|
ИСТИНА |
Войти в систему Регистрация |
ИСТИНА ЦЭМИ РАН |
||
Фундаментальные проблемы регенеративной медицины: регуляция обновления и репарации тканей человекаНИР
Fundamental issues of regenerative medicine: regulation of human tissue renewal and repair
- Руководитель НИР: Ткачук В.А.
- Ответственные исполнители: Воронцова М.В., Ефименко А.Ю., Макаревич П.И.
- Участники НИР: Акопян Ж.А., Басалова Н.А., Виговский М.А., Волошин Н.С., Григорьева О.А., Джауари С.С., Дзреян В.А., Еремичев Р.Ю., Калинина Н.И., Карагяур М.Н., Кулебякин К.Ю., Кулебякина М.А., Лагерева Е.А., Монакова А.О., Нимирицкий П.П., Примак А.Л., Путляев Е.В., Раднаева А.В., Семина Е.В., Слободкина Е.А., Сысоева В.Ю., Тарасова Е.В., Толстолужинская А.Е., Тюрин-Кузьмин П.А., Чечехин В.И., Чечехина Е.С.
- Подразделение: Кафедра биохимии и регенеративной биомедицины
- Срок исполнения: 13 апреля 2023 г. - 31 декабря 2025 г.
- Номер договора (контракта, соглашения): 19-75-30007-П
- Номер ЦИТИС: 123053100034-8
- Тип: Фундаментальная
- Приоритетное направление научных исследований: другое
- Критическая технология России: Клеточные технологии
-
Рубрики ГРНТИ:
- 76.03.31 Медицинская биохимия
-
Ключевые слова:
микроокружение стволовой клетки, регенерация, регенеративная медицина, обновление тканей, эпителиально-мезенхимальный переход, мезенхимные стволовые клетки, нейроэндокринная регуляция стволовых клеток, механизмы формирования и поддержания гетерогенности клеток в тканях, репарация
stem cells, regenerative medicine -
Abstract:
An important task of regenerative medicine is the creation of approaches to control the processes of organ and tissue morphogenesis; search for new types of drugs that regulate the processes of cell renewal in certain tissues under certain conditions. Currently, specific microRNAs, transcription factors, growth factors, and hormones are known that affect the processes of cell death or formation, acting through specific receptors, as well as inhibiting signal transmission from receptors to target proteins. External factors also affect the processes of cell death and renewal: thus, during hypoxia, the processes of apoptosis usually turn on, during starvation, autophagy, and during cooling, the processes of protein folding change, which leads to a violation of their structure and function and leads to the death of aged or damaged cells. These cells are replaced by newly formed ones that do not carry defects. These results are at the level of observations, but a thorough study of these processes is promising in connection with the discovery of new receptors, pathways, and cascades that are regulated at the epigenetic level (DNA methylation, protein acetylation, etc.). In the course of research carried out under the 2019 Project, we revealed the mechanisms underlying the processes of renewal of the stem cell niche, the heterogeneity of stem cells within such a niche and the ability of these cells to directed differentiation, prevent the development of fibrosis (replacement of functional specialized cells with an extracellular matrix), regulation of directed growth of blood vessels and nerve fibers, which supports both cell renewal and regeneration/repair of organs and tissues. Our data substantiate the expediency of continuing research aimed at revealing these mechanisms, which will allow us to conduct a directed search for endogenous regulators that affect the duration and efficiency of organs and tissues. In the Project-2023, using already proven approaches and fundamentally new models, new tasks will be solved, including the analysis of the effect of norepinephrine, serotonin, insulin, and parathyroid hormone on the self-maintenance of MSCs, as well as the commitment and terminal differentiation of these cells in adipogenic and osteogenic directions. The key task of Project-2023 will be to study the mechanisms of MSC participation in the formation of the microenvironment of tissue-specific stem cells and the regulation of their activity. For this, we will use in vivo models of the formation of the microenvironment of stem and progenitor