научная статья по теме ГИПОКСИЧЕСКИЙ СТРЕСС КАК ИНДУКТОР АКТИВАЦИИ ПОТЕНЦИАЛА МУЛЬТИПОТЕНТНЫХ МЕЗЕНХИМАЛЬНЫХ СТРОМАЛЬНЫХ КЛЕТОК Биология

Текст научной статьи на тему «ГИПОКСИЧЕСКИЙ СТРЕСС КАК ИНДУКТОР АКТИВАЦИИ ПОТЕНЦИАЛА МУЛЬТИПОТЕНТНЫХ МЕЗЕНХИМАЛЬНЫХ СТРОМАЛЬНЫХ КЛЕТОК»

= ОБЗОРЫ

УДК 576.12

ГИПОКСИЧЕСКИЙ СТРЕСС КАК ИНДУКТОР АКТИВАЦИИ ПОТЕНЦИАЛА МУЛЬТИПОТЕНТНЫХ МЕЗЕНХИМАЛЬНЫХ

СТРОМАЛЬНЫХ КЛЕТОК

© 2015 г. Е. Р. Андреева, М. В. Погодина, Л. Б. Буравкова

ФГБУНГНЦРФ — Институт медико-биологических проблем РАН, Москва E-mail: andreeva_er@mail.ru Поступила в редакцию 12.07.2014 г.

Мультипотентные мезенхимальные стромальные (стволовые) клетки (МСК) представляют гетерогенную популяцию клеток разной степени коммитированности и активно вовлечены в физиологическое и регенеративное ремоделирование тканей. Регуляция выхода МСК из локальных тканевых депо и их активация в участках тканевых повреждений являются ключевыми вопросами в изучении механизмов реализации функциональной активности МСК. Считается, что резкое снижение концентрации О2 (гипоксический стресс), которое является конститутивной особенностью областей повреждения, может вносить вклад в активацию потенциала МСК. Настоящий обзор посвящен анализу данных о влиянии коротких (до 72 часов) гипоксических экспозиций ex vivo на жизнеспособность и функциональную активность МСК, а также возможным молекулярным механизмам этих эффектов.

Ключевые слова: мультипотентные мезенхимальные стромальные (стволовые) клетки (МСК), ремоделирование тканей, повреждение тканей, гипоксический стресс.

DOI: 10.7868/S0131164615020022

Ткани внутренней среды организма (кровь и соединительная ткань) играют ключевую роль в обеспечении тканевого гомеостаза и физиологического ремоделирования. Стромальный ком-партмент этой тканевой системы состоит из клеток разной степени дифференцировки, среди которых важное место занимает популяция малодифференцированных предшественников, которые в настоящее время принято называть мультипотентными мезенхимальными стромаль-ными (стволовыми) клетками (МСК). Это гетерогенная популяция клеток разной степени ком-митированности и различной локализации в организме, которые привлекают значительный интерес в связи с их фундаментальной ролью в обеспечении физиологии и регенерации тканей (см. обзоры [1—4]). Исследования как in vitro, так и in vivo показывают, что МСК продуцируют биологически активные метаболиты (цитокины, молекулы адгезии, компоненты внеклеточного мат-рикса и др.), являясь не только структурным, но и важным регуляторным компонентом различных тканевых ниш (см. обзоры [3, 5, 6]).

Благодаря тому, что МСК могут быть легко выделены из организма и использованы в клеточной терапии и регенеративной медицине как для

аутологичного, так и для аллогенного введения, интерес к биологии этих клеток все время растет. Уже накоплен значительный экспериментальный и клинический материал, демонстрирующий эффективность применения МСК (см. обзоры [7— 10]). К сожалению, возможность использования МСК в клинике привела к смещению акцентов в их изучении в прикладном аспекте. Однако эффективное использование пула малодифферен-цированных стромальных предшественников и адекватная интерпретация получаемых экспериментальных данных невозможны без всестороннего исследования физиологии МСК с учетом их места и роли в конкретном тканевом контексте. В связи с этим, изучение влияния факторов микроокружения на участие этих клеток в поддержании целостности тканей и их восстановления при повреждении является важной фундаментальной задачей современной клеточной физиологии. Мобилизация МСК из локальных тканевых депо и их активация в областях тканевых повреждений представляют ключевой вопрос для понимания механизмов реализации функциональной активности МСК.

В настоящее время практически не существует экспериментальных подходов, которые могли бы

позволить исследовать МСК в их естественном микроокружении in vivo, что связано с отсутствием как специфических клеточных маркеров, так и четкой тканевой локализации МСК. Кроме того, те эффекты, которые могли бы быть обнаружены в экспериментах in vivo, были бы результатом кумулятивного воздействия на МСК целого ряда клеточных и неклеточных факторов, формирующих их тканевые ниши. Поэтому эксперименты ex vivo являются на сегодняшний день основным источником для получения представления о клеточных и молекулярных механизмах участия МСК в различных процессах in vivo. Клеточные и внеклеточные факторы возникающего провоспа-лительного микроокружения, такие как пара-кринные медиаторы и компоненты соединительнотканного матрикса, способны индуцировать покоящиеся МСК к активации, что достаточно хорошо исследовано к настоящему моменту in vitro [11]. Кроме того, конститутивной особенностью областей повреждения является снижение концентрации О2 [12, 13]. Логично предположить, что возникающая гипоксия в участках тканевых повреждений может вносить вклад в активацию МСК.

