2
14391

Сателлитные клетки - мышечные стволовые клетки

В компасе рассматриваются основные функции сателлитных клеток в связи с возраст-зависимым изменением регенерационной способности мышц.

на сайте с 15 января 2009

ВВЕДЕНИЕ

расположение сателлитной клетки в миофибрилле   Сателлитные клетки ("клетки-спутники") - моноядерные миогенные стволовые клетки, расположенные между базальной ламиной и клеточной мембраной (сарколеммой) скелетного мышечного волокна и являющиеся главными участниками постнатального мышечного роста. Сателлитные клетки впервые описаны в 1961 г. (Mauro A.). Это открытие позволило решить многолетнюю проблему: почему растет число ядер и размер миофибриллы без видимых ядерных делений?  В результате последующих электронно-микроскопических исследований покоящиеся клетки, лежащие на поверхности мышечного волокна под его базальной мембраной получили название - сателлитные. Они  составляют 2-5 % субламинальных ядер и в нормальных условиях митотически инертны, однако активируются к пролиферации при постнатальном росте и регенерации мышцы в ответ на повреждение или физические упражнения и начинают делиться, проходя через самообновление и дифференциацию в зрелую мышечную клетку. С возрастом способность скелетных мышц к регенерации снижается.

Происхождение популяции сателлитных клеток

     Методами трансплантаций и генетических стратегий исследовали эмбриональную природу мышечных стволовых клеток. Оказалось, что большинство (но не все) сателлитные клетки происходят из центральной части дермомиотома сомита, что было идентифицировано с помщью маркера сателлитных клеток (Pax3/Pax7) (1997; 2000; 2006). Предложены альтернативные механизмы происхождения популяции сателлитных клеток, включающие костный мозг или сосудистые компоненты (например, эндотелий, перициты, мезоангиобласты и др.). Однако нет необходимости признавать исключительно сомитную либо не-сомитную природу сателлитных клеток, так как оба эти источника могут проявляться в большей или меньшей степени в зависимости от окружения или в ответ на повреждение либо в связи с болезнью или старением (обзор).
     В лаборатории проф. Михаэля Рудницки (Michael Rudnicki, Professor in the Department of Medicine at the University of Ottawa, the Scientific Director of the Canadian Stem Cell Network and the International Regulome Consortium) уже много лет изучают молекулярные механизмы, регулирующие детерминирование, пролиферацию и дифференцировку стволовых клеток в эмбриональном миогенезе и "стволовые" функции сателлитных клеток в процессах роста и регенерации мышечных волокон (2000; 2008 и др.).
Яблонка-Реувени       Работы Зипоры Яблонка-Реувени (Zipora Yablonka-Reuveni, Professor at the Department of Biological Structure, School of Medicine, University of Washington, USA) с сотрудниками посвящены регуляции функций миогенных стволовых клеток в течение жизни. Одна из важнейших тем - возраст-зависимые потери миофибрилл при саркопении. Эти исследования позволили выяснить ряд клеточных и молекулярных механизмов, участвующих в миогенном коммитировании и самообновлении сателлитных клеток, а также в процессах старения и при миодистрофических заболеваниях (см., например, 2004; 2006; 2008).

