2. Een verhaal van parabiose

de bewering dat bloed onze organen kan verjongen, is gerevitaliseerd door een onderzoeksgroep aan de Stanford University School Of Medicine in 2005 en 2010 . Deze studies zijn voortgekomen uit waarnemingen die aantonen dat weefselregeneratieve capaciteit afneemt met de leeftijd. In weefsels zoals spieren, bloed, lever en hersenen wordt deze afname toegeschreven aan een verminderde respons van weefselspecifieke stam-en voorlopercellen . Echter, oude spier met succes regenereert wanneer geënt in spier in een jonge gastheer, maar jonge spier toont verminderde regeneratie wanneer geënt in een oude gastheer . Zowel lokale als systemische factoren kunnen verantwoordelijk zijn voor deze wederzijdse effecten. Om te testen of systemische factoren de regeneratie van weefsels bij jonge dieren kunnen ondersteunen en/of de regeneratie bij oude dieren kunnen remmen, rapporteerde het document van Conboy en collega ‘ s van 2005 een experimentele opstelling waarin – in tegenstelling tot transplantatie – regenererende weefsels bij oude dieren alleen worden blootgesteld aan circulerende factoren bij jonge dieren, en vice versa . Dus, zij die parabiotic paringen tussen jonge en oude muizen (heterochronic parabioses), met parabiotic paringen tussen twee jonge muizen of twee oude muizen (isochronic parabioses) dienen als controles (Afb. 1). In parabiose, worden twee muizen chirurgisch verbonden, zodanig dat zij een gedeelde bloedsomloop met snelle en ononderbroken uitwisseling van cellen en oplosbare factoren op fysiologische niveaus door hun gemeenschappelijke bloedsomloop ontwikkelen . Parabiose werd uitgevonden in 1864 door de fysioloog Paul Bert om te zien of een gedeelde bloedsomloop werd gecreëerd. Clive McCay, een biochemicus en gerontoloog aan de Cornell University in Ithaca, New York, was de eerste die parabiose toepaste op de studie van veroudering, maar deze techniek viel uit de gratie na de jaren 1970, waarschijnlijk omdat veel ratten stierven aan een mysterieuze aandoening genaamd parabiotische ziekte, die ongeveer een tot twee weken na de partners zijn toegetreden, en kan een vorm van weefselafstoting zijn. Pas aan het begin van de XXI eeuw brachten Irving Weissman en Thomas A. Rando van de Stanford Universiteit parabiose weer tot leven, om de beweging en het lot van bloedstamcellen te bestuderen.

Parabiose. Twee muizen zijn aan elkaar gehecht en delen een gemeenschappelijke bloedbaan. Heterochronische parabiose is wanneer een jonge muis operatief wordt verbonden met oudere partners, terwijl isochronische parabiose wordt verwezen naar paren van jong-jong of oud-oude dieren. Gewijzigd van ref. met toestemming van Nature Publishing Group.

de Stanford-groep onderzocht spierregeneratie en levercelproliferatie in de parabiose setting. Na spierverwonding werd de spierregeneratie bestudeerd door de vorming van myotubes die embryonale myosine zware ketting uitdrukken, een specifieke marker van het regenereren van myotubes bij volwassen dieren. Vijf dagen na de verwonding waren de spieren bij jonge dieren in zowel isochronische als heterochronische parabiosen robuust geregenereerd. In tegenstelling, beschadigde spieren van oude isochronische parabionten geregenereerd slecht. Met name, parabiose met jonge muizen aanzienlijk verbeterd de regeneratie van spier in oude partners. De regeneratie van oude spier was bijna uitsluitend toe te schrijven aan de activering van residente, oude voorlopercellen, en niet aan de engraftment van het doorgeven van voorlopercellen van jonge partners (zoals beoordeeld door de aanwezigheid van minder dan 0,1% van groene fluorescente proteã ne die cellen uitdrukken van jonge partners transgenic voor GFP worden afgeleid). Aangezien het verlies van spierregeneratie met leeftijd gedeeltelijk toe te schrijven is aan een leeftijdsgebonden stoornis in de omhoog regeling van inkeping liganddelta na spierverwonding , werd Delta uitdrukking ook bestudeerd. Met name satellietcellen van de oudere partners van heterochronische parabionten vertoonden een duidelijke regulatie van Delta, vergelijkbaar met die gevonden bij hun jonge partners en bij jonge muizen die niet aan parabiotische parabiotische paren werden onderworpen (Fig. 2).

