Стволовые клетки и старение

Писаржевский С.А.
Институт атеросклероза

Быстрый прогресс был сделан в нашей способности модифицировать прогресс старения. Вместо того, чем быть периодом дебильности и ухудшения здоровья, для многих людей поздние годы жизни стали временем сохранения продуктивности, независимости и хорошего здоровья. Прогресс также был достигнут в увеличении продолжительности жизни. Ведущие причины смерти (сердечнососудистая болезнь, рак, легочная болезнь, диабет) являются результатами процессов, которые продолжались десятки лет. Используя современные знания можно задержать начало этих болезней. Этому может помочь выбор стиля жизни, включающий здоровую диету, упражнения, управление стрессом и использование пищевых добавок. Появляющиеся генные технологии позволят составлять индивидуальные программы, в то время как выявление болезней сердца и рака внесут свой вклад в увеличение продолжительности жизни. Ожидается, что использование биотехнологических терапий, в том числе стволовых клеток, рекомбинантных ДНК, достижений протеомики, терапевтического клонирования и генных терапий будут способствовать замедлению процесса старения. Мы находимся на пороге создания искусственного интеллекта и нанотехнологий. Искусственный интеллект приведет к слиянию нашего биологического мышления с продвинутыми формами интеллекта для увеличения нашей способности думать, создавать и чувствовать. Нанотехнологии в конце концов позволят нам построить аппараты, способные строить молекулы подобно тому, как это делают клеточные машины, по атомам. Целью современной медицины старения является способность предвосхищать болезнь и старение задолго вперед, чтобы дать возможность людям использовать мощные биотехнологические и нанотехнологические терапии, которые будут созданы в ближайшие декады. Будущие терапии имеют потенциал значительно увеличить продолжительность жизни/12/.

Понимание механизмов, лежащих в основе долголетия, и стремление облегчить слабость и хрупкость в пожилом возрасте требуют всестороннего подхода, который учитывает различные теоретические и экспериментальные подходы. Значительное количество данных в настоящее время указывают на определенные гены, связанные с исключительным долголетием у людей. На первый план выходят и негенетические эффекты, включающие физическую, умственную и социальную активности/10/.

Более сорока лет прошло с оригинальной публикации Hayflick и Moorhead, в которой было изложена концепция ‘лимита Hayflick’,т.е. максимального числа делений, которые соматические клетки претерпевают in vitro. Эта концепция до сих пор рассматривается как фундаментальная характеристика продолжительности жизни видов. Но есть другая характеристика соматических клеток, продолжительность их выживания in vitro в неделящимся состоянии после прекращения пролиферации. Она была предложена на основании результатов недавних экспериментов с так называемыми японскими ускоренно старящимися мышами. Результаты этих экспериментов выявили хорошую корреляцию между продолжительностью жизни у мышей, числом делений их фибробластов in vitro и продолжительностью выживания этих клеток в неделящимся состоянии. В рутинных культуральных условиях выживание клеток может быть очень длительным, в течение несколькиз лет. Однако, когда клетки растут в условиях окислительного стресса, продолжительность жизни клеток существенно сокращается. Этот новый тест может служить дополнительным маркером продолжительности жизни организма. Относительная ценность обоих тестов, классического 'лимита Hayflick' и нового теста обсуждается/37/.

Общепринято, что старение является феноменом необратимым, неизбежным и всеобщим и связано с потерей паренхимы и функциональным спадом. Следовательно, основными целями исследований по старению являются развитие стратегий по замещению стареющих органов или клеток, основанных на инструментах придания бессмертия, стволовых клетках или искусственных заместителей. Недавно, однако, новая концепция функционального восстановления была предложена на основе функционального восстановления чувствительности стареющих клеток к ряду агонистов, включая факторы роста. Было показано, что стареющие фенотипы гипореактивности и морфологических изменений хорошо восстанавливаются путем модуляции нескольких мембрано – связанных молекул, называемых привратниками, среди которых кавеолин является одной из основных детерминант. Кавеолин является важнейшим компонентом кавеолы, ответственным за регуляцию сигнальной трансдукции, эндоцитоз и трансцитоз и перестройку цитоскелетов чtрез его поддерживающий домен. Статус кавеолина строго связан с клеточной трансформацией при его истощении и со стареющим фенотипом при оверэкспрессии. Поэтому, простое снижение статуса кавеолина в стареющих клетках ведет к восстановлению чувствительности к митогенным стимулам и даже к восстановлению формы клеток. Эти данные являются сильным подтверждением точки зрения, что молекулы – привратники, представленные кавеолином, могут играть главную роль в определении стареющих фенотипов. Исходя из этих результатов может быть выведено, что принцип замещения не обязательно должен быть основным, но принцип восстановления может его заменить для коррекции состояния стареющих клеток и организмов/22/.

Старение клеток является событием, которое происходит во всех нормальных клетках. Клетки, растущие в культуре, имеют ограниченную продолжительность жизни и не растут после определенного числа делений. Они прекращают делиться и в конце концов умирают. В соответствии с этим ожидаемая продолжительность жизни в установленной культуре леток зависит от возраста донора. Клетки, приобретшие бессмертие, через кризисный перод трансформации за счет воздействия химических веществ или вирусов, точно так же, как линии злокачественных клеток в целом, обладают способностью делиться неопределенно долго. Другая форма клеточной смерти, апоптоз, или программируемая клеточная смерть, происходит во многих физиологических ситуациях, например, при дифференцировке кератиноцитов/17/.

Наука о старении клеток называется цитогеронтология. Продолжительность жизни нормальных диплоидных клеток в культуре ограничена, находится под генетическим контролем и ее можно модифицировать(гомонами, факторами роста и др.)/31/.