Сателлитные клетки как стволовые


     Обычно стволовые (прогениторные) клетки характеризуются с помощью молекулярных маркеров, типичных для каждой стадии их развития. Сателлитные клетки, покоящиеся в нормальной взрослой мышце, могут активироваться, делиться, образуя миобласты, которые затем проходят стадии пролиферации, коммитирования к дифференцировке и слияния в незрелые миоциты, образующие после созревания миофибриллы (статья). Как видно из рисунка, CD34, Pax7 и Myf5/b-gal экспрессируются в покоящейся сателлитной клетке. Активация сателлитных клеток сопровождается переходом на экспрессию маркера MyoD, а экспрессия миогенина соответствует коммитированию к дифференцировке. По мере снижения фактора транскрипции Pax7 и роста мио-специфичных факторов транскрипции MyoD и миогенина миобласты входят в фазу дифференцировки (Seale P. et al., 2000; Shefer G. et al., 2006). Проявление клеток, экспрессирующих Pax7, но не MyoD, указывает на самообновляющуюся популяцию сателлитных клеток (Zammit P. et al., 2004). Экспрессия MLC3F-tg типична для многих структурных мышечных генов, как, например, актина скелетной мышцы и миозина MyHC, характеризующих саркомеры на поздних стадиях дифференцировки.  
    Так как сателлитные клетки в процессе регенерации мышцы перемещаются из непосредственного положения под базальной ламиной, это формально противоречит их статусу как стволовых клеток. Прямые доказательства функционирования сателлитных клеток как миогенных прогениторов впервые были получены с помощью меченого тимидина в растущих или регенерирующих мышцах (обзор), а затем на изолированных миофибриллах (1986; 1994; 2000), что привело к всеобщему признанию способности сателлитных клеток давать начало миобластам, дифференцирующимся в многоядерные миофибриллы

Самообновление сателлитных клеток

обновление сателлитных клеток


     Одной из важнейших характеристик стволовых клеток является способность к самообновлению in vivo – долгосрочной пролиферации без сопутствующей дифференцировки. Поэтому для обоснованного определения одной из субпопуляций миосателлитоцитов как миогенных стволовых клеток большинство исследователей пытаются установить способность их к многократному делению. 
    Самообновление сателлитных клеток может происходить при начальном асимметричном делении сателлитной клетки и/или при возвращении в покоящееся состояние миобластов, образованных этими клетками.


      Небольшое количество мышечных ядер может быть образовано также за счет не-сателлитных клеток (интерстициальных или циркуляторных), но возможность создания ими пролиферирующих миогенных прогениторов пока не установлена (см. обзор). 
     Проведенная недавно трансплантация таких одиночных миофибрилл в мышцу явилась хорошим подтверждением того, что сателлитные клетки - это действительно миогенные стволовые клетки, образующие новые миофибриллы, а также новые сателлитные клетки (Collins С. et al., 2005; Sacco A. et al., 2008).  

Пластичность сателлитных клеток


    Сателлитные клетки до недавнего времени рассматривались как унипотентные миогенные предшественники (см.), т. к. их миогенный потенциал проявлялся на изолированных миофибриллах. Однако оказалось, что сателлитные клетки могут сойти с миогенного пути (проявить пластичность) при обработке, например, адипогенными факторами. Кроме того, в культуре сателлитных клеток из одиночной миофибриллы была обнаружена экспрессия остеогенных и адипогенных маркеров (Asakura A. et al.). 
   При культивировании сателлитных клеток, выделенных из мышиных миофибрилл, в сыворотке крови были получены как миогенные, так и не-миогенные клоны, и только миогенные клоны экспрессировали миогенные факторы транскрипции с дальнейшим образованием миофибрилл. Предложена модель мезенхимной пластичности сателлитных клеток скелетной мышцы (см). Согласно этой модели,  сателлитные клетки, находящиеся в соответствующем миогенном окружении, входят в миогенную дифференцировку, образуя миобласты, переходящие в миофибриллы. Другая субпопуляция сателлитных клеток, подвергаясь де-хоумингу, т.е. теряя миогенное окружение, идут по другому пути - мезенхимной альтернативной дифференцировки (MAD, mesenchymal alternative differentiation), давая не-миогенные клетки, как адипоциты и остеобласты.
 Таким образом, мультипотентность сателлитных клеток полностью доказана.

