2. Tarina parabioosista

väitettä siitä, että veri voi nuorentaa elimiämme, on elvyttänyt eräs tutkimusryhmä Stanfordin yliopiston lääketieteellisessä tiedekunnassa vuosina 2005 ja 2010 . Nämä tutkimukset perustuvat havaintoihin, jotka osoittavat, että kudosten uusiutumiskyky heikkenee iän myötä. Kudosten, kuten lihasten, veren, maksan ja aivojen, vähenemisen on katsottu johtuvan kudospesifisten kantasolujen ja progenitorisolujen heikentyneestä vasteesta . Ikääntynyt lihas kuitenkin uusiutuu onnistuneesti, kun se siirretään lihakseen nuoressa isännässä, mutta nuoressa lihaksessa näkyy heikentynyt uudistuminen, kun se siirretään ikääntyneeseen isäntään . Molemminpuoliset vaikutukset voivat johtua joko paikallisista tai systeemisistä tekijöistä. Sen testaamiseksi, voivatko systeemiset tekijät tukea kudosten uusiutumista nuorilla eläimillä ja/tai estää uusiutumista vanhoilla eläimillä, Conboyn ja kollegoiden vuonna 2005 julkaisema the paper – lehti kertoi kokeellisesta järjestelystä, jossa – toisin kuin elinsiirroilla-ikääntyneiden eläinten regeneroituvia kudoksia altistetaan vain nuorten eläinten kiertäville tekijöille ja päinvastoin . Niinpä he perustivat parabioottisia pareja nuorten ja vanhojen hiirten välille (heterokroniset parabioosit), parabioottisia pareja kahden nuoren hiiren tai kahden vanhan hiiren välille (isokroniset parabioosit), jotka toimivat kontrolleina (Fig. 1). Parabioosissa kaksi hiirtä yhdistetään kirurgisesti siten, että niille kehittyy yhteinen verenkierto, jossa solut ja liukoiset tekijät vaihtuvat fysiologisella tasolla nopeasti ja jatkuvasti yhteisen verenkiertojärjestelmän kautta . Parabioosin keksi fysiologi Paul Bert vuonna 1864 nähdäkseen, syntyikö yhteinen verenkiertojärjestelmä. Clive McCay, biokemisti ja gerontologi Cornellin yliopistossa Ithacassa, New Yorkissa, oli ensimmäinen, joka käytti parabioosia ikääntymisen tutkimukseen, mutta tämä tekniikka putosi suosiosta 1970-luvun jälkeen, todennäköisesti siksi, että monet rotat kuolivat salaperäiseen tilaan, jota kutsutaan parabioottiseksi sairaudeksi, joka tapahtuu noin yhdestä kahteen viikkoa sen jälkeen, kun kumppanit ovat liittyneet, ja voi olla kudoksen hylkimisen muoto. Vasta XXI vuosisadan alussa Irving Weissman ja Thomas A. Rando Stanfordin yliopistossa herättivät parabioosin henkiin, tutkimaan veren kantasolujen liikettä ja kohtaloa.

Parabiosis. Kaksi hiirtä on ommeltu yhteen jakaen yhteisen verenkierron. Heterokroninen parabioosi on, kun nuori hiiri liitetään kirurgisesti ikääntyneisiin kumppaneihin, kun taas isokroninen parabioosi tarkoittaa paria nuoria-nuoria tai vanhoja eläimiä. Muokattu viite. Nature Publishing Groupin luvalla.

Stanfordin ryhmä tutki lihasten uudistumista ja maksasolujen proliferaatiota parabioosiasetuksessa. Lihasvamman jälkeen lihasten uusiutumista tutkittiin muodostamalla myotubeja, jotka ilmentävät alkionmyosiinin raskasta ketjua, joka on erityinen merkki myotubien uusiutumisesta aikuisilla eläimillä. Viisi päivää loukkaantumisen jälkeen nuorten eläinten lihakset sekä isokroonisissa että heterokroonisissa parabiooseissa olivat uusiutuneet voimakkaasti. Sen sijaan vanhoista isokronisista parabionteista loukkaantuneet lihakset uusiutuivat huonosti. Erityisesti parabioosia nuorilla hiirillä paransi merkittävästi lihasten uusiutumista vanhoilla kumppaneilla. Ikääntyneiden lihasten uusiutuminen johtui lähes yksinomaan paikallisten ikääntyneiden progenitorisolujen aktivoitumisesta eikä kiertävien progenitorisolujen aktivoitumisesta nuorilta kumppaneilta (arvioituna siten, että alle 0, 1% nuorista kumppaneista peräisin olevista vihreistä fluoresoivista proteiinia ilmentävistä soluista oli GFP: n suhteen siirtogeenisiä). Koska lihasten uudistumisen häviäminen iän myötä johtuu osittain ikään liittyvästä Notch ligand Deltan säätelyn heikentymisestä lihasvamman jälkeen, tutkittiin myös Delta-ekspressiota. Eritoten heterokronisten parabionttien ikääntyneiden kumppanien satelliittisolut osoittivat Deltan merkittävän säätelyn, joka on verrattavissa nuorten kumppanien ja nuorten hiirien säätelyyn, johon ei kohdistu parabioottisia pareja (Kuva. 2).

