Células madre endógenas en homeostasis y envejecimiento Parte 1

AbstractoEn casi todos los tejidos y órganos humanos, las células madre adultas o las células madre tisulares están presentes en un lugar único, el llamado nicho de células madre o su equivalente, reabasteciendo continuamente las células diferenciadas funcionales. Esas células madre endógenas pueden expandirse para la terapia celular utilizando cultivos celulares ex vivo o recuperarse para la reparación de tejidos in situ a través del tráfico y la búsqueda de células. En el proceso de envejecimiento, la ineficiencia en el mecanismo de curación mediado por células madre endógenas puede surgir de una variedad de deficiencias que se acumulan en los procesos de autorrenovación, función, capacidad de diferenciación y tráfico de células madre a través de vías intrínsecas autónomas de células (como alteraciones epigenéticas) o vías sistémicas extrínsecas. Esta revisión examina la homeostasis de las células madre endógenas, en particular las células madre de la médula ósea, y su desregulación en la enfermedad y el envejecimiento, y analiza las posibles estrategias de intervención. Se revisan varios factores rejuvenecedores y proenvejecimiento sistémicos, reconocidos en parabiosis heterocrónica o modelos animales progeroides de envejecimiento prematuro, como posibles dianas farmacéuticas antienvejecimiento desde la perspectiva de un entorno saludable para las células madre endógenas. Se revisa una variedad de modificaciones epigenéticas y arquitecturas cromosómicas como una vía celular intrínseca para el envejecimiento y la senescencia. También se revisa un aumento gradual de la carga inflamatoria durante el envejecimiento. Finalmente, la reparación de tejidos y los efectos antienvejecimiento de la Sustancia-P, un péptido que estimula el tráfico de células madre desde la médula ósea y modifica la respuesta inflamatoria, se discuten como un futuro objetivo antienvejecimiento.

El glucósido de cistanche también puede aumentar la actividad de SOD en los tejidos del corazón y el hígado, y reducir significativamente el contenido de lipofuscina y MDA en cada tejido, eliminando de manera efectiva varios radicales de oxígeno reactivos (OH-, H₂O₂, etc.) y protegiendo contra el daño causado en el ADN. por radicales OH. Los glucósidos de feniletanoide de Cistanche tienen una fuerte capacidad de eliminación de radicales libres, una mayor capacidad reductora que la vitamina C, mejoran la actividad de SOD en la suspensión de esperma, reducen el contenido de MDA y tienen un cierto efecto protector sobre la función de la membrana del esperma. Los polisacáridos de cistanche pueden mejorar la actividad de SOD y GSH-Px en eritrocitos y tejidos pulmonares de ratones experimentalmente senescentes causados ​​por D-galactosa, así como reducir el contenido de MDA y colágeno en pulmón y plasma, y ​​aumentar el contenido de elastina, han un buen efecto de eliminación de DPPH, prolonga el tiempo de hipoxia en ratones senescentes, mejora la actividad de SOD en suero y retrasa la degeneración fisiológica del pulmón en ratones experimentalmente senescentes Con degeneración morfológica celular, los experimentos han demostrado que Cistanche tiene una buena capacidad antioxidante y tiene el potencial de ser un fármaco para prevenir y tratar las enfermedades del envejecimiento de la piel. Al mismo tiempo, el echinacósido en Cistanche tiene una capacidad significativa para eliminar los radicales libres DPPH y puede eliminar las especies reactivas de oxígeno, prevenir la degradación del colágeno inducida por los radicales libres y también tiene un buen efecto de reparación en el daño del anión de radicales libres de timina.

