Закрыть
Вход
facebook youtube instagram
instagram youtube facebook

Гликация стволовых клеток: образ врага?

14.07.2021
2838
9 мин на прочтение
Глаголева Екатерина Николаевна
Раз в несколько лет у человечества сначала робко, а затем все более уверенно появляется враг. Его объявляют ответственным за все странности, необдуманные поступки и просто плохое настроение. Разберемся: опасность ли это или ее видимость

Аудио версия статьи

– 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.

Стволовые клетки

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.

В исследовании Niu et al. 2008 «Влияние гликозилирования внеклеточного матрикса на пролиферацию и апоптоз дермальных фибробластов человека через рецептор для продвинутых гликозилированных конечных продуктов» продемонстрировали на коже диабетиков (живой пример патофизиологии в действии), как укорачиваются, истончаются и дезорганизуются коллагеновые фибриллы по сравнению с контрольной группой здоровых участников6. К видимым изменениям, обусловленным воздействием AGE, можно отнести снижение эластичности кожи, плохое ранозаживление, появление морщин7.

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.
В 2020 году группа исследователей представила систематический обзор эффектов гликозилированных белков на жизнеспособность, пролиферацию и апоптоз различных типов первичных изолированных стволовых клеток11.

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.

Стволовые клетки

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.

Низкомолекулярные активаторы, участвующие в аутофагии, такие как рапамицин, трегалоза, литий и рилменидин, способны регулировать активность аутофагии и способствовать деградации полипротеинов.

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.

Источники:

  1. C. Brown, C. McKee, S. Bakshi et al., “Mesenchymal stem cells: cell therapy and regeneration potential,” Journal of Tissue Engineering and Regenerative Medicine, vol. 13, no. 9, pp. 1738–1755, 2019; R. Zhang, J. Ma, J. Han, W. Zhang, and J. Ma, “Mesenchymal stem cell related therapies for cartilage lesions and osteoarthritis,” American Journal of Translational Research, vol. 11, no. 10, pp. 6275–6289, 2019.
  2. Y. Tang, P. Yu, and L. Cheng, “Current progress in the derivation and therapeutic application of neural stem cells,” Cell Death & Disease, vol. 8, no. 10, article e3108, 2017.
  3. L. Mazini, L. Rochette, M. Amine, and G. Malka, “Regenerative capacity of adipose derived stem cells (ADSCs), comparison with mesenchymal stem cells (MSCs),” International Journal of Molecular Sciences, vol. 20, no. 10, p. 2523, 2019.
  4. H. Masuda, C. Kalka, and T. Asahara, “Endothelial progenitor cells for regeneration,” Human Cell, vol. 13, no. 4, pp. 153–160, 2000.
  5. G. Q. Daley, “The promise and perils of stem cell therapeutics,” Cell Stem Cell, vol. 10, no. 6, pp. 740–749, 2012.
  6. Niu Y, Xie T, Ge K, Lin Y, Lu S. Effects of extracellular matrix glycosylation on proliferation and apoptosis of human dermal fibroblasts via the receptor for advanced glycosylated end products. Am J Dermatopathol. 2008;30:344–351. doi: 10.1097/DAD.0b013e31816a8c5b
  7. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC5965313/
  8. Engelke M, Jensen JM, Ekanayake-Mudiyanselages S, et al. Effects of xerosis and ageing on epidermal proliferation and differentiation. Brit J Derm 1997; 137: 219–225.
  9. Wu JT. Advanced glycosylation end products: a new disease marker for diabetes and ageing. J Clin Lab Anal 1993; 7: 252–255
  10. Stirban A, Gawlowski T, Roden M. Vascular effects of advanced glycation endproducts: Clinical effects and molecular mechanisms. Mol Metab. 2013;3(2):94-108. Published 2013 Dec 7. doi:10.1016/j.molmet.2013.11.006
  11. Lize Evens, Hanne Beliën, Dorien Deluyker, Annelies Bronckaers, Pascal Gervois, Marc Hendrikx, Virginie Bito, "The Impact of Advanced Glycation End-Products (AGEs) on Proliferation and Apoptosis of Primary Stem Cells: A Systematic Review", Stem Cells International, vol. 2020, Article ID 8886612, 13 pages, 2020. https://doi.org/10.1155/2020/8886612
  12. N. J. R. Blackburn, B. Vulesevic, B. McNeill et al., “Methylglyoxal-derived advanced glycation end products contribute to negative cardiac remodeling and dysfunction post-myocardial infarction,” Basic Research in Cardiology, vol. 112, no. 5, p. 57, 2017.
  13. A. D. Bhatwadekar, J. V. Glenn, G. Li, T. M. Curtis, T. A. Gardiner, and A. W. Stitt, “Advanced glycation of fibronectin impairs vascular repair by endothelial progenitor cells: implications for vasodegeneration in diabetic retinopathy,” Investigative Ophthalmology & Visual Science, vol. 49, no. 3, pp. 1232–1241, 2008
  14. Q. Chen, L. Dong, L. Wang, L. Kang, and B. Xu, “Advanced glycation end products impair function of late endothelial progenitor cells through effects on protein kinase Akt and cyclooxygenase-2,” Biochemical and Biophysical Research Communications, vol. 381, no. 2, pp. 192–197, 2009.
  15. Y. Li, Q. Zhou, C. Pei et al., “Hyperglycemia and advanced glycation end products regulate miR-126 expression in endothelial progenitor cells,” Journal of Vascular Research, vol. 53, no. 1-2, pp. 94–104, 2016.
  16. H. Fang, K. Yang, P. Tang et al., “Glycosylation end products mediate damage and apoptosis of periodontal ligament stem cells induced by the JNK-mitochondrial pathway,” Aging, vol. 12, no. 13, pp. 12850–12868, 2020. View at: Publisher Site | Google Scholar S. Kim and J. Kwon, “COMP-Ang1 inhibits apoptosis as well as improves the attenuated osteogenic differentiation of mesenchymal stem cells induced by advanced glycation end products,” Biochimica et Biophysica Acta, vol. 1830, no. 10, pp. 4928–4934, 2013. View at: Publisher Site | Google Scholar Y. Q. Lu, Y. Lu, H. J. Li, and X. B. Cheng, “Effect of advanced glycosylation end products (AGEs) on proliferation of human bone marrow mesenchymal stem cells (MSCs) in vitro,” In vitro cellular & developmental biology Animal, vol. 48, no. 9, pp. 599–602, 2012. View at: Publisher Site | Google Scholar E. Sakamoto, C. Mihara, T. Ikuta, Y. Inagaki, J. Kido, and T. Nagata, “Inhibitory effects of advanced glycation end-products and Porphyromonas gingivalis lipopolysaccharide on the expression of osteoblastic markers of rat bone marrow cells in culture,” Journal of Periodontal Research, vol. 51, no. 3, pp. 313–320, 2016
  17. Q. Li, S. Xia, Y. Yin, Y. Guo, F. Chen, and P. Jin, “miR-5591-5p regulates the effect of ADSCs in repairing diabetic wound via targeting AGEs/AGER/JNK signaling axis,” Cell Death & Disease, vol. 9, no. 5, p. 566, 2018.
  18. Z. Wang, H. Li, D. Zhang et al., “Effect of advanced glycosylation end products on apoptosis in human adipose tissue-derived stem cells in vitro,” Cell & Bioscience, vol. 5, no. 1, p. 3, 2015.
  19. G. Duruksu and A. Aciksari, “Guiding the differentiation direction of pancreatic islet-derived stem cells by glycated collagen,” Stem Cells International, vol. 2018, Article ID 6143081, 10 pages, 2018.
  20. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC5965313/
  21. Wear-Maggitti K, Lee J, Conejero A, et al. Use of topical sRAGE in diabetic wounds increases neovascularization and granulation tissue formation. Ann Plast Surg 2004; 52: 519–521.
  22. Yavuz D, Tuğtepe H, Cetinel S, et al. Collagen ultrastructure and TGFbeta1 expression preserved with aminoguanidine during wound healing in diabetic rats. Endocr Res 2005; 31: 22943.
  23. Kim S, Kwon J. Thymosin beta 4 improves dermal burn wound healing via downregulation of receptor of advanced glycation end products in db/db mice. Biochim Biophys Acta 2014; 1840: 3452–3459.
  24. Chen SA, Chen HM, Yao YD, et al. Topical treatment with anti-oxidants and Au nanoparticles promote healing of diabetic wound through receptor for advanced glycation end-products. Eur J Pharm Sci 2012; 47: 875–883.
  25. Pepe D, Elliott CG, Forbes TL, et al. Detection of galectin-3 and localization of advanced glycation end products (AGE) in human chronic skin wounds. Histol Histopathol 2014; 29: 251–258.
  26. S. Le Bagge, A. K. Fotheringham, S. S. Leung, and J. M. Forbes, “Targeting the receptor for advanced glycation end products (RAGE) in type 1 diabetes,” Medicinal Research Reviews, vol. 40, no. 4, pp. 1200–1219, 2020; D. Sanajou, A. Ghorbani Haghjo, H. Argani, and S. Aslani, “AGE-RAGE axis blockade in diabetic nephropathy: current status and future directions,” European Journal of Pharmacology, vol. 833, pp. 158–164, 2018.
  27. Selvarani, R., Mohammed, S. & Richardson, A. Effect of rapamycin on aging and age-related diseases—past and future. GeroScience (2020). https://doi.org/10.1007/s11357-020-00274-1
  28. Grimm S, Horlacher M, Catalgol B, Hoehn A, Reinheckel T, Grune T. Cathepsins D and L reduce the toxicity of advanced glycation end products. Free Radic Biol Med. 2012 Mar 15;52(6):1011-23. doi: 10.1016/j.freeradbiomed.2011.12.021. Epub 2012 Jan 4. PMID: 22245096.

Комментарии

(0) комментариев
Войти чтобы оставить комментарий

Еще по теме

Ретиноиды в наноформе протестировали против акне
Регенеративная медицина
Ретиноиды в наноформе протестировали против акне
Дерматологи из Сеула оценили эффективность и безопасность наноэмульсии ниосомы с ретинальдегидом для...