Endogena stamceller i homeostas och åldrande del 1

AbstraktI nästan alla mänskliga vävnader och organ finns vuxna stamceller eller vävnadsstamceller på en unik plats, den så kallade stamcellsnisch eller motsvarande, som kontinuerligt fyller på funktionella differentierade celler. Dessa endogena stamceller kan utökas för cellterapi med ex vivo cellkultur eller återkallas för vävnadsreparation in situ genom cellhandel och målsökning. I åldringsprocessen kan ineffektivitet i den endogena stamcellsmedierade läkningsmekanismen uppstå från en mängd olika funktionsnedsättningar som ackumuleras i processerna för stamcells självförnyelse, funktion, differentieringsförmåga och trafficking genom cellautonoma inre vägar (t.ex. epigenetiska förändringar) eller systemiska yttre vägar. Denna översikt undersöker homeostasen hos endogena stamceller, särskilt benmärgsstamceller, och deras dysreglering vid sjukdom och åldrande och diskuterar möjliga interventionsstrategier. Flera systemiska pro-aging och föryngrande faktorer, erkända i heterokronisk parabios eller för tidigt åldrande progeroid djurmodeller, granskas som möjliga anti-aging farmaceutiska mål ur perspektivet av en hälsosam miljö för endogena stamceller. En mängd olika epigenetiska modifieringar och kromosomarkitekturer granskas som en inneboende cellulär väg för åldrande och senescens. En gradvis ökning av inflammatorisk börda under åldrandet ses också över. Slutligen diskuteras vävnadsreparationen och anti-aging-effekterna av Substance-P, en peptid som stimulerar stamcellshandel från benmärgen och modifierar det inflammatoriska svaret, som ett framtida anti-aging-mål.

Glykosid av cistanche kan också öka aktiviteten av SOD i hjärt- och levervävnader och avsevärt minska innehållet av lipofuscin och MDA i varje vävnad, effektivt rensa upp olika reaktiva syreradikaler (OH-, H₂O₂, etc.) och skydda mot DNA-skador orsakade av OH-radikaler. Cistanche-fenyletanoidglykosider har en stark rensande förmåga av fria radikaler, en högre reducerande förmåga än vitamin C, förbättrar aktiviteten av SOD i spermiesuspension, minskar innehållet av MDA och har en viss skyddande effekt på spermiemembranets funktion. Cistanche-polysackarider kan öka aktiviteten av SOD och GSH-Px i erytrocyter och lungvävnader hos experimentellt åldrande möss orsakade av D-galaktos, samt minska innehållet av MDA och kollagen i lungor och plasma, och öka innehållet av elastin, har en god renande effekt på DPPH, förlänger hypoxitiden hos åldrande möss, förbättrar aktiviteten av SOD i serum och fördröjer den fysiologiska degenerationen av lungor hos experimentellt åldrande möss. Med cellulär morfologisk degeneration har experiment visat att Cistanche har den goda antioxidantförmågan och har potential att vara ett läkemedel för att förebygga och behandla åldrande hudsjukdomar. Samtidigt har echinakosid i Cistanche en betydande förmåga att ta bort DPPH-fria radikaler och kan avlägsna reaktiva syrearter, förhindra friradikal-inducerad kollagennedbrytning och har även en god reparationseffekt på anjonskada av tyminfria radikaler.

Klicka på Cistanche Herba

【För mer information:george.deng@wecistanche.com / WhatApp:86 13632399501】

NyckelordHematopoetisk stamcell · Benmärgsstamcell · Endotelprekursorcell · Åldrandeföryngring

1. Introduktion

Åldrande är ett naturligt fenomen som kännetecknas av en progressiv minskning av kroppens homeostatiska och regenerativa funktioner, inklusive åldersrelaterad försämring av stamcellsfunktioner [1]. Nyligen genomförda studier mellan unga och gamla djur och människor har avslöjat åldersrelaterade förändringar i stamcellsegenskaper, stamcellspoolstorlek och differentieringsmångfald [2-4]. I åldrarna ackumuleras cellautonoma epigenetiska förändringar i stamceller, vilket kan orsaka åldrande av stam-/faderceller och minska både stamcellspoolen och stamcellsfunktionen. Heterokroniska parabiosexperiment mellan unga och gamla djur har visat förekomsten av åldersrelaterade förändringar i systemiska och lokala miljöer, inklusive systemiska föryngrande och pro-aging faktorer [5–7], som kan kontrollera funktionen och livslängden hos endogena stamceller och stamceller cellnischer. Mer framträdande har experiment avslöjat åldersrelaterad höjning av inflammatoriska cytokiner och kronisk inflammation [8-10], vilket också kan påverka stamcellsfunktion, stamcellsnisch, stamcellshandel och differentieringsmångfald. Dessa rapporter om åldrande och degenerativa sjukdomar som Parkinsons sjukdom, Alzheimers sjukdom, diabetes, kronisk kärlsjukdom och artros har pekat på möjliga samband mellan stamcellsstatus och sjukdomsetiologi och mellan stamcellsstatus och förväntad livslängd.

År 2013, Carlos Lopez-Otin et al. [2] identifierade och kategoriserade nio cellulära och molekylära kännetecken som bidrar till åldrandeprocessen: genomisk instabilitet, telomernötning, epigenetiska förändringar, förlust av proteostas, avreglerad näringsavkänning, mitokondriell dysfunktion, cellulär åldrande, stamcellsutmattning och förändrad intercellulär kommunikation. De flesta åldersrelaterade skador och försämringar ackumuleras gradvis över tiden, vilket har studerats omfattande inom områdena cancer, metabola sjukdomar och degenerativa sjukdomar. I synnerhet kan begreppet stamcellsutmattning, genom cellautonoma inneboende vägar eller extrinsiska vägar, förklara de integrerande konsekvenserna av flera typer av åldringsrelaterade skador och nedgången i regenerativ potential [11, 12]. Progeroidmöss och nyare parabiosexperiment med unga och gamla möss har visat att systemiska faktorer såsom hepatocyttillväxtfaktoraktivator (HGFA) som är rikligt förekommande hos unga möss kan vända nedgången i neurala och muskelstamcellsfunktioner som finns hos gamla eller progeroidmöss [13 –15]. Dessa framträdande verk föreslår att systemiska yttre faktorer, som fungerar som en farmakologisk intervention, kan stimulera stamcellsföryngring och vända åldrandefenotypen.

Denna recension diskuterar endogena stamceller in vivo, särskilt benmärgsstamceller såsom hematopoetiska stamceller (HSCs), benmärgsstromala (eller mesenkymala) stamceller (BMSCs) och endotelial prekursorceller (EPCs), baserat på deras ontogeni, normala funktioner och åldersrelaterade funktionsförändringar. För det andra övervägs åldersrelaterade förändringar i systemiska faktorer, kandidater för anti-aging eller pro-aging faktorer, för deras möjliga kopplingar till stamcellshomeostas och åldrande och för deras potential som farmakologiska mål för att bromsa eller kontrollera åldrandeprocessen. För det tredje granskas åldersrelaterade förändringar i benmärgsstamcellsnisch. För det fjärde granskas och diskuteras epigenetiska förändringar av stamceller under åldrandet, så kallat cellautonomt stamcellsåldring, vad gäller histonmodifiering, DNA-metylering och icke-kodande RNA. För det femte diskuteras effekterna av förbättrade inflammatoriska svar under åldrandet, särskilt vid åldersrelaterade degenerativa sjukdomar och defekt vävnadsreparation. Slutsatser och perspektiv för framtida forskning inkluderar en övervägande av huruvida åldersrelaterad försämring av endogena stamceller och deras miljö kan kontrolleras och nya farmakologiska mål för människors hälsa.

2 Endogena stamceller i benmärgen och åldrande

Homeostas, vävnadsreparation och regenerering upprätthålls och stimuleras kontinuerligt av endogena vävnadsstamceller i kroppen. Benmärg är en stamcellsreservoar för HSC, BMSC, EPC och andra stamceller som ännu inte har identifierats. Stamcellerna i benmärgen är mycket involverade i vävnadsregenerering, och åldrande eller förlust av funktionen hos dessa stamceller är den främsta orsaken till misslyckande i vävnadshomeostas och reparation (Fig. 1) [4].

HSCs levererar kontinuerligt blodkroppar, inklusive immunceller, röda blodkroppar och vita blodkroppar, under hela livet. Hematopoetisk dysfunktion uppstår i åldern, vilket resulterar i minskat adaptivt immunsvar och ökade myeloida svar och anemi. En framträdande åldringsassocierad förändring, så kallad inflammation, en pyrande pro-inflammatorisk fenotyp [9, 16], kan också vara resultatet av HSC-dysfunktion eller förlust av differentieringsdiversitet. BMSC är stromaceller i benmärgen som kan stödja hematopoiesis som stamcellsnischceller såväl som osteogenes för benbildning. I åldrarna minskar också BMSC, och deras differentieringspotential snedvrids mot adipogenes, vilket resulterar i gul märg och osteoporos. EPCs, prekursorer till endotelceller, minskar också under åldrandet, vilket orsakar försämring av vaskulär reparation och försämrad vaskulär nischfunktion för HSCs.