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Palabras claveCélula madre hematopoyética · Célula madre de médula ósea · Célula precursora endotelial · Envejecimiento Rejuvenecimiento

1. Introducción

El envejecimiento es un fenómeno natural marcado por una disminución progresiva de las funciones homeostáticas y regenerativas del cuerpo, incluido el deterioro de las funciones de las células madre relacionado con la edad [1]. Estudios recientes entre animales jóvenes y viejos y humanos han revelado alteraciones relacionadas con la edad en los rasgos de las células madre, el tamaño del grupo de células madre y la diversidad de diferenciación [2–4]. En las personas mayores, se acumulan alteraciones epigenéticas autónomas de células en las células madre, lo que puede provocar la senescencia de las células madre/progenitoras y reducir tanto la reserva de células madre como la función de las células madre. Los experimentos de parabiosis heterocrónica entre animales jóvenes y viejos han demostrado la existencia de alteraciones relacionadas con la edad en entornos sistémicos y locales, incluidos factores sistémicos rejuvenecedores y proenvejecimiento [5–7], que podrían controlar la función y la vida útil de las células madre endógenas y las células madre. nichos celulares. Más prominentemente, los experimentos han revelado una elevación relacionada con la edad de las citocinas inflamatorias y la inflamación crónica [8–10], lo que también podría afectar la función de las células madre, el nicho de las células madre, el tráfico de células madre y la diversidad de diferenciación. Esos informes sobre el envejecimiento y las enfermedades degenerativas como la enfermedad de Parkinson, la enfermedad de Alzheimer, la diabetes, la enfermedad vascular crónica y la osteoartritis han señalado posibles vínculos entre el estado de las células madre y la etiología de la enfermedad y entre el estado de las células madre y la esperanza de vida.

En 2013, Carlos López-Otin et al. [2] identificaron y clasificaron nueve características celulares y moleculares que contribuyen al proceso de envejecimiento: inestabilidad genómica, desgaste de los telómeros, alteraciones epigenéticas, pérdida de proteostasis, detección de nutrientes desregulada, disfunción mitocondrial, senescencia celular, agotamiento de las células madre y comunicación intercelular alterada. La mayoría de los daños y el deterioro relacionados con la edad se acumulan gradualmente con el tiempo, lo que se ha estudiado ampliamente en los campos del cáncer, las enfermedades metabólicas y las enfermedades degenerativas. En particular, el concepto de agotamiento de las células madre, a través de vías intrínsecas o extrínsecas autónomas de las células, podría explicar las consecuencias integradoras de múltiples tipos de daños asociados con el envejecimiento y la disminución del potencial regenerativo [11, 12]. Los ratones progeroides y los experimentos recientes de parabiosis con ratones jóvenes y viejos han demostrado que los factores sistémicos, como el activador del factor de crecimiento de hepatocitos (HGFA), que abundan en los ratones jóvenes, pueden revertir la disminución de la función de las células madre neurales y musculares que se encuentra en los ratones viejos o progeroides [13 -15]. Esos trabajos fundamentales proponen que los factores extrínsecos sistémicos, actuando como una intervención farmacológica, podrían estimular el rejuvenecimiento de las células madre y revertir el fenotipo de envejecimiento.

Esta revisión analiza las células madre endógenas in vivo, especialmente las células madre de la médula ósea, como las células madre hematopoyéticas (HSC), las células madre estromales (o mesenquimales) de la médula ósea (BMSC) y las células precursoras endoteliales (EPC), según su ontogenia, normal funciones y alteraciones funcionales relacionadas con la edad. En segundo lugar, las alteraciones relacionadas con la edad en los factores sistémicos, candidatos a factores antienvejecimiento o proenvejecimiento, se consideran por sus posibles vínculos con la homeostasis y el envejecimiento de las células madre y por su potencial como dianas farmacológicas para retardar o controlar el proceso de envejecimiento. En tercer lugar, se revisan las alteraciones relacionadas con la edad en el nicho de células madre de la médula ósea. Cuarto, los cambios epigenéticos en las células madre durante el envejecimiento, el llamado envejecimiento celular autónomo de las células madre, se revisan y analizan en términos de modificación de histonas, metilación del ADN y ARN no codificante. En quinto lugar, se analizan los efectos de las respuestas inflamatorias mejoradas durante el envejecimiento, particularmente en las enfermedades degenerativas relacionadas con la edad y la reparación defectuosa de los tejidos. Las conclusiones y perspectivas para futuras investigaciones incluyen una consideración de si el deterioro relacionado con la edad en las células madre endógenas y su entorno puede controlarse y nuevos objetivos farmacológicos para la salud humana.

