Гликация стволовых клеток: образ врага?

– Проникают или нет стволовые клетки за гематоэнцефалический барьер?

Такой вопрос задали мне – выпускнице Медицинской академии – на вступительном экзамене в ординатуру по… госпитальной хирургии.

– Будут проникать, – уверенно ответила я, опираясь на пятилетний опыт работы в НИИ цитологии и генетики и изучая потенциал стволовых клеток в коже и нервной ткани.

Это было много лет назад, и сейчас, когда мы наблюдаем за стремительным развитием регенеративной медицины, и когда словосочетание «стволовые клетки» перестало ассоциироваться у врачей и пациентов с чем-то пугающим и малодоступным, мы перешли к острым вопросам. Что может мешать использованию стволовых клеток в повседневной практике врача регенеративной медицины, кроме вопросов законодательства? Об этом мы поговорим чуть позже.

Стволовые клетки обладают огромным регенеративным потенциалом – это уже практически неоспоримый научный факт. Для примера.

Мезенхимальные стволовые клетки (МСК). Могут дифференцироваться в жировую, костную или хрящевую ткань¹.

Нейрональные стволовые клетки (НСК). Могут использоваться как терапия болезни Альцгеймера или инсульта².

Стволовые клетки жировой ткани (ADSC). Подвид МСК, модулируют воспаление, тем самым способствуя заживлению хронических ран³.

Эндотелиальные клетки-предшественники (EPC). Обнаруживаются в костном мозге или крови и способны мигрировать к очагам поражения⁴.

Перспективы открываются воистину космические. Но есть набор парамедицинских факторов, мешающих интегрировать методику более широко, и объективные физиологические процессы, которые при переходе в аварийный контур становятся патологическими.

Эти факторы могут быть объективными, могут лишь отображать хтонические человеческие страхи. Такими агентами уже была лактоза и все, что с ней связано, глютен, соль и, конечно, сахар. Манифесты о вреде сахара перестали носить эпизодический характер и превратились в вечный бой человечества с сахарами. Но, как выясняется, сахар наносит ответный удар.

Что такое гликация?

Гликация – это химический процесс, при котором происходит взаимодействие белков и сахара, в результате чего появляются гликолизированные продукты.

В результате гликации образуются конечные продукты, или AGEs (от английского термина Advanced Glycation Endproducts). Эти остаточные продукты не выводятся ни из клетки, ни из организма в целом; накапливаясь, они вызывают нарушение обменных процессов, гипоксию и гибель клетки.

Этот процесс недружественной коммуникации между молекулами сахара и белками может снижать потенциал регенеративной и восстановительной медицины в области трансплантации стволовых клеток в поврежденную ткань.

Образующиеся конечные продукты гликирования (AGE) создают среду, в которой стволовым клеткам, уже готовым высадиться на поврежденную ткань как на поверхность Марса, выжить становится непросто⁵. Сложности усугубляет добавленный окислительный стресс и присутствие воспалительных цитокинов.

Что такое конечные продукты гликирования (AGE)

AGE представляют собой гетерогенную группу гликозилированных белков, то есть белков, к которым привязалась молекула сахара. Подробнее об этом мы писали.

Молекула сахара препятствует нормальному функционированию белка. Поскольку кожа содержит много белков, в частности коллаген и эластин, образованием AGE может объясняться в том числе ухудшение ее состояния, видимое старение.

Как только молекула сахара навязывает свое общество молекуле коллагена, его нити истончаются и укорачиваются. На биохимическом уровне это означает разрушение четкой перекрестно связанной организации волокон коллагена друг с другом.

Чем опасны продукты гликирования для клеток

1. AGE могут связываться со специфическими рецепторами клеточной поверхности – рецепторами RAGE – и вызывать продукцию активных форм кислорода (ROS), воспалительных цитокинов или активировать внутриклеточные пути⁸. В исследовании все той же команды Niu et al. 2008 количество жизнеспособных фибробластов, культивированных на гликозилированной матрице, было снижено по сравнению с фибробластами, выращенными на контрольной матрице. Гликозилированный матрикс индуцировал остановку клеточного цикла и апоптоз культивируемых дермальных фибробластов, тогда как применение антител, блокирующих рецепторы RAGE, обращало вспять эти изменения.
2. AGE могут образовывать поперечные связи с белками внутри клетки, такими как внутриклеточные домены различных рецепторов, или с белками внеклеточного матрикса, такими как коллаген, что приводит к измененным структурным и функциональным свойствам этих белков и, следовательно, в разрезе косметологии, к старению кожи⁹.
3. AGE способствуют снижению эластичности сосудов, потере пластичности кожи и дегенерации хрящей, связок или хрусталика глаза. Они могут накапливаться в различных тканях и оказывать долгосрочное воздействие¹⁰.