cells of the basal layer of the endometrium; damage to the spermatogonial stem cell niche, as well as a model of microvascular endothelial aging caused by chronic administration of angiotensin. Since aging not only impairs the ability of MSCs to maintain the microenvironment of stem cells, but also causes a change in their sensitivity to hormones, the objectives of Project 2023 include studying the mechanisms of development of insulin resistance in MSCs during aging. In this project, the miRNA profile in the secretome of senescent MSCs will be established. Their contribution to the suppression of insulin sensitivity of cells will be tested using molecular biological and biochemical methods using inhibitory analysis. Identification of the mechanisms of regulation of insulin-dependent intracellular signaling in the processes of self-renewal and differentiation of MSCs will make it possible to identify key points in the occurrence of tissue regeneration disorders and suggest options for therapeutic action on them. Our data, as well as world-class publications by other authors, indicate that it is MSC activity that can determine the outcome of tissue response to damage - the formation and progression of fibrosis, or, conversely, resolution of fibrosis and restoration of the structural and functional integrity of the tissue. As part of the Project-2023, the paracrine activity of the subpopulations of MSCs described by us in the framework of the Project-2019 will be analyzed. We have already identified proteins and miRNAs that can mediate the anti- and profibrotic effects of MSCs. In the proposed project, we will analyze their representation in the secretomes of individual subpopulations of MSCs, find out their contribution to the course of fibrosis processes in in vitro and in vivo models. Solving the tasks of the Project-2023 will provide significant progress in understanding the mechanisms of participation of hormones and neurotransmitters in the regulation of the renewal of the cellular composition of human tissues, the role of MSCs in tissue repair. New mechanisms of regulation of stem cell activity will be discovered, new ways of preventing tissue fibrosis will be found. We expect that the results of Project-2023 will greatly contribute to the creation of drugs that will increase not only the average "population" but also the individual life expectancy of a person.
-
Планируемые результаты:
В Проекте-2023 будут получены принципиально новые актуальные результаты, которые расширяют существующие представления о механизмах участия МСК в обновлении и репарации тканей. В рамках исследования влияния гормонов и нейромедиаторов на самообновление и дифференцировку МСК с помощью глубокого биоинформатического анализа массивов данных транскриптомов одиночных клеток в результате выполнения Проекта-2023 будут выяснены транскрипционные механизмы выбора направления дифференцировки этими клетками. С помощью расчета регулонов – комплексов транскрипционных факторов и их мишеней, будут выявлены факторы транскрипции, которые активируются в процессе дифференцировки МСК в запасающие и термогенные адипоциты, остеоциты, фибробласты и ГМК-подобные клетки. Влияние гормонов на выбор направления дифференцировки МСК будет подтвержден in vivo на модели трансгенных мышей, содержащих кассету редактирования генома CARLIN (модификация CRISPR/Cas9). В результате выполнения данного проекта будет проанализированы механизмы влияния инсулина на адипоцитарную дифференцировку МСК. В частности, будет исследовано переключение эффекторных сигнальных каскадов инсулинового рецептора, происходящих при развитии инсулинорезистентности. Нами будет оценен вклад “нетипичной” инсулин-зависимой кальциевой сигнализации в формировании инсулинорезистентного фенотипа этих клеток. Причиной развития инсулинорезистентности может также быть изменение секреции микроРНК стареющими МСК. В результате выполнения данного проекта будут описан профиль микроРНК в секретоме сенесцентных МСК. Их вклад в подавление чувствительности клеток к инсулину будет оценен при помощи молекулярно-биологических