Адипоциты костного мозга являются ингибиторами гемопоэтического микроокружения

I I I I I I

I I I

Новости клеточных технологий

Адипоциты костного мозга являются ингибиторами гемопоэтического микроокружения

Кроветворные (гемопоэтические) стволовые клетки (ГСК) являются мультипотентными стволовыми клетками, способными к самообновлению и дифференцировке во все типы клеток крови. ГСК находятся главным образом в костном мозге взрослого человека. Различают два типа костного мозга: красный костный мозг, состоящий из стромы и ГСК/клеток-предшественниц, и желтый костный мозг, в котором преобладает жировая ткань. При рождении преобладает красный костный мозг, но с возрастом происходит его замещение на желтый. Ранее считалось, что подобное замещение красного костного мозга является механическим заполнением освобождающегося пространства в костномозговых полостях. Однако в своей работе О. Naveiras с соавт. (лаборатория Джоржа Дейли) показали, что адипоциты играют активную роль в регуляции гемопоэтической активности костного мозга.

Для начала авторы провели исследования по изучению активности ГСК в различных костях мышей. В качестве модели костного мозга с повышенным содержанием адипоцитов были выбраны хвостовые позвонки (на уровне 3^4 позвонков). Костный мозг грудных позвонков мышей практически не содержит адипоцитов и состоит в основном из красного костного мозга. Исследователи провели выделение ГСК из хвостовых и грудных позвонков 12-недельных мышей с последующим их фенотипическим и функциональным анализом. При этом было установлено, что костный мозг хвостовых позвонков по сравнению с костным мозгом грудных позвонков содержал только 25% CD45+ клеток. Доля всех классов CD45+ гемопоэтических клеток-предшественниц (муль-типотентных предшественников, общих миелоидных предшественников, мегакариоцитных-эритроидных предшественников) была в 2^3 раза ниже в популяции клеток костного мозга хвостовых позвонков по сравнению с красным костным мозгом грудных позвонков. Клоногенный анализ также показал более низкое (в 1,5^3 раза) содержание различных классов предшественников в костном мозге хвостовых позвонков мышей. В серии контрольных экспериментов авторы показали, что полученные данные не связаны с возрастом животных или с характером физической нагрузки исследуемых костей. Таким образом, авторами дается заключение, что костный мозг хвостовых позвонков мышей обладает пониженным содержанием ГСК как в абсолютных количествах, так и в процентном отношении.

Для объяснения низкой гемопоэтической активности костного мозга хвостовых позвонков было важно определить характер репликации ГСК для ответа на вопрос, находятся ли ГСК из хвостовых позвонков на стадиях медленной репликации или на стадии клеточного старения (senescence).

Клеточное старение представляет собой механизм, который вначале был описан для клеток, культивируемых in vitro. При достижении определенного числа делений клетка перестает делиться и, в конце концов, умирает (так называемый предел или лимит Хейфлика, англ. Hayflick limit). Это связано с сокращением длины теломер и накоплением различных клеточных повреждений. Зачастую, без использования специальных под-

ходов, трудно определить репликационный статус клетки на основании ее морфологии или динамики клеточного деления. В культуре клеток мы обычно наблюдаем быстрое деление стволовых клеток, в то время как в своем естественном микроокружении в организме большинство клеток находится на стадии медленной репликации, при которой клеточное деление происходит редко, однако при этом стволовая клетка остается полностью функциональной и готовой к делению при поступлении определенных сигналов из окружающей среды.

Была проведена клеточная сортировка ГСК и их трансплантация мышам, подвергшимся летальным дозам облучения. Было показано, что степень репопуляционной активности ГСК из хвостовых и грудных позвонков существенно не различалась. Однако была отмечена более высокая долговременная приживаемость клеток крови всех типов после трансплантации ГСК из костного мозга хвостовых позвонков. Это свидетельствует о том, что ГСК в костном мозге хвостовых позвонков, по-видимому, находятся на стадии репликационного покоя, а не на стадии клеточного старения.