2 Células madre endógenas en la médula ósea y el envejecimiento

La homeostasis, la reparación de tejidos y la regeneración se mantienen y estimulan continuamente mediante células madre de tejidos endógenos en el cuerpo. La médula ósea es un reservorio de células madre para HSC, BMSC, EPC y otras células madre aún por identificar. Las células madre en la médula ósea están involucradas de manera vital en la regeneración de tejidos, y la senescencia o pérdida de la función de esas células madre es la causa principal del fracaso en la reparación y homeostasis de los tejidos (Fig. 1) [4].

Las HSC suministran continuamente células sanguíneas, incluidas células inmunitarias, glóbulos rojos y glóbulos blancos, durante toda la vida. La disfunción hematopoyética surge con la edad, lo que resulta en una disminución de la respuesta inmunitaria adaptativa y un aumento de las respuestas mieloides y anemia. Una alteración prominente asociada con el envejecimiento, llamada inflamación, un fenotipo proinflamatorio latente [9, 16], también podría resultar de la disfunción de las HSC o la pérdida de diversidad de diferenciación. Las BMSC son células del estroma en la médula ósea que podrían ayudar a la hematopoyesis como células de nicho de células madre, así como a la osteogénesis para la formación de hueso. En los ancianos, las BMSC también disminuyen y su potencial de diferenciación se inclina hacia la adipogénesis, lo que da como resultado una médula amarilla y osteoporosis. Las EPC, precursoras de las células endoteliales, también disminuyen durante el envejecimiento, lo que provoca un deterioro de la reparación vascular y un deterioro de la función del nicho vascular para las HSC.

2.1 HSC definición/ontogenia/envejecimiento

Las HSC son las únicas células que pueden producir el linaje de células sanguíneas completas. Generan * 1 9 1010 glóbulos rojos y * 1 9 108 glóbulos blancos cada hora a lo largo de la vida [11]. Este proceso continuo de producción de células sanguíneas maduras, llamado hematopoyesis, implica la proliferación, autorrenovación y diferenciación de las HSC y la salida de células progenitoras maduras a la sangre circulante [12]. La hematopoyesis ocurre en flujos ontogenéticos. Las fases primitivas y las fases definitivas producen verdaderas HSC. La aparición de HSC primitivas comienza en el saco vitelino a los 30 días posteriores a la concepción en humanos y E7.5 en ratones y luego se traslada a la alantoides y la placenta. A las 4 semanas posteriores a la concepción (wpc) en humanos y E10.5 en ratones, las HSC se encuentran en el mesonefros de la aorta-gónada, una región del mesodermo embrionario que da lugar a las HSC definitivas. Posteriormente, las HSC se siembran en la placenta, el timo y el hígado a 5 wpc en humanos y E11 en ratones, en el bazo a 8 wpc en humanos y E14 en ratones, y en la médula ósea a 12 wpc en humanos y E18 en ratones. Después del nacimiento, las HSC solo existen en la médula ósea y el timo, y la médula ósea soporta la mayor parte de la hematopoyesis [17]. Las HSC dan lugar tanto a células progenitoras mieloides comunes (CMP) como a progenitores linfoides comunes (CLP) para generar todas las células sanguíneas. Los CMP se diferencian en monocitos, macrófagos, células dendríticas, neutrófilos, basófilos, eosinófilos, eritrocitos, megacariocitos y plaquetas. Los CLP se diferencian en células T, células B y células NK (Fig. 2).