Регенерация мышечной ткани


     Взрослая мышечная ткань может восстанавливаться в ответ на непосредственное повреждение, неврологическую дисфункцию и генетические дефекты. Процесс регенерации начинается с активации сателлитных клеток. Активировавшись один раз, сателлитные клетки множатся, дифференцируются в специфические типы мышечной ткани и в конечном счете сливаются с восстанавливаемой тканью.
   Скелетные мышцы могут повреждаться при травмах, болезнях и некоторых типах физических нагрузок. Повреждения проходят следующие фазы: некроз/дегенерация, воспаление, восстановление и образование шрама (фиброз). Некроз/дегенерация сопровождается разрушением плазматической и базальной мембран, входом внеклеточного кальция и последующим разрушением миофибрилы.Сначала поверхность заполняется воспалительными клетками (моноцитами, макрофагами и Т-лимфоцитами. Последующая секреция ростовых факторов и цитокинов вызывает прилив крови к месту травмы и усиливает воспалительную реакцию. Регенерация мышцы начинается после того, как фагоциты очистят ее от некротической ткани, поэтому блокирование воспалительных клеток (например, нестероидными противовоспалительными средствами) замедляет процесс регенерации, так как выделяемые макрофагами факторы могут играть роль в пролиферации и дифференциации миобластов. Активная регенерация мышцы обычно длится 2-3 недели после травмы.
    Основную роль в регенерации поврежденных скелетных мышечных волокон играют сателлитные клетки. В ответ на повреждение они активируются и с этого момента могут рассматриваться как миобласты. Миобласты объединяются вместе у базальной ламины поврежденного волокна и сливаются, образуя новую миофибриллу (обзор). Каждый миобласт добавляет в миофибриллярный синцитий небольшое количество цитоплазмы и новое ядро. Кроме этого, сателлитные клетки самообновляются, поддерживая пул клеток, способных к дальнейшей регенерации или гипертрофии. (см.) 


Стволовая ниша сателлитной клетки

элементы ниши молодой сателлитной клетки


        Известно, что стволовые клетки не существуют в организме сами по себе, они находятся в микроокружении, которое обычно обозначают термином ниша. В настоящее время под этим термином обычно понимают совокупность факторов, которые обеспечивают жизнеспособность и самовоспроизведение стволовых клеток и дифференциацию дочерних транзиторных клеток. Для сателлитных клеток к таким факторам необходимо отнести наличие базальной мембраны, молекул внеклеточного матрикса и присутствие соседних клеток, продуцирующих факторы роста и различные регуляторные молекулы.
      Ниши являются частью структурно-функциональных единиц, из которых состоят ткани, и стволовые клетки прочно закреплены в нише при помощи молекул адгезии, для этой цели, в частности, используется класс адгезионных молекул, называемых интегринами
      В мышце сателлитные клетки находятся в тесном контакте с компонентами свой анатомической ниши. Это, прежде всего, мышечное волокно, которое влияет на поведение сателлитной клетки за счет физического взаимодействия, а также за счет секреции паракринных факторов (Charge and Rudnicki, 2004; Tatsumi et al., 2006). 
     Важным компонентом стволовой ниши сателлитной клетки является  базальная ламина, которая состоит из матричных белков - ламинина, коллагена и протеогликанов, взаимодействующих с мембранными белками сателлитной клетки, и является резервуаром для некоторых факторов роста. Кроме того, на активность сателлитных клеток влияют другие типы клеток из локальной среды (например, фибробласты, секретирующие паракринные факторы, нервы, действующие через миофибриллу, эндотелиальные клетки, выделяющие ростовые факторы, иммунные клетки, способствующие регенерации мышцы за счет фагоцитарной активности и секреции цитокинов). 
     Такое анатомическое положение ниши сателлитной клетки определяет комбинацию сигналов от миофибриллы, кровообращения и внеклеточного матрикса, управляющих покоем, активацией и пролиферацией сателлитной клетки.