vanhoilla hiirillä lihasten, maksan ja aivojen vanheneminen ja heterokronisen parabioosin aiheuttama nuorentuminen. Luustolihaksen uudistuminen vamman jälkeen liittyy Loven ligandin Deltan säätelyyn, joka menetetään iän myötä (ylemmät paneelit). Nuorten eläinten hepatosyyttien proliferaatio korreloi cebp-α-brahma (cebp-α-Brm) – kompleksin vähenemisen kanssa verrattuna iäkkäisiin hiiriin (keskimmäiset paneelit). Vaikka nuoret eläimet voivat lisätä neurogeneesiä ja angiogeneesiä aivojen subventrikulaarisella vyöhykkeellä, jossa hermokantasoluja on, ikääntyneet eläimet eivät voi (alemmat paneelit). Periaatteessa heterokoninen parabioosi palauttaa kaikki ikääntymisen fenotyyppiset ja molekyyliset tunnusmerkit siirtämällä liukoisia tekijöitä ja soluja.

maksatutkimuksissa ja kuten lihastutkimuksissa, vaikka albumiinipositiivisten solujen proliferaatio vanhoissa isokronisissa parabionteissa oli vähäisempää kuin nuorilla isokronisilla parabionteilla, nuoren kumppanin parabioosi lisäsi iäkkäillä hiirillä merkittävästi hepatosyyttien proliferaatiota. Kuten myös lihaksissa, maksasolujen proliferaation lisääntyminen iäkkäillä hiirillä johtui paikallisista soluista eikä nuorten partnereiden verenkierrossa olevista soluista. Maksasolujen progenitorisolujen proliferaation väheneminen johtuu kompleksin muodostumisesta, johon kuuluvat cEBP-α ja kromatiinin remodelointitekijä brahma (Brm), joka estää E2F-vetoisen geenin ilmentymistä . Samanaikaisesti hepatosyyttien uusiutumiseen kohdistuvan vaikutuksen kanssa havaittiin cebp-α-Brm-kompleksin muodostumista maksoissa vanhoista heterokronisista parabionteista, mutta ei nuorista isokronisista, ja kompleksi väheni vanhoissa heterokronisissa parabionteissa (Fig. 2). Lopuksi, lihaksissa ja maksassa, he huomasivat progenitorisolujen proliferaation vähenemisen nuorilla hiirillä parabioottisen parinmuodostuksen jälkeen vanhojen hiirien kanssa, mikä viittaa siihen, että vanhat hiiret ovat rikastuneet estävillä tekijöillä, jotka laimenevat parabioosin yhteydessä. Kaiken kaikkiaan nämä tiedot osoittivat, että on olemassa systeemisiä tekijöitä, jotka voivat moduloida kudosspesifisten progenitorisolujen aktivaation tai inhibition kannalta kriittisiä molekulaarisia signalointireittejä ja että nuoren eläimen systeeminen ympäristö on sellainen, joka edistää onnistunutta regeneraatiota, kun taas vanhemman eläimen systeeminen ympäristö ei joko edistä tai aktiivisesti estä onnistunutta kudosten uudistumista. Tämä tutkimus osoitti myös, että kudosspesifiset kantasolut/progenitorisolut säilyttävät suuren osan luontaisesta proliferatiivisesta potentiaalistaan myös vanhoina, mutta että ikään liittyvät muutokset systeemisessä ympäristössä ja/tai lokerossa, jossa progenitorisolut asuvat, estävät näiden solujen täyden aktivoitumisen tuottavan kudoksen uudistumiseen.