Se puede definir una jerarquía de HSC en función de la capacidad de repoblación de la médula ósea, el potencial de diferenciación y la expresión de múltiples marcadores de superficie. En 1994, Spangrude et al. [18, 19] dividieron la población de HSC en tres tipos multipotentes: HSC a largo plazo (LT), HSC a corto plazo (ST) y progenitores multipotentes (MPP). Identificaron esas células utilizando un grupo diverso de marcadores de diferenciación, como CD34, CD38, CD90, CD133, CD105, CD45 y el factor c-kit de células madre. En 2005, para identificar la subpoblación funcionalmente distinta de HSC de las MPP que no se autorrenuevan, Morrison et al. [20, 21] informaron que la familia de receptores de la molécula de activación de linfocitos de señalización (SLAM), incluidos CD150 (slamf1), CD48 (slamf2), CD229 (slamf3) y CD224 (slamf4), se expresó de manera diferencial entre células madre funcionalmente distintas y células progenitoras. en ratones. Además, la tinción débil con colorantes vitales como Hoechst 33342 (población lateral) o rodamina 123 se puede utilizar para aislar HSC con tamaños de células pequeños. La capacidad de los progenitores hematopoyéticos para proliferar y diferenciarse en colonias se examina con el ensayo de unidades formadoras de colonias (CFU) utilizando medios semisólidos a base de metilcelulosa en respuesta a la estimulación de citoquinas para linfocitos (CFU-L), células pre-B (CFU- Pre-B), granulocitos, eritrocitos, macrófagos y megacariocitos (CFU-GEMM). Para identificar el estado del ciclo celular, se utilizan el etiquetado Ki-67, el análisis de incorporación de BrdU y el sistema de indicador de ciclo celular basado en ubiquitinación de fluorescencia (Fucci). Utilizando la fusión de proteínas fluorescentes con las proteínas geminina, cdt1 y p27 específicas del ciclo celular, el sistema Fucci puede visualizar células tiñendo los núcleos celulares en las fases G1, S/G2/M y G0 del ciclo celular en cian, verde y rojo, respectivamente [22].

Se ha informado una variedad de alteraciones celulares y moleculares relacionadas con la edad en las HSC y la hematopoyesis. En la función de las HSC, el envejecimiento conduce a la sobreproliferación de las HSC, mientras que el envejecimiento disminuye el número de células madre y la actividad del ciclo celular en las células madre del músculo esquelético, las células madre de la línea germinal y las células madre neurales [1, 23]. No está claro cómo se controlan y regulan esos cambios. Sin embargo, se informó que las HSC envejecidas mostraron una disminución de la autorrenovación, pérdida de la polaridad celular, salida al torrente sanguíneo, deterioro de la capacidad de localización y diferenciación sesgada por mieloides y plaquetas [12, 24].

Los cambios relacionados con la edad en los factores sistémicos, las vías de señalización intracelular y las moléculas que controlan el ciclo celular también parecen estar implicados en la diversidad de diferenciación y autorrenovación de las HSC. TGF-b1 mejora la diferenciación mieloide en lugar de la diferenciación linfoide [25], y el regulador de la cromatina Satb1, que se induce durante la diferenciación linfoide, disminuye en las HSC envejecidas [26]. Las HSC envejecidas activan la vía de señalización Wnt no canónica en lugar de la vía Wnt canónica, lo que aumenta la expresión de Wnt5a y activa la polaridad de la proteína de control de la división celular 42 (Cdc42). La regulación de la polaridad y la distribución de Cdc42 es importante para la capacidad regenerativa y la localización de la médula ósea [27]. Además, en los ancianos, se activan puntos de control del ciclo celular como p16INK4a, BCL-2, BATF y p53. La abolición de p16INK4a aumenta el potencial regenerativo de las células madre de la médula ósea y el cerebro, y un nivel bajo de p53 promueve el mantenimiento de las células madre, mientras que un nivel alto induce la muerte celular y la senescencia [28].

Las especies reactivas de oxígeno (ROS) y el óxido nítrico (NO) también podrían ser reguladores importantes en el envejecimiento de las HSC. La acumulación de ROS en células envejecidas induce el agotamiento de FOXO, la activación de NF-jB, la activación de p38-mTOR, el acortamiento de los telómeros, el daño del ADN y la disfunción mitocondrial [12]. La insulina y el IGF activan la vía de señalización PI3K-Akt y fosforilan FOXO, seguido de la inhibición de la expresión del antioxidante N-acetil-L-cisteína [28]. Después del estrés oxidativo, las HSC aumentan los niveles de NO, lo que da como resultado la pérdida de la autorrenovación, la proliferación anormal y la malignidad [12, 29].

