2. A tale of parabiosis

påståendet att blod kan föryngra våra organ har vitaliserats av en forskargrupp vid Stanford University School of Medicine 2005 och 2010 . Dessa studier härrörde från observationer som visar att vävnadsregenerativ kapacitet minskar med åldern. I vävnader som muskler, blod, lever och hjärna har denna nedgång tillskrivits en minskad respons hos vävnadsspecifika stam-och stamceller . Åldrig muskel regenererar emellertid framgångsrikt när den ympas in i muskeln hos en ung värd, men ung muskel visar nedsatt regenerering när den ympas in i en åldrig värd . Antingen lokala eller systemiska faktorer kan vara ansvariga för dessa ömsesidiga effekter. För att testa om systemiska faktorer kan stödja regenerering av vävnader hos unga djur och/eller hämma regenerering hos gamla djur rapporterade the paper av Conboy och kollegor från 2005 en experimentell inställning där – i motsats till transplantation – regenererande vävnader hos åldrade djur endast utsätts för cirkulerande faktorer hos unga djur och vice versa . Således etablerade de parabiotiska parningar mellan unga och gamla möss (heterochronic parabioses), med parabiotiska parningar mellan två unga möss eller två gamla möss (isochronic parabioses) som fungerar som kontroller (Fig. 1). Vid parabios förenas två möss kirurgiskt, så att de utvecklar en delad blodcirkulation med snabb och kontinuerlig utbyte av celler och lösliga faktorer på fysiologiska nivåer genom deras gemensamma cirkulationssystem . Parabios uppfanns 1864 av fysiologen Paul Bert för att se om ett gemensamt cirkulationssystem skapades. Clive McCay, biokemist och gerontolog vid Cornell University i Ithaca, New York, var den första som tillämpade parabios på studien av åldrande, men denna teknik föll i favör efter 1970-talet, troligen för att många råttor dog av ett mystiskt tillstånd som kallas parabiotisk sjukdom, vilket inträffar ungefär en till två veckor efter att partner har gått med och kan vara en form av vävnadsavstötning. Först i början av XXI-talet väckte Irving Weissman och Thomas A. Rando vid Stanford University parabios till liv för att studera blodstamcellernas rörelse och öde.

Parabios. Två möss sys ihop och delar en gemensam blodomlopp. Heterochronic parabiosis är när en ung mus är kirurgiskt förenade med åldrade partners, medan isochronic parabiosis hänvisas till par av unga-unga eller gamla gamla djur. Modifierad från ref. med tillstånd från Nature Publishing Group.

Stanford-gruppen undersökte muskelregenerering och levercellsproliferation i parabios-inställningen. Efter muskelskada studerades muskelregenerering genom bildandet av myotubes som uttrycker embryonal myosin tung kedja, en specifik markör för regenererande myotubes hos vuxna djur. Fem dagar efter skada hade muskler hos unga djur i både isokroniska och heterokroniska parabioser regenererats kraftigt. Däremot regenererade skadad muskel från gamla isokroniska parabionter dåligt. I synnerhet förbättrade parabios med unga möss signifikant regenerering av muskler hos gamla partners. Regenereringen av åldrad muskel berodde nästan uteslutande på aktiveringen av inhemska, åldrade stamceller och inte till engraftment av cirkulerande stamceller från unga partners (som bedöms av närvaron av mindre än 0,1% av gröna fluorescerande proteinuttryckande celler härledda från unga partners transgena för GFP). Eftersom förlusten av muskelregenerering med ålder delvis beror på en åldersrelaterad försämring i uppregleringen av Notch ligand Delta efter muskelskada , deltauttryck studerades också. I synnerhet visade satellitceller från de åldrade partnerna av heterochronic parabionts en markerad reglering av Delta, jämförbar med den som finns i deras unga partners och hos unga möss som inte utsattes för parabiotiska parningar (Fig. 2).

åldrande av muskler, lever och hjärna i gamla Möss och föryngring genom heterokronisk parabios. Regenerering av skelettmuskel vid skada är kopplad till uppreglering av Notch ligand Delta, som går förlorad med ålder (övre paneler). Hepatocytproliferation hos unga djur korrelerar med minskningen av cEBP-Xiaomi-brahma-komplexet (cebp-Xiaomi-Brm) jämfört med åldrade möss (mellanpaneler). Medan unga djur kan öka sin neurogenes och angiogenes i hjärnans subventrikulära zon, där neurala stamceller finns, kan inte åldrade djur (nedre paneler). I princip, heterochonic parabiosis återgår alla fenotypiska och molekylära kännetecken för åldrande genom att överföra lösliga faktorer och celler.