Большинство клеток млекопитающих при помещении в культуру претерпевают ограниченное число клеточных делений перед тем, как переходят в нечувствительное непролиферирующе состояние, называемое старением. Однако, несколько путей, которые активируются по одиночке или совместно могут помочь клеткам обойти старение по крайней мере на ограниченные периоды времени. Они включают теломеразный путь, требующийся для поддержания теломерных концов, и пути p53 и Rb, требующиеся для направления старения в ответ на повреждения ДНК, сокращение теломеров и митогенные сигналы, и путь подобного инсулину ростового фактора, который может регулировать продолжительность жизни и клеточную пролиферацию. Эмбриональные стволовые клетки бессмертны, потому что эти пути в них строго регулируются/20/.

Старение представляет собой самый значительный фактор риска для развития атеросклероза и атеросклеротических тромбоэмболических осложнений. Но механизмы, посредством которых возраст влияет на артериальную стенку и ее повреждение остаются по существу не охарактеризованы. Хронические повреждения артериальной стенки вносят вклад в развитие атеросклероза. Однако, важно заметить, что комплексная система репарации включает как локальные , так и происходящие из костного мозга мозга клетки, обеспечивающие гомеостаз и целостность артерии. Зависящий от возраста отказ костного мозга продуцировать сосудистые прогениторные клетки, ответственные за восстановление артерий – неспособность, которая вызвана длящимися в течение всей жизни факторами, такими, как гипрлипедемия, способствует развитию атеросклероза и его тромбоэмболических осложнений. Как последствие такого отказа, нормальный процесс восстановления артериальной стенки и омоложения нарушается. Нарушение равновесия между повреждением артериальной стенки и ее восстановлением ведет к атеросклеротическому воспалению и последующими тромбоэмболическими осложнениями. Костный мозг и происходящие из него прогениторные клетки представляют собой ключевые регуляторы атеросклероза, и прогресс в предотвращении и лечении атеросклероза и его тромбоэмболических осложнений должен осуществляться с учетом этого измерения процесса болезни/11/.

Исследования по обнаружению генов, регулирующих стволовые клетки, обычно принимают одну из двух различных линий исследования. Прямой генетический подход начинает с измеримых фенотипических отличий к генетическому полиморфизму и, как предполагает имя, путь исследования имеет обратный порядок при использовании обратной генетики. Число вновь открываемых локусов, ответственных за специфические для стволовых клеток фенотипы и функционирование увеличивается с большой скоростью вследствие успеха обоих подходов. Эти локусы регулируют стволовые клетки внутренними (клеточно-автономными) и/или внешними механизмами и диктуют судьбу стволовых клеток В течение процесса старения стволовые клетки претерпевают как количественные, так и качественные изменения, которые, как предполагают, влияют как на скорость старения, так и на продолжительность жизни организма/19/.

На самых ранних стадиях эмбрионального развития клетки обладают способностью неограниченно делиться и затем дифференцироваться в различные типы клеток тела. Недавние исследования выявили, что большая часть замечательного регенераторного потенциала эмбриональных стволовых клеток сохраняется небольшой популяцией клеток в большинстве тканей взрослого организма. Межклеточные сигналы, которые контролируют пролиферацию, дифференцировку и выживание стволовых клеток были идентифицированы и включены в набор различных факторов роста, цитокинов и молекул клеточной адгезии. Внутриклеточные механизмы, которые определяют судьбу стволовых клеток также были выявлены и включают установленные пути вторичных мессенджеров, новые транскрипционные факторы и теломеразу. Возможность того, что уменьшение числа или пластичности популяций стволовых клеток вносит вклад в старение и связанную со старением болезнь вытекает из последних открытий. Замечательная пластичность стволовых клеток заставляет предположить, что эндогенные или трансплантированные стволовые клетки могут быть могут быть использованы в путях, которые позволят им возмещать потерю дисфункциональной клеточной популяции при болезнях от нейродегенеративных и гематопоэтических расстройств до диабета и сердечнососудистой болезни/25/.

Роль стволовых клеток в многоярусной организации структуры ткани увеличивает потенциал долгожительства в многоклеточном организме. Эта роль может быть ответственна за механизм эволюции самих стволовых клеток. Успешное развитие тканевых терапий и управление ими должно проводиться с учетом принципов работы этого механизма/27/.

Целями настоящего обзора являются, во-первых, критически рассмотреть, что известно о влиянии старения на стволовые клетки в целом и на гематопоэтические клетки в частности. Во-вторых, приведены данные в поддержку гипотезы, что старение стволовых клеток играет критическую роль в определении эффектов старения на функцию органов, и в конце концов на продолжительность жизни млекопитающих. Старение оказывает количественное и качественное влияние на стволовые клетки. В целом качественные изменения более важны, поскольку они влияют на потенциал самообновления, потенциал развития и взаимодействие с внешними сигналами, включая сигналы от стромы. Хотя гематопоэз обычно поддерживается на нормальном и поддерживающим жизнь уровнях в течение нормального старения, сниженная функция становится очевидной, когда стволовые клетки подвергаются стрессу. Существует достаточно данных об уменьшении способности к самообновлению, ограничении широты способности к развитию и уменьшении числа потомства у старых стволовых клеток, подвергшихся гематопоэтическим требованиям. Сделано предсказание, что пластичность в потенциале развития, которой обладают молодые стволовые клетки, теряется в ходе старения. Те части мира, где растут стандарты жизни, там также возрастает доля пожилых в населении. Влияние старения на многие физиологические функции не является хорошо изученным и оцененным. Общественная необходимость обеспечить улучшение качества жизни для этого растущего сегмента популяции требует большего внимания к особенностям старения в экспериментальных исследованиях. Исследование популяций стволовых клеток вероятно будут плодотворными исследованиями такого типа/34/.

