Роль гиалуроновой кислоты в регуляции иммуно- и миелопоэза Халдояниди, София Константиновна

Введение к работе

Актуальность проблемы. Высокая значимость проблемы гемопоэтиче- ской стволовой клетки (ГСК) для биологии и медицины определяется ее иерархическим положением в клеточной дифференцировке, дающей начало пулу жизненно важных популяций клеток периферической крови - лимфоцитам (естественным киллерам, Т- и В-клеткам), мононуклеарным фагоцитам (моноцитам и макрофагам), дендритным клеткам, гранулоцитам (нейтрофилам, базофилам и эозинофилам), тучным клеткам, тромбоцитам и эритроцитам, формируемым через дочерние клетки-предшественники - миелоидные и лимфоидные предшественники. Проблема регуляции иммунологической реактивности - ключевая в теоретической и практической иммунологии - не может быть полностью решена без знания механизмов регуляции процессов пролиферации, дифференцировки и миграции ГСК, которые постоянно пополняют пул иммунных клеток в процессе жизнедеятельности организма [Козлов В.А. и др., 1982; Essers et al., 2009; Sato et al., 2009; Massberg et al., 2007; Martijn et al, 2005].

Вовлечение ГСК в процесс иммуногенеза иллюстрируется данными 6070-х годов об усилении пролиферативной активности (а также повышении миграции ГСК из костного мозга в селезенку) при антигеном воздействии любого характера: растворимые и корпускулярные антигены, опухолевые и трансплантационные антигены [Козлов В.А. и др., 1982; Feher, Antal et al., 1974].

Регуляцию пролиферации, дифференцировки и самоподдержания ГСК в костном мозге осуществляет гемопоэтическое микроокружение (ниша ГСК), концепция которой была сформулирован три десятилетия назад [Schofield, 1983]. Однако стратегии, используемые в настоящее время в клинике для стимуляции супрессированного химиотерапией или облучением гемопоэза, не рассматривают гемопоэтическую нишу как мишень для терапевтических воздействий. Этот недостаток обьясняется тем, что фундаментальные молекулярные механизмы, регулирующие функционирование ниши, изучены недостаточно и, следовательно, не могут быть использованы для разработки новых стратегий.

Cегодня признанно, что клеточный состав гемопоэтической ниши гете- рогенен и представлен популяциями клеток гемопоэтического (макрофаги, лимфоциты, остеокласты и т.д.) и мезенхимального (стромальные клетки, остеобласты, адипоциты и т.д.) происхождения [Bianco and Gehron Robey 2000; Minguell, Conget et al., 2000]. Внеклеточный компартмент ниши состоит из свободных и ассоциированных с клеточной поверхностью ростовых факторов, адгезивных молекул, а также молекул внеклеточного матрикса, продуцируемых клетками ниши [Gupta, Oegema et al., 1998]; [Chabannon, Torok-Storb, 1992; Klein, 1995; Verfaillie, 1998]. Важным компонентом внеклеточного матрикса в костном мозге являются гликозаминогликаны, одной из важнейших функций которых является связывание ростовых факторов и поддержание их локальной концентрации в микроокружении ГСК. Основным небелковым гликозаминогликановым компонентом внеклеточного матрикса (ВКМ) в костном мозге является гиалуроновая кислота (ГК) [Siczkowski, Andrew et al., 1993], которая представляет собой одно- цепочечную молекулу, состоящюю из повторяющихся дисахаридных комплексов глюкуроновой кислоты и N-ацетиглюкозамина [Linker, Mayer, 1954]. Первоначально считалось, что ГК выполняет роль структурного организатора внеклеточного пространства, связывая соли и воду. Более поздние исследования продемонстрировали, что гиалуроновая кислота является активным компонентом ВКМ, взаимодействуя со множеством внеклеточных молекул [Fraser, Laurent et al. 1997]. Идентификация рецепторов, связывающих гиалуроновую кислоту, продемонстрировала ее вовлечение в специфические взаимодействия между ли- гандом и рецептором, определяющие функции гемопоэтических и иммуноком- петентных клеток, такие как пролиферация [Brecht, Mayer et al., 1986; Hamann, Dowling et al., 1995], миграция [Andreutti, Geinoz et al., 1999], продукция цитоки- нов [Noble, Lake et al., 1993; Hodge-Dufour, Noble et al., 1997; Khaldoyanidi, Moll et al., 1999] и экспрессия молекул адгезии [Oertli, Beck-Schimmer et al., 1998]. Тем не менее в опубликованных работах наблюдаются противоречивые результаты, что, по-видимому, связано с использованием ГК различной молекулярной массы.