veroudering van spieren, lever en hersenen bij oude muizen en verjonging door heterochronische parabiose. De regeneratie van skeletspier op verwonding is verbonden met de omhoog regeling van de inkeping ligand Delta, die met leeftijd verloren gaat (bovenste panelen). Hepatocytproliferatie bij jonge dieren correleert met de afname van het cebp-α-brahma (cEBP-α-Brm) complex in vergelijking met oudere muizen (middenpanelen). Terwijl de jonge dieren hun neurogenese en angiogenese in de subventriculaire zone van de hersenen kunnen verhogen, waar de neurale stamcellen aanwezig zijn, kunnen de oude dieren (lagere panelen) niet. In principe keert de heterochonische parabiose alle fenotypische en moleculaire kenmerken van veroudering terug door oplosbare factoren en cellen over te brengen.

in het geval van leverstudies, en net als bij spierweefsel, was de proliferatie van albumine-positieve cellen in oude isochonische parabionten minder dan die waargenomen bij jonge isochronische parabionten, terwijl parabiose bij een jonge partner significant verhoogde hepatocytenproliferatie bij oudere muizen. Net als in spierweefsel was de toename van hepatocytproliferatie bij oudere muizen te wijten aan residentiële cellen en niet aan de gravitatie van circulerende cellen van jonge partners. De afname van de proliferatie van hepatocyt-voorlopercellen is te wijten aan de vorming van een complex met cEBP-α en de chromatine-remodelleringsfactor brahma (Brm) dat E2F-gedreven genexpressie remt . Parallel met het effect op de hepatocytregeneratie werd de vorming van het cEBP-α-Brm-complex gedetecteerd in levers van oude heterochronische parabionten, maar niet van jonge isochronische, en het complex was verminderd bij oude heterochronische parabionten (Fig. 2). Tenslotte merkten zij in spier en lever een vermindering op van de proliferatie van voorlopercellen bij jonge muizen na parabiotische koppeling met oude muizen, wat suggereert dat oude muizen verrijkt zijn met remmende factoren die verdund worden bij parabiose. Over het geheel genomen gaven deze gegevens aan dat er systemische factoren zijn die de moleculaire signaalwegen kunnen moduleren die van cruciaal belang zijn voor de activering of remming van weefselspecifieke voorlopercellen, en dat de systemische omgeving van een jong dier er een is die succesvolle regeneratie bevordert, terwijl die van een ouder dier er niet in slaagt om succesvolle weefselregeneratie te bevorderen of actief remt. Ten slotte toonde dit werk ook aan dat weefselspecifieke stam-/voorlopercellen veel van hun intrinsieke proliferatieve potentieel behouden, zelfs als ze oud zijn, maar dat leeftijdsgerelateerde veranderingen in de systemische omgeving en/of niche waarin voorlopercellen zich bevinden, volledige activering van deze cellen voor productieve weefselregeneratie uitsluiten.

