2. Une histoire de parabiose

L’affirmation selon laquelle le sang peut rajeunir nos organes a été revitalisée par un groupe de recherche de la Stanford University School of Medicine en 2005 et 2010. Ces études sont issues d’observations qui montrent que la capacité de régénération des tissus diminue avec l’âge. Dans les tissus tels que les muscles, le sang, le foie et le cerveau, ce déclin a été attribué à une réactivité réduite des cellules souches et progénitrices spécifiques aux tissus. Cependant, le muscle âgé se régénère avec succès lorsqu’il est greffé dans le muscle d’un jeune hôte, mais le jeune muscle présente une régénération altérée lorsqu’il est greffé dans un hôte âgé. Des facteurs locaux ou systémiques pourraient être responsables de ces effets réciproques. Afin de tester si des facteurs systémiques peuvent soutenir la régénération des tissus chez les jeunes animaux et / ou inhiber la régénération chez les animaux âgés, l’article de Conboy et ses collègues de 2005 a rapporté une configuration expérimentale dans laquelle – contrairement à la transplantation – les tissus en régénération chez les animaux âgés sont exposés uniquement aux facteurs circulants des jeunes animaux, et vice versa. Ainsi, ils ont établi des appariements parabiotiques entre souris jeunes et vieilles (parabioses hétérochroniques), les appariements parabiotiques entre deux souris jeunes ou deux souris âgées (parabioses isochroniques) servant de témoins (Fig. 1). Dans la parabiose, deux souris sont jointes chirurgicalement, de sorte qu’elles développent une circulation sanguine partagée avec un échange rapide et continu de cellules et de facteurs solubles à des niveaux physiologiques via leur système circulatoire commun. La parabiose a été inventée en 1864 par le physiologiste Paul Bert afin de voir si un système circulatoire partagé a été créé. Clive McCay, biochimiste et gérontologue à l’Université Cornell à Ithaca, New York, a été le premier à appliquer la parabiose à l’étude du vieillissement, mais cette technique est tombée en désuétude après les années 1970, probablement parce que de nombreux rats sont morts d’une maladie mystérieuse appelée maladie parabiotique, qui survient environ une à deux semaines après l’union des partenaires, et peut être une forme de rejet tissulaire. Ce n’est qu’au début du XXIe siècle qu’Irving Weissman et Thomas A. Rando de l’Université de Stanford ont redonné vie à la parabiose, pour étudier le mouvement et le devenir des cellules souches sanguines.

Parabiose. Deux souris sont cousues ensemble partageant une circulation sanguine commune. La parabiose hétérochronique est lorsqu’une jeune souris est jointe chirurgicalement à des partenaires âgés, tandis que la parabiose isochronique est référée à des paires d’animaux jeunes-jeunes ou vieux-vieux. Modifié à partir de la réf. avec la permission de Nature Publishing Group.

Le groupe de Stanford a étudié la régénération musculaire et la prolifération des cellules hépatiques dans le cadre de la parabiose. Après une lésion musculaire, la régénération musculaire a été étudiée par la formation de myotubes exprimant la chaîne lourde de la myosine embryonnaire, un marqueur spécifique de la régénération des myotubes chez les animaux adultes. Cinq jours après la blessure, les muscles des jeunes animaux atteints de parabioses isochroniques et hétérochroniques s’étaient régénérés de manière robuste. En revanche, le muscle blessé des anciens parabiontes isochroniques s’est mal régénéré. Notamment, la parabiose avec de jeunes souris a considérablement amélioré la régénération musculaire chez les anciens partenaires. La régénération du muscle âgé était presque exclusivement due à l’activation de cellules progénitrices résidentes âgées, et non à la greffe de cellules progénitrices circulantes provenant de jeunes partenaires (comme en témoigne la présence de moins de 0,1% de cellules exprimant la protéine fluorescente verte dérivées de jeunes partenaires transgéniques pour la GFP). Étant donné que la perte de régénération musculaire avec l’âge est en partie due à une altération liée à l’âge de la régulation ascendante du ligand Delta après une lésion musculaire, l’expression du Delta a également été étudiée. Notamment, les cellules satellites des partenaires âgés de parabiontes hétérochroniques ont montré une régulation marquée du Delta, comparable à celle trouvée chez leurs jeunes partenaires et chez les jeunes souris non soumises à des appariements parabiotiques (Fig. 2).