Регуляция функций сателлитных клеток внеклеточными сигналами

    На функции сателлитных клеток влияют различные внеклеточные факторы, и эта информация продолжает пополняться. Основные сигналы приведены в таблице:
___________________________________________________________
  Сигнал   Источник            Рецептор        Функция         Ссылка 
-------------------------------------------------------------------------------------------------
   HGF      Extracellular              c-Met            Activation      Tatsumi, 1998 
                matrix (ECM)             
-------------------------------------------------------------------------------------------------   bFGF    ECM/satellite cell     FGFR          Proliferation,    DiMario, 1989
                                                                   inhibition of 
                                                                   differentiation
-------------------------------------------------------------------------------------------------  IGF-1     Circulation/ECM      IGFR-1       Proliferation/      Machida, 2004 
                                                                  differentiation
-------------------------------------------------------------------------------------------------  myostatin Circulation/            ACVR2       Inhibition of        McCroskery, 2003 
                 satellite cell                              activation  
                                                              and self-renewal
--------------------------------------------------------------------------------------------------  Wnt          ECM                   Frizzled         Cell fate            Brack, 2007
--------------------------------------------------------------------------------------------------  BDNF     Satellite cell         p75NTR         Inhibition of       Mousavi, 2006 
                                                                differentiation
-------------------------------------------------------------------------------------------------- calcitonin Circulation         CTR              Quiescence       Fukada, 2007
-------------------------------------------------------------------------------------------------- SDF-1         Myofiber          CXCR4           Migration           Sherwood, 2004
-------------------------------------------------------------------------------------------------- EGF            ECM                ErbBR           Activation and     Golding, 2007 
                                                                 survival
-------------------------------------------------------------------------------------------------- TWEAK      Macrophage     Fn14            Proliferation,       Girgenrath, 2006 
                                                                inhibition of 
                                                                differentiation
-------------------------------------------------------------------------------------------------- NO            Myofiber          N/A               Activation/            Tatsumi, 2006 
                                                              quiescence
-------------------------------------------------------------------------------------------------- Delta-1      Satellite cell     Notch            Proliferation/         Kuang, 2007 
                                                              self-renewal     
-------------------------------------------------------------------------------------------------- VLA4         Myofiber          VCAM          Myoblast fusion      Rosen, 1992
--------------------------------------------------------------------------------------------------Laminin   Basal lamina    Integrin        ECM signaling,        Burkin, 1999 
                                                            cell adhesion, 
                                                            quiescence
-------------------------------------------------------------------------------------------------- M-Cadherin  Myofiber      M-Cad        Myoblast fusion,      Irintchev,  1994 
                                                            cell adhesion
-------------------------------------------------------------------------------------------------

САТЕЛЛИТНЫЕ КЛЕТКИ И СТАРЕНИЕ. Старение стволовой ниши

   В работах Томаса Рандо (Thomas A. Rando, Department of Neurology and Neurological Sciences, Stanford University School of Medicine, Stanford, USA) показано, что при старении происходят существенные изменения в стволовой нише сателлитных клеток.

   Из сравнения рисунков "молодой" и "старой" ниш сателлитных клеток видно, что при старении происходит изменение сигналов от постепенно атрофирующегося мышечного волокна, утолщается базальная ламина за счет увеличения компонентов матрикса (коричневый слой), что нарушает функции сателлитных клеток. Кроме того, изменяется состав локальной среды за счет возрастания компонентов соединительной ткани (фибробластов и адипоцитов), происходят также функциональные изменения в клетках эндотелия (включая апоптоз) и иммунных клетках, приводя к нарушению хемотаксиса. Со стороны системного окружения возрастает влияние отрицательных и снижается влияние положительных регуляторов функций сателлитных клеток (статья).

изменение ниши сателлитной клетки при старении


  