2.2 BMSC en médula ósea joven y vieja

Las BMSC, también llamadas generalmente células madre mesenquimales (BMSC), no expresan el marcador CD34 de HSC y EPC, pero revelan propiedades clonogénicas adherentes al plástico y se diferencian en una variedad de tipos de células, como osteoblastos, condrocitos, adipocitos y miocitos, al cultivo celular in vitro [30-32]. Las BMSC expresan CD73, CD90, CD105, CD29, CD44, CD71, CD106, CD120a, CD124, CD56 y CD271 en sus superficies, pero carecen de CD11b, CD14, CD117, CD19, CD34, CD45, CD79a y superficie HLA-DR marcadores [33]. Mientras que las BMSC in vivo expresan CD146, SCA1, PDGFRa, CXCL12 y nestina, las BMSC envejecidas ex vivo expresan CD106 y CD295 [34]. La expresión mejorada de CD295, un receptor de leptina, marca las células apoptóticas y las células que no se autorrenuevan.

Las BMSC tienen capacidad de autorrenovación, se movilizan hacia los sitios lesionados y participan en la modulación inmunitaria, la cicatrización de heridas y la reparación de casi todos los tejidos [34–37]. La principal capacidad fisiológica de las BMSC es una función inmunomoduladora mediante la liberación de citocinas, que parece ser independiente de la actividad tradicional de las células madre. Con el envejecimiento, la capacidad de proliferación, el potencial de diferenciación y la estabilidad genómica de las BMSC disminuyen. Si bien se ha llevado a cabo una amplia investigación sobre el envejecimiento de las HSC, la investigación sobre las BMSC en el proceso de envejecimiento sigue siendo insuficiente. En la médula ósea envejecida, las aberraciones dentro del microentorno BMSC, como la inflamación crónica, dan como resultado depósitos de grasa que coinciden con una disminución de los progenitores mesenquimales, pérdida ósea y fibrosis [38]. Esta disminución dependiente de la edad en la función de BMSC debilita su capacidad de modulación inmune. Las BMSC de la médula ósea de ratones envejecidos mostraron una disminución de la capacidad de formación de colonias. Además, las BMSC de la médula ósea envejecida mostraron una movilización notablemente reducida, posiblemente a través de la regulación a la baja de la fosforilación de la señalización de JNK [39]. Por lo tanto, mantener un grupo suficiente de BMSC y un tráfico competente de BMSC desde la médula ósea es esencial para un entorno de médula saludable para la modulación de la inflamación y también para facilitar la regeneración tisular después de varios tipos de daño tisular periférico. En el anciano, la disminución del potencial de regeneración, el aumento de la respuesta autoinmune y el aumento de la respuesta inflamatoria podrían estar fuertemente interconectados con el deterioro y la disfunción de BMSC relacionados con la edad [38].

2.3 EPC en la médula ósea y el envejecimiento

Las EPC en la médula ósea y las EPC circulantes en la sangre periférica pueden diferenciarse en células endoteliales y formar el revestimiento endotelial de la vasculatura. Tanto las EPC como las HSC en la médula ósea se derivan del hemangioblasto [40]. Las EPC en la médula ósea expresan CD34, CD133 y VEGFR2 (KDR/Flk1). Después de pasar de la médula ósea a la sangre, las EPC circulantes pierden su capacidad progenitora y comienzan la diferenciación endotelial, expresando factor de von Willebrand, CD31, CD144, VEcadherina y eNOS [41, 42].

