2. Eine Geschichte der Parabiose

Die Behauptung, dass Blut unsere Organe verjüngen kann, wurde von einer Forschungsgruppe an der Stanford University School of Medicine in den Jahren 2005 und 2010 wiederbelebt . Diese Studien stammten aus Beobachtungen, die zeigen, dass die Regenerationsfähigkeit des Gewebes mit zunehmendem Alter abnimmt. In Geweben wie Muskeln, Blut, Leber und Gehirn wurde dieser Rückgang auf eine verminderte Reaktionsfähigkeit gewebespezifischer Stamm- und Vorläuferzellen zurückgeführt . Gealterte Muskeln regenerieren sich jedoch erfolgreich, wenn sie in einem jungen Wirt in Muskeln eingepfropft werden, aber junge Muskeln zeigen eine gestörte Regeneration, wenn sie in einen gealterten Wirt eingepfropft werden . Entweder lokale oder systemische Faktoren könnten für diese Wechselwirkungen verantwortlich sein. Um zu testen, ob systemische Faktoren die Regeneration von Geweben bei jungen Tieren unterstützen und / oder die Regeneration bei alten Tieren hemmen können, wurde in der Arbeit von Conboy und Kollegen von 2005 über einen Versuchsaufbau berichtet, bei dem – im Gegensatz zur Transplantation – regenerierende Gewebe bei alten Tieren nur zirkulierenden Faktoren von Jungtieren ausgesetzt sind und umgekehrt . So stellten sie parabiotische Paarungen zwischen jungen und alten Mäusen (heterochrone Parabiosen) her, wobei parabiotische Paarungen zwischen zwei jungen Mäusen oder zwei alten Mäusen (isochrone Parabiosen) als Kontrollen dienten (Abb. 1). Bei der Parabiose werden zwei Mäuse chirurgisch verbunden, so dass sie einen gemeinsamen Blutkreislauf mit schnellem und kontinuierlichem Austausch von Zellen und löslichen Faktoren auf physiologischer Ebene durch ihr gemeinsames Kreislaufsystem entwickeln . Die Parabiose wurde 1864 vom Physiologen Paul Bert erfunden, um zu sehen, ob ein gemeinsames Kreislaufsystem geschaffen wurde. Clive McCay, ein Biochemiker und Gerontologe an der Cornell University in Ithaca, New York, war der erste, der Parabiose auf das Studium des Alterns anwendete, aber diese Technik fiel nach den 1970er Jahren in Ungnade, wahrscheinlich weil viele Ratten an einem mysteriösen Zustand starben parabiotische Krankheit, die etwa ein bis zwei Wochen nach dem Beitritt der Partner auftritt und eine Form der Gewebeabstoßung sein kann. Jahrhunderts erweckten Irving Weissman und Thomas A. Rando an der Stanford University die Parabiose wieder zum Leben, um die Bewegung und das Schicksal von Blutstammzellen zu untersuchen.

Parabiose. Zwei Mäuse sind zusammengenäht und teilen sich einen gemeinsamen Blutkreislauf. Heterochrone Parabiose ist, wenn eine junge Maus chirurgisch mit gealterten Partnern verbunden wird, während isochrone Parabiose auf Paare von Jung-Jung- oder Alt-Alt-Tieren bezogen wird. Modifiziert von ref. mit freundlicher Genehmigung der Nature Publishing Group.

Die Stanford-Gruppe untersuchte die Muskelregeneration und die Leberzellproliferation im Parabiose-Setting. Nach einer Muskelverletzung wurde die Muskelregeneration durch die Bildung von Myotuben untersucht, die embryonale Myosin-Schwerketten exprimieren, ein spezifischer Marker für die Regeneration von Myotuben bei erwachsenen Tieren. Fünf Tage nach der Verletzung hatten sich die Muskeln bei jungen Tieren sowohl bei isochronen als auch bei heterochronen Parabiosen robust regeneriert. Im Gegensatz dazu regenerierten sich verletzte Muskeln von alten isochronen Parabionten schlecht. Bemerkenswert ist, dass die Parabiose bei jungen Mäusen die Regeneration der Muskeln bei alten Partnern signifikant verbesserte. Die Regeneration des gealterten Muskels war fast ausschließlich auf die Aktivierung residenter, gealterter Vorläuferzellen zurückzuführen und nicht auf die Transplantation zirkulierender Vorläuferzellen von jungen Partnern (gemessen an der Anwesenheit von weniger als 0,1% grün fluoreszierender proteinexprimierender Zellen, die von jungen Partnern stammen, die für GFP transgen sind). Da der Verlust der Muskelregeneration mit zunehmendem Alter teilweise auf eine altersbedingte Beeinträchtigung der Aufwärtsregulation des Notch-Liganden Delta nach einer Muskelverletzung zurückzuführen ist , wurde auch die Delta-Expression untersucht. Bemerkenswerterweise zeigten Satellitenzellen von den gealterten Partnern heterochroner Parabionten eine ausgeprägte Regulation von Delta, vergleichbar mit der bei ihren jungen Partnern und bei jungen Mäusen, die keiner parabiotischen Paarung unterzogen wurden (Abb. 2).

