Мышечная ткань может восстанавливаться в ответ на повреждение (А).
Основную роль в регенерации мышц играют так называемые сателлитные клетки, или
мышечные стволовые клетки. В ответ на повреждение они активируются химическими
сигналами и реплицируются (В), образуя одну новую стволовую и одну пролиферирующую клетки.
Пролиферирующие сателлитные клетки могут либо образовать новую миофибриллу (С),
либо восстановить исходную (D). В этом процессе могут участвовать и другие клетки,
например, клетки костного мозга (Е).
Исследование, проведенное под руководством ученых из Университета Колорадо, Боулдер (University of Colorado at Boulder), показало, что специфические типы стволовых клеток, пересаженные в мышцы конечностей мышей, предупреждают потерю мышечной функции и массы, сопровождающую процесс старения – открытие с потенциальным использованием в лечении хронических дегенеративных заболеваний человека.
Эксперименты показали, что если молодым мышам-реципиентам с травмами мускулатуры конечностей ввести мышечные стволовые клетки молодых мышей-доноров, клетки не только восстанавливают повреждения в течение нескольких дней, но и вызывают двукратное увеличение мышечной массы, сохраняющееся в течение всей жизни животного.
«Это очень интересный и неожиданный результат», – говорит профессор кафедры молекулярной и клеточной биологии и биологии развития Брэдли Олвин (Bradley Olwin).
Мышечные стволовые клетки – это популяция клеток-сателлитов, находящихся между мышечными волокнами и окружающей их соединительной тканью, отвечающая за восстановление и поддержание скелетной мускулатуры. От мышей-доноров мышам-реципиентам исследователи пересаживали от 10 до 50 таких стволовых клеток вместе с клетками скелетной мускулатуры – миофибриллами.
«Мы обнаружили, что трансплантированные стволовые клетки постоянно изменяются и замедляют старение пересаженных мышц, сохраняя их силу и массу», – комментирует профессор Олвин.
Статья об исследовании опубликована в журнале of Science Translational Medicine.
Полученные результаты, хотя и интригующие, являются лишь первыми данными, позволяющими предположить, как это исследование может когда-нибудь использоваться для лечения людей, подчеркивает Олвин. Однако «продолжая эксперименты, мы однажды сможем противостоять сопровождающей старение человека потере массы, размера и силы, а также лечить хронические дегенеративные заболевания, такие как мышечные дистрофии», надеется профессор.
Стволовые клетки отличаются своей способностью обновляться благодаря клеточному делению и дифференциации в специализированные типы клеток. В здоровой ткани скелетной мускулатуры постоянно поддерживается популяция сателлитных стволовых клеток.
«В этом исследовании признаков, характерных для старения мышц, просто не наблюдалось», – говорит Олвин. «Пересаженный материал, кажется, подстегивает самообновление стволовых клеток, по существу принимая на себя ответственность за образование клеток мышц».
При этом ученые констатировали, что, если трансплантированные клетки и связанные с ними миофибриллы вводились в здоровые мышцы конечности мыши, каких-либо заметных свидетельств увеличения мышечной массы не отмечалось.
«Среда, в которую попадают стволовые клетки, очень важна, так как, если она говорит клеткам о наличии травмы, они отвечают уникальным образом», – объясняет профессор. «Мы пока не знаем, почему пересаженные нами клетки не реагируют на окружающую их среду так же, как уже находящиеся там. Это удивительно, и это то, что мы должны понять».
В начале экспериментов ученые предполагали, что эффект увеличения мышечной массы мышей-реципиентов с травмированными конечностями перестанет проявляться через несколько месяцев. Вместо этого клетки подверглись 50-ти процентному увеличению массы и 170-ти процентному увеличению размера и оставались такими до конца жизни мышей – примерно в течение двух лет.
В экспериментах стволовые клетки и миофибриллы брались у трехмесячных мышей, кратковременно культивировались и затем пересаживались трехмесячным мышам, у которых инъекциями хлорида бария были вызваны временные повреждения мышц конечности.