in de paper van 2010 probeerden Wagers en collega ’s te achterhalen wat de rol is van lokale micro environmental niche-gerelateerde en systemische factoren in veroudering van hematopoëtische stam-en voorlopercellen (hspc’ s), met behulp van het in vivo parabiotische muissysteem en het bestuderen van de HSC-frequentie en het aantal langdurige HSC ’s (LT-HSC’ s). Congenic tellers werden gebruikt om HSCs van leeftijd versus jonge partners te onderscheiden. Veroudering gaat op het niveau van het beenmerg gepaard met een aanzienlijke uitbreiding van Hspc ‘ s, paradoxaal genoeg gepaard met een verminderde capaciteit voor bloedreconstitutie en een scheef differentiatiepotentieel na transplantatie . Oudere heterochronische parabionten vertoonden een significante vermindering van LT-HSC’ s, die normale ‘jeugdige’ niveaus benaderden. Dit effect kwam met name voort uit veranderingen in de oudere HSC-populatie zelf en niet uit de handel van ‘jonge’ cellen naar het merg van de oudere partners. Bovendien veroorzaakte heterochronische parabiose ook herstel van de LT-HSC-functie bij oudere muizen, zoals blijkt uit engraftmentpotentieel en herstel van jeugdige verhoudingen van B-lymfoïde tot myeloïde cellen. Net als bij HSCs, werden zowel de frequentie als het totale aantal osteoblastische nichecellen die van oude muizen kunnen worden geïsoleerd, verhoogd in vergelijking met jonge controles. In vitro experimenten van interactie tussen jonge beenmergcellen met oude osteoblastische nichecellen die ook uitbreiding van HSCs tonen, stelden voor dat de HSC verjongende effecten van heterochronische parabiose indirect voorkomen – door leeftijdsgerelateerde veranderingen in osteoblastische nichecellen terug te keren. Inderdaad, osteoblast frequentie en aantal werden hersteld naar jeugdige niveaus wanneer oudere dieren ervaren in heterochonische parabiose een jonge systemische omgeving. Bovendien toonden nichecellen geïsoleerd uit Oud-heterochronische parabiose een significant verminderde capaciteit om hspc-accumulatie te veroorzaken, in tegenstelling tot nichecellen uit Oud-isochronische parabiose. Interessant, osteoblast nichecellen geïsoleerd uit jonge heterochronische parabionten veroorzaakte een lichte uitbreiding van jonge Hspc ‘ s in vergelijking met die van jonge-isochronische parabionten. Deze in vitro studies suggereerden een wederkerig effect van de verouderde circulatoire omgeving op niche activiteit bij jonge heterochronische partners en wijzen erop dat systemische signalen oude niches herstellen. Verdere experimenten zijn gedaan, gericht op het evalueren van het vermogen van jonge HSPCs om hematopoiese te reconstitueren. De resultaten toonden aan dat, vergelijkbaar met de verminderde engraftmentfunctie van natuurlijk verouderde HSC ‘s, jonge Hspc’ s die in vitro werden blootgesteld aan leeftijd-isochronische nichecellen , een verminderde capaciteit vertoonden voor hematopoëtische reconstitutie. Dit wijst erop dat de interactie met oude osteoblastic nichecellen voldoende is om tekorten in HSC-functie te veroorzaken. Nochtans, veranderden de oude heterochronic nichecellen de reconstituerende activiteit van jonge HSCs niet. Samen, toonden deze gegevens aan dat leeftijd-veroorzaakte, functionele veranderingen in HSC-regelgevende nichecellen door jonge het doorgeven factoren kunnen worden omgekeerd. Globaal, stellen deze bevindingen verder voor dat de verjongende gevolgen van een jonge omloop op HSC indirect worden gecommuniceerd – door van verjongde osteoblastic nichecellen te signaleren.

om te begrijpen welke factor betrokken is bij de regulatie van nichecelfunctie, probeerden de auteurs te onderzoeken of insuline-achtige groeifactor-1 (IGF-1) een rol kon spelen. IGF-1 is getoond om een evolutionarily behouden veroudering en langlevensregulator te zijn . In vitro en in vivo experimenten toonden aan dat lokale, niet systemische, IGF-1 veroudering van HSC-regelgevende nichecellen lijkt te veroorzaken, en dat de neutralisatie van IGF-1 signalerend in het beendermergmicromilieu leeftijdgerelateerde veranderingen in osteoblastic nichecellen omkeert die hun aangewezen regelgeving van HSCs aantasten.

