La Fuente de la Juventud: Una Historia de Parabiosis, Células Madre y Rejuvenecimiento | Company Pride
2. Una historia de parabiosis
La afirmación de que la sangre puede rejuvenecer nuestros órganos ha sido revitalizada por un grupo de investigación en la Escuela de Medicina de la Universidad de Stanford en 2005 y 2010 . Estos estudios surgieron de observaciones que muestran que la capacidad regenerativa de los tejidos disminuye con la edad. En tejidos como los músculos, la sangre, el hígado y el cerebro, esta disminución se ha atribuido a una menor capacidad de respuesta de las células madre y progenitoras específicas de los tejidos . Sin embargo, el músculo envejecido se regenera con éxito cuando se injerta en el músculo de un huésped joven, pero el músculo joven muestra una regeneración deteriorada cuando se injerta en un huésped anciano . Los factores locales o sistémicos podrían ser responsables de estos efectos recíprocos. Con el fin de probar si los factores sistémicos pueden apoyar la regeneración de tejidos en animales jóvenes y/o inhibir la regeneración en animales viejos, el artículo de Conboy y sus colegas de 2005 informó de una configuración experimental en la que, a diferencia de los trasplantes, los tejidos regeneradores en animales ancianos están expuestos solo a factores circulantes de animales jóvenes, y viceversa . Por lo tanto, establecieron emparejamientos parabióticos entre ratones jóvenes y viejos (parabiosis heterocrónica), con emparejamientos parabióticos entre dos ratones jóvenes o dos ratones viejos (parabiosis isocrónica) que sirven como controles (Fig. 1). En la parabiosis, dos ratones se unen quirúrgicamente, de modo que desarrollan una circulación sanguínea compartida con un intercambio rápido y continuo de células y factores solubles a niveles fisiológicos a través de su sistema circulatorio común . La parabiosis fue inventada en 1864 por el fisiólogo Paul Bert para ver si se había creado un sistema circulatorio compartido. Clive McCay, bioquímico y gerontólogo de la Universidad de Cornell en Ithaca, Nueva York, fue el primero en aplicar la parabiosis al estudio del envejecimiento, pero esta técnica cayó en desgracia después de la década de 1970, probablemente porque muchas ratas murieron a causa de una misteriosa enfermedad llamada enfermedad parabiótica, que ocurre aproximadamente una o dos semanas después de que se unen las parejas, y puede ser una forma de rechazo de tejidos. Solo a principios del siglo XXI, Irving Weissman y Thomas A. Rando de la Universidad de Stanford resucitaron la parabiosis para estudiar el movimiento y el destino de las células madre sanguíneas.
Parabiosis. Se suturan dos ratones que comparten un torrente sanguíneo común. La parabiosis heterocrónica es cuando un ratón joven se une quirúrgicamente a parejas de edad avanzada, mientras que la parabiosis isocrónica se refiere a parejas de animales jóvenes-jóvenes o viejos-viejos. Modificado de ref. con permiso de Nature Publishing Group.
El grupo de Stanford investigó la regeneración muscular y la proliferación de células hepáticas en el entorno de la parabiosis. Después de la lesión muscular, se estudió la regeneración muscular mediante la formación de miotubos que expresaban la cadena pesada de miosina embrionaria, un marcador específico de miotubos regeneradores en animales adultos. Cinco días después de la lesión, los músculos de los animales jóvenes en parabiosis isocrónica y heterocrónica se habían regenerado de forma robusta. Por el contrario, los músculos lesionados por parabiontes isocrónicos viejos se regeneraron mal. En particular, la parabiosis con ratones jóvenes mejoró significativamente la regeneración muscular en parejas viejas. La regeneración del músculo envejecido se debió casi exclusivamente a la activación de células progenitoras residentes y envejecidas, y no al injerto de células progenitoras circulantes de parejas jóvenes (según se juzga por la presencia de menos del 0,1% de células de expresión de proteínas fluorescentes verdes derivadas de parejas jóvenes transgénicas para GFP). Dado que la pérdida de regeneración muscular con la edad se debe en parte a un deterioro relacionado con la edad en la regulación ascendente del ligando Delta de Muesca después de una lesión muscular , también se estudió la expresión de Delta. En particular, las células satélite de las parejas envejecidas de parabiontes heterocrónicos mostraron una regulación marcada de Delta, comparable a la encontrada en sus parejas jóvenes y en ratones jóvenes no sometidos a emparejamientos parabióticos (Fig. 2).