Полученные данные говорят о взаимосвязи количества адипоцитов и гемопоэтической активности стволовых клеток костного мозга. Однако, они не позволяют сделать вывод о влиянии адипоцитов на гемопоэз. Известно, что костная ткань играет важную роль в формировании гемопоэтической ниши [1]. Низкая интенсивность остеогенеза в хвостовых позвонках ввиду отсутствия физической скелетной нагрузки может быть одним из факторов, объясняющим низкий уровень гемопоэза в данной нише. Для ответа на этот вопрос авторы обратились к липоатрофийной модели на основе трансгенных «безжирных» (англ. «fatless») мышей A-ZIP/F1 [2]. Эти трансгенные мыши не могут образовывать адипоциты из-за экспрессии доминантно-негативной аллели гена С/EBP под контролем промотора адипоцитарного белка, связывающего жирные кислоты 4 (англ. adipocyte fatty-acid-binding protein, Fabp4). В отличие от мышей дикого типа, у трансгенных наблюдался эффективный гемопоэз в костном мозге хвостовых позвонков, подобный гемопоэзу в грудных позвонках. Данное наблюдение подтверждает гипотезу, что низкая интенсивность остеогенеза в хвостовых позвонках, связанная с отсутствием физической нагрузки на кость, не связана с пониженной интенсивностью гемопоэза в костном мозге данного отдела позвоночника. Таким образом, можно сделать вывод, что присутствие адипоцитов напрямую связано с более низкой гемопоэтической активностью в костном мозге различных отделов скелета.

Далее было определено влияние адипоцитов на восстановление гемопоэза после трансплантации костного мозга. В период от 2 до 4 нед. после летальной дозы облучения объем костного мозга во всех костях мыши замещался тканью с повышенным содержанием адипоцитов (желтым костным мозгом). Во время посттранс-плантационного периода реабилитация организма (как мыши, так и человека) зависит от быстро делящихся краткосрочных гемопоэтических клеток-предшествен-ниц, которые участвуют в коррекции панцитопении [3]. После летальной дозы лучевой терапии мышам дикого

Клеточная трансплантология и тканевая инженерия Том IV, № 3, 2009

ИМИ!

Новости клеточных технологий

типа или A-ZIP/F1 трансгенным мышам (из одного помета) была проведена трансплантация костного мозга необлученных мышей дикого типа. Как и ожидалось, облучение трансгенных мышей сопровождалось значительным снижением образования адипоцитов в костном мозге по сравнению с контролем. Уровень лейкоцитов в A-ZIP/F1 мышах превышал в 4 раза уровень лейкоцитов в контрольных мышах. Также было отмечено значительное ускорение восстановления содержания гемоглобина в периферической крови у липоатрофичных трансгенных мышей. Важно отметить, что как контрольные, так и трансгенные мыши показали высокую степень продолжительного донорского химеризма после первичной трансплантации. Таким образом, было показано, что отсутствие адипогенеза в A-ZIP/F1 мышах увеличивает восстановление гемопоэза в результате повышения эффективности трансплантации краткосрочных клеток-предшественниц.

В ходе экспериментов было замечено, что абляция костного мозга облучением в A-ZIP/F1 мышах сопровождалось значительным увеличением активности остеогенеза. Плотность губчатого вещества в бедренной кости значительно увеличивалась у трансгенных мышей по сравнению с контрольными мышами дикого типа на 20 день после летальной абляции. Исследователи показали, что одновременная абляция ГСК и адипоцитов костного мозга может индуцировать остеогенез, что, согласно литературным данным, может приводить к формированию более благоприятного микроокружения для гемо-поэтического восстановления [4, 5]. Подобный эффект стимуляции остеогенеза и роста губчатой кости наблюдался и в экспериментах по хирургическому удалению костного мозга из бедренной кости кроликов [6]. Предотвращение формирования адипоцитов в костном мозге не вызывает остеогенез напрямую. Только одновременная абляция адипоцитарного и гемопоэтического компонентов приводит к остеогенезу в области костного мозга, что свидетельствует о трехсторонней корегуля-ции ниши костного мозга.

