2. En fortælling om parabiosis

påstanden om, at blod kan forynge vores organer, er blevet genoplivet af en forskningsgruppe ved Stanford University School of Medicine i 2005 og 2010 . Disse undersøgelser stammer fra observationer, der viser, at vævsregenerativ kapacitet falder med alderen. I væv som muskler, blod, lever og hjerne er dette fald blevet tilskrevet en formindsket respons af vævsspecifikke stamme-og stamceller . Imidlertid regenererer alderen muskel med succes, når den podes i muskler i en ung vært, men ung muskel viser nedsat regenerering, når den podes i en gammel vært . Enten lokale eller systemiske faktorer kan være ansvarlige for disse gensidige virkninger. For at teste, om systemiske faktorer kan understøtte regenerering af væv hos unge dyr og/eller hæmme regenerering hos gamle dyr, rapporterede papiret fra Conboy og kolleger fra 2005 en eksperimentel opsætning, hvor – i modsætning til transplantation – regenererende væv hos ældre dyr kun udsættes for cirkulerende faktorer hos unge dyr og omvendt . Således etablerede de parabiotiske parringer mellem unge og gamle mus (heterochroniske parabioser) med parabiotiske parringer mellem to unge mus eller to gamle mus (isokroniske parabioser), der tjener som kontroller (Fig. 1). I parabiose er to mus kirurgisk forbundet, således at de udvikler en delt blodcirkulation med hurtig og kontinuerlig udveksling af celler og opløselige faktorer på fysiologiske niveauer gennem deres fælles kredsløbssystem . Parabiosis blev opfundet i 1864 af fysiologen Paul Bert for at se, om der blev oprettet et fælles kredsløbssystem. Clive McCay, biokemiker og gerontolog ved Cornell University i Ithaca, var den første til at anvende parabiose til studiet af aldring, men denne teknik faldt ud af favør efter 1970 ‘ erne, sandsynligvis fordi mange rotter døde af en mystisk tilstand betegnet parabiotisk sygdom, som forekommer cirka en til to uger efter, at partnere er tilsluttet, og kan være en form for vævsafvisning. Først i begyndelsen af det tyvende århundrede bragte Irving Vaissman og Thomas A. Rando ved Stanford University parabiose tilbage til livet for at studere blodstamcellernes bevægelse og skæbne.

Parabiosis. To mus er syet sammen og deler en fælles blodbane. Heterochronic parabiosis er, når en ung mus er kirurgisk forbundet med alderen partnere, mens isochronic parabiosis henvises til par af unge-unge eller gamle gamle dyr. Ændret fra ref. med tilladelse fra Nature Publishing Group.

Stanford-gruppen undersøgte muskelregenerering og levercelleproliferation i parabioseindstillingen. Efter muskelskade blev muskelregenerering undersøgt ved dannelsen af myotubes, der udtrykker embryonisk myosin tung kæde, en specifik markør for regenerering af myotubes hos voksne dyr. Fem dage efter skade var muskler hos unge dyr i både isokroniske og heterochroniske parabioser regenereret robust. I modsætning hertil regenererede skadede muskler fra gamle isokroniske parabionter Dårligt. Især forbedrede parabiose med unge mus signifikant regenerering af muskler hos gamle partnere. Regenereringen af ældet muskel skyldtes næsten udelukkende aktiveringen af residente, ældede stamceller og ikke til engraftment af cirkulerende stamceller fra unge partnere (som bedømt ved tilstedeværelsen af mindre end 0,1% af grønne fluorescerende proteinudtrykkende celler afledt af unge partnere transgene for GFP). Da tabet af muskelregenerering med alderen delvis skyldes en aldersrelateret svækkelse i UP-reguleringen af Notch ligand Delta efter muskelskade , Delta-ekspression blev også undersøgt. Især viste satellitceller fra de ældre partnere af heterochroniske parabionter en markant regulering af Delta, sammenlignelig med den, der findes i deres unge partnere og hos unge mus, der ikke udsættes for parabiotiske parringer (Fig. 2).

aldring af muskler, lever og hjerne i gamle mus og foryngelse af heterochronic parabiosis. Regenerering af skeletmuskulatur ved skade er forbundet med op-reguleringen af Hakliganddeltaet, der går tabt med alderen (øverste paneler). Hepatocytproliferation hos unge dyr korrelerer med faldet i cebp-larr-brahma (cebp-larr-Brm) kompleks sammenlignet med ældre mus (mellempaneler). Mens unge dyr kan øge deres neurogenese og angiogenese i hjernens subventrikulære område, hvor neurale stamceller er til stede, kan ældre dyr ikke (nedre paneler). I princippet vender den heterochoniske parabiose alle fænotypiske og molekylære kendetegn ved aldring ved at overføre opløselige faktorer og celler.

