрастного средства изучаются мезенхимальные стволовые клетки плаценты человека. Эксперименты на животных продемонстрировали улучшение познавательной функции через 12 недель после введения таких клеток. Для проведения дальнейших трансляционных исследований в настоящее время проводится аналитические исследования с помощью технологий класса «-омик».
3. Заключение
Характерные для старения физиологические изменения и индивидуальные отличия всегда вызывали затруднения у исследователей, пытающихся разобраться в нормальном процессе старения, что свидетельствует о потребности в новых стратегиях, позволяющих проводить интегративное изучение молекулярных изменений вместо применения традиционных экспериментальных подходов. Технологии класса «-омик» позволяют одновременно оценивать динамические молекулярные изменения на разных уровнях с получением большого количества разных типов данных, что облегчает идентификацию биомаркеров старения/омоложения и, соответственно, предотвращение возрастных заболеваний.
Исследования с использованием «-омик» позволили с новых точек зрения взглянуть на то, какие молекулярные механизмы определяют сложный прогрессирующий процесс, несмотря на то, что еще очень многое еще предстоит прояснить. В частности, в комбинации с геномикой, транскриптомикой и протеомикой изучение метаболического профиля может предоставить беспрецедентные данные о старении. В целом интеграция и контекстно-зависимая интерпретация предоставляемых «-омиками» многогранных данных значительно облегчает понимание сложного процесса старения.
Портал «Вечная молодость» http://vechnayamolodost.ru
22.08.2016