Vieillissement des muscles, du foie et du cerveau chez les souris âgées et rajeunissement par parabiose hétérochronique. La régénération du muscle squelettique lors d’une blessure est liée à la régulation ascendante du Delta du ligand Entaillé, qui se perd avec l’âge (panneaux supérieurs). La prolifération des hépatocytes chez les jeunes animaux est en corrélation avec la diminution du complexe CEBP-α-brahma (cEBP-α-Brm) par rapport aux souris âgées (panneaux moyens). Alors que les jeunes animaux peuvent augmenter leur neurogenèse et leur angiogenèse dans la zone sous-ventriculaire du cerveau, où des cellules souches neurales sont présentes, les animaux âgés ne le peuvent pas (panneaux inférieurs). En principe, la parabiose hétérochonique annule toutes les caractéristiques phénotypiques et moléculaires du vieillissement en transférant des facteurs solubles et des cellules.

Dans le cas des études sur le foie, et comme dans le muscle, alors que la prolifération des cellules positives à l’albumine chez les parabiontes isochoniques anciennes était inférieure à celle observée chez les parabiontes isochrones jeunes, la parabiose chez un partenaire jeune augmentait significativement la prolifération des hépatocytes chez les souris âgées. Comme dans le muscle, l’amélioration de la prolifération des hépatocytes chez les souris âgées était due aux cellules résidentes et non à la greffe de cellules circulantes provenant de jeunes partenaires. Le déclin de la prolifération des cellules progénitrices des hépatocytes est dû à la formation d’un complexe impliquant le cEBP-α et le facteur de remodelage de la chromatine brahma (Brm) qui inhibe l’expression génique entraînée par l’E2F. Parallèlement à l’effet sur la régénération des hépatocytes, la formation du complexe CEBP-α-Brm a été détectée dans les foies de parabiontes hétérochroniques anciens mais pas de jeunes parabiontes isochroniques, et le complexe a été diminué chez les anciens parabiontes hétérochroniques (Fig. 2). Enfin, dans le muscle et le foie, ils ont remarqué une réduction de la prolifération des cellules progénitrices chez les jeunes souris après un appariement parabiotique avec de vieilles souris, suggérant que les vieilles souris sont enrichies de facteurs inhibiteurs qui sont dilués lors de la parabiose. Dans l’ensemble, ces données indiquent qu’il existe des facteurs systémiques qui peuvent moduler les voies de signalisation moléculaires essentielles à l’activation ou à l’inhibition des cellules progénitrices spécifiques aux tissus, et que l’environnement systémique d’un jeune animal favorise une régénération réussie, alors que celui d’un animal plus âgé ne favorise pas ou inhibe activement une régénération tissulaire réussie. Enfin, ces travaux ont également démontré que les cellules souches /progénitrices spécifiques aux tissus conservent une grande partie de leur potentiel prolifératif intrinsèque même lorsqu’elles sont âgées, mais que les changements liés à l’âge dans l’environnement systémique et / ou la niche dans laquelle résident les cellules progénitrices empêchent l’activation complète de ces cellules pour une régénération tissulaire productive.