Стволовые клетки определяются по их большой способности к самообновлнию, но тем не менее есть множество свидетельств снижения функционирования стволовых клеток во время старения. В то время как внутриклеточное восстановление и защитные механизмы определяют продолжительность жизни отдельных клеток, существуют аргументы, что соматические стволовые клетки определяют продолжительность жизни всей ткани, и поэтому играют ключевую роль в процессе старения организма. Недавно было показано, что потенциал развития соматических стволовых клеток может быть гораздо больше, чем считалось ранее. Хотя механизмы, регулирующие пластичность стволовых клеток далеки от ясности, стоит обсудить потенциальную значимость этих открытий для познания процесса старения/5

Экспрессия теломеразы подавляется рано в развитии во всех нормальных человеческих соматических тканях, в то время как активность и экспрессия РНК компонента этого энзима происходит почти во всех случаях злокачественной трансформации и рака поздней стадии. Теломерная гипотеза старения и бессмертия постулирует, что достаточная потеря теломеров на одной или нескольких хромосомах в нормальных соматических клетках спо-

собствует клеточному старению, в то время, как реактивация энзима необходима для бессмертия клетки. Проведены змерения длины теломеров и активности теломеразы при раке и в ходе нормального и ускоренного старения в коже, крови, гематопоэтических клетках, клетках скелетной мускулатуры, сосудистых и центральной нервной системы . Исследования в культуре клеток старения и трансформации увеличили наше понимание динамики теломеров в этом процессе. Изменения в репрессии теломеразы и смертности соматических клеток у долгоживущих организмов согласуются с антогонистичными плейортропными моделями, в которых клеточное старение является супрессором механизмом для рака: Обязательное подавление теломеразы имеет благоприятный ранний эффект по уменьшению вероятности рака, но вредный неселективный поздний эффект, связанный с его вкладом в эту связанную с возрастом болезнь/13/.

Молулярная регуляция длины теломеров была объяснена серией элегантных исследований в течение последней декады. В более недавнее время были получены данные по вопросам о том вносит ли вклад регуляция длины теломеров в нормальный процесс старения или болезни у человека и как именно она это делает. Последние исследования на мышах выявили прецендент у млекопитающих, указывающий на то, что дефицит теломеразы может вести к дисфункции in vivo, наиболее вероятно через прогрессивное сокращение теломеров. У людей доказательства того, что сокращение теломеров ведет к дисфункции in vivo, гораздо менее прямые. Существуют методологии манипулирования теломеразной активностью и определения длины теломеров в человеческих клетках и они продолжают развиваться. Остается определить появятся ли научно строгие и (что одинаково важно) и медицински этичные подходы к модулированию длины теломеров для коррекции функциональных расстройств клеточной функции ex vivo и in vivo/36/.

Теломеры в теломераза - негативных клетках сокращаются в ходе репликации ДНК in vitro вследствие многочисленных причин, включая неспособность ДНК полимераз копировать отстающие пряди, воздействия на ДНК концы и повреждения, часто вызываемые окислительным стрессом. Короткие теломеры активируют репликативное старение и необратимое прекращение клеточного цикла. Таким образом, длина теломеров является индикатором репликативной истории, клеточного старения и совокупной истории окслительного стресса. Поскольку теломеры в большинстве человеческих клеток сокращаются в процессе старения, то длина теломеров может быть биомаркером старения и связанной со старением заболеваемости. Существуют две отдельные возможности. Первое, короткие теломеры указывают на старение стволовых клеток в ткани, что может вносить вклад в связанное с возрастом истощение этой ткани. Второе, короткие теломеры в одной ткани могут вызвать системные эффекты или могут просто указывать на историю стресса и повреждения у особи, и могут в таком случае служить маркерами риска для связанной с возрастом болезни, имеющий место в совершенно другой ткани. В последние годы были опубликованы данные, поддерживающие оба подхода. В то время как они совместно довольно хорошо объясняют наблюдаемую картину, необходимо указать, что до настоящего времени большинство данных носило коррелятивный характер, и данные об основных путях, например, о влиянии клеточного старения на старение тканей in vivo, по прежнему очень слабы и не достаточны/35/.

Теломеры являются структурами на концах линейных хромосом. В клетках млекопитающих они состоят из гексануклотидных (TTAGGG) повторов и с связанными с ними белками. В отсутствие компенсаторного механизма у делящихся клеток происходит постепенное разрушение теломеров до критической степени сокращения, что приводит к хромосомным аномалиям и клеточной смерти или старению. Для Т и В клеток способность к интенсивным клеточным делениям критична для эффективной иммунной функции/14/.

Было показано, что много генов участвуют в угасании иммунной функции у пожилых Однако, нормальное количество миелоидных и лимфоидных колоний может быть выращено из костного мозга пожилых при оптимальных условиях и определенная часть функции тимуса сохраняется долго в течение взрослой жизни. Также возможно частично восстановить сниженную функцию тимуса путем обработки IL-7. У мышей были получены данные о дисрегуляции образования больших клонов, изменении распределения подмножеств, изменении сигнализации и продукции цитокинов, в особенности уменьшении продукции IL-2. Идентификация этих дефектов может привести к созданию относительно простых процедур для восстановления вакцинации у пожилых/3/.

Таким образом, теломеры являются структурами на концах линейных хромосом. В клетках млекопитающих они состоят из гексануклотидных (TTAGGG) повторов и с связанными с ними белками. В отсутствие компенсаторного механизма у делящихся клеток происходит постепенное разрушение теломеров до критической степени сокращения, что приводит к хромосомным аномалиям и клеточной смерти или старению Экспрессия фермента, удлиняющего теломеры, теломеразы подавляется рано в развитии во всех нормальных человеческих соматических тканях, в то время как активность и экспрессия РНК компонента этого энзима происходит почти во всех случаях злокачественной трансформации и рака поздней стадии. Теломерная гипотеза старения и бессмертия постулирует, что достаточная потеря теломеров на одной или нескольких хромосомах в нормальных соматических клетках способствует клеточному старению, в то время, как реактивация энзима необходима для бессмертия клетки. Теломеры в теломераза - негативных клетках сокращаются в ходе репликации ДНК in vitro вследствие многочисленных причин длина теломеров является индикатором репликативной истории, клеточного старения и совокупной истории окслительного стресса. Поскольку теломеры в большинстве человеческих клеток сокращаются в процессе старения, то длина теломеров может быть биомаркером старения и связанной со старением заболеваемости.