i tilfælde af leverundersøgelser og som i muskler, mens proliferation af albumin-positive celler i gamle isochoniske parabionter var mindre end den, der blev observeret hos unge isochroniske parabionter, øgede parabiose til en ung partner signifikant hepatocytproliferation hos ældre mus. Som også i muskler skyldtes forbedringen af hepatocytproliferation hos ældre mus residente celler og ikke engraftment af cirkulerende celler fra unge partnere. Nedgangen i hepatocyt-progenitorcelleproliferation skyldes dannelsen af et kompleks, der involverer cEBP-kur og kromatinomdannelsesfaktoren brahma (Brm), der hæmmer E2F-drevet genekspression . Parallelt med effekten på hepatocytregenerering blev dannelsen af cebp-Kurt-Brm-kompleks påvist i lever fra gamle heterochroniske parabionter, men ikke fra unge isokroniske, og komplekset blev formindsket i gamle heterochronicparabionter (Fig. 2). Endelig bemærkede de i muskler og lever en reduktion af progenitorcelleproliferation hos unge mus efter parabiotisk parring med gamle mus, hvilket antyder, at gamle mus er beriget med hæmmende faktorer, der fortyndes ved parabiose. Samlet set indikerede disse data, at der er systemiske faktorer, der kan modulere de molekylære signalveje, der er kritiske for aktivering eller inhibering af vævsspecifikke stamceller, og at det systemiske miljø hos et ungt dyr er et, der fremmer vellykket regenerering, hvorimod et ældre dyrs enten ikke fremmer eller aktivt hæmmer vellykket vævsregenerering. Endelig viste dette arbejde også, at vævsspecifikke stamceller/stamceller bevarer meget af deres iboende proliferative potentiale, selv når de er gamle, men at aldersrelaterede ændringer i det systemiske miljø og/eller niche, hvor stamceller befinder sig, udelukker fuld aktivering af disse celler til produktiv vævsregenerering.

i papiret fra 2010 forsøgte indsatser og kolleger at finde ud af, hvilken rolle lokale mikromiljørelaterede nicherelaterede og systemiske faktorer spiller i aldring af hæmatopoietiske stamceller og stamceller (hspc ‘er) ved hjælp af in vivo parabiotic mouse system og studere HSC frekvens og antal langsigtede HSC’ er (LT-HSC ‘ er). Congeniske markører blev brugt til at skelne HSC ‘ er fra ældre versus unge partnere. Aldring ledsages på knoglemarvsniveau af en betydelig udvidelse af Hspc ‘ er koblet paradoksalt nok med en reduceret kapacitet til blodrekonstitution og skævt differentieringspotentiale efter transplantation . Ældre-heterochroniske parabionter viste signifikant reduktion af LT-HSC ‘er, som nærmede sig normale’ ungdommelige ‘ niveauer. Især opstod denne effekt fra ændringer i den ældre HSC-population selv og ikke til handel med ‘unge’ celler til de ældre partneres marv. Desuden inducerede heterochronisk parabiose også genopretning af LT-HSC-funktion hos ældre mus, som det fremgår af engraftmentpotentiale og restaurering af ungdommelige forhold mellem B-lymfoid og myeloide celler. Som med HSC ‘ er blev både hyppigheden og det samlede antal osteoblastiske nicheceller, der kunne isoleres fra ældre mus, øget sammenlignet med unge kontroller. In vitro-eksperimenter med interaktion mellem unge knoglemarvsceller med ældre osteoblastiske nicheceller, der også viser udvidelse af HSC ‘ er, antydede, at HSC – foryngende virkninger af heterochronisk parabiose forekommer indirekte-ved at vende aldersrelaterede ændringer i osteoblastiske nicheceller. Faktisk blev osteoblastfrekvens og antal genoprettet til ungdommelige niveauer, når ældre dyr oplevede i heterochonisk parabiose et ungt systemisk miljø. Desuden viste nicheceller isoleret fra alderen-heterochronisk parabiose en signifikant reduceret kapacitet til at forårsage hspc-akkumulering i modsætning til nicheceller fra alderen-isokron parabiose. Interessant nok inducerede osteoblast nicheceller isoleret fra unge heterochroniske parabionter en lille udvidelse af unge Hspc ‘ er sammenlignet med dem fra unge isokroniske parabionter. Disse in vitro-undersøgelser antydede en gensidig effekt af det gamle kredsløbsmiljø på nicheaktivitet hos unge heterochroniske partnere og indikerer, at systemiske signaler gendanner ældre nicher. Yderligere eksperimenter er blevet udført med det formål at evaluere unge Hspc ‘ ers evne til at rekonstituere hæmatopoiesis. Resultaterne viste , at i lighed med den nedsatte engraftmentfunktion af naturligt alderen HSC ‘er udviste unge Hspc’ er in vitro til alderen-isochronic nichede celler en reduceret kapacitet til hæmatopoietisk rekonstitution. Dette indikerer, at interaktion med alderen osteoblastiske nicheceller er tilstrækkelig til at inducere defekter i HSC-funktion. Imidlertid ændrede ældre heterochroniske nicheceller ikke den rekonstituerende aktivitet af unge HSC ‘ er. Sammen viste disse data, at aldersinducerede, funktionelle ændringer i HSC-regulerende nicheceller kan vendes af unge cirkulerende faktorer. Samlet set antyder disse fund yderligere, at de foryngende virkninger af en ung cirkulation på HSC kommunikeres indirekte – ved signalering fra foryngede osteoblastiske nicheceller.

