Снижение остеогенного потенциала мультипотентных мезенхимальных клеток в условиях длительного моделирования микрогравитации

А.Ю. Ратушный, О.В. Григорьева, Л.Б. Буравкова

Институт медико-биологических проблем Российской академии наук,

г. Москва, 123007, Россия

Полный текст PDF

Аннотация

Снижение минерализации костной ткани во время длительных космических полетов требует понимания клеточных механизмов данного процесса. Изучение влияния 30-дневного моделирования микрогравитации с помощью 2D-клиностатирования показало снижение остеогенного потенциала мультипотентных мезенхимальных стромальных клеток in vitro. Обнаружено подавление экспрессии генов остеогенеза и увеличение экспрессии PPARγ – ключевого регулятора адипогенеза. Предполагается, что сдвиг дифференцировочного потенциала может быть обусловлен увеличением уровня активных форм кислорода, регулирующих ряд внутриклеточных сигнальных каскадов.

Ключевые слова: мультипотентные мезенхимальные стромальные клетки (ММСК), моделированная микрогравитация, остеогенная дифференцировка, активные формы кислорода (АФК)

Литература

1. Zayzafoon M., Meyers V.E., McDonald J.M. Microgravity: The immune response and bone // Immunol. Rev. – 2005. – V. 208, No 1. – P. 267–280. – doi: 10.1111/j.0105-2896.2005.00330.x.
2. Berg-Johansen B., Liebenberg E.C., Li A., Macias B.R., Hargens A.R., Lotz J.C. Spaceflight-induced bone loss alters failure mode and reduces bending strength in murine spinal segments // J. Orthop. Res. – 2016. – V. 34, No 1. – P. 48–57. – doi: 10.1002/jor.23029.
3. Shi D., Meng R., Deng W., Ding W., Zheng Q., Yuan W., Liu L., Zong C., Shang P., Wang J. Effects of microgravity modeled by large gradient high magnetic field on the osteogenic initiation of human mesenchymal stem cells // Stem Cell Rev. – 2010. – V. 6, No 4. – P. 567–578. – doi: 10.1007/s12015-010-9182-x.
4. Оганов В.С. Костная система, невесомость и остеопороз. – Воронеж: Науч. кн., 2014. – 291 с.
5. Jha R., Wu Q., Singh M., Preininger M.K., Han P., Ding G., Cho H.C., Jo H., Maher K.O., Wagner M.B., Xu C. Simulated microgravity and 3D culture enhance induction, viability, proliferation and differentiation of cardiac progenitors from human pluripotent stem cells // Sci. Rep. – 2016. – V. 6 – Art. 30956, P. 1–14. – doi: 10.1038/srep30956.
6. Lin S.C., Gou G.H., Hsia C.W., Ho C.W., Huang K.L., Wu Y.F., Lee S.Y., Chen Y.H. Simulated microgravity disrupts cytoskeleton organization and increases apoptosis of rat neural crest stem cells via upregulating CXCR4 expression and RhoA-ROCK1-p38 MAPK-p53 signaling // Stem Cells Dev. – 2016. – V. 25, No 15. – P. 1172–1193. – doi: 10.1089/scd.2016.0040.
7. Wehland M., Aleshcheva G., Schulz H., Saar K., Hübner N., Hemmersbach R., Braun M., Ma X., Frett T., Warnke E., Riwaldt S., Pietsch J., Corydon T.J., Infanger M., Grimm D. Differential gene expression of human chondrocytes cultured under short-term altered gravity conditions during parabolic flight maneuvers // Cell Commun. Signaling. – 2015. – V. 13, No 18. – P. 1–13. – doi: 10.1186/s12964-015-0095-9.
8. He L., Pan S., Li Y., Zhang L., Zhang W., Yi H., Song C., Niu Y. Increased proliferation and adhesion properties of human dental pulp stem cells in PLGA scaffolds via simulated microgravity // Int. Endod. J. – 2016. – V. 49, No 2. – P. 161–173. – doi: 10.1111/iej.12441.
9. Buravkova L.B., Romanov Yu.A., Konstantinova N.A. Buravkov S.V., Gershovich Yu.G., Grivennikov I.A. Cultured stem cells are sensitive to gravity changes // Acta Astronaut. – 2008. – V. 63, No 5–6. – P. 603–608. – doi: 10.1016/j.actaastro.2008.04.012.
10. Гершович Ю.Г., Буравкова Л.Б. Продукция интерлейкинов в культуре мезенхимальных стромальных клеток человека при моделировании эффектов микрогравитации // Авиакосмическая и экологическая медицина. – 2009. – Т. 43, № 3. – С. 44–50.
11. Friedenstein A.J., Gorskaja J.F., Kulagina N.N. Fibroblast precursors in normal and irradiated mouse hematopoietic organs // Exp. Hematol. – 1976. – Vol. 4. No 5. – P. 267–274.
12. Dominici M., Le Blanc K., Mueller I., Slaper-Cortenbach I., Marini F., Krause D., Deans R., Keating A., Prockop D., Horwitz E. Minimal criteria for defining multipotent mesenchymal stromal cells. The International Society for Cellular Therapy position statement // Cytotherapy. – 2006. – V. 8, No 4. – P. 315–317. – doi: 10.1080/14653240600855905.
13. Caplan A.I. Mesenchymal stem cells // J. Orthop. Res. – 1991. – V. 9, No 5. –P. 641–650. – doi: 10.1002/jor.1100090504.
14. Richardson S.M., Kalamegam G., Pushparaj P.N., Matta C., Memic A., Khademhosseini A., Mobasheri R., Poletti F.L., Hoyland J.A., Mobasheri A. Mesenchymal stem cells in regenerative medicine: Focus on articular cartilage and intervertebral disc regeneration // Methods. – 2016. – V. 99. – P. 69–80. – doi: 10.1016/j.ymeth.2015.09.015.