Генетика является важным инструментом для определения ключевых молекулярных событий, которые участвуют в специфических биологических функциях. Генетические подходы были применены для понимания разнообразных биологических явлений: онкогенеза, развития и клеточного цикла, но только недавно были употреблены для анализа старения организмов. Мощь генетического подхода проистекает из двух фактов. Первое, генетический анализ позволяет интегрировать анализируемое явление на многих уровнях от молекул до интактного организма, и второе, генетика имеет реальную силу выявлять причинную зависимость от факторов, которые не зависимы от предрассудков исследователя. Генетика была плодотворно применена для изучения процессов старения: человеческие гены, идентифцированные как “сегментные прогероидные” мутации, неврологические болезни пожилых, лимитированная пролиферативная продолжительность жизни соматических клеток в культуре тканей, исследования продолжительности жизни мыши и генетический анализ продолжительности жизни животных с коротким жизненным циклом (Drosophila melanogaster and Caenorhabditis elegans) и дрожжей Saccharomyces cerevisiae/15/.

Стволовые клетки образуют дифференцированные клеточные типы во многих органах на всем протяжнии жизни организма, и поэтому ответственны за продолжительность жизни многоклеточных организмов. Поэтому старение стволовых клеток должно быть предотвращено. Bmi1 требуется для поддержания взрослых стволовых клеток в некоторых тканях, частично потому , что он репрессирует гены, которые индуцируют старение и клеточную смерть/21/.

В то время как ожидается, что увеличивающееся число пожилых пациентов в будущем будут нуждаться в химеотерапии и радиотерапии, применение химеотерапии в стандартных дозах в неотобранных групах пожилых больных обычно приводит к более высокому уровню угрожающих жизни миелосупрессий и связанных с лечением смертей по сравнению с молодыми пациентами, которых лечили теми же химеотерапевтическими дозами. Биологические механизмы, лежащие в основе уменьшения толерантности к химеотерапии гемопоэтической системы у пожилых пациентов, все еще остаются плохо понятыми. Выявление таких механизмов поэтому представляет собой фундаментальную проблему для улучшения стратегии химиотерапии у пожилых пациентов, больных раком. Современные данные заставляют предположить, что связанные со старением изменения в костном мозге являются довольно неуловимыми и по всей вероятности не имеют отношения к гематопоэтической функции у нормальных пожилых пациентов. Эти изменения, однако, могут стать клинически очевидными при условиях сильного гемопоэтичского стресса, таких, как проведение повторных курсов химео-радиотерапии. Механизмы, лежащие в основе зависимого от возраста гематопоэтического резерва, не полностью прояснены и возможно включают связанные с возрастом изменения в компартментах стволовых и прогениторных клеток, которые в конце концов могут вести к уменьшению способности восстановления после гематологического стресса. Связанные с возрастом изменения в антиопухолевых иммунных ответах также должны быть учтены для целей управления остаточной болезнью у старых пациентов, болеющих раком и леченных эффективной химео-радиотерапией. Поскольку дендритные клетки, генерируемые у старых пациентов, по-видимому являются полностью функциональными, основанная на дендритных клетках иммунотерапия может представлять собой важный инструмент для лечения остаточной болезни у старых пациентов, больных раком. В то время как четко установлено, что первичный профилактике с гемопоэтическими ростовыми факторами позволяет большой фракции пациентов больных раком получать надлежащую химеотерапию, инновационные стратегии использования таких факторов роста могут позволить интенсифицированную со временемхимеотерапию стандартными дозами для лечения химеочувствительных опухолей, т.е. не-Ходжкин лимфом, встречающихся у пожилых пациентов/24/.

Вопрос о том стареют ли гематопоэтические клетки вызвал значительную полемику, и снова встал недавно в связи с растущим интересом к трансплантации и генной терапии. Исследования были сосредоточены на образовании различных элементов крови и способности к самообновлнию, т.е. на тех свойствах, которые характеризуют стволовые клетки. Рассмотренные полученные данные свидетельствуют о том, что гематопоэз сохраняется в течение всей жизни, хотя способность справляться с гематологическим стрессом уменьшается в пожилом возрасте. В принципе, стволовые клетки, полученные от пожилых пациентов могут использоваться при аутологичной трансплантации, когда нужно восстановить базовый гематопоэз. Однако, системы развития Т клеток изменены при старении, и вмешательство для усиления Т клеточного ответа все еще нуждается в рассмотрении. Существующие методы экспансии и поддержания стволовых клеток in vitro дают возможность исследовать потенциал стволовых клеток для длительной экспансии и функционирования. Критическая оценка возможных рисков репликативного старения и изменений в развитии стволовых клеток стала вероятной. Эффекты старения можно связать с клеточной репликацией, клеточной миграцией и лимфоидной дифференцировкой. Понимание механизмов этих процессов позволит воспроизвести экспансию стволовых клеток и поддержание их потенциала для длительного функционирования/9/.