и биохимических методов с использованием ингибиторного анализа. Идентификация механизмов регуляции инсулин-зависимой внутриклеточной сигнализации в процессах самообновления и дифференцировки МСК позволит выявить ключевые точки возникновения нарушений регенерации ткани и предложить варианты терапевтического воздействия на них. В результате выполнения Проекта-2023 будут верифицированы выявленные мишени, воздействуя на которые можно регулировать чувствительность МСК к паратиреоидному гормону. Эти результаты могут быть использованы в дальнейшем для разработки подходов для терапевтической регуляции остеогенной дифференцировки этих клеток. В результате выполнения Проекта-2023 будут получены новые данные об участии МСК в формировании микроокружения тканеспецифичных стволовых клеток и регуляции их активности. Ранее мы впервые описали МСК в нише сперматогониальной стволовой клетки (ССК) и показали, что паракринная активность МСК необходима для поддержания ССК. В результате выполнения данного проекта нами будут выяснены механизмы влияния отдельных паракринных факторов секретома МСК на клетки Лейдига и клетки Сертоли. Будут установлены механизмы влияния повреждения ниши на секретом МСК. Мы предполагаем, что повреждение ниши будет вызывать увеличение этими клеткам секреции белков, связывающих инсулин-подобный фактор роста (IGFBP). В результате проекта мы выясним влияние продукции МСК белков семейства IGFBP на IGF-1-зависимую гиперактивацию клеток Лейдига. В результате выполнения проекта будет также изучено влияние эстрогена на паракринную активность эндометриальных МСК на модели эстроген-индуцированного роста эндометрия у овариэктомизированных мышей. Мы предполагаем, что в результате этих исследований будут описаны новые механизмы регуляции циклического роста стромы, включая кровеносные сосуды и нервные окончания. Эти процессы создают условия для активной пролиферации и дифференцировки стволовых и прогениторных клеток базального слоя эндометрия. Поэтому предполагаемые результаты не только будут востребованы для понимания фундаментальных механизмов циклического обновления ткани, но и откроет перспективу создания новых препаратов и методов лечения состояний и заболеваний, связанных с недостаточным или чрезмерным ростом эндометрия, в том числе приводящих к бесплодию. В результате выполнения Проекта-2023 будут также выявлены молекулярные мишени, воздействие на которые позволит стимулировать восстановление ниши стволовых клеток. Перспективными кандидатами являются ГФИ (гликозилфосфатидилинозитол)- заякоренные рецепторы, а именно рецептор урокиназы и Т-кадгерин. Критическое значение этих белков для регуляции роста кровеносных сосудов и окончаний нейронов было продемонстрировано нами ранее. На модели ангиотензин-индуцированного старения микрососудов у трансгенных мышей, лишенных экспрессии рецептора урокиназы или Т-кадгерина, будет изучен вклад этих белков в формирование микроокружения стволовых клеток. Наши данные, как и публикации мирового уровня других авторов, указывают на то, что именно активность МСК может определять исход ответа ткани на повреждение – формирование и прогрессию фиброза, либо, напротив, разрешение фиброза и восстановление структурно-функциональной целостности ткани. В результате выполнения Проекта-2023 будут проанализированы механизмы участия про- и антифиброзной субпопуляций МСК, отличающихся по экспрессии рецептора PDGF-альфа, в ответе тканей на повреждение и развитие фиброза. В частности, будут получены результаты относительно представленности в секретомах про- и антифиброзной субпопуляций МСК выявленных нами ранее белков и микроРНК, которые могут опосредовать их анти- и профибротическое действие. Вклад исследуемых молекул в течение процессов фиброза будет проанализирован на моделях in vitro и in vivo. Планируемые результаты Проекта-2023 о механизмах поддержания клеточного состава тканей и его восстановления после повреждения чрезвычайно важны как для фундаментальной науки, так и для разработки методов и подходов регенеративной медицины, направленных на сохранение и восстановление здоровья населения.