Dans l’article de 2010, Wagers et ses collègues ont essayé de comprendre quel est le rôle des facteurs systémiques et liés aux niches micro-environnementales locales dans le vieillissement des cellules souches et progénitrices hématopoïétiques (CSH), en utilisant le système de souris parabiotique in vivo et en étudiant la fréquence et le nombre de CSH à long terme (CSH-LT). Des marqueurs congénitaux ont été utilisés pour distinguer les CSH des partenaires âgés des partenaires jeunes. Le vieillissement s’accompagne au niveau de la moelle osseuse d’une expansion considérable des HSPC couplée paradoxalement à une capacité réduite de reconstitution du sang et à un potentiel de différenciation biaisé après greffe. Les parabiontes hétérochroniques âgés ont montré une réduction significative des CSL-LT, qui se rapprochaient des niveaux normaux de « jeunesse ». Cet effet est notamment dû à des changements dans la population de CSH âgée elle-même et non au trafic de cellules « jeunes » vers la moelle des partenaires âgés. De plus, la parabiose hétérochronique a également induit la récupération de la fonction LT-HSC chez les souris âgées, comme en témoigne le potentiel de prise de greffe et la restauration des rapports juvéniles des cellules lymphoïdes B sur les cellules myéloïdes. Comme pour les CSH, la fréquence et le nombre total de cellules de niche ostéoblastiques isolables chez des souris âgées ont été augmentés par rapport aux jeunes témoins. Des expériences in vitro d’interaction entre de jeunes cellules de moelle osseuse avec des cellules de niche ostéoblastiques âgées montrant également une expansion des CSH, ont suggéré que les effets rajeunissants des CSH de la parabiose hétérochronique se produisent indirectement – en inversant les changements liés à l’âge dans les cellules de niche ostéoblastiques. En effet, la fréquence et le nombre d’ostéoblastes ont été rétablis à des niveaux juvéniles lorsque des animaux âgés ont présenté une parabiose hétérochonique dans un environnement systémique jeune. De plus, les cellules de niche isolées de la parabiose hétérochronique âgée ont montré une capacité significativement réduite à provoquer une accumulation de HSPC, contrairement aux cellules de niche de la parabiose isochronique âgée. Fait intéressant, les cellules de niche d’ostéoblastes isolées de jeunes parabiontes hétérochrones ont induit une légère expansion des jeunes HSPC par rapport à celles des parabiontes jeunes isochrones. Ces études in vitro ont suggéré un effet réciproque de l’environnement circulatoire âgé sur l’activité de niche chez les jeunes partenaires hétérochrones et indiquent que les signaux systémiques rétablissent les niches âgées. D’autres expériences ont été menées, visant à évaluer la capacité des jeunes HSPC à reconstituer l’hématopoïèse. Les résultats ont démontré que, de la même manière que la fonction altérée de prise de greffe des CSH naturellement âgés, les jeunes CSH exposés in vitro à des cellules nichées isochrones âgées présentaient une capacité réduite de reconstitution hématopoïétique. Cela indique que l’interaction avec des cellules de niche ostéoblastiques âgées est suffisante pour induire des défauts de la fonction HSC. Cependant, les cellules de niche hétérochroniques âgées n’ont pas modifié l’activité de reconstitution des jeunes CSH. Ensemble, ces données ont démontré que les altérations fonctionnelles induites par l’âge dans les cellules de niche régulatrices de la CSH peuvent être inversées par des facteurs circulants jeunes. Dans l’ensemble, ces résultats suggèrent en outre que les effets rajeunissants d’une jeune circulation sur le CSH sont communiqués indirectement – par la signalisation à partir de cellules de niche ostéoblastiques rajeunies.

Afin de comprendre quel facteur est impliqué dans la régulation de la fonction des cellules de niche, les auteurs ont cherché à déterminer si le facteur de croissance analogue à l’insuline-1 (IGF-1) pouvait jouer un rôle. Il a été démontré que l’IGF-1 est un régulateur de vieillissement et de longévité conservé de manière évolutive. Des expériences in vitro et in vivo ont démontré que l’IGF-1 locale, et non systémique, semble induire le vieillissement des cellules de niche régulatrices du HSC, et que la neutralisation de la signalisation de l’IGF-1 dans le microenvironnement de la moelle osseuse annule les changements liés à l’âge dans les cellules de niche ostéoblastiques qui nuisent à leur régulation appropriée du HSCs.