Envejecimiento de músculos, hígado y cerebro en ratones viejos y rejuvenecimiento por parabiosis heterocrónica. La regeneración del músculo esquelético tras una lesión está relacionada con la regulación ascendente del ligando Delta de Muesca, que se pierde con la edad (paneles superiores). La proliferación de hepatocitos en animales jóvenes se correlaciona con la disminución del complejo cEBP-α-brahma (cEBP-α-Brm) en comparación con ratones de edad avanzada (paneles medios). Mientras que los animales jóvenes pueden aumentar su neurogénesis y angiogénesis en la zona subventricular del cerebro, donde están presentes las células madre neuronales, los animales de edad avanzada no pueden (paneles inferiores). En principio, la parabiosis heterocónica revierte todas las características fenotípicas y moleculares del envejecimiento mediante la transferencia de factores y células solubles.
En el caso de los estudios hepáticos, y al igual que en el músculo, mientras que la proliferación de células positivas a albúmina en parabiontes isocónicos viejos fue menor que la observada en parabiontes isocrónicos jóvenes, la parabiosis en una pareja joven aumentó significativamente la proliferación de hepatocitos en ratones ancianos. Al igual que en el músculo, el aumento de la proliferación de hepatocitos en ratones de edad avanzada se debió a las células residentes y no al injerto de células circulantes de parejas jóvenes. La disminución de la proliferación de células progenitoras de hepatocitos se debe a la formación de un complejo que involucra cEBP-α y el factor de remodelación de la cromatina brahma (Brm) que inhibe la expresión génica impulsada por E2F . En paralelo con el efecto sobre la regeneración de hepatocitos, se detectó la formación del complejo cEBP-α-Brm en hígados de parabiontos heterocrónicos viejos, pero no de parabiontos isocrónicos jóvenes, y el complejo se redujo en parabiontos heterocrónicos viejos (Fig. 2). Finalmente, en el músculo y el hígado, notaron una reducción de la proliferación de células progenitoras en ratones jóvenes después del emparejamiento parabiótico con ratones viejos, lo que sugiere que los ratones viejos se enriquecen con factores inhibitorios que se diluyen en la parabiosis. En general, estos datos indicaron que hay factores sistémicos que pueden modular las vías de señalización molecular críticas para la activación o inhibición de células progenitoras específicas de tejidos, y que el entorno sistémico de un animal joven es uno que promueve la regeneración exitosa, mientras que el de un animal mayor no promueve o inhibe activamente la regeneración exitosa de tejidos. Finalmente, este trabajo también demostró que las células madre / progenitoras específicas de los tejidos conservan gran parte de su potencial proliferativo intrínseco incluso cuando son viejas, pero que los cambios relacionados con la edad en el entorno sistémico y/o nicho en el que residen las células progenitoras impiden la activación completa de estas células para la regeneración productiva de los tejidos.