- Добавил в систему: Тарасова Елена Владимировна
Источник финансирования НИР
| грант РНФ |
Этапы НИР
| # | Сроки | Название |
| 1 | 13 апреля 2023 г.-31 декабря 2023 г. | этап 1 |
| Результаты этапа: Данный проект направлен на выяснение механизмов, лежащих в основе процессов обновления ниши стволовых клеток, гетерогенности стволовых клеток в составе такой ниши и способности этих клеток к направленной дифференцировке и предотвращению развития фиброза. В частности, в задачи проекта входит анализ влияния таких гормонов и нейромедиаторов как норадреналин, серотонин, инсулин и паратиреоидный гормон на самоподдержание МСК, а также коммитирование и дифференцировку этих клеток. В 2023 году для выяснения механизмов формирования контрактильного фенотипа МСК нами был проведен поиск факторов транскрипции, которые запускают и поддерживают этот процесс. Для этого мы провели углубленный биоинформатический анализ массивов данных о составе транскриптомов одиночных клеток. Непосредственный анализ экспрессии факторов транскрипции в таких массивах затруднен ввиду малой представленности их мРНК. Однако на активность факторов транскрипции в анализируемой клетке достоверно указывает повышение экспрессии регулируемых ими генов-мишеней. Поэтому для того чтобы выявить факторы транскрипции, которые могут управлять дифференцировкой МСК, мы проанализировали распределение известных мишеней факторов транскрипции. Для расчета регулонов (транскрипционный фактор вместе с регулируемыми им генами-мишенями) мы использовали метод SCENIC. С помощью такого подходы мы впервые обнаружили, что обработка МСК норадреналином приводит к повышению в них активности транскрипционных факторов, связанных с сократительной активностью клеток, например, MEF2C, NFATC3 и MEF2A. Более того, нам удалось впервые выявить увеличение экспрессии мишеней факторов транскрипции, которые не были описаны ранее как регуляторы сократимых клеток (TRPS1, BRF2, TBLXR1, MZF1, KLF11, MAFF). Наши данные указывают на участие перечисленных факторов в индукции контрактильного фенотипа МСК под действием норадреналина. Мы выявили спектр транскрипционных факторов, которые участвуют в самоподдержании МСК, в том числе KLF2, а также RARG, CREB5, POLR3G, JDP2 и NR2F6. В 2023 году нами были созданы линии иммортализованных МСК с помощью эктопической экспрессии кДНК теломеразы человека в них. Полученные линии иммортализованных клеток сохраняли иммунофенотип и функциональную активность (способность к дифференцировке в остеогенном, адипогенном и хондрогенном направлениях, а также чувствительность к гормонам и нейромедиаторам). Такие клетки были использованы для установления роли аденилатциклазы-1 в контроле дифференцировки МСК. При помощи CRISPR/Cas9 D10A-никазной системы мы получили линию клеток с селективным нокаутом этого белка. Используя полученную линию клеток, мы установили, что сигнальный каскад, инициируемый аденилатциклазой 1, необходим для индукции как остеогенной, так и адипогенной дифференцировок. Важной задачей проекта является выяснение механизмов взаимодействия МСК с их микроокружением, в том числе при старении, хроническом воспалении и фиброзе. В 2023 году для выяснения механизмов развития инсулинорезистентности при старении, мы проанализировали состав микроРНК во внеклеточных везикулах контрольных и сенесцентных МСК. С помощью анализа массива микроРНК с использованием веб-сервера sRNAtoolbox нами были выявлен спектр микроРНК, содержание которых повышено в везикулах старых клеток, включая микроРНК 19b и 29c. Среди мишеней микроРНК, характерных для везикул из сенесцентных клеток, мы обнаружили белки PTEN, MAPK1 и Ago1. Подавление экспрессии белка PTEN посредством микроРНК везикул сенесцентных клеток, может обусловливать наблюдаемое нами уменьшение ответа МСК на инсулин путем активации PI3K/AKT-зависимого пути внутриклеточной сигнализации. В результате исследований на модели старения эндотелия in vivo, вызванного системным введением ангиотензина II, мы выявили защитную роль Т-кадгерина в поддержании функциональной активности эндотелиальных клеток. С помощью биоинформатического анализа мы идентифицировали молекулярные мишени, экспрессия которых сопряжена с Т-кадгерином. Ими оказались бета-катенин, VE-кадгерин, N-кадгерин, кавеолин, AdipoR2 (рецептор адипонектина 2 