Dans l’ensemble, ces résultats suggèrent que si, dans des conditions de jeunesse, les cellules de niche ostéoblastiques favorisent le maintien des cellules souches homéostatiques, elles sont altérées par le vieillissement de telle sorte qu’elles permettent plutôt l’accumulation accrue de CSH dysfonctionnelles. Ces altérations spécifiques à l’âge dans les cellules de niche semblent être signalées par des facteurs circulants non caractérisés qui agissent en partie en modifiant la signalisation de l’IGF-1 dans les cellules de niche elles-mêmes (Fig. 3). Il est probable que l’IGF-1 n’a pas un rôle majeur pour tous les tissus âgés, car alors que son rôle dans la niche ostéoblastique est la promotion de l’âge, contrairement à l’expression locale du muscle squelettique de l’IGF-1 maintient la capacité de régénération chez les animaux âgés.

En octobre 2010, trois des quatre auteurs, dont Amy J. Les paris, rétractés cet article, en particulier pour le rôle des cellules de niche ostéoblastiques dans le rajeunissement des CSH chez les souris âgées. Il a été constaté que le premier auteur a manipulé les images pour trouver des nodules osseux formés dans des cellules de niche ostéoblastiques de souris jeunes et âgées (Retraction Watch, http://retractionwatch.com/2012/08/29/ori-finds-harvard-stem-cell-lab-post-doc-mayack-manipulated-images/). Ainsi, une confirmation supplémentaire de son problème devrait être obtenue, en considérant également que le modèle de parabiose a été exploité pour étudier le rajeunissement d’autres organes anciens. En effet, deux articles sont apparus par la suite montrant que l’exposition d’une souris ayoung à un environnement systémique ancien peut inhiber la myogenèse et la neurogenèse.

En 2013, l’équipe dirigée par Amy J. Wagers, a publié un autre travail par lequel elle a démontré en utilisant le modèle de parabiose, que l’hypertrophie cardiaque liée à l’âge peut être inversée par une exposition à un environnement circulatoire jeune avec seulement 4 semaines de parabiose. La mesure des pressions sanguines et des taux circulants d’angiotensine II et d’aldostérone dans les différents groupes, a clairement démontré que l’inversion de l’hypertrophie cardiaque chez les souris âgées exposées à une circulation jeune ne pouvait s’expliquer par une simple réduction de la pression artérielle ou par la modulation d’effecteurs connus de la pression artérielle chez les souris âgées. Fait intéressant, la parabiose hétérochronique n’a induit aucune modification du rapport poids-tibia du cœur, de la taille des cardiomyocytes ou de la pression artérielle chez de jeunes souris jointes à des partenaires âgés. Ces données impliquaient un facteur antihypertrophique produit par de jeunes souris (plutôt que la dilution d’un facteur de prohypertrophie produit par de vieilles souris) dans le remodelage cardiaque induit par la parabiose hétérochronique. Dans la « parabiose fictive », dans laquelle les souris sont jointes chirurgicalement tout en laissant la peau intacte, de sorte qu’elles ne développent pas de circulation partagée, aucune différence significative du rapport poids-longueur du cœur sur longueur du tibia chez les souris âgées n’a été trouvée, indiquant en outre que la circulation croisée et l’échange de facteurs transmis par le sang sont nécessaires pour inverser l’hypertrophie cardiaque liée à l’âge. Afin d’identifier ces facteurs, une analyse protéomique à grande échelle utilisant une technologie basée sur les aptamères a révélé 13 analytes qui distinguaient de manière fiable les jeunes souris des vieilles souris. L’un de ces candidats, le facteur de différenciation de croissance 11 (GDF11), membre de la superfamille activine/TGF-β, a été confirmé dans des analyses plus poussées. GDF11 a été réduit dans le plasma de vieilles souris isochrones par rapport à de jeunes souris isochrones et a été restauré à des niveaux juvéniles chez de vieilles souris après une exposition à une jeune circulation. Un traitement quotidien de 30 jours sur de vieilles souris avec GDF11 a conduit à une réduction significative du rapport poids cardiaque / longueur du tibia par rapport au groupe témoin injecté de solution saline. Ces données suggèrent qu’au moins une composante pathologique de l’insuffisance cardiaque diastolique liée à l’âge est de nature hormonale. Cependant, il est peu probable que la régression observée de l’hypertrophie cardiaque chez les souris âgées exposées à une circulation jeune soit entièrement attribuable à la reconstitution d’un seul facteur, et d’autres facteurs doivent être reconnus.