En el artículo de 2010, Wagers y sus colegas intentaron averiguar cuál es el papel de los factores sistémicos y microambientales locales relacionados con el nicho en el envejecimiento de las células madre y progenitoras hematopoyéticas (CPH), utilizando el sistema de ratón parabiótico in vivo y estudiando la frecuencia y el número de CPH a largo plazo (CPH-LT). Se utilizaron marcadores congénicos para distinguir las células madre hematopoyéticas de parejas de edad versus parejas jóvenes. El envejecimiento se acompaña, a nivel de la médula ósea, de una expansión considerable de las HSPCS, unida paradójicamente a una capacidad reducida de reconstitución sanguínea y un potencial de diferenciación sesgado después del trasplante . Los parabiontes heterocrónicos envejecidos mostraron una reducción significativa de las CMH-LT, que se acercaron a los niveles normales de «juventud». En particular, este efecto surgió de los cambios en la propia población anciana de HSC y no del tráfico de células «jóvenes» a la médula de la pareja anciana. Además, la parabiosis heterocrónica también indujo la recuperación de la función LT-HSC en ratones ancianos, como lo demuestra el potencial de injerto y la restauración de las proporciones juveniles de células linfoides B a mieloides. Al igual que con las células HSC, tanto la frecuencia como el número total de células de nicho osteoblásticas aislables de ratones de edad avanzada aumentaron en comparación con los controles jóvenes. Los experimentos in vitro de interacción entre células de médula ósea jóvenes con células de nicho osteoblásticas envejecidas, que también mostraron expansión de células de nicho osteoblásticas, sugirieron que los efectos rejuvenecedores de las células de médula ósea heterocrónicas se producen indirectamente, al revertir los cambios relacionados con la edad en las células de nicho osteoblásticas. De hecho, la frecuencia y el número de osteoblastos se restablecieron a niveles juveniles cuando los animales de edad experimentaron la parabiosis heterocónica en un entorno sistémico joven. Además, las células de nicho aisladas de la parabiosis heterocrónica envejecida mostraron una capacidad significativamente reducida para causar acumulación de HSPC, en contraste con las células de nicho de la parabiosis isocrónica envejecida. Curiosamente, las células de nicho de osteoblastos aisladas de parabiontes heterocrónicos jóvenes indujeron una ligera expansión de las HSPCs jóvenes en comparación con las de parabiontes isocrónicos jóvenes. Estos estudios in vitro sugirieron un efecto recíproco del entorno circulatorio envejecido en la actividad de nicho en parejas heterocrónicas jóvenes e indican que las señales sistémicas restauran nichos envejecidos. Se han realizado más experimentos, dirigidos a evaluar la capacidad de los HSPCS jóvenes para reconstituir la hematopoyesis. Los resultados demostraron que, al igual que el deterioro de la función de injerto de las células hematopoyéticas envejecidas de forma natural , las células hematopoyéticas jóvenes expuestas in vitro a células de nichos isocrónicos envejecidos exhibían una capacidad reducida de reconstitución hematopoyética. Esto indica que la interacción con células de nicho osteoblásticas envejecidas es suficiente para inducir defectos en la función del HSC. Sin embargo, las células de nicho heterocrónicas envejecidas no alteraron la actividad reconstituyente de las células hematopoyéticas jóvenes. En conjunto, estos datos demostraron que las alteraciones funcionales inducidas por la edad en células de nicho reguladoras del HSC pueden revertirse mediante factores circulantes jóvenes. En general, estos hallazgos sugieren además que los efectos rejuvenecedores de una circulación joven en HSC se comunican indirectamente, mediante señalización de células de nicho osteoblásticas rejuvenecidas.
Para comprender qué factor está involucrado en la regulación de la función celular de nicho, los autores buscaron investigar si el factor de crecimiento similar a la insulina-1 (IGF-1) podría desempeñar un papel. Se ha demostrado que el IGF-1 es un regulador de envejecimiento y longevidad conservado evolutivamente . Los experimentos in vitro e in vivo demostraron que el IGF-1 local, no sistémico, parece inducir el envejecimiento de las células de nicho reguladoras de las células HSC, y que la neutralización de la señalización de IGF-1 en el microambiente de la médula ósea revierte los cambios relacionados con la edad en las células de nicho osteoblásticas que afectan su regulación adecuada de las células HSC.