типа), ДНК-метилтрансфераза 1, плакоглобин (поддерживает целостность эндотелиальных клеток сосудов и регулирует VEGF-индуцированное фосфорилирование VE-кадгерина) и ряд других белков. Мы предполагаем, что взаимная регуляция плагоклобина и Т-кадгерина может обусловливать защитное действие Т-кадгерина на эндотелиальные клетки. В рамках задачи по выяснению молекулярных механизмов взаимодействия МСК с клетками ниши сперматогониальных стволовых клеток на данном этапе проекта нами была исследована роль VEGF во взаимодействии МСК с клетками Лейдига и клетками Сертоли. На модели оценки секреторной активности клеток Лейдига показано, что секретом МСК стимулирует выработку тестостерона клетками Лейдига. При этом не наблюдается стимуляции пролиферации клеток Лейдига. Мы показали, что значимый вклад в реализацию эффектов секретома МСК на клетки Лейдига вносят растворимые факторы. Однако вопреки нашим ожиданиям, добавление нейтрализующих антител против VEGF, не снижало эффекта секретома МСК на клетки Лейдига. Это может указывать на необходимость присутствия других факторов для реализации эффектов VEGF. При развитии фиброза МСК в составе стромы находятся под воздействием различных стимулов от профибротического микроокружения, которые могут оказывать существенное воздействие как на клеточный субпопуляционный состав МСК, так и на состав их секретома. На данном этапе мы исследовали, как меняется секретом МСК и субпопуляций этих клеток в профибротическом микроокружении. Ранее в рамках проекта нами была разработана и валидирована модель профибротического микроокружения. Мы установили, что в ответ на профибротические стимулы часть МСК дифференцируется в миофибробласты, а другая часть имеет более высокие инвазивные свойства и сниженную способность к контракции матрикса. Вторая субпопуляция МСК, по данным биоинформатического анализа, может быть выделена с помощью сортировки по экспрессии PDGFRа. При анализе ответа субпопуляций МСК на культивирование в профибротических условиях, мы обнаружили, что секретом PDGFRα+ клеток обогащен белками внеклеточных везикул. Помимо этого, мы выявили в секретоме PDGFRα+ клеток еще несколько белковых паттернов, включая белки-регуляторы клеточной подвижности и адгезии, развития многоклеточных организмов, формирования тканей и сосудистой сети, ответа тканей на повреждение. На основании полученных данных мы предполагаем, что в профибротических условиях паракринные эффекты PDGFRα+ субпопуляции МСК могут быть обусловлены, во-первых, регуляцией функционирования белков, связывающих инсулиноподобные факторы роста, а во-вторых - регуляцией воспалительного ответа. Хроническое воспаление, ключевыми участниками которого выступают М2-макрофаги, является важнейшим патогенетическим звеном фиброза тканей. На данном этапе мы дополнительно исследовали, как М2-макрофаги могут влиять на способность МСК регулировать развитие фиброза. Культивирование МСК в условиях хронического воспаления и оксидативного стресса приводило к появлению маркеров сенесценции у МСК и снижению способности их ВВ подавлять TGFβ1-индуцированную дифференцировку фибробластов в миофибробласты. При дальнейшем культивировании МСК, обработанных КС-М2 или H2O2, в стандартных условиях в течение 14 дней происходило снижение секреции компонентов SASP IL-6 и MCP-1, при этом способность фракции ВВ секретома МСК подавлять TGFβ1-индуцированную дифференцировку фибробластов в миофибробласты восстанавливалась, что говорит о обратимости клеточной сенесцении МСК, развивающейся в условиях короткого воздействия сигналов, ассоциированных с повреждением, и возможном восстановлении регуляторных антифибротических функций МСК. Таким образом, в результате выполнения проекта были получены новые актуальные данные об участии МСК в обновлении и репарации тканей, а также о механизмах нарушения этих процессов при гормональных дисфункциях, старении и хроническом воспалении. | ||
| 2 | 1 января 2024 г.-31 декабря 2024 г. | этап 2 |
| Результаты этапа: | ||
| 3 | 1 января 2025 г.-31 января 2025 г. | этап 3 |
| Результаты этапа: | ||
Прикрепленные к НИР результаты
Для прикрепления результата сначала выберете тип результата (статьи, книги, ...). После чего введите несколько символов в поле поиска прикрепляемого результата, затем выберете один из предложенных и нажмите кнопку "Добавить".