Ниже мы приводим данные из него, актуальные для косметологов и дерматологов, которые, как уже понятно, не могут существовать в отрыве от открытий биологии и физиологии человека.

Мононуклеарные клетки периферической крови (МКПК)

Исследовательская команда Blackburn et al. 2017¹² изучала МКПК, выделенные из образцов периферической крови здоровых людей. Культивировались они на 1 мм метилглиоксаль-(MGO-) модифицированном коллагеновом геле в течение 4 дней.

Количество МКПК в культивированной MGO-среде уменьшилось.

Исследовательские команды Bhatwadekar et al. 2008¹³, Chen et al. 2009¹⁴, Li et al. 2016¹⁵ изучали эндотелиальные клетки-предшественники (ЭКП). Bhatwadekar et al., Chen et al., Li et al. сообщили о снижении пролиферации клеток и/или увеличении апоптоза эндотелиальных клеток-предшественников после воздействия конечных продуктов гликирования (AGE) в концентрациях 200 мкг/мл и ниже, снижение пролиферации и ускорение апоптоза.

Прикладное значение: регенерация тканей, ускорение ранозаживления, снижение апоптоза и некроптоза.

Мезенхимальные стволовые клетки (МСК)

Несмотря на различия в концентрации (от 25 до 800 мкг/мл) и продолжительности воздействия продуктов гликации (от 6 часов до 19 дней) AGE привели к снижению пролиферации, связанному или не связанному с ней ускорению апоптоза¹⁶.

Прикладное значение: регенерация тканей, тканевой инжиниринг, реконструкция разных тканей, в том числе кожи, уменьшение фиброза, стимуляция неоваскуляризации, иммуномодуляция и стимуляция регенерации эндогенной ткани.

Стволовые клетки жировой ткани (СКЖТ)

Этот подвид мезенхимальных стволовых клеток получался путем ферментативной диссоциации коллагеназой. Независимо от различий в концентрации (от 20 до 1600 мкг/мл) и продолжительности (от 8 часов до 7 дней) воздействия AGE, Li et al.¹⁷ и Wang et al.¹⁸ сообщили об увеличении апоптоза. AGE в целом оказали пагубное влияние на жизнеспособность стволовых клеток, выделенных из жировой ткани.

Прикладное значение: антиапоптотический, противовоспалительный, проангиогенный, иммуномодулирующий и противоракообразующий потенциал, регенерация тканей, реконструкция жировой ткани.

Но в вышеупомянутом обзоре отмечались и противоречивые результаты, когда AGE не оказывали видимого воздействия. Duruksu и Aciksari 2018¹⁹ связали такие данные с низкими концентрациями используемых продуктов в процессе гликации. Исследователи пока объяснили эти противоречивые результаты тем, что AGE и другие лиганды рецептора RAGE, такие как HMGB1 и кальций-связывающий белок B S100, усиливали пролиферацию стволовых клеток.

Здесь очень важно вспомнить Гиппократа: всё есть яд и всё есть лекарство. Принципиален момент перехода от апоптоза к некрозу и яркая зависимость от концентрации конечных продуктов гликации.

Опасность или настороженность?

Когда образуется гликированный коллаген, его невозможно восстановить. Из этого можно сделать вывод, что лучшая защита – это профилактика.

Начаты исследования, а некоторые препараты уже проходят клинические испытания.

К научно подтвержденным стратегиям относят:

• диетическое ограничение (здесь веселый скептик может радостно хмыкнуть и произнести: удивили, ребята);
• рецепторы-ловушки sRAGE (Soluble Receptor for Advanced Glycation End-Product, или растворимый рецептор для продвинутого конечного продукта гликирования);
• аминогуанидин;
• антитела, блокирующие RAGE;
• тимозин β4;
• антиоксидантные агенты;
• наночастицы золота;
• этилпируват;
• манипуляции с Gal-3;
• метформин²⁰ (про это мы обязаны поговорить в отдельной статье, эстетическая эндокринология завораживает редакцию своими перспективами).

Рассмотрим некоторые из них подробнее.

Растворимый рецептор для продвинутого конечного продукта гликирования (sRAGE). Используя мышей C57BLks-db / db с диабетом, Wear-Maggitti наносили sRAGE, растворимую форму RAGE, местно на раны для улучшения заживления. Они измерили различные параметры заживления, такие как неоваскуляризация, реэпителизация, образование коллагена и площадь грануляционной ткани. В ранах, обработанных местным sRAGE, отмечалось увеличение неоваскуляризации и количества грануляционной ткани²¹.