Alterung von Muskeln, Leber und Gehirn bei alten Mäusen und Verjüngung durch heterochrone Parabiose. Die Regeneration des Skelettmuskels nach einer Verletzung ist mit der Aufwärtsregulation des Notch-Ligandendeltas verbunden, das mit dem Alter verloren geht (obere Platten). Die Proliferation von Hepatozyten bei jungen Tieren korreliert mit der Abnahme des CEBP-α-brahma (cEBP-α-Brm) -Komplexes im Vergleich zu älteren Mäusen (mittlere Panels). Während junge Tiere ihre Neurogenese und Angiogenese in der subventrikulären Zone des Gehirns, in der neurale Stammzellen vorhanden sind, steigern können, können ältere Tiere dies nicht (untere Panels). Im Prinzip kehrt die heterochonische Parabiose alle phänotypischen und molekularen Kennzeichen des Alterns zurück, indem sie lösliche Faktoren und Zellen überträgt.

Im Falle von Leberstudien und wie im Muskel, während die Proliferation von Albumin-positiven Zellen in alten isochronen Parabionten geringer war als die bei jungen isochronen Parabionten beobachtete, erhöhte die Parabiose zu einem jungen Partner die Hepatozytenproliferation bei gealterten Mäusen signifikant. Wie auch im Muskel war die Verstärkung der Hepatozytenproliferation bei gealterten Mäusen auf residente Zellen und nicht auf die Transplantation zirkulierender Zellen von jungen Partnern zurückzuführen. Der Rückgang der Proliferation von Hepatozyten-Vorläuferzellen ist auf die Bildung eines Komplexes mit cEBP-α und dem Chromatin-Remodeling-Faktor Brahma (Brm) zurückzuführen, der die E2F-gesteuerte Genexpression hemmt . Parallel zur Wirkung auf die Hepatozytenregeneration wurde die Bildung des cEBP-α-Brm-Komplexes in Lebern aus alten heterochronen Parabionten, jedoch nicht aus jungen isochronen, nachgewiesen, und der Komplex war in alten heterochronen Parabionten vermindert (Abb. 2). Schließlich bemerkten sie in Muskel und Leber eine Verringerung der Progenitorzellproliferation bei jungen Mäusen nach parabiotischer Paarung mit alten Mäusen, was darauf hindeutet, dass alte Mäuse mit inhibitorischen Faktoren angereichert sind, die bei Parabiose verdünnt werden. Insgesamt deuteten diese Daten darauf hin, dass es systemische Faktoren gibt, die die molekularen Signalwege modulieren können, die für die Aktivierung oder Hemmung gewebespezifischer Vorläuferzellen entscheidend sind, und dass die systemische Umgebung eines jungen Tieres eine erfolgreiche Regeneration fördert, während die eines älteren Tieres eine erfolgreiche Geweberegeneration entweder nicht fördert oder aktiv hemmt. Schließlich zeigte diese Arbeit auch, dass gewebespezifische Stamm- / Vorläuferzellen auch im Alter einen Großteil ihres intrinsischen Proliferationspotenzials behalten, dass jedoch altersbedingte Veränderungen in der systemischen Umgebung und / oder Nische, in der sich Vorläuferzellen befinden, eine vollständige Aktivierung dieser Zellen für eine produktive Geweberegeneration ausschließen.