Гиалуроновая кислота является нестабильной молекулой. В нормальных условиях ГК деградируется специфическим энзимом гиалуронидазой. Деградацию гиалуроновой кислоты, или нарушение ее синтеза и аккумуляции могут вызывать и другие факторы, такие как ультрафиолетовое облучение [Schmut, Ansari et al., 1994; Koshiishi, Horikoshi et al., 1999], 5-флуороурацил [Young, Hehn et al., 1994], гидрокортизон и др. [Yaron, Yaron et al., 1977]. Обнаружено, что в условиях тотального облучения организма происходит снижение уровня глико- заминогликанов, включая гиалуроновую кислоту, в селезенке и костном мозге [Noordegraaf, Erkens-Versluis et al., 1981]. Показано, что в процессе облучения гиалуроновая кислота подвергается химической деградации и деполимеризации [Rehakova, Bakos et al.,1994], степень которой зависит от дозы облучения. Облучение нарушает трехмерную структуру полимера, индуцируя фрагментацию ГК цепи [Srinivas, Ramamurthi, 2007]. В то же время облучение не влияет на синтез гиалуроновой кислоты [Matsumoto, Iwasaki et al., 1994; Pye, Kumar et al., 1994].

В настоящее время остается неисследованной роль гиалуроновой кислоты в регуляции гемопоэтического микроокружения (ниши). Индуцированное химиотерапией или облучением снижение концентрации гиалуроновой кислоты в костном мозге может нарушить гомеостаз в системе гемопоэза и усугубить состояние гипоплазии и панцитопении. Это положение определило цель и задачи исследования.

В связи с вышеизложенным, цель исследования заключалась в выявлении молекулярно-клеточных механизмов, опосредующих участие гиалуроновой кислоты в регуляции функциональной активности гемопоэтических стволовых клеток и гемопоэтического микроокружения (ниши).

В рамках поставленной цели решались следующие задачи:

1. Изучить экспрессию ГК полимеров, ГК синтетаз и ГК рецепторов в клетках костного мозга.

1. Исследовать зависимость лимфо- и миелопоэтической активности от уровня гиалуроновой кислоты в костном мозге.

2. Изучить молекулярные механизмы, опосредующие эффекты гиалуроно- вой кислоты на лимфо- и миелопоэз.

3. Выяснить влияние гиалуроновой кислоты на миграцию гемопоэтических клеток.

4. Изучить влияние экзогенной гиалуроновой кислоты на восстановление супрессированного химиотерапией и облучением гемопоэза.

5. Охарактеризовать роль гиалуроновой кислоты в процессе дифференци- ровки эмбриональной стволовой клетки (ЭСК) в гемопоэтические клетки.

Научная новизна:

Впервые показано, что для поддержания активного костномозгового гемопоэза необходимо присутствие гиалуроновой кислоты, синтетаз, продуцирующих гиалуроновую кислоту (HAS), и рецептора CD44, опосредующего эффекты гиалуроновой кислоты на лимфо- и миелопоэз.

Получены новые данные о молекулярных механизмах, доказывающих важную роль гиалуроновой кислоты как компонента гемопоэтического микроокружения, вовлеченного в регуляцию гемопоэтического гомеостаза: показана способность гиалуроновой кислоты регулировать 1) продукцию цитокинов, стимулирующих пролиферацию ГСК и коммитированных предшественников: ИЛ-1, ИЛ-6, ИЛ-9, ИЛ-12, Г-КСФ, IGFBP-3 и LIX; 2) экспрессию поверхностных молекул (VCAM-1), обуславливающих адгезию гемопоэтических стволовых клеток и их удержание в нише. Впервые показано, что регуляторные эффекты гиалуроно- вой кислоты в гемопоэтической нише зависят от молекулярной массы ГК полимеров: стимулирующим эффектом обладают полимеры гиалуроновой кислоты с высокой молекулярной массой, в то время как полимеры с низкой молекулярной массой не эффективны.

Впервые получены данные о стимулирующем эффекте гиалуроновой кислоты на супрессированный облучением или химиотерапией костномозговой гемо- поэз: внутривенное введение экзогенной гиалуроновой кислоты приводит к ускорению восстановления численности клеток в костном мозге и периферической крови у животных.

Получены новые данные, доказывающие регуляторную роль гиалуроновой кислоты в процессах миграции ГСК: показано, что гиалуроновая кислота стимулирует рекрутирование ГСК и удержание их в костномозговой нише посредством усиления продукции хемокинов и экспрессии молекул адгезии. Обнаружено, что после введения гиалуроновой кислоты наблюдается временное повышение числа зрелых клеточных элементов в периферической крови: гиалуроновая кислота усиливает мобилизацию из костного мозга зрелых клеток, но не их предшественников.

Показана важная роль ГК как аутокринного регуляторного агента, определяющего дифференцировку эмбриональных стволовых клеток в направлении гемопоэтической линии.

Теоретическая и практическая значимость исследования.

Представленная работа расширяет представления о структуре гемопоэтического микроокружения (ниши ГСК) и впервые демонстрирует регуляторную роль гиалуроновой кислоты как важного компонента ниши ГСК. На моделях in vitro продемонстрированы регуляторные эффекты гиалуроновой кислоты в отношении продукции цитокинов и экспрессии молекул адгезии. На моделях in vivo показана роль гиалуроновой кислоты в регенерации ниши и восстановлении супрессированного гемопоэза. В совокупности, полученные в работе результаты представляют собой крупное научное достижение в исследовании гемопоэтического микроокружения, формирующее взгляд на роль гемопоэтической ниши как мишени для терапевтического воздействия в процессе регенерации иммуно- и миелопоэза и теоретически обосновывают регуляторную роль гиалуроновой кислоты в этом процессе, эффекты которой определяются балансом ростовых факторов и адгезивных молекул в нише.