МСК in vivo и гипоксия

В биологии стволовых и прогениторных клеток общепринятой является концепция о том, что во взрослом организме существует/существуют депо малодифференцированных стромальных предшественников, которые мигрируют в различные ткани мезенхимального происхождения, где за их счет обеспечивается поддержание, обновление и регенерация тканей. Предположение о том, что МСК могут быть мобилизованы из тканевых депо в случае экстремальных воздействий, очень наглядно продемонстрировано G.Y. Rochefort et al. [14]. В периферической крови крыс после 3-недельной гипобарической гипоксии авторы обнаружили 10-кратное увеличение количества МСК, тогда как количество стволовых гемопоэтических клеток возросло только в 1.4 раза, что соответствовало их увеличению в костном мозге. Количество МСК в костном мозге в результате гипоксического воздействия не изменилось. Эти данные позволяют предположить, что, во-первых, если гипоксия стимулирует образование новых МСК в костном мозге, то они сразу же выходят в кровеносное русло. Во-вторых, резкое увеличение МСК в кровотоке может происходить и за счет других, альтернативных костному мозгу, источников малодифференцированных стро-мальных предшественников. Поиски источников МСК вне костного мозга привели к тому, что клетки с потенциалом МСК были выявлены

практически во всех тканях с хорошо развитой микроциркуляторной сетью [15], что подтвердило высказанную еще в первой трети 20 века гипотезу о том, что малодифференцированные стро-мальные предшественники могут существовать в тесной связи с субэндотелиальным слоем сосудов. На основании тканевой локализации эти клетки были названы перицитами или перивас-кулярными клетками. По крайней мере часть из них обладает свойствами МСК — они быстро ад-гезируют к субстрату in vitro, активно пролифери-руют, несут соответствующие поверхностные маркеры, способны дифференцироваться в клетки хряща, кости, жировой ткани, и т.д. [15, 16]. Периваскулярное положение в кровеносной системе, пронизывающей все ткани организма, представляет идеальное место для тканевой ниши МСК, откуда они могут быть быстро мобилизованы в случае необходимости.

Эффекты гипоксии и/или депривации факторов роста на жизнеспособность МСК

В настоящее время реализация потенциала МСК связывается как с возможностью их непосредственного участия в процессах физиологического ремоделирования и регенерации тканей, так и, даже в большей степени, с их паракринной активностью [17]. Возникает вопрос, каким образом краткий гипоксический стресс может влиять на эти "краеугольные" аспекты активности МСК и их жизнеспособность? Как уже говорилось выше, исследовать такого рода воздействия in vivo практически невозможно, так как в любой тканевой нише МСК находятся в реципрокных взаимоотношениях с другими клетками, а также подвергаются действию целого комплекса внеклеточных факторов. Поэтому исследование механизмов действия различных факторов на МСК обычно проводят ex vivo. Для моделирования in vitro эффектов кратковременного снижения концентрации кислорода, которое возникает в областях повреждений [12, 13], используются короткие гипоксические экспозиции (0—72 ч). Однако часто это является составной частью протокола по моделированию условий ишемии, когда помимо снижения концентрации кислорода имитируется и депривация факторов роста за счет отсутствия сыворотки в среде культивирования. Так, в одной из первых работ в этой области [18] авторы показали, что сама гипоксия (3% О2) не влияет на жизнеспособность МСК, а к достоверному увеличению доли апоптотических клеток, экспрессирующих каспазу 3, приводит 6-24-часовое "ишемическое" воздействие (гипоксия + + депривация). Аналогичные результаты были получены на МСК крысы через 3—24 ч при 0.5—

5% О2 в среде без сыворотки, когда повреждение клеток оценивали по появлению раннего маркера апоптоза — аннексинаУ на поверхности клеток [19, 20]. Доля апоптотических МСК при таком воздействии могла составлять до 50% [21, 22]. Снижение концентрации кислорода до критического (~0% O2) на фоне 10-кратного понижения ростовых факторов (до 1% фетальной телячьей сыворотки) привело к тому, что практически две трети клеток погибали путем апоптоза и некроза [23]. При экспозиции в 1% O2 без смены среды в течение 14 суток, когда содержание факторов роста истощалось, жизнеспособность МСК значительно снижалась [24]. 6-часовая "ишемия" (5% О2 + депривация) вызывала двукратное уменьшение доли живых клеток [25]. Надо отметить, что даже при моделировании "ишемии" такого рода повреждающие эффекты обнаруживаются не всегда. Так, I. Rosova et al. [26] не обнаружили увеличения доли погибших клеток после 16-часовой экспозиции МСК при 1—3% О2 в бессывороточной среде.

Анализ процитированных выше работ показал, что в тех случаях, когда в качестве одного из экспериментальных воздействий была использована только гипоксия без депривации, повреждающих эффектов на жизнеспособность МСК обнаружено не было [18, 25]. Это позволяет заключить, что острая гипоксия per se не индуцирует гибель МСК.

Влияние коротких гипоксических экспозиций на функциональное состояние МСК

Тем не менее, гипоксическое воздействие может вызывать функциональные изменения в МСК, например, за счет увеличения продукции активных форм кислорода (АФК) в результате окислительного стресса, что может сопровождаться изменением активности митохондрий [25, 27]. Основным источником АФК в этом с

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком