Ученые из Школы медицины Стэнфордского университета (Stanford University School of Medicine) объяснили, почему неизбежным спутником нормального старения является снижение способности к восстановлению силы и подвижности мышц после травмы: со временем стволовые клетки мышечной ткани, чьей функцией является устранение повреждений, теряют способность образовывать новые мышечные волокна и самообновляться.

Бенджамин Косгроув, Хелен Блау и их коллеги
открыли процесс, посредством которого можно
«омолодить» старые популяции мышечных
стволовых клеток. (Фото: Andrew Ho)

«Ранее считалось, что сами мышечные стволовые клетки с возрастом не изменяется и что любая потеря функции в первую очередь обусловлена факторами окружающей клетку среды», – говорит руководитель исследования профессор микробиологии и иммунологии Хелен Блау (Helen Blau), PhD, директор лаборатории биологии стволовых клеток Бэкстера (Baxter Laboratory for Stem Cell Biology) Стэнфордского университета. «Однако, выделив стволовые клетки старых мышей, мы обнаружили, что им свойственны глубокие возрастные изменения. По сравнению со стволовыми клетками молодых мышей фактически две трети клеток не выполняют свою функцию, причем этот дефект сохраняется даже при их пересадке в организм молодых мышей».

Кроме того, профессор Блау и ее коллеги впервые идентифицировали процесс, посредством которого популяции старых мышечных стволовых клеток можно «обновить» – вернуть им свойства более молодых клеток.

«Мы выявили дефект, присущий старым мышечным стволовым клеткам», – продолжает Блау. «Но самое замечательное это то, что мы нашли способ устранить этот дефект. В результате у нас появилась новая терапевтическая мишень, которая в один прекрасный день может быть использована, чтобы помочь пожилым пациентам восстановить поврежденные мышцы».

Исследователи установили, что во многих мышечных стволовых клетках, выделенных из организма двухгодовалых мышей (эквивалент 80-тилетнего человека), наблюдаются повышенные уровни активности в молекулярном каскаде, называемом путем р38 МАР-киназы. Этот путь препятствует пролиферации стволовых клеток и способствует их трансформации в нестволовые клетки – мышечные клетки-предшественники. В результате, хотя in vitro многие старые стволовые клетки и продолжают делиться, получаемые колонии очень малы.

Блокирование пути р38 MAP-киназы определенным препаратом (при условии выращивания клеток на специальном гидрогеле) позволило старым стволовым клеткам быстро делиться и создавать большое количество новых мощных стволовых клеток, способных надежно восстанавливать поврежденные мышцы.

«Старение стохастический, но кумулятивный процесс. Мы показали, что в процессе старения мышечные стволовые клетки постепенно теряют свою функцию стволовых клеток. Наше воздействие не обращает время вспять для потерявших свою функцию стволовых клеток в старой популяции. Скорее, оно стимулирует деление и самообновление стволовых клеток старых мышечных тканей, еще остающихся функциональными», – комментирует результаты Бенджамин Косгроув (Benjamin Cosgrove), PhD, ведущий автор статьи об исследовании, опубликованной онлайн в журнале Nature Medicine.

Профессор Блау и ее коллеги установили, что при обратной трансплантации в организм эти обработанные стволовые клетки мигрируют в свои естественные ниши и создают долгоживущий резерв стволовых клеток, вносящих вклад в удовлетворение постоянно повторяющихся запросов на восстановлении мышц.

«Работая с мышами, мы можем взять клетки старого животного, подвергнуть их семидневной обработке – за это время их количество резко увеличивается, в 60 раз, – а затем вернуть их в поврежденные мышцы старых животных, чтобы облегчить их восстановление», – объясняет Блау.

В 2010 году в журнале Science лаборатория Блау опубликовала исследование, показывающее, что мышечные стволовые клетки, выращенные на мягком гидрогеле, сохраняют свою «стволовость». В противоположность этому, мышечные стволовые клетки, выращенные на жестких пластмассовых пластинах (стандартный способ культивировать клеток в лаборатории), быстро дифференцируются в более специализированные, но менее терапевтически полезные мышечные клетки-предшественники. Эта разница, вероятно, объясняется тем, что мягкий гидрогель более похож на окружающую стволовые клетки естественную среду – мышечную ткань.

В данном исследовании ученые установили, что таргетинг р38 МАР-киназы для индукции быстрого увеличения количества оставшихся функциональных стволовых клеток старых мышей требует мягкой гидрогелевой подложки.

«Препарат плюс гидрогель стимулируют маленькие клоны, так что они переживают взрыв делений самообновления», – говорит ведущий автор статьи Пенни Гилберт (Penney Gilbert), PhD.

Таким образом, омоложение популяции зависит от взаимодействия между биофизическими и биохимическими сигналами.

Наконец, исследователи протестировали способность обновленной популяции мышечных стволовых клеток старых мышей к восстановлению поврежденных мышц и их силы на двухлетних мышах-реципиентах. На этом этапе они объединили свои усилия с профессором Школы инженерии Скоттом Делпом (Scott Delp), PhD, разработавшим новый метод измерения мышечной силы у животных с травмой мышц, прошедших клеточную терапию.

«Мы показали, что трансплантация популяции старых обработанных мышечных стволовых клеток устранила повреждения и восстановила силу травмированных мышц старых мышей», – говорит доктор Косгроув. «Через два месяца после трансплантации эти мышцы демонстрировали силу, эквивалентную силе молодых неповрежденных мышц. Это было самым воодушевляющим результатом».

Ученые планируют продолжить свое исследование, чтобы узнать, можно ли использовать этот метод на людях.

«Если бы нам удалось выделить в чистом виде стволовые клетки пожилого человека, подвергнуть их, чтобы омолодить, воздействию соответствующих условий и вернуть в поврежденную мышцу, мы смогли бы использовать собственные клетки человека и помочь ему восстановиться после травмы или предотвратить локальную атрофию и слабость мышц при костных переломах», – подводит итог профессор Блау. «Это открывает совершенно новое направление в улучшении восстановления определенных мышц у пожилых людей, особенно после травмы. Полученные нами данные прокладывают путь к такой терапии стволовыми клетками».

Оригинальная статья

p38 MAPK signaling underlies a cell-autonomous loss of stem cell self-renewal in skeletal muscle of aged mice