Нарушение регенерации мышц при старении

Регенерация мышц при старении


     Старение является одним из факторов, существенно влияющих на поведение сателлитной клетки. Выделенные из старых животных, эти клетки медленнее входят в клеточный цикл, проявляют пониженную способность к пролиферации и дифференцировке, повышенную чувствительность к апоптозу и ограниченную возможность активации (см.).  
     Снижение способности скелетных мышц к регенерации в процессе старения приводит к саркопении - возраст-зависимому уменьшению количества и величины мышечных волокон - старческой мышечной слабости, проявляющейся в нарушении движений, риске падений, снижении физической активности. Кроме того, старение сопровождается общим снижением регенеративной способности - большой чувствительности к повреждениям мышц и длительным восстановлением после травм (см.). 
     Для старой скелетной мышцы характерно меньшее число сателлитных клеток на миофибриллу (ссылка), у людей это снижение становится значительным после 70-летнего возраста. С другой стороны, показано, что при старении сателлитные клетки в значительной степени сохраняют миогенные свойства (ссылка), хотя по другим данным с возрастом пролиферативный потенциал сателлитных клеток снижается (см.).
     Стволовая ниша играет важнейшую роль в поддержании регенеративных свойств скелетной мышцы при старении. Carlson B. and Faulkner J. (1989)  нашли, что при трансплантации мышц молодых животных старым регенеративная способность этих мышц соответствует мышцам старых организмов. Напротив, пересадка мышц старых крыс молодым приводит к регенерации, сравнимой с регенерацией у молодых.

"Омоложение" старых сателлитных клеток молодым окружением

     В этом же ряду стоят опыты Ирины Конбой (Irina Conboy, Department of Bioengineering, University of California, Berkeley, USA.) с сотрудниками (проведенные ещё в период ее работы в Стэнфордском Университете) по так называемому "парабиотическому спариванию" . В этой работе экспозиция старых мышц сыворотке молодых приводила к значительному увеличению регенеративной способности мышечных клеток (Conboy I. et al., 2005). Ранее Конбой и др. (Conboy I. et al., 2003) показали, что возраст-зависимое снижение регенеративного потенциала мышц связано с уменьшением сигналинга Notch за счет нарушенной регуляции лиганда Notch - Delta-1, и его можно обратить активацией этого сигнального пути. Действие же отрицательных регуляторов миогенеза, например, миостатина, ингибирующего активность сателлитных клеток в "старом" окружении, может быть нейтрализовано с помощью его антагонистов (ссылка). 
    Таким образом выяснилось, что плохая регенерация старых скелетных мышц не вызвана дисфункцией мышечных волокон или их рецепторов, а является следствием регуляции со стороны системных факторов, обеспечивающих регенеративную способность сателлитных клеток (обзор).

Терапевтический потенциал сателлитных клеток как стволовых

     Сателлитные клетки обладают рядом преимуществ при использовании их для лечения в качестве стволовых клеток. Так, благодаря известной анатомической локализации они легко идентифицируются и позволяют проследить процесс самообновления. Кроме того, сателлитные клетки легко выделить при биопсии из мышцы (они составляют 1-10% общей мышечной биопсии), а доступность скелетных мышц позволяет использовать достаточно  большое количество клеток для аутологичной трансплантации. Установленные маркеры облегчают очистку сателлитных клеток, а условия культивирования их хорошо отработаны. Сателлитные клетки и производные от них миобласты способны к эффективной миогенной дифференцировке и восстановлению мышцы. Трансплантация сателлитных клеток хорошо отработана на экспериментальных физиологических и патологических моделях. При пересадке одиночных миофибрилл в мышцы, поврежденные радиацией, сателлитные клетки проявляют самодостаточность как источник регенерации: из нескольких сателлитных клеток одиночной миофибриллы образуются более 100 новых миофибрилл, содержащих тысячи мышечных ядер (Collins C. et al., 2005). Выведенные из сателлитных клеток миобласты дают обнадеживающие результаты в клинических исследованиях при мышечных дистрофиях и сердечных заболеваниях (см.обзор). 

     Однако прежде, чем будет возможно реально использовать сателлитные клетки в регенеративной медицине, необходимо решить ещё ряд принципиальных вопросов:

    Почему культивируемые миобласты имеют пониженную способность к регенерации? 
    Можно ли в культуре вопроизвести нишу сателлитных клеток, чтобы сохранить регенеративный потенциал покоящихся клеток? 
    Как разработать миобласты для систематической поставки клеток? 
    Как синхронизовать или ускорить мышечную регенерацию одновременно через функциональное восстановление мышечного волокна, капиллярной системы и иннервации?

ЛИТЕРАТУРА ПО ТЕМЕ

Комментарии

Оставить комментарий

Поделиться с друзьями

Share on Twitter