När det gäller leverstudier, och som i muskler, medan proliferation av albuminpositiva celler i gamla isokoniska parabionter var mindre än den som observerades hos unga isokroniska parabionter, ökade parabios till en ung partner signifikant hepatocytproliferation hos åldrade möss. Liksom i muskler berodde förbättringen av hepatocytproliferation hos åldrade möss på bosatta celler och inte engraftment av cirkulerande celler från unga partners. Minskningen av proliferation av hepatocytprogenitorceller beror på bildandet av ett komplex som involverar cEBP-bronkiolit och kromatinremodelleringsfaktorn brahma (Brm) som hämmar E2F-driven genuttryck . Parallellt med effekten på hepatocytregenerering detekterades bildandet av cEBP-AA-BRM-komplex i lever från gamla heterokroniska parabionter men inte från unga isokroniska, och komplexet minskade i gamla heterokroniskaparabionter (Fig. 2). Slutligen märkte de i muskler och lever en minskning av progenitorcellsproliferation hos unga möss efter parabiotisk parning med gamla möss, vilket tyder på att gamla möss berikas med hämmande faktorer som späds ut vid parabios. Sammantaget indikerade dessa data att det finns systemiska faktorer som kan modulera de molekylära signalvägarna som är kritiska för aktivering eller hämning av vävnadsspecifika stamceller, och att den systemiska miljön hos ett ungt djur är en som främjar framgångsrik regenerering, medan det hos ett äldre djur antingen misslyckas med att främja eller aktivt hämmar framgångsrik vävnadsregenerering. Slutligen visade detta arbete också att vävnadsspecifika stam – / progenitorceller behåller mycket av sin inneboende proliferativa potential även när de är gamla, men att åldersrelaterade förändringar i den systemiska miljön och/eller nischen där progenitorceller bor, utesluter fullständig aktivering av dessa celler för produktiv vävnadsregenerering.

i papperet från 2010 försökte satsningar och kollegor ta reda på vad som är rollen för lokala mikro miljö nischrelaterade och systemiska faktorer vid åldrande av hematopoietiska stam-och progenitorceller (HSPCS), med hjälp av in vivo parabiotiska mussystem och studera HSC-frekvens och antal långsiktiga HSC (LT-HSC). Kongena markörer användes för att skilja HSC från åldrade kontra unga partners. Åldrande åtföljs på benmärgsnivå av en avsevärd expansion av Hspc kopplade paradoxalt med en minskad kapacitet för blodrekonstituering och skev differentieringspotential efter transplantation . Åldrade heterokroniska parabionter visade signifikant minskning av LT-HSC, som närmade sig normala ’ungdomliga’ nivåer. I synnerhet uppstod denna effekt från förändringar i den åldrade HSC-befolkningen själv och inte till handel med ’unga’ celler till de åldrade partnerns märg. Dessutom inducerade heterokronisk parabios också återhämtning av LT-HSC-funktion hos åldrade möss, vilket framgår av engraftmentpotential och återställande av ungdomliga förhållanden mellan B-lymfoid och myeloida celler. Som med HSCs ökade både frekvensen och det totala antalet osteoblastiska nischceller som isolerades från åldrade möss jämfört med unga kontroller. In vitro-experiment av interaktion mellan unga benmärgsceller med åldrade osteoblastiska nischceller som också visar expansion av HSC, föreslog att HSC – föryngrande effekter av heterokronisk parabios uppträder indirekt-genom att återställa åldersrelaterade förändringar i osteoblastiska nischceller. Faktum är att osteoblastfrekvens och antal återställdes till ungdomliga nivåer när åldrade djur upplevde heterochonisk parabios en ung systemisk miljö. Dessutom visade nischceller isolerade från åldrig-heterokronisk parabios en signifikant minskad kapacitet att orsaka hspc-ackumulering, i motsats till nischceller från åldrig-isokronisk parabios. Intressant, osteoblast nisch celler isolerade från unga heterochronic parabionts inducerade en liten expansion av unga HSPCs jämfört med de från unga-isochronic parabionts. Dessa in vitro-studier föreslog en ömsesidig effekt av den åldrade cirkulationsmiljön på nischaktivitet hos unga heterokroniska partners och indikerar att systemiska signaler återställer åldrade nischer. Ytterligare experiment har gjorts, som syftar till att utvärdera förmågan hos unga HSPCs att rekonstituera hematopoiesis. Resultaten visade att , i likhet med den försämrade engraftmentfunktionen hos naturligt åldrade HSC, unga HSPCs exponerade in vitro för åldrade isokroniska nischade celler uppvisade en minskad kapacitet för hematopoietisk rekonstitution. Detta indikerar att interaktion med åldrade osteoblastiska nischceller är tillräcklig för att inducera defekter i HSC-funktionen. Åldrade heterokroniska nischceller förändrade emellertid inte rekonstitueringsaktiviteten hos unga HSC. Tillsammans visade dessa data att åldersinducerade, funktionella förändringar i HSC-regulatoriska nischceller kan vändas av unga cirkulerande faktorer. Sammantaget tyder dessa resultat vidare på att de föryngrande effekterna av en ung cirkulation på HSC kommuniceras indirekt – genom signalering från föryngrade osteoblastiska nischceller.