In dem Papier von 2010, Wetten und Kollegen versucht, herauszufinden, was ist die Rolle der lokalen Mikro-Nische-bezogene und systemische Faktoren bei der Alterung von hämatopoetischen Stamm-und Vorläuferzellen (HSPCs), mit dem in-vivo-parabiotischen Maus-system und Studium der HSC-Frequenz und Anzahl der Langzeit-HSCs (LT-HSCs). Kongenische Marker wurden verwendet, um HSCs von gealterten gegenüber jungen Partnern zu unterscheiden. Das Altern geht auf der Ebene des Knochenmarks mit einer erheblichen Ausdehnung der HSPCs einher, die paradoxerweise mit einer verringerten Fähigkeit zur Blutrekonstitution und einem verzerrten Differenzierungspotential nach der Transplantation verbunden ist . Gealterte heterochrone Parabionte zeigten eine signifikante Reduktion von LT-HSCs, die sich normalen ‚jugendlichen‘ Spiegeln näherte. Bemerkenswerterweise ergab sich dieser Effekt aus Veränderungen in der gealterten HSC-Population selbst und nicht aus dem Handel mit ‚jungen‘ Zellen mit dem Mark der gealterten Partner. Außerdem, Heterochrone Parabiose induzierte auch die Wiederherstellung der LT-HSC-Funktion bei gealterten Mäusen, wie durch das Transplantationspotential und die Wiederherstellung jugendlicher Verhältnisse von B-lymphoiden zu myeloischen Zellen belegt. Wie bei HSCs waren sowohl die Häufigkeit als auch die Gesamtzahl der aus gealterten Mäusen isolierbaren osteoblastischen Nischenzellen im Vergleich zu jungen Kontrollen erhöht. In-vitro-Experimente zur Interaktion zwischen jungen Knochenmarkszellen mit gealterten osteoblastischen Nischenzellen, die auch eine Expansion von HSCs zeigten, deuteten darauf hin, dass die HSC–Verjüngungseffekte der heterochronen Parabiose indirekt auftreten – indem altersbedingte Veränderungen in osteoblastischen Nischenzellen rückgängig gemacht werden. In der Tat wurden Osteoblastenhäufigkeit und -anzahl auf ein jugendliches Niveau zurückgeführt, wenn gealterte Tiere in heterochonischer Parabiose eine junge systemische Umgebung erlebten. Darüber hinaus zeigten Nischenzellen, die aus gealterter heterochroner Parabiose isoliert wurden, eine signifikant reduzierte Kapazität, HSPC-Akkumulation zu verursachen, im Gegensatz zu Nischenzellen aus gealterter isochroner Parabiose. Interessanterweise induzierten Osteoblasten-Nischenzellen, die aus jungen heterochronen Parabionten isoliert wurden, eine leichte Expansion junger HSPCs im Vergleich zu denen aus jungen isochronen Parabionten. Diese In-vitro-Studien deuteten auf eine reziproke Wirkung der gealterten Kreislaufumgebung auf die Nischenaktivität bei jungen heterochronen Partnern hin und weisen darauf hin, dass systemische Signale gealterte Nischen wiederherstellen. Weitere Experimente wurden durchgeführt, um die Fähigkeit junger HSPCs zur Rekonstitution der Hämatopoese zu bewerten. Die Ergebnisse zeigten, dass junge HSPCs, die in vitro gealterten isochronen Nischenzellen ausgesetzt waren, ähnlich wie die beeinträchtigte Transplantationsfunktion natürlich gealterter HSCs eine verringerte Kapazität für die hämatopoetische Rekonstitution aufwiesen. Dies deutet darauf hin, dass die Interaktion mit gealterten osteoblastischen Nischenzellen ausreicht, um Defekte in der HSC-Funktion zu induzieren. Gealterte heterochrone Nischenzellen veränderten jedoch nicht die rekonstituierende Aktivität junger HSCs. Zusammen zeigten diese Daten, dass altersbedingte, funktionelle Veränderungen in HSC-regulatorischen Nischenzellen durch junge zirkulierende Faktoren rückgängig gemacht werden können. Insgesamt deuten diese Ergebnisse weiter darauf hin, dass die verjüngenden Effekte einer jungen Zirkulation auf HSC indirekt kommuniziert werden – durch Signalisierung von verjüngten osteoblastischen Nischenzellen.