Аминогуанидин, который является передовым ингибитором гликирования и синтазы оксида азота (NO), был оценен в исследовании Yavus для изучения его влияния на экспрессию белка внеклеточного матрикса, конфигурацию коллагена и уровни нитритов / нитратов в ранах крыс с диабетом²². Аминогуанидин улучшил заживление ран, восстановил экспрессию фактора роста TGF-β1 и сохранил ультраструктуру коллагена.

Kim оценили подавление экспрессии RAGE во время периода заживления ран и улучшение маркеров заживления ран, такие как закрытие раны, грануляция и васкуляризация после местного нанесения тимозина²³.

Chen проверил взаимосвязь между экспрессией RAGE и местным применением антиоксидантных агентов с наночастицами золота (AuNP) в кожных диабетических ранах. Смесь AuNP, галлата эпигаллокатехина (EGCG) и α-липоевой кислоты (ALA) значительно снижала вызванную AGE экспрессию белка RAGE в фибробластах²⁴.

Pepe недавно показали, что матрицеклеточный белок галектин-3 может защищать от накопления AGE при заживлении ран²⁵.

Блокирование рецепторов продвинутого конечного продукта гликирования (RAGE) с помощью синтетических малых молекул, ингибиторов RAGE, таких как FPS-ZM1 или RAGE-антител²⁶.

Действие основано на блокировке сигнальных путей. Однако клинические испытания выявили сложности, в частности ограниченная эффективность и токсичность таких соединений.

Однако применение этих факторов в клинических условиях все еще ограничено. Например, обычный индуктор аутофагии рапамицин является основным регуляторным белком в сигнальном пути инсулина, который также может влиять на многие другие метаболические пути. Между тем, процесс индукции аутофагии рапамицином относительно медленный с длительным непрямым действием, а эффекты рапамицина временные²⁷.

Поглотители свободных радикалов или антиоксиданты, такие как N-ацетилцистеин (NAC). Они могут снижать уровни окислительного стресса и вмешиваться в процессы гликации на уровне мембранных взаимодействий, улучшая свойства и жизнеспособность стволовых клеток.

Недавно были обнаружены некоторые положительные эффекты катепсинов на клиренс конечных продуктов гликации in vivo. Группа ученых во главе с Grimm et al. продемонстрировали, что катепсин D играет важную роль в деградации внутриклеточных гликированных продуктов и снижают токсичность, вызванную AGЕ²⁸.

Препарат Dispo85E также обладает способностью удалять связанные с сахаром поврежденные аминокислотные последовательности посредством аутофагии-лизосомного пути, индуцированного фактором роста гепатоцитов как в остром эксперименте, так и в лабораторной среде.

Вещества, ингибирующие образование AGE, можно использовать с профилактической целью, включая аминогуанидин, витамин B6. Альтернативой является нацеливание на ранее образованные AGE с помощью веществ, которые их расщепляют или нейтрализуют. Были идентифицированы различные нейтрализаторы, среди которых витамины С и Е, различные травы и специи (корица, майоран, эстрагон, имбирь, розмарин), экстракт черники, зеленый чай.

Исследования in vivo и in vitro выявили множество молекул, способных ингибировать продукцию AGE и приводить к снижению гликозилированных белков со средней или высокой скоростью обмена. Однако такое ингибирование менее эффективно в отношении белков с низкой скоростью обмена, таких как коллаген.

Выше мы перечислили основные вещества, предотвращающие или ингибирующие образование AGE. Однако некоторые из них, например, аминогуанидин, имеют побочные эффекты, из-за чего в клинической практике их применение пока ограничено. Пиридоксамин, природная изоформа витамина B6, в настоящее время изучается в рамках фазы II клинических испытаний.

Выводы

1. Чем сложнее устроен организм, тем интенсивнее протекают процессы, призванные как разрушить его, так и восстановить.
2. Понимание процессов гликации и механизмы взаимодействия сахаров не только с коллагеном и другими белками, но и сильные рецепторные связи со стволовыми клетками, позволяет расширять горизонты использования стволовых клеток как в научных лабораториях, так и в будущей повседневной клинической практике.
3. Объявление одного участника процесса врагом всегда приводит к перекосу восприятия и затуманивает взгляд ученого и клинициста.
4. Вредоносность сахаров во многом определяется концентрацией и генетической детерминированностью к их акцепции белками.
5. Глубокое изучение процессов гликации и поиск способов обратимо изменять структуру гликированных конечных продуктов – задача ученых и осознанный выбор пациента в ежедневной прекрасной жизни, которой руководит здравый смысл, а не страх.