Полученные результаты представляют собой основу для дальнейшего изучения ГК как потенциального терапевтического средства. Использование ГК в клинической гематологии позволяет сократить период костномозговой гипоплазии и панцитопении и может сочетаться с применением ростовых факторов (цитокинов) после химио- или радиотерапии, в том числе в сочетании с трансплантацией ГСК.

Положения, выносимые на защиту.

5. 1. Гиалуроновая кислота является элементом гемопоэтического микроокружения, регулирующим продукцию цитокинов и экспрессию адгезивных молекул в клетках костного мозга путем активации CD44.

   2. Гиалуроновая кислота регулирует рекрутирование ГСК, но не их мобилизацию.

   3. Гиалуроновая кислота необходима для дифференцировки ЭСК в мезодермальном направлении и генерирования гемопоэтических клеток.

   Личный вклад автора в проведение исследования.

   Все представленные результаты экспериментальных исследований получены лично автором, либо при его непосредственном участии.

   Апробация материалов диссертации.

   Результаты работы обсуждены на семинарах, в т.ч. Stem Cell Consortium, 2003, Burnham Institute, La Jolla, California; Noble lecture tour with Dr. Gunter Blo- bel, Nobel Price Laureate, 2004, Beijing, Dalian, Nanjin and Shanghai, China; Jawa- harlal Nehru University, December, 2005, Delhi, India; Результаты работы докладывались на международных конференциях, включая 2nd Annual Congress of International Drug Discover Science and Technology (IDDST), 2004, Beijing, China; International Conference on Hyaluronan 2007, Charleston, USA; Stem Cell Symposium, Children's Hospital Orange County, March 15^th, 2007; American Academy of Allergy, Asthma and Immunology 56^th Annual Meeting, San Diego, California, USA, 1999; 13^th International Symposium on Molecular Biology of Hematopoiesis and

   Treatment of Leukemia, Lymphoma & Cancer, New York, USA, 2000; International Symposium Recent Advances in Stem Cell Transplantation, San Diego, California, 2003; 32^nd, 33^rd, 35^th и 37^th Annual Meeting of the International Society for Experimental Hematology (Paris, France 2003; New Orleans, 2004; Minneapolis, 2006; Boston, 2008); и International Conference Hyaluronan 2010, Kyoto, Japan. Апробация диссертации состоялась на расширенном заседании Проблемной комиссии МНС 56.08 «Иммунология» с участием сотрудников НИ Института клинической иммунологии СО РАМН 2 сентября 2010 г.

   Публикации. По материалам диссертации опубликована 41 работа, из них 3 обзора и 22 статьи в изданиях, включенных в системы цитирования, рекомендованных ВАК для публикации материалов диссертационных работ.

   Структура и объем диссертации.

   Похожие диссертации на Роль гиалуроновой кислоты в регуляции иммуно- и миелопоэза

   

   Роль перитонеальных факторов в регуляции инвазивности и апоптоза эндометриальных клеток при наружном генитальном эндометриозеФилиппова, Екатерина Сергеевна

   Роль цитотрофобласта плаценты человека в регуляции способности дендритных клеток стимулировать клеточные формы иммунных реакцийМатвеичев, Алексей Валерьевич

   

   Роль децидуальных естественных киллеров в регуляции инвазивных свойств трофобласта при неосложнённой беременности и самопроизвольном выкидыше на ранних сроках гестацииВоронин, Дмитрий Николаевич

   

   Роль адипокинов и провоспалительных цитокинов в регуляции метаболических и иммунопатологических процессов при коррекции ожиренияАксенова Наталия Николаевна

   Биологически активные пептиды костного мозга и их роль в регуляции грануломоноцитопоэза : Экспериментальное исследованиеМихальцов, Александр Николаевич

   Гуморальные факторы Т-клеток и их роль в регуляции поствакцинального иммунитетаЩурина, Галина Викторовна

   Патогенетическая роль нейрогуморальных механизмов регуляции интра- и экстрацеллюлярного кальция при развитии гипертензивных состояний в зависимости от типа кровообращенияДикань, Вячеслав Евгеньевич

   

   Роль нарушений вегетативной регуляции и мышечного метаборефлекса в снижении физической работоспособности и влияние на них терапии бета-адреноблокаторами у больных постинфарктным кардиосклерозом с хронМолчанова Ирина Владимировна

   

   Роль моноаминов в регуляции кроветворных предшественников различных классов в услови-ях цитостатической миелосупрессииХмелевская, Екатерина Сергеевна

   

   Роль нейтропептидов в регуляции реакций тучных клеток при хирургическом повреждении миокардаСинцов Дмитрий Львович