2.1 HSC definition/ontogeni/åldrande

HSC är de enda cellerna som kan producera hela blodcellslinjen. De genererar * 1 9 1010 röda blodkroppar och * 1 9 108 vita blodkroppar varje timme under hela livet [11]. Denna kontinuerliga process för produktion av mogna blodkroppar, kallad hematopoiesis, involverar proliferation, självförnyelse och differentiering av HSC och utträde av mogna stamceller till det cirkulerande blodet [12]. Hematopoiesis sker i ontogenetiska flöden. Primitiva faser och definitiva faser producerar sanna HSC. Uppkomsten av primitiva HSC:er börjar i gulesäcken 30 dagar efter befruktningen hos människor och E7.5 hos möss och flyttar sedan till allantois och placenta. Vid 4 veckor efter befruktning (wpc) hos människor och E10.5 hos möss, ligger HSCs i aorta-gonad mesonephros, en region av den embryonala mesodermen som ger upphov till definitiva HSCs. HSCs sås därefter i placenta, bräss och lever vid 5 wpc hos människor och E11 hos möss, i mjälten vid 8 wpc hos människor och E14 hos möss, och i benmärgen vid 12 wpc hos människor och E18 hos möss. Efter födseln finns HSC endast i benmärgen och tymus, och benmärgen stöder majoriteten av hematopoiesen [17]. HSC ger upphov till både vanliga myeloida stamceller (CMP) och vanliga lymfoida progenitorceller (CLP) för att generera alla blodceller. CMP:er differentieras till monocyter, makrofager, dendritiska celler, neutrofiler, basofiler, eosinofiler, erytrocyter, megakaryocyter och blodplättar. CLP:er differentierar sig till T-celler, B-celler och NK-celler (Fig. 2).

En HSC-hierarki kan definieras baserat på benmärgsåterpopulationskapacitet, differentieringspotential och uttryck av flera ytmarkörer. 1994, Spangrude et al. [18, 19] delade in populationen av HSCs i tre multipotenta typer: långsiktiga (LT)-HSCs, kortsiktiga (ST)-HSCs och multipotenta progenitorer (MPPs). De identifierade dessa celler med hjälp av ett varierat kluster av differentieringsmarkörer, såsom CD34, CD38, CD90, CD133, CD105, CD45 och stamcellsfaktorn c-kit. År 2005, för att identifiera den funktionellt distinkta subpopulationen av HSCs från icke-självförnyande MPP, Morrison et al. [20, 21] rapporterade att den signalerande lymfocytaktiveringsmolekylen (SLAM) familjen av receptorer inklusive CD150 (slamf1), CD48 (slamf2), CD229 (slamf3) och CD224 (slamf4) uttrycktes differentiellt bland funktionellt distinkta stamceller och stamceller hos möss. Dessutom kan svag färgning med vitala färgämnen som Hoechst 33342 (sidopopulation) eller rhodamine 123 användas för att isolera HSC med små cellstorlekar. Förmågan hos hematopoetiska progenitorer att föröka sig och differentiera till kolonier undersöks med analysen kolonibildande enhet (CFU) med metylcellulosabaserade halvfasta medier som svar på cytokinstimulering för lymfocyter (CFU-L), pre-B-celler (CFU- Pre-B), granulocyter, erytrocyter, makrofager och megakaryocyter (CFU-GEMM). För att identifiera cellcykelstatus används Ki-67-märkning, BrdU-inkorporeringsanalys och det fluorescensubiquitination-baserade cellcykelindikatorsystemet (Fucci). Genom att använda fusionen av fluorescerande proteiner till de cellcykelspecifika proteinerna geminin, cdt1 och p27, kan Fucci-systemet visualisera celler genom att färga cellkärnor i G1-, S/G2/M- och G0-faserna av cellcykeln i cyan, grönt respektive rött [22].

En mängd olika åldersrelaterade cellulära och molekylära förändringar i HSCs och hematopoiesis har rapporterats. I HSC-funktion leder åldrande till överproliferation av HSC, medan åldrande minskar stamcellsantalet och cellcykelaktiviteten i skelettmuskelstamceller, könscellstamceller och neurala stamceller [1, 23]. Hur dessa förändringar kontrolleras och regleras är fortfarande oklart. Det rapporterades dock att åldrade HSCs visade minskad självförnyelse, förlust av cellpolaritet, utträde i blodomloppet, försämrad målsökningsförmåga och myeloid- och trombocytförspänd differentiering [12, 24].