Um zu verstehen, welcher Faktor an der Regulation der Nischenzellfunktion beteiligt ist, wollten die Autoren untersuchen, ob der insulinähnliche Wachstumsfaktor 1 (IGF-1) eine Rolle spielen könnte. IGF-1 ist gezeigt worden, um ein evolutionär konservierter Altern- und Langlebigkeitsregler zu sein. In-vitro- und In-vivo-Experimente zeigten, dass lokales, nicht systemisches IGF-1 die Alterung von HSC-regulatorischen Nischenzellen zu induzieren scheint und dass die Neutralisierung der IGF-1-Signalisierung in der Knochenmarkmikroumgebung altersbedingte Veränderungen in osteoblastischen Nischenzellen umkehrt, die ihre angemessene Regulation von HSCs beeinträchtigen.Insgesamt deuten diese Ergebnisse darauf hin, dass osteoblastische Nischenzellen unter jugendlichen Bedingungen zwar die homöostatische Stammzellerhaltung fördern, aber durch Alterung so verändert werden, dass sie stattdessen die verstärkte Akkumulation von dysfunktionalen HSCs ermöglichen. Diese altersspezifischen Veränderungen in Nischenzellen scheinen durch uncharakterisierte zirkulierende Faktoren signalisiert zu werden, die teilweise durch Veränderung der IGF-1-Signalisierung in der Nischenzelle selbst wirken (Abb. 3). Es ist wahrscheinlich, dass IGF-1 nicht eine Hauptrolle für das ganzes gealterte Gewebe hat, da, während seine Rolle in der osteoblastischen Nische altersfördernd ist, im Gegensatz dazu im Skelettmuskel die lokale Expression von IGF-1 die Regenerationsfähigkeit bei gealterten Tieren aufrechterhält.

Im Oktober 2010 wurden drei der vier Autoren, darunter Amy J. Wetten, dieses Papier zurückgezogen, insbesondere für die Rolle der osteoblastischen Nischenzellen bei der Verjüngung von HSCs bei gealterten Mäusen . Es wurde festgestellt, dass der Erstautor die Bilder für Knochenknoten manipulierte, die in osteoblastischen Nischenzellen von jungen und gealterten Mäusen gebildet wurden (Retraction Watch, http://retractionwatch.com/2012/08/29/ori-finds-harvard-stem-cell-lab-post-doc-mayack-manipulated-images/). Daher sollte eine weitere Bestätigung seines Problems erhalten werden, wenn man bedenkt, dass das Parabiosemodell für die Untersuchung der Verjüngung anderer alter Organe ausgenutzt wurde. In der Tat erschienen später zwei Arbeiten, die zeigten, dass die Exposition einer jungen Maus gegenüber einer alten systemischen Umgebung die Myogenese und Neurogenese hemmen kann .