«Когда мышцы были обследованы два года спустя, мы обнаружили, что процедура навсегда изменила трансплантированные клетки, сделав их устойчивыми к процессу старения», – говорит Олвин.
К счастью, несмотря на быстрый и усиленный рост и продукцию мышечных стволовых клеток, никакого увеличения количества опухолей у мышей-реципиентов ученые не наблюдали.
В рамках исследования ученые использовали светящийся в ультрафиолетовом свете зеленый флуоресцентный белок, показывающий донорские клетки в мышцах мышей-реципиентов. Эксперименты указывали на то, что многие из трансплантированных клеток сливались с миофибриллами, и у мышей-реципиентов наблюдалось значительное увеличение количества сателлитных клеток.
«Мы ожидали, что пересаженные клетки восстановят популяцию, устранят повреждение мышц, а затем рассеются», – говорит Олвин. «Просто удивительно, что они этого не сделали. Мы надеемся однажды идентифицировать малые молекулы или их комбинации, которые можно будет применять на эндогенных мышечных стволовых клетках человека, чтобы имитировать поведение пересаженных клеток. Это полностью снимет необходимость пересадки клеток, снизит риск и сложность лечения».
Однако Олвин подчеркивает необходимость помнить о том, что они пересаживали молодые клетки в молодые мышцы и не пересаживали клетки молодых животных старым.
Исследование имеет значение для лечения ряда заболеваний человека. Прогрессирующая потеря мышц происходит при ряде нервно-мышечных заболеваний и при мышечных дистрофиях. При мышечной дистрофии, например, наблюдается потеря белка дистрофина, что приводит к разрыву клеток – процессу, который невозможно остановить без основанного на клетках вмешательства. Хотя введенные клетки восстанавливают мышечные волокна, их поддержание требует дополнительных инъекций.
Усиление процесса регенерации собственной мышечной ткани пациента окажет существенное влияние на процесс старения и развитие заболеваний, улучшив качество жизни пациентов.
Ученые начинают эксперименты по трансплантации мышам мышечных стволовых клеток человека и крупных животных, чтобы посмотреть, будут ли такие пересадки оказывать тот же эффект, что наблюдался в недавних экспериментах со стволовыми клетками мышей.
«Если эти эксперименты дадут положительные результаты, это будет означать, что пересадка человеческих мышечных стволовых клеток возможна», – считает Олвин.
Эксперименты показали, что если молодым мышам-реципиентам с травмами мускулатуры конечностей ввести мышечные стволовые клетки молодых мышей-доноров, клетки не только восстанавливают повреждения в течение нескольких дней, но и вызывают двукратное увеличение мышечной массы, сохраняющееся в течение всей жизни животного.
«Это очень интересный и неожиданный результат», – говорит профессор кафедры молекулярной и клеточной биологии и биологии развития Брэдли Олвин (Bradley Olwin).
Мышечные стволовые клетки – это популяция клеток-сателлитов, находящихся между мышечными волокнами и окружающей их соединительной тканью, отвечающая за восстановление и поддержание скелетной мускулатуры. От мышей-доноров мышам-реципиентам исследователи пересаживали от 10 до 50 таких стволовых клеток вместе с клетками скелетной мускулатуры – миофибриллами.
«Мы обнаружили, что трансплантированные стволовые клетки постоянно изменяются и замедляют старение пересаженных мышц, сохраняя их силу и массу», – комментирует профессор Олвин.
Статья об исследовании опубликована в журнале of Science Translational Medicine.
Полученные результаты, хотя и интригующие, являются лишь первыми данными, позволяющими предположить, как это исследование может когда-нибудь использоваться для лечения людей, подчеркивает Олвин. Однако «продолжая эксперименты, мы однажды сможем противостоять сопровождающей старение человека потере массы, размера и силы, а также лечить хронические дегенеративные заболевания, такие как мышечные дистрофии», надеется профессор.