för att förstå vilken faktor som är involverad i regleringen av nischcellfunktion försökte författarna undersöka om insulinliknande tillväxtfaktor-1 (IGF-1) kunde spela en roll. IGF – 1 har visat sig vara en evolutionärt bevarad åldrande och livslängdsregulator . In vitro-och in vivo-experiment visade att Lokal, inte systemisk, IGF-1 verkar inducera åldrande av HSC-regulatoriska nischceller, och att neutralisering av IGF-1-signalering i benmärgs mikromiljö återgår åldersrelaterade förändringar i osteoblastiska nischceller som försämrar deras lämpliga reglering av HSC.

sammantaget föreslog dessa fynd att osteoblastiska nischceller under ungdomliga förhållanden främjar homeostatiskt stamcellsunderhåll, förändras de genom åldrande så att de istället möjliggör förbättrad ackumulering av dysfunktionella HSC. Dessa åldersspecifika förändringar i nischceller verkar signaleras av en okarakteriserad cirkulerande faktorer som delvis verkar genom att ändra IGF-1-signalering i nischcellen själva (Fig. 3). Det är troligt att IGF – 1 inte har någon viktig roll för alla åldrade vävnader, eftersom dess roll i den osteoblastiska nischen är åldersfrämjande, i motsats till skelettmuskelns lokala uttryck av IGF-1 upprätthåller regenerativ kapacitet hos åldrade djur.

i oktober 2010, tre av de fyra författarna, inklusive Amy J. Satsningar, indragen detta papper, i synnerhet för den roll som osteoblastiska nisch celler i föryngring av HSCs i åldern möss . Det visade sig att den första författaren manipulerade bilderna för benknutor bildade i osteoblastiska nischceller från unga och åldrade möss (Retraction Watch, http://retractionwatch.com/2012/08/29/ori-finds-harvard-stem-cell-lab-post-doc-mayack-manipulated-images/). Således bör ytterligare bekräftelse om hans fråga erhållas, med tanke på att parabiosmodellen utnyttjades för att studera föryngring av andra gamla organ. Faktum är att två papper senare visade att exponering av ayoung mus till en gammal systemisk miljö kan hämma myogenes och neurogenes .