В результате нескольких последних исследований было показано, что гематопоэтические стволовые клетки (ГСК0 способны к трансдифференцировке за границы линий тканей, что дало начало концепции о том, что эти стволовые клетки являются пластичными в своей способности к дифференцировке. Эта тема вызвала большое воодушевление в научном сообществе, поскольку появилась перспектива использовать ГСК в тканевой/органной регенерации(в том числе при инфаркте миокарда, инсульте, повреждении печени) в качестве альтернативы мультипотентным эмбриональным стволовым клеткам. Однако, последние наблюдения и несколько альтернативных объяснений ранее опубликованных данных (слияние клеток, эпигенетические изменения) не подтверждают концепцию о пластичности ГСК. Наши последние исследования, в которых мы использовали хемотаксическую изоляцию с использованием градиента полученного из стромы фактора 1(SDF-1) с обратным транскрипционным (RT)-PCR/иммуногистохимическим анализом, показали, что костный мозг содержит высокомобильную популяцию CXCR4+ клеток, которая экспрессирует мРНК/белки для различных маркеров ранних тканевых стволовых клеток (tissue-committed stem cells (TCSCs)). Основываясь на наблюдениях, что число TCSCs достигает наиболее высокого уровня в костном мозге молодых животных и уменьшается, получено новое понимание природы старения и возможность объяснения, почему процесс регенерации становится менее эффективным с возрастом/16/.

Накапливающиеся свидетельства говорят о том, что кроме гематопоэтических стволовых клеток, костный мозг содержит эндотелиальные стволовые клетки (ЭнСК), мезенхимальнные стволовые клетки (МСК), мультипотентные взрослые прогениторные клетки (МВСК) также, как тканевые стволовые клетки (ТСК). Предлагается гипотеза, что все эти изменчивые стволовые клетки, полученные из костного мозга представляют в действительности разные субпопуляции ТСК. Эти клетки накапливаются в костном мозге в течение онтогенеза и, будучи мобильной популяцией клеток, освобождаются после тканевого повреждения для регенерации поврежденных органов.. Более того, поскольку костный мозг служит убежищем для ТСК, их присутствие в препаратах мононуклеарных клеток, интерпретируется просто как трансдифференцировка или пластичность ГСК. В заключение, данные о том, что число ТСК, накапливающихся в костном мозге молодых животных, уменьшается в процессе старения дают понимание процесса старения и могут объяснить, почему процессы регенерации становятся менее эффективными у пожилых/26/.

Поддержание нормальной функции гематопоэтических стволовых клеток (ГСК) является критически важным для коагуляции крови, транспорта кислорода и защите хозяина от инфекции. Потенциальная причина дисфункции ГСК является старение, при котором ГСК и прогениторные клетки страдают от блока пролиферации. Исследования на человеке и различных животных показали, что ГСК стареют, показывая существенное снижение функциональной способности с увеличением возраста. Существуют генетические элементы, отмеченные на специфических участках хромосом, которые регулируют старение ГСК. Эти элементы могут отличаться друг от друга у различных видов, линий и даже индивидов Старение ГСК и связанные с ним патологические эффекты могут быть не очевидны в течение нормальной жизни при большинстве обстоятельств, поскольку индивидуальные примитвные ГСК клоны могут функционировать в течение длительного времени, продуцируя потомство, которое поддерживает образование зрелых клеток крови в течение жизни. Сокращение теломеров на концах хромосом может вносить вклад в старение ГСК, особенно когда ГСК находятся в стрессовом состоянии при определенных патологических условиях. Будущие исследования должны выявить элементы, которые важны для регуляции старения ГСК/4/.

Стволовые клетки в настоящее время находится в центре дебатов и дурной славы. Получение человеческих эмбриональных стволовых клеток, по крайней мере ныне существующими методами, необходимым образом включает принесение в жертву эмбриона. Этот критический шаг в получении стволовых клеток стимулировал интенсивную дискуссию на всех уровнях академическом, правительственном и общества в целом. Какие социальные выгоды, если таковые имеются, оправдывают такую стратегию для получения этих стволовых клеток. У других видов из эмбриональных стволовых клеток были получены буквально все типы клеток взрослых органов. Эта способность открыла бесконечные клинические возможности для замещения тканей и органов путем трасплантации клеток, полученных из эмбриональных стволовых клеток. К счастью существует альтернатива для этической дилемы. Становится все более ясно, что стволовые клетки существуют во многих, если не во всех взрослых тканях.. Взрослые стволовые клетки в норме пополняют потерю тканевых клеток через износ и потерю от повреждения или болезни. При надлежащем ведении культуры при трансплантации эти стволовые клетки могут регенерировать полный набор органотипичных клеток и таким образом могут терапевтически регенерировать ткани in vivo таким же путем, как это делают эмбриональные стволовые клетки. По нескольким причинам наиболее изученными являются стволовые клетки кроветворной системы. Зрелые клетки крови имют обычно короткий период продолжительности жизни, обычно измеряемый днями, и поэтому требуют замещения с постоянной скоростью в течение всей жизни. Стволовые клетки участвуют в этом возобновлении, и из-за легкости доступа к костному мозгу были хорошо изучены. Во-вторых, трансплантация костного мозга после облучения или высоких доз химеотерапии при лечении рака стимулировала базовой биологии и терапевтичского применения клеток в течение 30 лет до того, как началось применение стволовых клеток в клинике. Идентификация и манипулирование генами, которые регулируют число гематопоэтических стволовых клеток, уровень репликации и способность к самообновлению могут иметь важные клинические преимущества. Снятие характеристик по крайней мере некоторых из этих клеток прольет свет на механизмы, важные для старения. Выдвигается гипотеза, что стволовые клетки аккумулируют клеточные повреждения в течение старения, которые уменьшают их потенциал развития и способность восстанавливать клетки крови, особенно после гематопоэтического стресса. С этой точки зрения нарушенная функция стволовых клеток в гематопоэтической и других самообновляемых тканях ограничивает продолжительность жизни животных и, возможно, человека/33/.

Сильная способность гематопоэтических стволовых клеток к самообновлению предполагает, что эта клеточная популяция может не стариться и таким образом обеспечивать не уменьшающееся восстановление клеток крови в течение жизни организма. По контрасту, накапливающиеся экспериментальные данные поддерживают предположение, что ГСК демонстрируют признаки старения и могут иметь ограниченную функциональную продолжительность жизни. Сделано предположение, что связанный с возрастом спад во взрослых ГСК лимитирует продолжительность жизни млекопитающих/7/.