for at forstå, hvilken faktor der er involveret i reguleringen af nichecellefunktion, forsøgte forfatterne at undersøge, om insulinlignende vækstfaktor-1 (IGF-1) kunne spille en rolle. IGF – 1 har vist sig at være en evolutionært bevaret aldring og levetid regulator . In vitro-og in vivo-eksperimenter viste, at Lokal, ikke systemisk, IGF-1 ser ud til at inducere aldring af HSC-regulerende nicheceller, og at neutralisering af IGF-1-signalering i knoglemarvsmikromiljøet vender tilbage aldersrelaterede ændringer i osteoblastiske nicheceller, der forringer deres passende regulering af HSC ‘ er.

samlet set antydede disse fund, at mens osteoblastiske nicheceller under ungdommelige forhold fremmer homeostatisk stamcellevedligeholdelse, ændres de ved aldring sådan, at de i stedet tillader forbedret ophobning af dysfunktionelle HSC ‘ er. Disse aldersspecifikke ændringer i nicheceller synes at være signaleret af en ukarakteriseret cirkulerende faktorer, der delvis virker ved at ændre IGF-1-signalering i selve nichecellen (Fig. 3). Det er sandsynligt, at IGF-1 ikke har en vigtig rolle for alt det ældre væv, da mens dets rolle i den osteoblastiske niche er aldersfremmende, i modsætning til i skeletmuskulatur lokal ekspression af IGF-1 opretholder regenerativ kapacitet hos ældre dyr.

i oktober 2010, tre af de fire forfattere, herunder Amy J. Indsatser, trak dette papir tilbage, især for rollen som de osteoblastiske nicheceller i foryngelsen af HSC ‘ er hos ældre mus . Det blev fundet, at den første forfatter manipulerede billederne til knogleknuder dannet i osteoblastiske nicheceller fra unge og gamle mus (Tilbagetrækningsur, http://retractionwatch.com/2012/08/29/ori-finds-harvard-stem-cell-lab-post-doc-mayack-manipulated-images/). Således bør der opnås yderligere bekræftelse om hans problem, idet man også overvejer, at parabiosemodellen blev udnyttet til at studere foryngelse af andre gamle organer. Faktisk viste to papirer efterfølgende, at udsættelse af ayoung mouse til et gammelt systemisk miljø kan hæmme myogenese og neurogenese .