in het algemeen suggereerden deze bevindingen dat, hoewel osteoblastische nichecellen onder jeugdige omstandigheden homeostatisch stamcelonderhoud bevorderen, ze door veroudering zodanig worden veranderd dat in plaats daarvan de verhoogde accumulatie van disfunctionele HSC ‘ s mogelijk is. Deze leeftijd-specifieke wijzigingen in nichecellen lijken te worden gesignaleerd door een niet-gekarakteriseerde doorgevende factoren die gedeeltelijk door IGF-1 te veranderen signaleren in de nichecel zelf (Fig. 3). Het is waarschijnlijk dat IGF-1 geen belangrijke rol voor al verouderd weefsel heeft, aangezien terwijl zijn rol in het osteoblastic gebied leeftijd bevorderend is, in contrast in skeletachtige spier de lokale uitdrukking van IGF-1 regeneratieve capaciteit in oude dieren handhaaft.

in oktober 2010, drie van de vier auteurs, waaronder Amy J. Inzetten, ingetrokken dit document, in het bijzonder voor de rol van de osteoblastische niche cellen in de verjonging van HSCs in oude muizen . Het bleek dat de eerste auteur de beelden manipuleerde voor botknobbeltjes gevormd in osteoblastische nichecellen van jonge en oudere muizen (Retraction Watch, http://retractionwatch.com/2012/08/29/ori-finds-harvard-stem-cell-lab-post-doc-mayack-manipulated-images/). Dus, verdere bevestiging over zijn probleem moet worden verkregen, ook gezien het feit dat het parabiose model werd gebruikt voor het bestuderen van verjonging van andere oude organen. Inderdaad, twee papers verschenen vervolgens waaruit blijkt dat het blootstellen van een jonge muis aan een oude systemische omgeving myogenese en neurogenese kan remmen .

in 2013 publiceerde het team onder leiding van Amy J. Wagers een ander werk waarmee ze met behulp van het parabiosemodel aantoonden dat leeftijdgerelateerde harthypertrofie kan worden teruggedraaid door blootstelling aan een jonge bloedsomloopomgeving met slechts 4 weken parabiose . De meting van de bloeddruk en van de circulerende spiegels van angiotensine II en aldosteron in de verschillende groepen toonde duidelijk aan dat de omkering van harthypertrofie bij oude muizen blootgesteld aan een jonge circulatie niet kon worden verklaard door een eenvoudige verlaging van de bloeddruk of in de modulatie van bekende effectoren van de bloeddruk bij de oudere muizen. Interessant is dat heterochronische parabiose geen veranderingen veroorzaakte in de verhouding hartgewicht / tibia, de grootte van de cardiomyocyten of de bloeddruk bij jonge muizen die samengingen met oudere partners. Deze gegevens impliceerden een antihypertrofische factor die door jonge muizen wordt geproduceerd (in plaats van verdunning van een prohypertrofiefactor die door oude muizen wordt geproduceerd) in de cardiale remodellering die door heterochronische parabiose wordt veroorzaakt. In “sham parabiose”, waarbij muizen operatief worden samengevoegd terwijl de huid intact blijft, zodat ze geen gedeelde bloedsomloop ontwikkelen, werd geen significant verschil gevonden in de verhouding hartgewicht-tibia-lengte bij oudere muizen, wat verder aangeeft dat cross-circulatie en uitwisseling van door bloed overgedragen factoren nodig zijn voor omkering van leeftijdsgerelateerde harthypertrofie. Om deze factoren te identificeren, onthulde een brede proteomicsanalyse gebruikend aptamer-gebaseerde technologie 13 analytes die jonge muizen betrouwbaar van oude muizen onderscheiden. Een van deze kandidaten, de groeidifferentiatiefactor 11 (GDF11), een lid van de activin/TGF-β-superfamilie, werd in verdere analyses bevestigd. GDF11 was verminderd in het plasma van oude isochronische in vergelijking met jonge isochronische muizen en werd hersteld tot jeugdige niveaus in oude muizen na exposureto een jonge circulatie. Een dagelijkse 30-daagse behandeling van oude muizen met GDF11 leidde tot een significante afname van de verhouding van het gewicht van het hart tot de lengte van het scheenbeen in vergelijking met de met zoutoplossing geïnjecteerde controlegroep. Deze gegevens suggereren dat ten minste één pathologische component van leeftijdsgerelateerd diastolisch hartfalen hormonaal van aard is. Het is echter onwaarschijnlijk dat de waargenomen regressie van cardiale hypertrofie bij oude muizen die aan een jonge bloedsomloop zijn blootgesteld volledig toe te schrijven is aan de aanvulling van een enkele factor, en andere factoren moeten worden herkend.