Регенеративная способность стволовых клеток подняла проблему их взаимоотношений со старением. Является ли угасание функции стволовых клеток само по себе существенной чертой старения. Вопрос имеет две стороны: влияет ли истощение стволовых клеток на накоплении связанных с возрастом дефицитов, или является ли истощение значимым или нет, может ли активация стволовых клеток смягчать дефициты? Рассмотрены два типа систем: 1) истощаемый пул яичниковых фолликулов. Истощение фолликулов ведет к менопаузе; 2) резерв гематопоэтических клеток. Значительные количества сохраняются в течение всей жизни, но на мышиных моделях было показано, что эндогенная репликативная активность резко снижается с возрастом/30/.

Вопрос о том изменяются ли стволовые клетки в процессе старения был предметом значительной дискуссии в течение последних двух декад. Значительное расширение знаний о гематопоэтических стволовых клетках и гематологии развития в последние несколько лет заново открыл этот вопрос для критического анализа. Изменились знания об анатомическом местоположении и функции гематопоэтических клеток, от раннего эмбриона до старости. В то время как базовый гематопоэтический потенциал при старении сохраняется, способность к восстановлению после гематологического стресса и к самообновлению стволовых клеток постепенно снижается. Различие таким образом было сделано для стабильного гематопоэза при старении и потенциала развития стволовых клеток. Установление подходящих инструментов для идентификации и изучения очищенных стволовых клеток и популяций клеток с измененной принадлежностью предлагает прямой подход для дальнейшего объяснения старения в последовательности от примитивных стволовых клеток к зрелым клеткам крови/8/.

Стволовые клетки определяются по их способности к самообновлению и способностью дифференцироваться в один или более типов клеток. Стволовые клетки могут быть разделены, в зависимости от их происхождения, на эмбриональные и взрослые. Эмбриональные стволовые клетки появляются на ранних стадиях развития эмбриона и могут дать начало клеткам всех трех слоев зародыша. Взрослые стволовые клетки, впервые идентифицированные в гематопоэтической ткани, могут быть обнаружены в различных тканях взрослого организма. При нормальных физиологических условиях взрослые стволовые клетки могут дифференцироваться в ограниченное число клеточных типов, которые содержаться в определенной ткани или органе. Взрослые стволовые клетки ответственны за тканевое самообновление и истощение их репликативной способности может вносить вклад в старение тканей. Потеря неограниченной способности к пролиферации у некоторых взрослых стволовых клеток и/или у их прогениторов может включать эволюционные компромиссы: старение может предотвращать рак. Эмбриональные стволовые клетки демонстрируют неограниченную способность к самообновлению из-за экспрессии теломеразы. Хотя они обладают некоторыми характеристиками раковых клеток, эмбриональные стволовые клетки демонстрируют замечательную устойчивость к нестабильности генома и злокачественной трансформации. Понимание механизмов супрессии опухолей, осуществляемых стволовыми клетками, может внести вклад в развитие новых терапий рака и безопасных основанных на клетках терапий для связанных с возрастом болезней/18/.

Человеческий локус INK4a/ARF кодирует два связанных супрессорных белка опухолей,

p16INK4a and ARF, которые соответственно регулируют пути ретинобластомы (РБ) и p53.

Генетические данные твердо свидетельствуют о том, что оба белка обладают значительной активностью по супрессии опухолей in vivo. В дополнение к их непересекающимся ролям в предотвращении рака, один или оба белка индуцируются при определенных условиях в большинстве типов культур мышиных и человеческих клеток, и поэтому являются критическими эффекторами старения Также данные по мышиным и человеческим клеточным типам заставляют предположить, что эта ингибиторная активность роста опухолей может сходно обуславливать постоянное торможение роста in vivo. Когда такое старение происходит в клетке, имеющей потенциал самообновления (т.е. в тканевой стволовой клетке) , происходит сопровождающее его снижение регенераторных способностей органа, поддерживаемого стволовыми клетками. В свою очередь сопутствующее уменьшения резерва стволовых клеток является основной чертой старения млекопитающих. Поэтому эспрессия локуса INK4a/ARF, по-видимому, не только является основным супрессором опухолей, но также является эффектором старения у млекопитающих/28/.

Учитывая уникальные способности стволовых клеток к самообновлению, дифференцировке и пролиферации не удивительно, что они являются критически важными для организма в течение развития и поддерживают гомеостаз. Когда что-нибудь происходит не правильно со стволовой клеткой, это скорее всего приведет к далеко идущим последствиям, поскольку стволовые клетки сохраняются в течение всей жизни особи. Стволовые клетки участвуют в двух важных биологических феноменах: неизбежном процессе старения и важном биологическом явлении, частота которого возрастает с возрастом, - раке. Есть данные о неспособности стволовых клеток мыши пассироваться неопределенно долго и о регулярной репликации в пуле покоящихся стволовых клеток .Острая миелоидная лейкемия происходит из стволовых клеток, что подтверждается данными, полученными на экспериментальных моделях на мышах, так и клиническими наблюдениями. Предлагается модель, в которой старение популяции гематопоэтической системы в может создать условия, которые являются пермессивными для развития лейкемии, по сути предполагается, что старение является вторичным событием по отношению к образованию лейкоцитов/1/.