i 2013 offentliggjorde teamet ledet af Amy J. indsatser et andet arbejde, som de demonstrerede ved hjælp af parabiosemodellen, at aldersrelateret hjertehypertrofi kan vendes ved eksponering for et ungt kredsløbsmiljø med kun 4 ugers parabiose . Måling af blodtryk og cirkulerende niveauer af angiotensin II og aldosteron i de forskellige grupper viste tydeligt, at reverseringen af hjertehypertrofi hos gamle mus udsat for en ung cirkulation ikke kunne forklares ved en simpel reduktion i blodtrykket eller i moduleringen af kendte effektorer af blodtryk hos de ældre mus. Interessant nok inducerede heterochronic parabiosis ingen ændringer i hjerte vægt-til-tibia-forhold, kardiomyocytstørrelse eller blodtryk hos unge mus, der var forbundet med ældre partnere. Disse data implicerede en antihypertrofisk faktor produceret af unge mus (snarere end fortynding af en prohypertrofi faktor produceret af gamle mus) i hjerte remodeling induceret af heterochronic parabiosis. I “sham parabiosis”, hvorved mus kirurgisk sammenføjes, mens huden efterlades intakt, således at de ikke udvikler en delt cirkulation, blev der ikke fundet nogen signifikant forskel i forholdet mellem hjertevægt og tibia i ældre mus, hvilket yderligere indikerer, at krydscirkulation og udveksling af blodbårne faktorer er nødvendige for reversering af aldersrelateret hjertehypertrofi. For at identificere disse faktorer afslørede en bred proteomisk analyse ved hjælp af aptamer-baseret teknologi 13 analytter, der pålideligt adskiller unge mus fra gamle mus. En af disse kandidater, vækstdifferentieringsfaktoren 11 (GDF11), et medlem af superfamilien activin/TGF-Kristian, blev bekræftet i yderligere analyser. GDF11 blev reduceret i plasma af gamle isochronic sammenlignet med unge isochronic mus og blev genoprettet til ungdommelige niveauer i gamle mus efter eksponeringtil en ung cirkulation. En daglig 30-dages behandling af gamle mus med GDF11 førte til en signifikant reduktion i hjertevægt-til-tibia-længdeforholdet sammenlignet med den saltindsprøjtede kontrolgruppe. Disse data antydede, at mindst en patologisk komponent af aldersrelateret diastolisk hjertesvigt er hormonel. Imidlertid er den observerede regression af hjertehypertrofi hos gamle mus, der udsættes for en ung cirkulation, sandsynligvis ikke helt kan tilskrives genopfyldning af en enkelt faktor, og andre faktorer bør anerkendes.

to efterfølgende undersøgelser foretaget af indsatser og kolleger fandt, at GDF11 øgede væksten af nye blodkar og neuroner i hjernen og ansporede stamceller til at regenerere skeletmuskulatur på skadestederne . I et af disse papirer afslørede musens heterochroniske parabiosemodel en stigning i cerebral blodkarvolumen og blodgennemstrømning som reaktion på unge systemiske faktorer sammen med en højere selvfornyelse og differentiering i neurale stamcellepopulation i subventrikulær område, hvilket bringer en forbedring af olfaktorisk diskrimination (Fig. 2). Desuden fandt de, at GDF11 kunne øge blodkarvolumen såvel som neurogenese hos gamle mus. Interessant nok mindskede blod fra 15 måneder gamle mus ikke neurale stamcellepopulationer i den unge hjerne, mens ældre blod (21 måneder) fremkaldte en skadelig virkning, hvilket tyder på, at ældre dyrene højere akkumuleringen af skadelige systemiske faktorer og/eller lavere beskyttende unge faktorer. På den anden side blev kemokinen CCL11/Eotaksin identificeret som en aldersrelateret blodfaktor forbundet med nedsat neurogenese og nedsat læring og hukommelse hos mus . Hvad der skal bestemmes, er, om CCL11 interagerer direkte med neurale stamceller under aldring, der påvirker deres differentieringskapacitet, eller det har indirekte handlinger ved interaktioner med andre neurogene nichecelletyper.

i det andet papir af indsatser og kolleger blev det påvist , at satellitceller sorteret fra alderen-heterochroniske mus havde forbedret MyoGen differentieringskapacitet såvel som lavere DNA-skade sammenlignet med satellitceller fra alderen-isokroniske kontroller. Med hensyn til reversion af aldersrelateret hjertehypertrofi øgede behandlingen af ældre mus med daglige intraperitoneale injektioner af rekombinant GDF11 i 4 uger antallet af satellitceller med intakt DNA sammenlignet med celler fra ældre mus , der modtog vehikel alene. I en model af muskelskade gendannede GDF11-behandling af ældre mus 28 dage før skade og fortsatte i 7 dage derefter mere ungdommelige profiler af myofiber-kaliber i regenererende muskler. Ældre mus behandlet med GDF11 viste også øget gennemsnitlig træningsudholdenhed og grebstyrke.

i dette sidste papir fandt de også, at in vitro-eksponering af ældede satellitceller til GDF11, men ikke myostatin (et andet medlem af TGF-Kristian superfamilien) eller TGF-kristian1, producerede dosisresponsive stigninger i satellitcelleproliferation og differentiering, hvilket tyder på, at GDF11, i modsætning til myostatin, kan virke direkte på satellitceller for at ændre deres funktion.