under 2013 publicerade teamet under ledning av Amy J. Wagers ett annat arbete som de demonstrerade med hjälp av parabiosmodellen, att åldersrelaterad hjärthypertrofi kan vändas genom exponering för en ung cirkulationsmiljö med endast 4 veckors parabios . Mätningen av blodtryck och cirkulerande nivåer av angiotensin II och aldosteron i de olika grupperna visade tydligt att reverseringen av hjärthypertrofi hos gamla möss utsatta för en ung cirkulation inte kunde förklaras av en enkel minskning av blodtrycket eller i moduleringen av kända effektorer av blodtryck hos de äldre mössen. Intressant, heterokronisk parabios inducerade inga förändringar i hjärtvikt-till-tibia-förhållande, kardiomyocytstorlek eller blodtryck hos unga möss förenade med åldrade partners. Dessa data involverade en antihypertrofisk faktor producerad av unga möss (snarare än utspädning av en prohypertrofi faktor producerad av gamla möss) i hjärtombyggnaden inducerad av heterokronisk parabios. I ”sham parabiosis”, där möss förenas kirurgiskt medan de lämnar huden intakt, så att de inte utvecklar en delad cirkulation, hittades ingen signifikant skillnad i förhållande mellan hjärtvikt och tibia i åldrade möss, vilket ytterligare indikerar att korscirkulation och utbyte av blodburna faktorer krävs för reversering av åldersrelaterad hjärthypertrofi. För att identifiera dessa faktorer avslöjade en bred skala proteomikanalys med aptamerbaserad teknik 13 analyter som på ett tillförlitligt sätt skilde unga möss från gamla möss. En av dessa kandidater, tillväxtdifferentieringsfaktorn 11 (GDF11), en medlem av superfamiljen activin/TGF-Brasilien, bekräftades i ytterligare analyser. GDF11 reducerades i plasma av gamla isochronic jämfört med unga isochronic Möss och återställdes till ungdomliga nivåer i gamla möss efter exponering till en ung cirkulation. En daglig 30-dagars behandling av gamla möss med GDF11 ledde till en signifikant minskning av hjärtvikt-till-tibia-längdförhållandet jämfört med den saltinsprutade kontrollgruppen. Dessa data tyder på att minst en patologisk komponent av åldersrelaterad diastolisk hjärtsvikt är hormonell. Den observerade regressionen av hjärthypertrofi hos gamla möss utsatta för en ung cirkulation är emellertid osannolikt att helt hänföras till påfyllningen av en enda faktor, och andra faktorer bör erkännas.

två efterföljande studier av satsningar och kollegor fann att GDF11 ökade tillväxten av nya blodkärl och neuroner i hjärnan och stimulerade stamceller att regenerera skelettmuskulaturen vid skadorna . I ett av dessa papper avslöjade musens heterochronic parabiosis-modell en ökning av hjärnblodkärlvolym och blodflöde som svar på unga systemiska faktorer, tillsammans med en högre självförnyelse och differentiering i subventrikulär zon neural stamcellspopulation, vilket medför en förbättring av luktdiskriminering (Fig. 2). Dessutom fann de att GDF11 kunde öka blodkärlsvolymen såväl som neurogenes hos gamla möss. Intressant nog minskade inte blod från 15 månader gamla möss neurala stamcellspopulationer i den unga hjärnan, medan äldre blod (21 månader) provocerade en skadlig effekt, vilket tyder på att äldre djuren högre ackumuleringen av skadliga systemiska faktorer och/eller lägre skyddande unga faktorer. Å andra sidan, i papperet författat av Rando och Tony Wyss-Corey som seniorforskare, identifierades kemokin CCL11/eotaxin som en åldersrelaterad blodfaktor associerad med minskad neurogenes och nedsatt inlärning och minne hos möss . Vad som ska bestämmas är om CCL11 interagerar direkt med neurala stamceller under åldrande som påverkar deras differentieringskapacitet, eller det har indirekta åtgärder genom interaktioner med andra neurogena nischcelltyper.

i det andra papperet av satsningar och kollegor visades det att satellitceller sorterade från åldrade heterokroniska möss hade förbättrat MyoGen differentieringskapacitet såväl som lägre DNA-skada jämfört med satellitceller från åldrade isokroniska kontroller. När det gäller reversionen av åldersrelaterad hjärthypertrofi ökade behandlingen av åldrade möss med dagliga intraperitoneala injektioner av rekombinant GDF11 under 4 veckor antalet satellitceller med intakt DNA jämfört med celler från åldrade möss som fick vehikel ensam. Dessutom, i en modell av muskelskada, GDF11 behandling av åldrade möss 28 dagar före skada och fortsatte i 7 dagar därefter återställde mer ungdomliga profiler av myofiberkaliber i regenererande muskler. Åldrade möss behandlade med GDF11 visade också ökad genomsnittlig träningsuthållighet och greppstyrka.

i det här sista dokumentet fann de också att in vitro-exponering av åldrade satellitceller till GDF11, men inte myostatin (en annan medlem av TGF-askorbinsuperfamiljen) eller TGF-askorbin1, producerade dosresponsiva ökningar i satellitcellsproliferation och differentiering, vilket tyder på att GDF11, i motsats till myostatin, kan agera direkt på satellitceller för att ändra deras funktion.