Миосателлитные клетки , также известные как сателлитные клетки , мышечные стволовые клетки или MuSC , представляют собой небольшие мультипотентные клетки с очень небольшим количеством цитоплазмы , обнаруженные в зрелой мышце . [1] Сателлитные клетки являются предшественниками клеток скелетных мышц , способными давать начало сателлитным клеткам или дифференцированным клеткам скелетных мышц. [2] Они обладают потенциалом предоставлять дополнительные миоядра своим родительским мышечным волокнам или возвращаться в состояние покоя. [3] Более конкретно, после активации сателлитные клетки могут повторно входить в клеточный цикл, чтобы пролиферировать и дифференцироваться в миобласты . [4]
Миосателлитные клетки расположены между базальной мембраной и сарколеммой мышечных волокон [5] и могут располагаться в бороздках, параллельных или поперечных продольной оси волокна. Их распределение по волокну может значительно варьироваться. Непролиферативные, покоящиеся миосателлитные клетки, которые примыкают к покоящимся скелетным мышцам, можно идентифицировать по их четкому расположению между сарколеммой и базальной пластинкой, высокому ядерно-цитоплазматическому объемному соотношению, небольшому количеству органелл (например, рибосом, эндоплазматического ретикулума, митохондрий, комплексов Гольджи), небольшому размеру ядра и большому количеству ядерного гетерохроматина по сравнению с миоядрами. С другой стороны, активированные сателлитные клетки имеют увеличенное количество кавеол , цитоплазматических органелл и сниженный уровень гетерохроматина. [2] Сателлитные клетки способны дифференцироваться и сливаться, чтобы увеличить существующие мышечные волокна и образовать новые волокна. Эти клетки представляют собой самую древнюю известную нишу взрослых стволовых клеток и участвуют в нормальном росте мышц, а также в регенерации после травм или заболеваний .
В неповрежденной мышце большинство клеток-сателлитов находятся в состоянии покоя ; они не дифференцируются и не подвергаются делению клеток. В ответ на механическое напряжение клетки-сателлиты активируются . Активированные клетки-сателлиты изначально размножаются как скелетные миобласты , прежде чем подвергнуться миогенной дифференциации . [1]
Клетки-сателлиты экспрессируют ряд отличительных генетических маркеров . В настоящее время считается, что большинство клеток-сателлитов экспрессируют PAX7 и PAX3 . [6] Клетки-сателлиты в мускулатуре головы имеют уникальную программу развития, [7] и являются Pax3-отрицательными. Более того, как покоящиеся, так и активированные клетки-сателлиты человека могут быть идентифицированы с помощью связанной с мембраной молекулы адгезии нейронных клеток (N-CAM/CD56/Leu-19), гликопротеина клеточной поверхности. Ядерный фактор миоцитов (MNF) и протоонкоген c-met (рецептор фактора роста гепатоцитов ( HGF )) являются менее часто используемыми маркерами. [2]
Маркеры CD34 и Myf5 специально определяют большинство покоящихся сателлитных клеток. [8] Активированные сателлитные клетки сложно идентифицировать, особенно потому, что их маркеры изменяются со степенью активации; например, большая активация приводит к прогрессирующей потере экспрессии Pax7 по мере того, как они вступают в пролиферативную стадию. Однако Pax7 заметно экспрессируется после дифференциации сателлитных клеток. [9] Большая активация также приводит к повышенной экспрессии миогенных основных факторов транскрипции спираль-петля-спираль MyoD , миогенина и MRF4 — все они отвечают за индукцию генов, специфичных для миоцитов. [10] Тестирование HGF также используется для идентификации активных сателлитных клеток. [2] Активированные сателлитные клетки также начинают экспрессировать специфичные для мышц филаментные белки, такие как десмин , по мере дифференциации.
Область биологии сателлитных клеток страдает от тех же технических трудностей, что и другие области стволовых клеток. Исследования почти исключительно опираются на анализ проточной цитометрии и сортировки клеток с флуоресценцией (FACS), который не дает никакой информации о клеточной линии или поведении. Таким образом, ниша сателлитных клеток относительно плохо определена и, вероятно, состоит из нескольких субпопуляций.
Когда мышечные клетки получают травму, покоящиеся клетки-сателлиты высвобождаются из-под базальной мембраны . Они активируются и снова входят в клеточный цикл. Эти делящиеся клетки известны как «транзитный усиливающий пул» перед тем, как пройти миогенную дифференциацию для формирования новых (постмитотических) миотрубок. Также есть данные, указывающие на то, что эти клетки способны сливаться с существующими миофибриллами для облегчения роста и восстановления. [1]
Процесс регенерации мышц включает в себя значительную перестройку внеклеточного матрикса и, если происходит обширное повреждение, является неполным. Фибробласты внутри мышц откладывают рубцовую ткань, которая может нарушить функцию мышц и является значительной частью патологии мышечных дистрофий .