vuoden 2010 paperissa vetäjät ja kollegat yrittivät selvittää, mikä on paikallisten mikroympäristöön liittyvien ja systeemisten tekijöiden rooli hematopoieettisten runko-ja progenitorisolujen (HSPCs) ikääntymisessä, käyttäen In vivo parabioottista hiirijärjestelmää ja tutkimalla HSC-taajuutta ja pitkäaikaisten HSCs: ien (LT-HSCs) määrää. Kongeenisia markkereita käytettiin erottamaan HSCs ikääntyneistä ja nuorista kumppaneista. Ikääntymiseen liittyy luuytimen tasolla Hspc-solujen huomattava laajeneminen, johon paradoksaalisesti liittyy veren ennallistamiskyvyn heikkeneminen ja siirtoleikkauksen jälkeinen vääristynyt erilaistumispotentiaali . Aged-heterochronic parabionts osoitti merkittävää laskua LT-HSCs, joka lähestyi normaalia ”nuorekas” tasot. Tämä vaikutus johtui erityisesti muutoksista HSC: n ikääntyneessä väestössä itsessään eikä nuorten solujen salakuljetuksesta iäkkäiden kumppaneiden luuytimeen. Lisäksi heterokroninen parabioosi aiheutti myös Lt-HSC: n toiminnan elpymistä ikääntyneillä hiirillä, mistä on osoituksena B-lymfoidin ja myelooisten solujen nuoruusasteen palautuminen. Kuten HSCs: llä, iäkkäistä hiiristä eristettävien osteoblastisten niche-solujen esiintymistiheys ja kokonaismäärä lisääntyivät nuoriin verrokkeihin verrattuna. In vitro kokeet interaktiosta nuorten luuydinsolujen kanssa ikääntyneiden osteoblastisten niche soluja myös osoittaa laajentumista HSCs, viittaa siihen, että HSC nuorentava vaikutukset heterokroninen parabioosin tapahtua epäsuorasti-palautuminen ikään liittyviä muutoksia osteoblastisten niche soluja. Osteoblastien esiintymistiheys ja lukumäärä palautuivatkin nuorekkaalle tasolle, kun iäkkäät Eläimet kokivat heterokoonisessa parabioosissa nuoren systeemisen ympäristön. Lisäksi aged-heterokronisesta parabioosista eristetyt kapeat solut osoittivat merkittävästi heikentyneen kyvyn aiheuttaa HSPC-kertymistä, toisin kuin aged-isokronisesta parabioosista eristetyt kapeat solut. Mielenkiintoista on, että nuorista heterokronisista parabionteista eristetyt osteoblasti-kapeat solut aiheuttivat nuorten Hspc-solujen lievää laajenemista verrattuna nuoriin-isokronisiin parabiontteihin. Nämä in vitro-tutkimukset viittasivat ikääntyneen verenkiertoympäristön vastavuoroiseen vaikutukseen kapealla aktiivisuudella nuorilla heterokronisilla kumppaneilla ja osoittavat, että systeemiset signaalit palauttavat ikääntyneet kapeat. Lisäkokeita on tehty, joiden tarkoituksena on arvioida nuorten Hspc: iden kykyä palauttaa hematopoieesia. Tulokset osoittivat , että samalla tavoin kuin luonnollisesti ikääntyneiden HSCs: ien heikentynyt kiinnittymistoiminto, nuorilla HPSC: llä, jotka altistettiin in vitro ikääntyneille isokroonisille niched-soluille, oli alentunut kyky hematopoieettiseen käyttöönvalmistukseen. Tämä osoittaa, että vuorovaikutus ikääntyneiden osteoblastisten kapeasolujen kanssa riittää aiheuttamaan häiriöitä HSC: n toiminnassa. Ikääntyneet heterokroniset kapeasolut eivät kuitenkaan muuttaneet nuorten HSCs: n ennallistamisaktiivisuutta. Yhdessä nämä tiedot osoittivat, että iän mukanaan tuomat, toiminnalliset muutokset HSC-säätelijärajojen soluissa voidaan kumota nuorilla verenkierrossa olevilla tekijöillä. Kaiken kaikkiaan nämä havainnot viittaavat edelleen siihen, että nuoren verenkierron nuorentavat vaikutukset HSC: hen välittyvät epäsuorasti – nuorennettujen osteoblastisten kapeasolujen signaloinnilla.

ymmärtääkseen, mikä tekijä osallistuu niche-solujen toiminnan säätelyyn, kirjoittajat pyrkivät selvittämään, voisiko insuliinin kaltaisella kasvutekijällä-1 (IGF-1) olla merkitystä. IGF-1: n on osoitettu olevan evolutionaarisesti säilyvä ikääntymisen ja pitkäikäisyyden säädin . In vitro-ja In vivo-kokeet osoittivat, että paikallinen, ei systeeminen, IGF-1 näyttää aiheuttavan ikääntymistä HSC-regulatory niche soluissa ja että IGF-1-signaloinnin neutralisoituminen luuytimen mikroympäristössä palauttaa ikään liittyvät muutokset osteoblastisissa niche-soluissa, jotka heikentävät niiden asianmukaista säätelyä HSCs: ssä.