twee daaropvolgende studies door Wagers en collega ‘ s toonden aan dat GDF11 de groei van nieuwe bloedvaten en neuronen in de hersenen stimuleerde en stamcellen stimuleerde om skeletspieren te regenereren op de plaatsen van verwondingen . In een van deze papers , onthulde het muis heterochronische parabiose model een toename van cerebrale bloedvat volume en bloedstroom in reactie op jonge systemische factoren, samen met een hogere zelf-vernieuwing en differentiatie in subventriculaire zone neurale stamcelpopulatie, waardoor een verbetering in olfactorische discriminatie (Fig. 2). Voorts vonden zij dat GDF11 bloedvatvolume evenals neurogenesis in oude muizen kon verhogen. Interessant is dat bloed van 15 maanden oude muizen de neurale stamcelpopulaties in de jonge hersenen niet verminderde, terwijl ouder bloed (21 maanden) een schadelijk effect veroorzaakte, wat suggereert dat ouder de dieren de accumulatie van schadelijke systemische factoren en/of lagere beschermende jonge factoren verhogen. Aan de andere kant, in het document geschreven door Rando en Tony Wyss-Corey als senior wetenschappers, werd de chemokine ccl11/eotaxine geïdentificeerd als een leeftijdsgebonden bloedfactor geassocieerd met verminderde neurogenese en verminderd leren en geheugen in muizen . Wat moet worden bepaald is als CCL11 interageert direct met neurale voorlopercellen tijdens het verouderen beà nvloedt hun differentiatiecapaciteit, of het indirecte acties door interactie met andere neurogene niche celtypes heeft.

in het andere artikel door inzetten en collega ‘ s werd aangetoond dat satellietcellen gesorteerd van oudere heterochronische muizen de myogene differentiatiecapaciteit en de DNA-schade hadden verbeterd in vergelijking met satellietcellen van oudere isochronische controles. Wat betreft de reversie van leeftijdsgerelateerde harthypertrofie , verhoogde de behandeling van oudere muizen met dagelijkse intraperitoneale injecties van recombinant GDF11 gedurende 4 weken het aantal satellietcellen met intact DNA, in vergelijking met cellen van oudere muizen die alleen vehiculum kregen. Bovendien, in een model van spierletsel, GDF11 behandeling van oudere muizen 28 dagen voor het letsel en voortgezet voor 7 dagen daarna hersteld meer jeugdige profielen van myofiber kaliber in regenererende spier. Oudere muizen die werden behandeld met GDF11 vertoonden ook een verhoogde gemiddelde uithoudingsvermogen en grip.

in dit laatste artikel vonden zij ook dat in vitro blootstelling van oude satellietcellen aan GDF11, maar niet myostatin (een ander lid van de TGF-β superfamilie) of TGF-β1, dosis-responsieve verhogingen van de proliferatie en differentiatie van satellietcellen veroorzaakte, wat suggereert dat GDF11, in tegenstelling tot myostatin, direct op satellietcellen kan werken om hun functie te veranderen.