Сравнительный анализ опухолевых и стареющих клеток показал, что черты их фенотипа во многих случаях противоположны. Раковые клетки не стареют, их характеристики роста и метаболизма противоположны тем, которые наблюдаются при клеточном старении (как репликативные, так и функциональные). По многим таким характеристикам раковые клетки сходны с эмбриональными клетками. Можно сказать, что рак проявляет себя, как локальное неконтролируемое “омоложение организма.” Доступные данные, полученные как на людях, так и на животных, заставляют предположить, что противоположные фенотипические черты старения и рака обусловлены противоположной регуляцией общих генов, таких, как участвующие в апоптозе/прекращении роста или в путях трансдукции сигналов роста в клетке. Например, в стареющих клетках и организмах протоонкогены часто подавлены, в то время как супрессоры опухолей постоянно экспрессируются. В раковых клетках ситуация прямо противоположна: протоонкогеы обычно оверэкспрессированы, в то время как супрессоры опухолей подавлены. Этот факт может иметь различные приложения для развития различных методов лечения старения и рака. Первое, гены , противоположным образом регулируемые при раке и старении могут быть кадидатами для мишений для вмешательств против старости. Их “сходная с раком регуляция”, если ее строго контролировать, может омолодить стареющий организм.. Второе, факт, что раковые клетки не стареют, подразумевает, что эти клетки могут иметь преимущество для выживания в окружении стареющих клеток. Это может быть частичной причиной для увеличения рака с возрастом, поскольку пропорция стареющих клеток также увеличивается в организме с возрастом. В такой ситуации омоложение нормальных клеток, окружающих опухоль может служить перспективой противоракового лечения. Например, контролируемая активация онкогенов в нормальных клетках хозяина или пересадка молодых пролиферирующих клеток (таких как эмбриональные стволовые клетки) в область около злокачественной опухоли помогает вытеснить раковые клетки скорее, чем убивает их/32/.

Нормальные клетки, как полагают, защищены против трансформации за счет постоянного блокирования клеточного цикла и клеточного старения в ответ на экспрессию активированных онкогенов, таких как RAS.. Ппродолжительное пассирование свежевыделенных неонатальных человеческих фибробластов приводит к увеличению уровней ингибитора циклинзависимой киназы p16 и повышает чувствительность клеток к старению, индуцированному RAS. Эти открытия подразумевают экзогенный стресс, как необходимый кофактор в RAS-индуцированном старении и демонстрируют, что экспрессия RAS может способствовать некоторым характеристикам трансформации при отсутствии других генетических изменений/32/.

Стволовые/прогениторные клетки обеспечивают гомеостаз ткани и организма и представляют частую мишень трансформации. Хотя эти клетки потенциально бессмертны, их продолжительность жизни ограничена сигнальным путями (p19-p53; p16-Rb), которые активируются повреждением ДНК (дисфункция теломеров, стрессы, вызванные окружающей средой) т ведут к старению или апоптозу Выполнение программ контрольной точки может вести к истощению стволовых клеток и старению организма, в то время как их инактивация вносит вклад в образование опухолей/22/.

Белок p53 играет критическую роль в предотвращении рака. Он отвечает на ряд клеточных стрессов либо апоптозом, либо терминальный блок клеточного цикла, называемым старением. Старение у культивируемых клеток связано с увеличением активности p53, а блокирование p53 активности может задержать старение in vitro. Увеличивающееся количество данных свидетельствует о том, что p53 может влиять на старение организма. Несколько моделей мутантных мышей, у которых наблюдаются изменения в продолжительности жизни и связанные со старением фенотипы имеют дефекты в генах, которые изменяют p53 сигналинг. Недавно создана и охарактеризована мутантная по p53 линия мышей, у которых повышен ответ на p53. Эти p53 мутанты демонстрируют повышенную устойчивость к раку, но имеют сокращенную продолжительность жизни и у них наблюдаются некоторые связанные со старением фенотипы, что заставляет предположить роль p53 в процессе старения. Природа этих фенотипов старения, наблюдаемых в линии мутантов по p53, согласуется с моделью, в которой старение обусловлено отчасти постепенным снижением функциональной способности стволовых клеток/6/.

Старение млекопитающих происходит частично из-за уменьшения восстановительной способности тканевых стволовых клеток. Эти самообновляющиеся клетки становятся злокачественными при воздействии небольшого числа онкогенных мутаций, и перекрывающиеся механизмы супрессии опухолей (т.е. p16(INK4a)-Rb, ARF-p53 и теломер ) возникли для защиты от этой возможности. Эти полезные антиопухолевые пути, как оказалось, лимитируют продолжительность жизни стволовых клеток, что вносит вклад в старение/29/.

Использование биотехнологических терапий, в том числе стволовых клеток, будет способствовать замедлению процесса старения. Значительное количество данных в настоящее время указывают на определенные гены, связанные с исключительным долголетием у людей.

Была предложена концепция функционального восстановления на основе восстановления чувствительности стареющих клеток к ряду агонистов, включая факторы роста.

Клетки, растущие в культуре, имеют ограниченную продолжительность жизни и прекращают рост после определенного числа делений. Продолжительность жизни нормальных диплоидных клеток в культуре находится под генетическим контролем и ее можно модифицировать(гомонами, факторами роста и др.).

Угасание костного мозга и уменьшение его способности продуцировать сосудистые прогениторные клетки, ответственные за восстановление артерий, способствует развитию атеросклероза и его тромбоэмболических осложнений.

В течение процесса старения стволовые клетки претерпевают как количественные, так и качественные изменения, которые влияют как на скорость старения, так и на продолжительность жизни организма. В целом качественные изменения более важны, поскольку они влияют на потенциал самообновления, потенциал развития и взаимодействие с внешними сигналами.

Теломеры являются структурами на концах линейных хромосом. В клетках млекопитающих они состоят из гексануклотидных (TTAGGG) повторов и со связанными с ними белками. У делящихся клеток происходит постепенное разрушение теломеров до критической степени сокращения, что приводит к хромосомным аномалиям и клеточной смерти или старению Экспрессия фермента, удлиняющего теломеры, теломеразы, подавляется рано в развитии во всех нормальных человеческих соматических тканях,

Генетика была плодотворно применена для изучения процессов старения.

Гематопоэз сохраняется в течение всей жизни, хотя способность справляться с гематологическим стрессом уменьшается в пожилом возрасте.