En general, estos hallazgos sugirieron que, si bien en condiciones juveniles las células osteoblásticas de nicho promueven el mantenimiento homeostático de las células madre, el envejecimiento las altera de tal manera que, en cambio, permiten una mayor acumulación de células HSC disfuncionales. Estas alteraciones específicas de la edad en células de nicho parecen estar marcadas por factores circulantes no caracterizados que actúan en parte alterando la señalización de IGF-1 en la propia célula de nicho (Fig. 3). Es probable que el IGF-1 no tenga un papel importante para todo el tejido envejecido, ya que mientras que su papel en el nicho osteoblástico promueve la edad, en contraste con la expresión local de IGF-1 en el músculo esquelético, mantiene la capacidad regenerativa en animales ancianos.
Modelo propuesto que describe los cambios relacionados con la edad en el nicho de células osteoblásticas y las CMH, y cómo estos cambios pueden revertirse mediante la parabiosis heterocrónica. Los cambios específicos de la edad en los efectos autocrinos o paracrinos del IGF-1 en las células de nicho osteoblásticas se señalan por factores solubles circulantes que a su vez cambian con la edad. La señalización de IGF-1 en células de nicho osteoblásticas envejecidas (a) contribuye directamente a la disfunción relacionada con la edad en las células HSC, incluida la acumulación excesiva de células HSC y la elección de destino linfoide B (células B)/mieloide (Mi) sesgada. Después de la parabiosis heterocrónica, o después de la neutralización de la señalización de IGF-1 in vivo (b), se restaura la actividad «juvenil» de las células de nicho envejecidas, de modo que ya no inducen la acumulación excesiva o el sesgo de linaje de las células HSC. De ref. con permiso de Nature Publishing Group.
En octubre de 2010, tres de los cuatro autores, incluyendo a Amy J. Wagers, retractó este artículo, en particular por el papel de las células de nicho osteoblásticas en el rejuvenecimiento de las células madre hematopoyéticas en ratones ancianos . Se encontró que el primer autor manipuló las imágenes para detectar nódulos óseos formados en células de nicho osteoblásticas de ratones jóvenes y ancianos (Reloj de retracción, http://retractionwatch.com/2012/08/29/ori-finds-harvard-stem-cell-lab-post-doc-mayack-manipulated-images/). Por lo tanto, se debe obtener una confirmación adicional sobre su problema, teniendo en cuenta también que el modelo de parabiosis se aprovechó para estudiar el rejuvenecimiento de otros órganos viejos. De hecho, posteriormente aparecieron dos artículos que mostraban que la exposición de un ratón joven a un entorno sistémico antiguo puede inhibir la miogénesis y la neurogénesis .
En 2013, el equipo dirigido por Amy J. Wagers, publicó otro trabajo en el que demostraron utilizando el modelo de parabiosis, que la hipertrofia cardíaca relacionada con la edad se puede revertir mediante la exposición a un entorno circulatorio joven con solo 4 semanas de parabiosis . La medición de la presión arterial y de los niveles circulantes de angiotensina II y aldosterona en los diversos grupos, demostró claramente que la reversión de la hipertrofia cardíaca en ratones viejos expuestos a una circulación joven no podía explicarse por una simple reducción de la presión arterial o en la modulación de efectores conocidos de presión arterial en los ratones más viejos. Curiosamente, la parabiosis heterocrónica no indujo cambios en la relación peso / tibia del corazón, el tamaño de los cardiomiocitos o la presión arterial en ratones jóvenes unidos a parejas de edad avanzada. Estos datos implicaron un factor antihipertrófico producido por ratones jóvenes (en lugar de la dilución de un factor de prohipertrofia producido por ratones viejos) en el remodelado cardíaco inducido por la parabiosis heterocrónica. En la «parabiosis simulada», en la que los ratones se unen quirúrgicamente mientras dejan la piel intacta, de modo que no desarrollan una circulación compartida, no se encontró una diferencia significativa en la proporción de peso del corazón a longitud de tibia en ratones ancianos, lo que indica además que la circulación cruzada y el intercambio de factores transmitidos por la sangre son necesarios para revertir la hipertrofia cardíaca relacionada con la edad. Para identificar estos factores, un análisis proteómico a gran escala utilizando tecnología basada en aptámeros reveló 13 analitos que distinguían de manera confiable a los ratones jóvenes de los ratones viejos. Uno de estos candidatos, el factor de diferenciación de crecimiento 11 (GDF11), miembro de la superfamilia activina/TGF-β, fue confirmado en análisis posteriores. GDF11 se redujo en el plasma de ratones isocrónicos viejos en comparación con ratones isocrónicos jóvenes y se restauró a niveles juveniles en ratones viejos después de la exposición a una circulación joven. Un tratamiento diario de 30 días de duración de ratones viejos con GDF11 condujo a una reducción significativa de la relación peso-tibia del corazón en comparación con el grupo de control inyectado con solución salina. Estos datos sugirieron que al menos un componente patológico de la insuficiencia cardíaca diastólica relacionada con la edad es de naturaleza hormonal. Sin embargo, es poco probable que la regresión observada de la hipertrofia cardíaca en ratones viejos expuestos a una circulación joven sea atribuible enteramente a la reposición de un solo factor, y se deben reconocer otros factores.