Las EPC pueden movilizarse desde la médula ósea y desempeñar un papel fundamental en la reparación de tejidos con mecanismos para regenerar y mantener el endotelio mediante la regulación de la coagulación, el tono arterial, la permeabilidad, el crecimiento de los vasos y la inflamación. A medida que avanza el envejecimiento, la cantidad de EPC y su función disminuyen con el aumento del estrés oxidativo, la inflamación, el fenotipo senescente de lipoproteína de baja densidad oxidada (ox-LDL) y el acortamiento de los telómeros, lo que finalmente aumenta el riesgo de enfermedades vasculares como la aterosclerosis y la enfermedad cardiovascular. [43]. Las EPC de humanos de edad avanzada son sensibles al estrés oxidativo, probablemente debido a la reducción de los niveles y la actividad de la enzima antioxidante glutatión peroxidasa-1 (GPX1), que luego reduce la supervivencia celular [44]. Ox-LDL, un factor de riesgo de enfermedad cardiovascular, se acumula con la edad y reduce la supervivencia y la función de las EPC al inhibir la expresión y la actividad de eNOS [45]. Las EPC envejecidas se identifican por su capacidad de supervivencia celular y el ensayo de unidades formadoras de colonias, aunque los mecanismos del envejecimiento de las EPC no se han estudiado suficientemente. Por lo tanto, la disfunción de EPC con el envejecimiento también podría estar interconectada con la reparación tardía del daño vascular isquémico y un mayor riesgo de enfermedad cardiovascular.

3 Factores de rejuvenecimiento sistémico y factores pro-envejecimiento

El cambio sistémico produce diferencias entre jóvenes y ancianos y entre individuos sanos y enfermos. Los factores activos en las células madre pueden influir sistémica y directamente en su estado físico y guiar sus destinos.

Los experimentos de parabiosis heterocrónica han dilucidado la presencia de factores rejuvenecedores y proenvejecimiento sistémicos y sus alteraciones con la edad (fig. 3). En 1864, el fisiólogo francés Paul Bert llevó a cabo experimentos de parabiosis heterocrónica en ratas albinas para estudiar los efectos del envejecimiento. Parabiosis (de las palabras griegas, para ''además'' y bios ''vida'') utiliza una técnica quirúrgica para conectar físicamente los vasos sanguíneos y crear un sistema circulatorio compartido para dos organismos vivos de diferentes edades [5]. En la década de 1950, los investigadores descubrieron que los ratones viejos experimentaban efectos rejuvenecedores y que los ratones jóvenes tenían una esperanza de vida más corta que el promedio entre la conexión quirúrgica de dos animales. En la década de 1970, las normas de investigación con animales prohibieron los experimentos con parabiosis. Sin embargo, volvieron a estar activos en la década de 2000 para la investigación sobre el envejecimiento. Estudios recientes de parabiosis han demostrado que los factores de rejuvenecimiento en la sangre pueden hacer retroceder el reloj de las células madre: las funciones de las células madre viejas se rejuvenecieron y las funciones de las células madre más jóvenes se debilitaron cuando se expusieron a suero joven o viejo, respectivamente. Los factores rejuvenecedores y proenvejecimiento sistémicos se resumen en la Tabla 1. El factor de diferenciación del crecimiento (GDF) 11, la oxitocina, el bursicon y el HGFA son todos candidatos a factores rejuvenecedores sistémicos y quimiocinas con motivos C-C (CCL) 11 y b2- microglobulina (B2M) son factores pro-envejecimiento.

3.1 GDF11

El efecto rejuvenecedor de GDF11 se identificó por primera vez en experimentos de parabiosis. La proteína morfogenética ósea 11, otro nombre para GDF11, se informó como un factor circulante que revirtió la hipertrofia cardíaca relacionada con la edad en ratones [6]. GDF11, un miembro de la superfamilia TGF-b, disminuye durante el proceso de envejecimiento. Restaurando GDF11 juvenil

Sin embargo, en 2016-2017, se publicaron revisiones contradictorias que sugerían que GDF11 inducía el desgaste del músculo esquelético y cardíaco [48-51] y que GDF11 no disminuye en ratas o humanos durante el envejecimiento [48]. El envejecimiento es un fenómeno complejo que dura toda la vida y se acumula con el tiempo. Por lo tanto, se deben realizar estudios de causa y efecto más intensivos para elaborar de manera decisiva el papel de GDF11 como factor rejuvenecedor.

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