Deux études ultérieures menées par Wagers et ses collègues ont révélé que GDF11 stimulait la croissance de nouveaux vaisseaux sanguins et neurones dans le cerveau et stimulait les cellules souches à régénérer le muscle squelettique sur les sites des blessures. Dans l’un de ces articles, le modèle de parabiose hétérochronique de souris a révélé une augmentation du volume des vaisseaux sanguins cérébraux et du flux sanguin en réponse à de jeunes facteurs systémiques, ainsi qu’un renouvellement et une différenciation plus élevés de la population de cellules souches neurales de la zone sous-ventriculaire, apportant une amélioration de la discrimination olfactive (Fig. 2). En outre, ils ont constaté que GDF11 pouvait augmenter le volume des vaisseaux sanguins ainsi que la neurogenèse chez les souris âgées. Fait intéressant, le sang de souris âgées de 15 mois n’a pas diminué les populations de cellules souches neurales dans le jeune cerveau, alors que le sang plus âgé (21 mois) a provoqué un effet néfaste, suggérant que les animaux plus âgés augmentent l’accumulation de facteurs systémiques délétères et / ou diminuent les facteurs protecteurs des jeunes. D’autre part, dans l’article rédigé par Rando et Tony Wyss-Corey en tant que scientifiques principaux, la chimiokine CCL11 / éotaxine a été identifiée comme un facteur sanguin lié à l’âge associé à une diminution de la neurogenèse et à une altération de l’apprentissage et de la mémoire chez les souris. Ce qui doit être déterminé, c’est si CCL11 interagit directement avec les cellules progénitrices neuronales pendant le vieillissement, influençant leur capacité de différenciation, ou s’il a des actions indirectes par des interactions avec d’autres types de cellules de niche neurogènes.

Dans l’autre article de Wagers et ses collègues, il a été démontré que les cellules satellites triées à partir de souris hétérochrones âgées avaient une capacité de différenciation myogénique améliorée ainsi que des dommages à l’ADN inférieurs par rapport aux cellules satellites provenant de témoins isochrones âgés. En ce qui concerne la réversion de l’hypertrophie cardiaque liée à l’âge, le traitement des souris âgées par des injections intrapéritonéales quotidiennes de GDF11 recombinant pendant 4 semaines a augmenté le nombre de cellules satellites à ADN intact, par rapport aux cellules de souris âgées recevant un véhicule seul. De plus, dans un modèle de lésion musculaire, le traitement GDF11 de souris âgées 28 jours avant la lésion et poursuivi pendant 7 jours par la suite a restauré des profils plus jeunes de calibre myofibre dans le muscle en régénération. Les souris âgées traitées avec GDF11 ont également montré une endurance moyenne à l’exercice et une force de préhension accrues.

Dans ce dernier article, ils ont également constaté que l’exposition in vitro de cellules satellites âgées à GDF11, mais pas à la myostatine (un autre membre de la superfamille TGF-β) ou au TGF-β1, a produit des augmentations sensibles à la dose de la prolifération et de la différenciation des cellules satellites, suggérant que GDF11, contrairement à la myostatine, peut agir directement sur les cellules satellites pour modifier leur fonction.