15. Caplan A.I., Dennis J.E. Mesenchymal stem cells as trophic mediators // J. Cell Biochem. – 2006. – V. 98, No 5. – P. 1076–1084. – doi: 10.1002/jcb.20886.
16. Гершович П.М., Гершович Ю.Г., Буравкова Л.Б. Цитоскелет и адгезия культивируемых стромальных клеток-предшественников костного мозга человека при моделировании эффектов микрогравитации // Цитология. – 2009. – Т. 51, № 11. – С. 896–904.
17. Гершович Ю.Г., Буравкова Л.Б. Морфофункциональное состояние и остеогенный дифференцировочный потенциал мезенхимальных стромальных клеток-предшест­венников человека при моделировании эффектов микрогравитации in vitro // Клеточные технологии в биологии и медицине. – 2007. – № 4. – С. 196–202.
18. Dedolph R.R., Dipert M.H. The physical basis of gravity stimulus nullification by clinostat rotation // Plant Physiol. – 1971. – V. 47, No 6. – P. 756–764. – doi: 10.1104/pp.47.6.756.
19. Yan M., Wang Y., Yang M., Liu Y., Qu B., Ye Z., Liang W., Sun X., Luo Z. The effects and mechanisms of clinorotation on proliferation and differentiation in bone marrow mesenchymal stem cells // Biochem. Biophys. Res. Commun. – 2015. – V. 460, No 2. – P. 327–332. – doi: 10.1016/j.bbrc.2015.03.034.
20. Chen Z., Luo Q., Lin C., Song G. Simulated microgravity inhibits osteogenic differentiation of mesenchymal stem cells through down regulating the trans­criptional co-activator TAZ // Biochem. Biophys. Res. Commun. – 2015. – V. 468, No 1–2. – P. 21–26. – doi: 10.1016/j.bbrc.2015.11.006.
21. Zuk P.A., Zhu M., Mizuno H., Huang J., Futrell J.W., Katz A.J., Benhaim P., Lorenz H.P., Hedrick M.H. Multilineage cells from human adipose tissue: Implications for cell-based therapies // Tissue Eng. – 2001. – V. 7, No 2. – P. 211–228. – doi: 10.1089/107632701300062859.
22. Буравкова Л.Б., Гринаковская О.С., Андреева Е.Р., Жамбалова А.П., Козионова М.П. Характеристика мезенхимальных стромальных клеток из липоаспирата человека, культивируемых при пониженном содержании кислорода // Цитология. – 2009. – Т. 51, № 1. – С. 5–11.
23. Corydon T.J., Kopp S., Wehland M., Braun M., Schütte A., Mayer T., Hülsing T., Oltmann H., Schmitz B., Hemmersbach R., Grimm D. Alterations of the cytoskeleton in human cells in space proved by life-cell imaging // Sci. Rep. – 2016. – V. 6. – Art. 20043, P. 1–14. – doi: 10.1038/srep20043.
24. Meyers V.E., Zayzafoon M., Douglas J.T., McDonald J.M. RhoA and cytoskeletal disruption mediate reduced osteoblastogenesis and enhanced adipogenesis of human mesenchymal stem cells in modeled microgravity // J. Bone Miner. Res. – 2005. – V. 20, No 10. – P. 1858–1866. – doi: 10.1359/JBMR.050611.
25. Chen Z., Luo Q., Lin C., Kuang D., Song G. Simulated microgravity inhibits osteogenic differentiation of mesenchymal stem cells via depolymerizing F-actin to impede TAZ nuclear translocation // Sci. Rep. – 2016. – V. 6. – Art. 30322, P. 1–11. – doi: 10.1038/srep30322.
26. Буравкова Л.Б., Гершович П.М., Гершович Ю.Г., Григорьев А.И. Механизмы гравитационной чувствительности остеогенных клеток-предшественников // Acta Naturae. – 2010. – Т. 2, № 1. – С. 30–39.
27. Jeon M.J., Kim J.A., Kwon S.H., Kim S.W., Park K.S., Park S.W., Kim S.Y., Shin C.S. Activation of peroxisome proliferator-activated receptor-gamma inhibits the Runx2-mediated trans­cription of osteocalcin in osteoblasts // J. Biol. Chem. – 2003. – V. 278, No 26. – P. 23270–23277. – doi: 10.1074/jbc.M211610200.
28. Denu R.A., Hematti P. Effects of oxidative stress on mesenchymal stem cell biology // Oxid. Med. Cell. Longevity. – 2016. – V. 2016. – Art. 2989076, P. 1–9. – doi: 10.1155/2016/2989076.
29. Atashi F., Modarressi A., Pepper M.S. The role of reactive oxygen species in mesenchymal stem cell adipogenic and osteogenic differentiation: A review // Stem Cells Dev. – 2015. – V. 24, No 10. – P. 1150–1163. – doi: 10.1089/scd.2014.0484.
30. Tormos K.V., Anso E., Hamanaka R.B., Eisenbart J., Joseph J., Kalyanaraman B., Chandel N.S. Mitochondrial complex III ROS regulate adipocyte differentiation // Cell Metab. – 2011. – V. 14, No 4. – P. 537–544. – doi: 10.1016/j.cmet.2011.08.007.
31. Almeida M., Han L., Martin-Millan M., O'Brien C.A., Manolagas S.C. Oxidative stress antagonizes Wnt signaling in osteoblast precursors by diverting beta-catenin from T cell factor- to forkhead box O-mediated trans­cription // J. Biol. Chem. – 2007. – V. 282, No 37. – P. 27298–27305. – doi: 10.1074/jbc.M702811200.
32. Iyer S., Ambrogini E., Bartell S.M., Han L., Roberson P.K., de Cabo R., Jilka R.L., Weinstein R.S., O'Brien C.A., Manolagas S.C., Almeida M. FOXOs attenuate bone formation by suppressing Wnt signaling // J. Clin. Invest. – 2013. – V. 123, No 8. – P. 3409–3419. – doi: 10.1172/JCI68049.
33. Kim W.K., Meliton V., Bourquard N., Hahn T.J., Parhami F. Hedgehog signaling and osteogenic differentiation in multipotent bone marrow stromal cells are inhibited by oxidative stress // J. Cell. Biochem. – 2010. – V. 111, No 5. – P. 1199–1209. – doi: 10.1002/jcb.22846.