kaiken kaikkiaan nämä havainnot viittasivat siihen, että vaikka osteoblastiset kapeasolut edistävät homeostaattista kantasolujen ylläpitoa nuorekkaissa olosuhteissa, vanheneminen muuttaa niitä siten, että toimintahäiriöiden kumuloituminen lisääntyy. Nämä ikäkohtaiset muutokset niche soluja näyttävät olevan signaled by uncharacteristed kiertävät tekijät, jotka toimivat osittain muuttamalla IGF-1 signalointi niche solu itse (kuva. 3). On todennäköistä, että IGF-1: llä ei ole suurta roolia kaikille ikääntyneille kudoksille, sillä vaikka sen rooli osteoblastisessa kapeassa on ikää edistävä, toisin kuin luustolihaksissa IGF-1: n paikallinen ilmentyminen ylläpitää uusiutumiskykyä ikääntyneillä eläimillä.

lokakuussa 2010 neljästä tekijästä kolme, mukaan lukien Amy J. Wagers, vedettiin tämä paperi, erityisesti rooli osteoblastic kapeat solut nuorentaminen HSCs ikääntyneillä hiirillä . Havaittiin, että ensimmäinen tekijä manipuloi kuvia nuorten ja ikääntyneiden hiirten osteoblastisissa niche-soluissa muodostuneiden luukyhmyjen varalta (Retraction Watch, http://retractionwatch.com/2012/08/29/ori-finds-harvard-stem-cell-lab-post-doc-mayack-manipulated-images/). Näin ollen lisävahvistusta hänen asiastaan olisi saatava, ottaen huomioon myös sen, että parabioosin mallia käytettiin hyväksi muiden vanhojen elinten nuorentamisen tutkimiseen. Myöhemmin ilmestyi kaksi tutkimusta, jotka osoittivat, että nuoren hiiren altistaminen vanhalle systeemiselle ympäristölle voi estää myogeneesiä ja neurogeneesiä .

vuonna 2013 Amy J. Wagersin johtama työryhmä julkaisi toisen teoksen, jossa he osoittivat parabioosin mallilla, että ikään liittyvä sydämen hypertrofia voidaan kumota altistumalla nuorelle verenkiertoelimistölle, jossa parabioosia on vain 4 viikkoa . Verenpaineen ja verenkierrossa olevien angiotensiini II: n ja aldosteronin pitoisuuksien mittaaminen eri ryhmissä osoitti selvästi, että sydämen hypertrofian korjaantumista nuorilla hiirillä, jotka altistuivat nuorelle verenkierrolle, ei voitu selittää pelkästään verenpaineen laskulla tai tunnettujen verenpaineen efektoreiden modulaatiolla vanhemmilla hiirillä. Mielenkiintoista, heterokroninen parabioosi ei aiheuttanut muutoksia sydämen painon ja sääriluun suhteeseen, kardiomyosyyttien kokoon tai verenpaineeseen nuorilla hiirillä, jotka liittyivät ikääntyneisiin kumppaneihin. Nämä tiedot viittasivat nuorten hiirten tuottamaan antihypertrofiseen tekijään (eikä vanhojen hiirten tuottaman prohypertrofiatekijän laimentumiseen) heterokronisen parabioosin aiheuttamassa sydämen uudismuodostuksessa. ”Sham parabioosissa”, jossa hiiret yhdistetään kirurgisesti jättäen ihon ehjäksi siten, että ne eivät kehitä yhteistä verenkiertoa, ei todettu merkittävää eroa sydämen painon ja sääriluun pituussuhteessa ikääntyneillä hiirillä, mikä edelleen osoittaa, että veren kautta tarttuvien tekijöiden ristikierto ja vaihto ovat tarpeen ikään liittyvän sydämen hypertrofian kääntämiseksi. Näiden tekijöiden tunnistamiseksi laajassa proteomiikan analyysissä aptamer-pohjaisella teknologialla havaittiin 13 analyyttiä, jotka luotettavasti erottivat nuoret hiiret vanhoista hiiristä. Yksi näistä ehdokkaista, Activin/TGF-β-superperheeseen kuuluva growth differential factor 11 (gdf11), vahvistettiin lisäanalyyseissä. GDF11 pieneni vanhojen isokroonisten hiirten plasmassa nuoriin isokroonisiin verrattuna ja palautui vanhoilla hiirillä nuorekkaalle tasolle sen jälkeen, kun ne olivat altistuneet nuorelle verenkierrolle. Vanhojen hiirten päivittäinen 30 päivän hoito GDF11: llä johti sydämen painon ja sääriluun pituuden suhteen merkittävään alenemiseen verrattuna suolaliuosta ruiskuttaneeseen verrokkiryhmään. Nämä tiedot viittasivat siihen, että ainakin yksi ikään liittyvän diastolisen sydämen vajaatoiminnan patologisista komponenteista on luonteeltaan hormonaalinen. Havaittu sydämen hypertrofian taantuminen vanhoilla hiirillä, jotka altistuvat nuorelle verenkierrolle, ei kuitenkaan todennäköisesti johdu pelkästään yksittäisen tekijän täydentymisestä, ja muut tekijät olisi otettava huomioon.