Dos estudios posteriores de Wagers y colegas encontraron que el GDF11 impulsó el crecimiento de nuevos vasos sanguíneos y neuronas en el cerebro y estimuló a las células madre a regenerar el músculo esquelético en los sitios de las lesiones . En uno de estos trabajos , el modelo de parabiosis heterocrónica de ratón reveló un aumento en el volumen de los vasos sanguíneos cerebrales y el flujo sanguíneo en respuesta a factores sistémicos jóvenes, junto con una mayor autorrenovación y diferenciación en la población de células madre neuronales de la zona subventricular, lo que trajo una mejora en la discriminación olfativa (Fig. 2). Además, encontraron que GDF11 podría aumentar el volumen de los vasos sanguíneos, así como la neurogénesis en ratones viejos. Curiosamente, la sangre de ratones de 15 meses de edad no disminuyó las poblaciones de células madre neurales en el cerebro joven, mientras que la sangre mayor (21 meses) provocó un efecto perjudicial, lo que sugiere que los animales mayores aumentan la acumulación de factores sistémicos perjudiciales y/o factores jóvenes protectores más bajos. Por otro lado, en el artículo escrito por Rando y Tony Wyss-Corey como científicos senior, la quimiocina CCL11/eotaxina se identificó como un factor sanguíneo relacionado con la edad asociado con disminución de la neurogénesis y deterioro del aprendizaje y la memoria en ratones . Lo que se debe determinar es si CCL11 interactúa directamente con las células progenitoras neuronales durante el envejecimiento influyendo en su capacidad de diferenciación, o tiene acciones indirectas por interacciones con otros tipos de células de nicho neurogénicas.
En el otro artículo de Wagers y colegas, se demostró que las células satélite clasificadas de ratones heterocrónicos envejecidos habían mejorado la capacidad de diferenciación miogénica, así como un menor daño al ADN en comparación con las células satélite de controles isocrónicos envejecidos. En cuanto a la reversión de la hipertrofia cardíaca relacionada con la edad , el tratamiento de ratones ancianos con inyecciones intraperitoneales diarias de GDF11 recombinante durante 4 semanas aumentó el número de células satélite con ADN intacto, en comparación con las células de ratones ancianos que recibieron vehículo solo. Además, en un modelo de lesión muscular, el tratamiento con GDF11 de ratones ancianos 28 días antes de la lesión y continuado durante 7 días a partir de entonces restauró perfiles más jóvenes de calibre de miofibras en la regeneración muscular. Los ratones ancianos tratados con GDF11 también mostraron una mayor resistencia promedio al ejercicio y fuerza de agarre.
En este último trabajo, también encontraron que la exposición in vitro de células satélite envejecidas a GDF11, pero no a la miostatina (otro miembro de la superfamilia TGF-β) o TGF-β1, produjo aumentos de respuesta a la dosis en la proliferación y diferenciación de células satélite, lo que sugiere que la GDF11, en contraste con la miostatina, puede actuar directamente sobre las células satélite para alterar su función.