Клетки-сателлиты размножаются после мышечной травмы [11] и образуют новые миофибриллы посредством процесса, похожего на развитие мышц плода. [12] После нескольких клеточных делений клетки-сателлиты начинают сливаться с поврежденными миотрубочками и подвергаться дальнейшей дифференциации и созреванию с периферическими ядрами, как в hallmark. [12] Одной из первых ролей, описанных для IGF-1, было его участие в пролиферации и дифференциации клеток-сателлитов. Кроме того, экспрессия IGF-1 в скелетных мышцах расширяет возможности активации пролиферации клеток-сателлитов (Charkravarthy et al., 2000), увеличивая и продлевая благоприятные эффекты для стареющей мышцы. [13] [14]
Активация сателлитных клеток измеряется степенью пролиферации и дифференциации. Обычно содержание сателлитных клеток выражается в расчете на мышечное волокно или в процентах от общего ядерного содержания, суммы ядер сателлитных клеток и миоядер. В то время как адаптивная реакция на упражнения в значительной степени варьируется на индивидуальной основе в зависимости от таких факторов, как генетика, возраст, диета, акклиматизация к упражнениям и объем упражнений, исследования на людях продемонстрировали общие тенденции. [2]
Предполагается, что физические упражнения запускают высвобождение сигнальных молекул, включая воспалительные вещества, цитокины и факторы роста из окружающих соединительных тканей и активных скелетных мышц. [2] В частности, HGF , цитокин, переносится из внеклеточного матрикса в мышцы через путь, зависимый от оксида азота. Считается, что HGF активирует сателлитные клетки, в то время как инсулиноподобный фактор роста-I ( IGF-1 ) и фактор роста фибробластов (FGF) усиливают скорость пролиферации сателлитных клеток после активации. [15] Исследования показали, что интенсивные физические упражнения, как правило, увеличивают выработку IGF-1, хотя индивидуальные реакции значительно различаются. [16] [17] Более конкретно, IGF-1 существует в двух изоформах: механофактор роста (MGF) и IGF-IEa. [18] В то время как первый вызывает активацию и пролиферацию, последний вызывает дифференциацию пролиферирующих сателлитных клеток. [18]
Исследования на людях показали, что как силовые тренировки, так и тренировки на выносливость приводят к увеличению количества клеток-сателлитов. [9] [19] Эти результаты показывают, что легкий режим тренировок на выносливость может быть полезен для противодействия возрастному уменьшению количества клеток-сателлитов. [2] При силовых тренировках активация и пролиферация клеток-сателлитов подтверждается повышением уровня мРНК циклина D1 и p21 . Это согласуется с тем фактом, что повышение уровня циклина D1 и p21 коррелирует с делением и дифференциацией клеток. [3]
Активация сателлитных клеток также была продемонстрирована на ультраструктурном уровне после упражнений. Было показано, что аэробные упражнения значительно увеличивают гранулярный эндоплазматический ретикулум , свободные рибосомы и митохондрии стимулированных групп мышц. Кроме того, было показано, что сателлитные клетки сливаются с мышечными волокнами, развивая новые мышечные волокна. [20] Другие ультраструктурные доказательства активированных сателлитных клеток включают повышенную концентрацию аппарата Гольджи и пиноцитозных пузырьков. [21]
Клетки-сателлиты играют решающую роль в регенерации мышц благодаря своей способности к пролиферации, дифференцировке и самообновлению. До серьезной травмы мышцы клетки-сателлиты находятся в состоянии покоя. Незначительная пролиферация может происходить при легких травмах, но серьезные травмы требуют большего количества клеток-сателлитов для активации. Активация клеток-сателлитов из состояния покоя контролируется сигналами из мышечной ниши. Эта сигнализация вызывает воспалительную реакцию в мышечной ткани. Поведение клеток-сателлитов является строго регулируемым процессом, обеспечивающим баланс между состояниями покоя и активности. [22] Во время травмы клетки-сателлиты в миофибриллах получают сигналы о пролиферации от белков в раздавленной скелетной мышце. Миофибриллы являются основными элементами мышц, состоящих из актиновых и миозиновых миофибрилл. Белки, ответственные за сигнализацию активации клеток-сателлитов, называются митогенами. Митоген — это небольшой белок, который побуждает клетку вступать в клеточный цикл. Когда клетки получают сигналы от нейронов, это заставляет миофибриллы деполяризоваться и высвобождать кальций из саркоплазматического ретикулума. Выделение кальция побуждает актиновые и миозиновые нити двигаться и сокращать мышцу. Исследования показали, что трансплантированные сателлитные клетки на миофибриллы поддерживают множественную регенерацию новой мышечной ткани. Эти результаты подтверждают гипотезу о том, что сателлитные клетки являются стволовыми клетками в мышцах. В зависимости от их относительного положения по отношению к дочерним клеткам на миофибриллах сателлитные клетки подвергаются асимметричному и симметричному делению. Ниша и местоположение определяют поведение сателлитных клеток в их пролиферации и дифференциации. В целом, скелетные мышцы млекопитающих относительно стабильны с небольшим оборотом миоядер. Незначительные повреждения от повседневной деятельности могут быть восстановлены без воспаления или гибели клеток. Серьезные повреждения способствуют некрозу миофибрилл, воспалению и вызывают активацию и пролиферацию сателлитных клеток. Процесс некроза миофибрилл в образование миофибрилл приводит к регенерации мышц. [23]
Регенерация мышц происходит в три перекрывающихся этапа. Воспалительная реакция, активация и дифференциация сателлитных клеток и созревание новых миофибрилл необходимы для регенерации мышц. Этот процесс начинается с гибели поврежденных мышечных волокон, где растворение сарколеммы миофибрилл приводит к увеличению проницаемости миофибрилл. Нарушение целостности миофибрилл проявляется в повышении уровня мышечных белков в плазме. Смерть миофибрилл вызывает приток кальция из саркоплазматического ретикулума, что вызывает деградацию тканей. Воспалительная реакция следует за некрозом миофибрилл. Во время роста и регенерации мышц сателлитные клетки могут перемещаться между миофибриллами и мышцами и через барьеры соединительной ткани. Сигналы из поврежденной среды вызывают эти поведенческие изменения в сателлитных клетках. [23]
При минимальной стимуляции сателлитные клетки in vitro или in vivo будут проходить программу миогенной дифференцировки.