kahdessa myöhemmässä wagersin ja kollegoiden tekemässä tutkimuksessa havaittiin, että GDF11 vauhditti uusien verisuonten ja hermosolujen kasvua aivoissa ja vauhditti kantasolujen uusiutumista luustolihaksissa vammautumiskohdissa . Yhdessä näistä papereista hiiren heterokroninen parabioosimalli paljasti aivojen verisuonten tilavuuden ja verenkierron lisääntymisen vastauksena nuoriin systeemisiin tekijöihin, yhdessä suuremman itsensä uusiutumisen ja erilaistumisen subventrikulaarisessa vyöhykkeessä hermokantasolupopulaatiossa, mikä paransi hajuaistin erottelua (Kuva. 2). Lisäksi he havaitsivat, että gdf11 voisi lisätä verisuonten tilavuutta sekä neurogeneesiä vanhoilla hiirillä. Mielenkiintoista on, että 15 kuukauden ikäisten hiirten veri ei vähentänyt nuorten aivojen hermokantasolupopulaatioita, kun taas vanhempi veri (21 kuukautta) aiheutti haitallisen vaikutuksen, mikä viittaa siihen, että vanhemmilla eläimillä on enemmän haitallisia systeemisiä tekijöitä ja/tai vähemmän suojaavia nuoria tekijöitä. Toisaalta Randon ja Tony Wyss-Coreyn vanhempien tutkijoiden kirjoittamassa asiakirjassa kemokiini CCL11 / eotaksiini tunnistettiin ikään liittyväksi veritekijäksi, joka liittyy alentuneeseen neurogeneesiin ja heikentyneeseen oppimiseen ja muistiin hiirillä . Mitä on määritettävä on, jos ccl11 vuorovaikutuksessa suoraan hermoston progenitorisolujen ikääntymisen aikana vaikuttaa niiden erilaistumiskykyä, tai se on epäsuoria vaikutuksia vuorovaikutuksia muiden neurogeenisten niche solutyyppejä.

toisessa Wagersin ja kollegoiden tekemässä tutkimuksessa osoitettiin , että ikääntyneistä heterokronisista hiiristä lajitellut satelliittisolut olivat parantaneet myogeenistä erilaistumiskykyä ja vähentäneet DNA-vaurioita verrattuna ikääntyneistä isokronisista kontrolleista saatuihin satelliittisoluihin. Ikään liittyvän sydämen hypertrofian palautumisen osalta iäkkäiden hiirten hoito rekombinantti GDF11: n päivittäisillä vatsaonteloon annettavilla injektioilla 4 viikon ajan lisäsi niiden satelliittisolujen määrää, joiden DNA on ehjä, verrattuna pelkästään vehikkeliä saaneiden iäkkäiden hiirten soluihin. Lisäksi lihasvamman mallissa gdf11-hoito ikääntyneillä hiirillä 28 päivää ennen loukkaantumista ja jatkui 7 päivän ajan sen jälkeen, kun myofiber-kaliiperin nuorekas profiili palautettiin uusiutuvassa lihaksessa. Ikääntyneillä hiirillä, joita hoidettiin GDF11: llä, oli myös lisääntynyt keskimääräinen liikuntakestävyys ja Pitovoima.

tässä viimeisessä tutkimuksessa he havaitsivat myös, että ikääntyneiden satelliittisolujen in vitro-altistuminen GDF11: lle, mutta ei myostatiinille (toinen TGF-β-superperheen jäsen) tai TGF-β1: lle, aiheutti annosvasteisen satelliittisolujen proliferaation ja erilaistumisen lisääntymisen, mikä viittaa siihen, että gdf11, toisin kuin myostatiini, voi vaikuttaa suoraan satelliittisoluihin muuttaakseen niiden toimintaa.