Стволовые клетки отличаются своей способностью обновляться благодаря клеточному делению и дифференциации в специализированные типы клеток. В здоровой ткани скелетной мускулатуры постоянно поддерживается популяция сателлитных стволовых клеток.
«В этом исследовании признаков, характерных для старения мышц, просто не наблюдалось», – говорит Олвин. «Пересаженный материал, кажется, подстегивает самообновление стволовых клеток, по существу принимая на себя ответственность за образование клеток мышц».
При этом ученые констатировали, что, если трансплантированные клетки и связанные с ними миофибриллы вводились в здоровые мышцы конечности мыши, каких-либо заметных свидетельств увеличения мышечной массы не отмечалось.
«Среда, в которую попадают стволовые клетки, очень важна, так как, если она говорит клеткам о наличии травмы, они отвечают уникальным образом», – объясняет профессор. «Мы пока не знаем, почему пересаженные нами клетки не реагируют на окружающую их среду так же, как уже находящиеся там. Это удивительно, и это то, что мы должны понять».
В начале экспериментов ученые предполагали, что эффект увеличения мышечной массы мышей-реципиентов с травмированными конечностями перестанет проявляться через несколько месяцев. Вместо этого клетки подверглись 50-ти процентному увеличению массы и 170-ти процентному увеличению размера и оставались такими до конца жизни мышей – примерно в течение двух лет.
В экспериментах стволовые клетки и миофибриллы брались у трехмесячных мышей, кратковременно культивировались и затем пересаживались трехмесячным мышам, у которых инъекциями хлорида бария были вызваны временные повреждения мышц конечности.
«Когда мышцы были обследованы два года спустя, мы обнаружили, что процедура навсегда изменила трансплантированные клетки, сделав их устойчивыми к процессу старения», – говорит Олвин.
К счастью, несмотря на быстрый и усиленный рост и продукцию мышечных стволовых клеток, никакого увеличения количества опухолей у мышей-реципиентов ученые не наблюдали.
В рамках исследования ученые использовали светящийся в ультрафиолетовом свете зеленый флуоресцентный белок, показывающий донорские клетки в мышцах мышей-реципиентов. Эксперименты указывали на то, что многие из трансплантированных клеток сливались с миофибриллами, и у мышей-реципиентов наблюдалось значительное увеличение количества сателлитных клеток.
«Мы ожидали, что пересаженные клетки восстановят популяцию, устранят повреждение мышц, а затем рассеются», – говорит Олвин. «Просто удивительно, что они этого не сделали. Мы надеемся однажды идентифицировать малые молекулы или их комбинации, которые можно будет применять на эндогенных мышечных стволовых клетках человека, чтобы имитировать поведение пересаженных клеток. Это полностью снимет необходимость пересадки клеток, снизит риск и сложность лечения».
Однако Олвин подчеркивает необходимость помнить о том, что они пересаживали молодые клетки в молодые мышцы и не пересаживали клетки молодых животных старым.
Исследование имеет значение для лечения ряда заболеваний человека. Прогрессирующая потеря мышц происходит при ряде нервно-мышечных заболеваний и при мышечных дистрофиях. При мышечной дистрофии, например, наблюдается потеря белка дистрофина, что приводит к разрыву клеток – процессу, который невозможно остановить без основанного на клетках вмешательства. Хотя введенные клетки восстанавливают мышечные волокна, их поддержание требует дополнительных инъекций.
Усиление процесса регенерации собственной мышечной ткани пациента окажет существенное влияние на процесс старения и развитие заболеваний, улучшив качество жизни пациентов.
Ученые начинают эксперименты по трансплантации мышам мышечных стволовых клеток человека и крупных животных, чтобы посмотреть, будут ли такие пересадки оказывать тот же эффект, что наблюдался в недавних экспериментах со стволовыми клетками мышей.
«Если эти эксперименты дадут положительные результаты, это будет означать, что пересадка человеческих мышечных стволовых клеток возможна», – считает Олвин.