Поступила в редакцию

30.01.17

Ратушный Андрей Юрьевич, аспирант, младший научный сотрудник

Институт медико-биологических проблем Российской академии наук

Хорошевское шоссе, д. 76 А, г. Москва, 123007, Россия

E-mail: Ratushkin@mail.ru

Григорьева Ольга Владимировна, кандидат биологических наук, старший научный сотрудник

Институт медико-биологических проблем Российской академии наук

Хорошевское шоссе, д. 76 А, г. Москва, 123007, Россия

Буравкова Людмила Борисовна, доктор медицинских наук, член-корреспондент РАН, заведующий лабораторией клеточной физиологии

Институт медико-биологических проблем Российской академии наук

Хорошевское шоссе, д. 76 А, г. Москва, 123007, Россия

Для цитирования: Ратушный А.Ю., Григорьева О.В., Буравкова Л.Б. Снижение остеогенного потенциала мультипотентных мезенхимальных клеток в условиях длительного моделирования микрогравитации // Учен. зап. Казан. ун-та. Сер. Естеств. науки. – 2017. – Т. 159, кн. 2. – С. 206–216.

For citation: Ratushnyy A.Y., Grigorieva O.V., Buravkova L.B. Osteogenic potential reduction in mesenchymal stem cells under prolonged simulated microgravity. Uchenye Zapiski Kazanskogo Universiteta. Seriya Estestvennye Nauki, 2017, vol. 159, no. 2, pp. 206–216. (In Russian)

Контент доступен под лицензией Creative Commons Attribution 4.0 License.