Ингибирование адипогенеза фармакологическими препаратами также приводило к повышению эффективности трансплантации костного мозга мышам дикого типа. Известно, что ингибитор рецептора активируемого пролифератором пероксисом-с (англ. peroxisome proliferator-activated receptor-c, PPAR-c) диглициловый эфир бисфенола А (англ. bisphenol A diglycidyl ether, BADGE) предотвращает формирование адипоцитов in vivo и in vitro на модели стрептозотоцин-индуцированного (англ. streptozotocin-induced) диабета [7]. При этом

BADGE не влияет на гемопоэтическое формирование колоний in vitro, когда клетки костного мозга находятся вне контекста стромального микроокружения. Введение BADGE мышам, подвергшимся летальным дозам лучевой терапии, на протяжении 2 недель после трансплантации костного мозга приводило к ингибированию адипогенеза, повышению уровня лейкоцитов в периферической крови и увеличению колониеобразующих единиц. Таким образом, было показано, что влияние адипоцитов на эффективность трансплантации гемопоэтических клеток может быть снижено фармакологически.

Авторы опровергают классическую теорию пассивной роли адипоцитов в качестве заполнителей костномозговых полостей. Анализ ГСК из разных типов костного мозга, а также эксперименты по трансплантации ГСК клеток мышам, не способным эффективно формировать адипоциты в костном мозге в результате генетического или фармакологического вмешательства, показали, что адипоциты отрицательно влияют на популяцию гемопоэтических клеток-предшественниц, снижая их количественные показатели и репликационную активность. Исследование открывает перспективы фармакологического повышения эффективности трансплантации ГСК (например, из костного мозга, пуповинной или периферической крови). Механизм подобного ингибирования возможно связан с секрецией адипоцитами костного мозга различных факторов, которые ингибируют гемопоэз. Адипоциты и остеобласты являются потомками мезенхимальных стволовых клеток (англ. mesenchymal stem cells, MSC) костного мозга. Костное и жировое микроокружение находятся в реципрокном взаимодействии. Остеобласты выступают в роли индукторов гемопоэза, в то время как адипоциты являются ингибиторами гемопоэза.

В заключение стоит отметить, что гемопоэз у грызунов и человека происходит в различных местах. У мышей кроветворение происходит во всех костях и селезенке в течение всей жизни животного. У человека же кроветворение ограничено эпифизами длинных трубчатых костей, костями черепа и таза, позвоночником, ребрами, грудиной и подвздошной костью. Несмотря на то, что вышеописанные исследования были проведены на мышиной модели и неизвестно, насколько полученные данные могут быть применены к человеку, на настоящий момент модель на основе малых лабораторных животных является лучшей из имеющихся для изучения гемопоэза и позволяет проводить сложные эксперименты in vivo, которые невозможно проводить на людях.

ЛИТЕРАТУРА:

1. Askmyr М., Sims N.. Martin J., Purton L. What is the true nature of the osteoblastic hematopoietic stem cell niche? Trends Endocrinol. Metab., on-line publ. 13 July 2009.

2. Moitra J., Mason М., Olive M. et al. Life without white fat: a transgenic mouse. Genes Dev. 1998; 12(20): 3168—81.

3. Yang L., Bryder D., Adolfsson J. et al. Identification of LinC-]Sca1 ( + )kit( + )CD34( + )Flt3- short-term hematopoietic stem cells capable of rapidly reconstituting and rescuing myeloablated transplant recipients. Blood 2005; 105(7): 2717—23.

4. Calvi L., Adams G., Weibrecht K. et al. Osteoblastic cells regulate the haematopoietic stem cell niche. Nature 2003; 425(6960]: 841—6.

5. Zhang J., Niu C., Ye L. et al. Identification of the haematopoietic stem cell niche and control of the niche size. Nature 2003; 425(69601: 836-41.

6. Tavassoli M., Maniatis A., Crosby W. Induction of sustained hemopoiesis in fatty marrow. Blood 1974; 43C1 ]: 33—8.

7. Botolin S., McCabe L. Inhibition of PPARgamma prevents type I diabetic bone marrow adiposity but not bone loss. J. Cell Physiol. 2006; 209(31: 967-76.

8. Furuhashi M., Tuncman G., Giirgt>n C. et al. Treatment of diabetes and atherosclerosis by inhibiting fatty-acid-binding protein aP2. Nature 2007; 447(7147): 959-65.

Подготовил А. Ризванов

По материалам: Naveiras 0„ Nardi V., Wenzel PL. et al. Bone-marrow adipocytes as negative regulators of the

haematopoietic microenvironment. Nature 2009; 460(7252): 259-63.

Клеточная трансплантология и тканевая инженерия Том IV, hl< 3, 2009