Противоположные фенотипические черты старения и рака обусловлены противоположной регуляцией общих генов, таких, как участвующие в апоптозе/прекращении роста или в путях трансдукции сигналов роста в клетке.

ЛИТЕРАТУРА

1.Bell DR, Van Zant G. Stem cells, aging, and cancer: inevitabilities and outcomes. Oncogene. 2004;23(43):7290-6.

2.Benanti JA, Galloway DA. The normal response to RAS: senescence or transformation? Cell Cycle. 2004;3(6):715-7.

3.Beverley PC, Grubeck-Loebenstein B. Is immune senescence reversible? Vaccine. 2000; 25;18(16):1721-4.

4.Chen J. Senescence and functional failure in hematopoietic stem cells. Exp Hematol. 2004 ;32(11):1025-32.

5.de Haan G. Hematopoietic stem cells: self-renewing or aging? Cells Tissues Organs. 2002;171(1):27-37.

6.Donehower LA. Does p53 affect organismal aging? J Cell Physiol. 2002 ;192(1):23-33.

7.Geiger H, Van Zant G. The aging of lympho-hematopoietic stem cells. Nat Immunol. 2002 ;3(4):329-33.

8.Globerson A. Hematopoietic stem cells and aging. Exp Gerontol. 1999;34(2):137-46.

9.Globerson A. Haematopoietic stem cell ageing. Novartis Found Symp. 2001;235:85-96; discussion 96-100, 101-4.

10.Globerson A, Barzilai N. The voyage to healthy longevity: from experimental models to the ultimate goal. Mech Ageing Dev. 2005;126(2):225-9.

11.Goldschmidt-Clermont PJ. Loss of bone marrow-derived vascular progenitor cells leads to inflammation and atherosclerosis. Am Heart J. 2003;146(4 Suppl):S5-12.

12.Grossman T. Latest advances in antiaging medicine. Keio J Med. 2005;54(2):85-94.

13.Harley CB. Human ageing and telomeres. Ciba Found Symp. 1997;211:129-39.

14.Hodes RJ, Hathcock KS, Weng NP. Telomeres in T and B cells. Nat Rev Immunol. 2002 ;2(9):699-706.

15.Johnson TE. Genetic influences on aging. Exp Gerontol. 1997;32(1-2):11-22.

16.Kucia M, Ratajczak J, Ratajczak MZ. Bone marrow as a source of circulating CXCR4+ tissue-committed stem cells. Biol Cell. 2005;97(2):133-46.

17.Koli K, Keski-Oja J. Cellular senescence. Ann Med. 1992;24(5):313-8.

18.Krtolica A. Stem cell: balancing aging and cancer. Int J Biochem Cell Biol. 2005 ;37(5): 935-41.

19.Liang Y, Van Zant G. Genetic control of stem-cell properties and stem cells in aging. Curr Opin Hematol. 2003;10(3):195-202.

20.Miura T, Mattson MP, Rao MS. Cellular lifespan and senescence signaling in embryonic stem cells. Aging Cell. 2004;3(6):333-43.

21.Park IK, Morrison SJ, Clarke MF. Bmi1, stem cells, and senescence regulation. J Clin Invest. 2004;113(2):175-9.

22.Park SC, Cho KA, Jang IS, Kim KT, Ryu SJ. Functional efficiency of the senescent cells: replace or restore? Ann N Y Acad Sci. 2004;1019:309-16.

23.Pelicci PG. Do tumor-suppressive mechanisms contribute to organism aging by inducing stem cell senescence? J Clin Invest. 2004;113(1):4-7.

24.Pinto A, De Filippi R, Frigeri F, Corazzelli G, Normanno N. Aging and the hemopoietic system. Crit Rev Oncol Hematol. 2003;48(Suppl):S3-S12.

25.Rao MS, Mattson MP. Stem cells and aging: expanding the possibilities. Mech Ageing Dev. 2001; 31;122(7):713-34.

26.Ratajczak MZ, Kucia M, Majka M, Reca R, Ratajczak J. Heterogeneous populations of bone marrow stem cells--are we spotting on the same cells from the different angles? Folia Histochem Cytobiol. 2004;42(3):139-46.

27.Roccanova L, Ramphal P.The role of stem cells in the evolution of longevity and its application to tissue therapy. Tissue Cell. 2003;35(1):79-81.

28.Sharpless NE. Ink4a/Arf links senescence and aging. Exp Gerontol. 2004;39(11-12):1751-9.

29.Sharpless NE, DePinho RA. Telomeres, stem cells, senescence, and cancer. J Clin Invest. 2004;113(2):160-8.

30.Schlessinger D, Van Zant G. Does functional depletion of stem cells drive aging? Mech Ageing Dev. 2001; 30;122(14):1537-53.

31.Stanulis-Praeger BM. Cellular senescence revisited: a review. Mech Ageing Dev. 1987 ;38(1):1-48.

32.Ukraintseva SV, Yashina AI. Cancer as "rejuvenescence". Ann N Y Acad Sci. 2004 ;1019:200-5.

33.Van Zant G. Genetic control of stem cells: implications for aging. Int J Hematol. 2003 ;77(1):29-36.

34.Van Zant G, Liang Y. The role of stem cells in aging. Exp Hematol. 2003;31(8):659-72.

35.von Zglinicki T, Martin-Ruiz CM. Telomeres as biomarkers for ageing and age-related diseases. Curr Mol Med. 2005;5(2):197-203.

36.Weng NP, Hodes RJ. The role of telomerase expression and telomere length maintenance in human and mouse. J Clin Immunol. 2000;20(4):257-67.

37.Yegorov YE, Zelenin AV. Duration of senescent cell survival in vitro as a characteristic of organism longevity, an additional to the proliferative potential of fibroblasts. FEBS Lett. 2003; 24;541(1-3):6-10.