Åldersrelaterade förändringar i systemiska faktorer, intracellulära signalvägar och cellcykelkontrollerande molekyler verkar också vara inblandade i HSC självförnyelse och differentieringsdiversitet. TGF-b1 förbättrar myeloid differentiering snarare än lymfoid differentiering [25], och kromatinregulatorn Satb1, som induceras under lymfoid differentiering, minskar i åldrade HSCs [26]. Åldrade HSC: er aktiverar den icke-kanoniska Wnt-signalvägen istället för den kanoniska Wnt-vägen, vilket ökar Wnt5a-uttrycket och aktiverar celldelningskontrollprotein 42 (Cdc42) polaritet. Regleringen av Cdc42-polaritet och distribution är viktig för regenerativ kapacitet och benmärgssökning [27]. I åldrarna är cellcykelkontrollpunkter som p16INK4a, BCL-2, BATF och p53 också aktiverade. Att avskaffa p16INK4a ökar den regenerativa potentialen hos stamceller från benmärg och hjärnan, och en låg nivå av p53 främjar stamcellsupprätthållande, medan en hög nivå inducerar celldöd och åldrande [28].

Reaktiva syrearter (ROS) och kväveoxid (NO) kan också vara viktiga regulatorer vid HSC-åldring. Ackumuleringen av ROS i åldrade celler inducerar FOXO-utarmning, NF-jB-aktivering, p38-mTOR-aktivering, telomerförkortning, DNA-skada och mitokondriell dysfunktion [12]. Insulin och IGF aktiverar PI3K-Akt-signalvägen och fosforylerar FOXO, följt av hämning av uttrycket av antioxidanten N-acetyl-L-cystein [28]. Efter oxidativ stress ökar HSC NO-nivåerna, vilket resulterar i förlust av självförnyelse, onormal proliferation och malignitet [12, 29].

2.2 BMSCs i ung och gammal benmärg

BMSCs, även allmänt kallade mesenkymala stamceller (BMSCs), uttrycker inte HSC- och EPC-markören CD34, men de avslöjar plastadherenta klonogena egenskaper och differentierar sig till en mängd olika celltyper, såsom osteoblaster, kondrocyter, adipocyter och myocyter, efter in vitro cellkultur [30-32]. BMSC uttrycker CD73, CD90, CD105, CD29, CD44, CD71, CD106, CD120a, CD124, CD56 och CD271 på sina ytor, men de saknar CD11b, CD14, CD117, CD19, CD34, CD45, CD79a yta, och markörer [33]. Medan in vivo BMSCs uttrycker CD146, SCA1, PDGFRa, CXCL12 och nestin, uttrycker ex vivo åldrade BMSCs CD106 och CD295 [34]. Förbättrat uttryck av CD295, en leptinreceptor, markerar apoptotiska celler och icke-självförnyande celler.

BMSCs har självförnyelsekapacitet, mobiliserar till skadeställen och deltar i immunmodulering, sårläkning och reparation av nästan alla vävnader [34-37]. Den huvudsakliga fysiologiska kapaciteten hos BMSC är en immunmodulerande funktion genom att frisätta cytokiner, som verkar vara oberoende av traditionell stamcellsaktivitet. Vid åldrande minskar BMSC:s spridningskapacitet, differentieringspotential och genomisk stabilitet. Medan omfattande HSC-åldringsforskning har utförts, är forskningen om BMSCs i åldringsprocessen fortfarande otillräcklig. I åldrad benmärg resulterar avvikelser inom BMSC-mikromiljön, såsom kronisk inflammation, i fettavlagringar som sammanfaller med en minskning av mesenkymala stamceller, benförlust och fibros [38]. Denna åldersberoende nedgång i BMSC-funktion försvagar dess immunmoduleringsförmåga. BMSC från benmärgen hos åldrade möss visade minskad kolonibildande kapacitet. Dessutom visade BMSC från åldrad benmärg påtagligt minskad mobilisering, möjligen genom nedreglering av fosforyleringen av JNK-signalering [39]. Att upprätthålla en tillräcklig BMSC-pool och kompetent BMSC-handel från benmärgen är därför avgörande för en hälsosam märgmiljö för inflammationsmodulering och även för att underlätta vävnadsregenerering efter flera typer av perifer vävnadsskada. Hos äldre kan minskad regenereringspotential, förbättrat autoimmunsvar och förbättrat inflammatoriskt svar alla vara starkt sammankopplade med åldersrelaterat BMSC-förfall och dysfunktion [38].