Im Jahr 2013 veröffentlichte das Team um Amy J. Wagers eine weitere Arbeit, mit der sie anhand des Parabiose-Modells demonstrierten, dass altersbedingte Herzhypertrophie durch Exposition gegenüber einer jungen Kreislaufumgebung mit nur 4 Wochen Parabiose umgekehrt werden kann . Die Messung des Blutdrucks und der zirkulierenden Angiotensin II- und Aldosteronspiegel in den verschiedenen Gruppen zeigte deutlich, dass die Umkehrung der Herzhypertrophie bei alten Mäusen, die einer jungen Zirkulation ausgesetzt waren, nicht durch eine einfache Blutdrucksenkung oder durch die Modulation bekannter Blutdruckeffektoren bei den älteren Mäusen erklärt werden konnte. Interessanterweise induzierte heterochrone Parabiose keine Veränderungen des Herzgewichts-zu-Tibia-Verhältnisses, der Kardiomyozytengröße oder des Blutdrucks bei jungen Mäusen, die mit älteren Partnern verbunden waren. Diese Daten implizieren einen antihypertrophen Faktor, der von jungen Mäusen produziert wird (und nicht die Verdünnung eines prohypertrophischen Faktors, der von alten Mäusen produziert wird), bei der kardialen Remodellierung, die durch heterochrone Parabiose induziert wird. Bei der „Scheinparabiose“, bei der Mäuse chirurgisch verbunden werden, während die Haut intakt bleibt, so dass sie keine gemeinsame Zirkulation entwickeln, wurde kein signifikanter Unterschied im Verhältnis von Herzgewicht zu Tibia-Länge bei gealterten Mäusen gefunden, was darauf hindeutet, dass Kreuzzirkulation und Austausch von durch Blut übertragenen Faktoren für die Umkehrung der altersbedingten Herzhypertrophie erforderlich sind. Um diese Faktoren zu identifizieren, ergab eine breit angelegte Proteomanalyse mit Aptamer-basierter Technologie 13 Analyten, die junge Mäuse zuverlässig von alten Mäusen unterschieden. Einer dieser Kandidaten, der Wachstumsdifferenzierungsfaktor 11 (GDF11), ein Mitglied der Activin/TGF-β-Superfamilie, wurde in weiteren Analysen bestätigt. GDF11 war im Plasma von alten isochronen im Vergleich zu jungen isochronen Mäusen reduziert und wurde bei alten Mäusen nach Exposition gegenüber einer jungen Zirkulation auf jugendliche Werte zurückgeführt. Eine tägliche 30-tägige Behandlung alter Mäuse mit GDF11 führte zu einer signifikanten Verringerung des Verhältnisses von Herzgewicht zu Tibia im Vergleich zur Kontrollgruppe mit Kochsalzlösung. Diese Daten deuten darauf hin, dass mindestens eine pathologische Komponente der altersbedingten diastolischen Herzinsuffizienz hormoneller Natur ist. Es ist jedoch unwahrscheinlich, dass die beobachtete Regression der Herzhypertrophie bei alten Mäusen, die einer jungen Zirkulation ausgesetzt waren, vollständig auf die Wiederauffüllung eines einzelnen Faktors zurückzuführen ist, und andere Faktoren sollten erkannt werden.Zwei nachfolgende Studien von Wagers und Kollegen fanden heraus, dass GDF11 das Wachstum neuer Blutgefäße und Neuronen im Gehirn ankurbelte und Stammzellen anspornte, Skelettmuskeln an den Stellen der Verletzungen zu regenerieren . In einer dieser Arbeiten zeigte das heterochrone Parabiose-Modell der Maus eine Zunahme des zerebralen Blutgefäßvolumens und des Blutflusses als Reaktion auf junge systemische Faktoren zusammen mit einer höheren Selbsterneuerung und Differenzierung in der neuralen Stammzellpopulation der subventrikulären Zone, was zu einer Verbesserung der olfaktorischen Diskriminierung führte (Abb. 2). Darüber hinaus fanden sie heraus, dass GDF11 das Blutgefäßvolumen sowie die Neurogenese bei alten Mäusen erhöhen kann. Interessanterweise verringerte Blut von 15 Monate alten Mäusen die neuralen Stammzellpopulationen im jungen Gehirn nicht, während älteres Blut (21 Monate) eine schädliche Wirkung hervorrief, was darauf hindeutet, dass ältere Tiere die Anhäufung von schädlichen systemischen Faktoren und / oder senken schützende junge Faktoren. Auf der anderen Seite wurde in dem von Rando und Tony Wyss-Corey als leitende Wissenschaftler verfassten Artikel das Chemokin CCL11 / Eotaxin als altersbedingter Blutfaktor identifiziert, der mit einer verminderten Neurogenese und einer Beeinträchtigung des Lernens und Gedächtnisses bei Mäusen assoziiert ist . Zu bestimmen ist, ob CCL11 während des Alterns direkt mit neuronalen Vorläuferzellen interagiert und deren Differenzierungskapazität beeinflusst, oder ob es indirekte Wirkungen durch Wechselwirkungen mit anderen neurogenen Nischenzelltypen hat.In der anderen Arbeit von Wagers und Kollegen wurde gezeigt, dass Satellitenzellen, die aus gealterten heterochronen Mäusen sortiert wurden, eine verbesserte myogene Differenzierungskapazität sowie geringere DNA-Schäden im Vergleich zu Satellitenzellen aus gealterten isochronen Kontrollen aufwiesen. In Bezug auf die Reversion der altersbedingten Herzhypertrophie erhöhte die Behandlung von gealterten Mäusen mit täglichen intraperitonealen Injektionen von rekombinantem GDF11 über 4 Wochen die Anzahl der Satellitenzellen mit intakter DNA im Vergleich zu Zellen von gealterten Mäusen, die Vehikel allein erhielten. Darüber hinaus stellte die GDF11-Behandlung von älteren Mäusen in einem Modell mit Muskelverletzungen 28 Tage vor der Verletzung und 7 Tage danach jugendlichere Profile des Myofaserkalibers im regenerierenden Muskel wieder her. Gealterte Mäuse, die mit GDF11 behandelt wurden, zeigten auch eine erhöhte durchschnittliche Trainingsausdauer und Griffkraft.In diesem letzten Papier fanden sie auch, dass in vitro Exposition von gealterten Satellitenzellen zu GDF11, aber nicht Myostatin (ein anderes Mitglied der TGF-β-Superfamilie) oder TGF-β1, produziert Dosis-responsive Erhöhungen der Satellitenzellproliferation und Differenzierung, was darauf hindeutet, dass GDF11, im Gegensatz zu Myostatin, kann direkt auf Satellitenzellen wirken, um ihre Funktion zu verändern.