К сожалению, похоже, что трансплантированные сателлитные клетки имеют ограниченную способность к миграции и способны регенерировать мышцы только в области места доставки. Таким образом, системное лечение или даже лечение всей мышцы таким образом невозможно. Однако было показано, что другие клетки в организме, такие как перициты и гемопоэтические стволовые клетки, способны способствовать восстановлению мышц аналогичным образом, что и эндогенные сателлитные клетки. Преимущество использования этих типов клеток для терапии мышечных заболеваний заключается в том, что они могут быть доставлены системно, автономно мигрируя к месту повреждения. Особенно успешной в последнее время была доставка мезоангиобластных клеток в модель мышечной дистрофии Дюшенна у золотистого ретривера , что эффективно излечило заболевание. [24] Однако размер использованной выборки был относительно небольшим, и с тех пор исследование подверглось критике за отсутствие надлежащего контроля за использованием иммунодепрессантов. Недавно было сообщено, что клетки, экспрессирующие Pax7, способствуют заживлению дермальных ран, принимая фиброзный фенотип посредством процесса, опосредованного Wnt/β-катенином. [25]
Мало что известно о регуляции сателлитных клеток. В то время как PAX3 и PAX7 в настоящее время вместе образуют окончательные сателлитные маркеры, гены Pax, как известно, являются слабыми транскрипционными активаторами. Динамика активации и покоя, а также индукция миогенной программы через миогенные регуляторные факторы , Myf5 , MyoD , миогенин и MRF4 , еще предстоит определить. [26]
Есть некоторые исследования, указывающие на то, что сателлитные клетки негативно регулируются белком, называемым миостатином . Повышенные уровни миостатина повышают регуляцию циклин-зависимого ингибитора киназы, называемого p21 , и тем самым подавляют дифференциацию сателлитных клеток. [27]
Миосателлитные клетки вносят наибольший вклад в регенерацию и восстановление мышц. [23] Это делает их основной целью для области мясного культивирования . Эти сателлитные клетки являются основным источником большинства постнатальных мышечных клеток, при этом эмбриональные миобласты отвечают за пренатальное формирование мышц. Одна сателлитная клетка может размножаться и становиться большим количеством мышечных клеток. [28]
Понимая, что клетки миосателлитов являются предшественниками большинства клеток скелетных мышц , была выдвинута теория, что если эти клетки можно было бы вырастить в лаборатории и поместить на каркасы для производства волокон, то мышечные клетки можно было бы использовать для производства продуктов питания. [29] Эта теория была доказана многими компаниями, растущими по всему миру в области культивирования мяса, включая Mosa Meat в Нидерландах и Upside Foods в США. [30] [31]
Обзор процесса культивирования в первую очередь включает выбор источника клеток. На этом начальном этапе происходит выбор типа мяса, например, если желаемым продуктом является говядина, то клетки берутся у коровы. Следующая часть включает в себя изоляцию и сортировку миосателлитных клеток из выбранного источника клеток. После разделения на клеточные компоненты миосателлитные клетки необходимо размножить с помощью биореактора , устройства, используемого для выращивания микроорганизмов или клеток в среде, которую можно легко контролировать. [32] Какая бы среда ни была выбрана, она будет имитировать клетки, находящиеся в идеальном состоянии для размножения в организме. После пролиферации клетки формируются с помощью каркаса. Эти каркасы могут быть органической структурой, такой как децеллюляризованные растительные или животные ткани, неорганической, такой как полиакриламид , или смесью того и другого. [33] После того, как клетки прикрепились к каркасу и полностью созрели, они стали сырым мясным продуктом. Последний шаг будет включать любые необходимые пищевые процессы, необходимые для желаемого конечного продукта. [34]