2.3 EPC i benmärgen och åldrande

EPC i benmärgen och cirkulerande EPC i perifert blod kan differentiera till endotelceller och bilda endotelbeklädnaden i kärlsystemet. Både EPC och HSC i benmärgen härrör från hemangioblast [40]. EPC i benmärgen uttrycker CD34, CD133 och VEGFR2 (KDR/Flk1). Efter att ha flyttat från benmärgen till blodet, förlorar cirkulerande EPC:er sin progenitorkapacitet och börjar endotelial differentiering, vilket uttrycker von Willebrand-faktor, CD31, CD144, VEcadherin och eNOS [41, 42].

EPC:er kan mobiliseras från benmärgen och spelar en avgörande roll i vävnadsreparation med mekanismer för att regenerera och underhålla endotelet genom att reglera koagulation, arteriell tonus, permeabilitet, kärltillväxt och inflammation. När åldrandet fortskrider minskar antalet EPC och deras funktion med ökad oxidativ stress, inflammation, åldrande fenotypoxiderat lågdensitetslipoprotein (ox-LDL) och telomerförkortning, vilket så småningom ökar risken för kärlsjukdomar som åderförkalkning och hjärt-kärlsjukdom [43]. EPC från äldre människor är känsliga för oxidativ stress, troligen på grund av minskade nivåer och aktivitet av antioxidantenzymet glutationperoxidas-1 (GPX1), vilket sedan sänker cellöverlevnaden [44]. Ox-LDL, en riskfaktor för hjärt-kärlsjukdom, ackumuleras med åldern och minskar överlevnaden och funktionen hos EPC genom att hämma eNOS-uttryck och aktivitet [45]. Åldrade EPC identifieras genom sin cellöverlevnadsförmåga och analysen av kolonibildande enhet, även om mekanismerna för EPC-åldring inte har studerats tillräckligt. Därför kan EPC-dysfunktion med åldrande också vara sammankopplad med fördröjd reparation av ischemisk vaskulär skada och en högre risk för kardiovaskulär sjukdom.

3 Systemiska föryngringsfaktorer och pro-aging faktorer

Systemförändringar skapar skillnader mellan unga och gamla och mellan friska och sjuka individer. Aktiva faktorer i stamceller kan systemiskt och direkt påverka deras kondition och styra deras öden.

Heterokroniska parabiosexperiment har klarlagt närvaron av systemiska föryngrande och pro-aging faktorer och deras förändringar med åldern (Fig. 3). År 1864 genomförde den franske fysiologen Paul Bert heterokroniska parabiosexperiment på albinoråttor för att studera effekterna av åldrande. Parabios (från de grekiska orden, para ''utöver'' och bios ''liv'') använder en kirurgisk teknik för att fysiskt koppla samman blodkärlen och skapa ett delat cirkulationssystem för två levande organismer i olika åldrar [5]. På 1950-talet fann forskare att gamla möss upplevde föryngrande effekter, och de unga mössen hade kortare livslängder än genomsnittet mellan att kirurgiskt koppla ihop två djur. På 1970-talet förbjöds parabiosexperiment genom djurforskningsbestämmelser. De blev dock aktiva igen på 2000-talet för forskning om åldrande. Nyligen genomförda parabiosstudier har visat att föryngringsfaktorer i blodet kan vrida tillbaka stamcellsklockan: gamla stamcellers funktioner föryngrades och yngre stamcellsfunktioner försvagades när de exponerades för ungt respektive gammalt serum. Systemiska föryngrande och pro-aging faktorer sammanfattas i tabell 1. Tillväxtdifferentieringsfaktor (GDF) 11, oxytocin, bursicon och HGFA är alla kandidater för systemiska föryngringsfaktorer och C-C-motiv kemokin (CCL) 11 och b2- mikroglobulin (B2M) är pro-aging faktorer.

3.1 GDF11

Den föryngrande effekten av GDF11 identifierades först i parabiosexperiment. Benmorfogenetiskt protein 11, ett annat namn för GDF11, rapporterades som en cirkulerande faktor som vände åldersrelaterad hjärthypertrofi hos möss [6]. GDF11, en TGF-b-superfamiljmedlem, minskar under åldringsprocessen. Återställer ungdomlig GDF11

Men under 2016–2017 publicerades motstridiga recensioner som tydde på att GDF11 inducerade slöseri med skelett- och hjärtmuskel [48–51] och att GDF11 inte minskar hos råttor eller människor under åldrande [48]. Åldrande är ett livslångt, komplext fenomen som ackumuleras över tiden. Därför bör mer intensiva orsak-och-verkan-studier genomföras för att på ett avgörande sätt utveckla rollen av GDF11 som en föryngrande faktor.

【För mer information:george.deng@wecistanche.com / WhatApp:86 13632399501】