Влияние моделирования аутофагии в стволовых клетках на регенерацию миелоидной ткани мышей после их сублетального облучения

Введение. Острая лучевая болезнь в настоящее время остается одной из актуальных проблем современной медицины. Новая стратегия с использованием мезенхимальных стволовых клеток (МСК) показывает свою эффективность. Однако степень и результаты научной разработанности терапии МСК противоречивы и требуют дальнейшего исследования с оценкой пролиферативной и секреторной активности, в частности выработки гемопоэз-индуцирующих факторов роста, уровня активации гемопоэза.

Цель работы — моделирование процесса аутофагии с оценкой степени восстановления гемопоэза с использованием модулированных МСК.

Материалы и методы. Эксперимент проведен на 60 аутбредных мышах. Все группы животных, за исключением контрольной, подверглись воздействию ионизирующего излучения (ИИ) с последующими трансплантацией модулированных и немодулированных МСК, оценкой ретикулоцитов и лейкоцитарной формулы в анализе крови, а также костного мозга с подсчетом миелограммы и проведением иммуноферментного анализа. Статистический анализ проводился с использованием программы IBM SPSS Statistics 27.

Результаты. После воздействия ИИ отмечается снижение лимфоидного (–45,0 %), нейтрофильного (–19,5 %) и мегакариоцитарного (–52,2 %) ростков. Экспрессия SCF и Flt3-ligand была выше в группе МСК ++ трегалоза по сравнению с рапамицином на 16,3 % и 19,7 % соответственно. Отмечен терапевтический эффект применения МСК в виде повышения клеточности костного мозга на +11,1 % за счет клеток нейтрофильного и лимфоидного дифферонов. Применение МСК с активированной в них mTOR-независимой аутофагией сопровождалось большим увеличением клеточности костного мозга среди исследуемых групп: лимфоциты +12,9 %, мегакариоциты +15,2 %. При ингибировании аутофагии в МСК отмечается снижение миелокариоцитов (–8,7 %), нейтрофильного (–14,5 %) и лимфоидного (–9,8 %) дифферонов.

Заключение. Применения МСК с активированной mTOR-независимой аутофагией имеет больший терапевтический потенциал в восстановлении гемопоэза. Ингибирование аутофагии в МСК ухудшает их биологические свойства в отношении выработки факторов роста и регенерации миелоидной ткани после воздействия ИИ.

1. Jones JA, Karouia F, Cristea O, Casey RC, Popov D, Maliev V. Ionizing radiation as a carcinogen. In: Comprehensive toxicology. 3rd ed. Elsevier Science; 2018. P. 183–225. DOI: https://doi.org/10.1016/B978-0-12801238-3.64295-2.

2. Benderitter M, Caviggioli F, Chapel A, Coppes RP, Guha C, Klinger M, et al. Stem cell therapies for the treatment of radiation-induced normal tissue side effects. Antioxidants & Redox Signaling. 2014;21(2):338–355. DOI: https://doi.org/10.1089/ars.2013.5652.

3. Puckett Y, Al-Naser YA, Nappe TM. Ionizing radiation. In: StatPearls. Treasure Island: StatPearls Publishing. PMID: https://pubmed.gov/30480970.

4. Fukumoto R. Mesenchymal stem cell therapy for acute radiation syndrome. Military Medical Research. 2016;3:17. DOI: https://doi.org/10.1186/s40779-016-0086-1.

5. Friedenstein J, Petrakova KV, Kurolesova AI, Frolova GP. Heterotopic of bone marrow. Analysis of precursor cells for osteogenic and hematopoietic tissues. Transplantation. 1968;6(2):230–247. DOI: https://doi.org/10.1097/00007890-196803000-00009.

6. Deans J, Moseley AB. Mesenchymal stem cells: Biology and potential clinical uses. Experimental Hematology. 2000;28(8):875–884. DOI: https://doi.org/10.1016/s0301-472x(00)00482-3.

7. El-Naseery NI, Elewa YHA, El-Behery EI, Dessouky AA. Human umbilical cord blood-derived mesenchymal stem cells restored hematopoiesis by improving radiation induced bone marrow niche remodeling in rats. Annals of Anatomy — Anatomischer Anzeiger. 2023;250:152131. DOI: https://doi.org/10.1016/j.aanat.2023.152131.

8. Xie Q, Liu R, Jiang J, Peng J, Yang C, Zhang W, et al. What is the impact of human umbilical cord mesenchymal stem cell transplantation on clinical treatment? Stem Cell Research & Therapy. 2020;11(1):519. DOI: https://doi.org/10.1186/s13287-020-02011-z.

9. Dehnavi S, Sadeghi M, Tavakol Afshari J, Mohammadi M. Interactions of mesenchymal stromal/stem cells and immune cells following MSC-based therapeutic approaches in rheumatoid arthritis. Cell Immunology. 2023;393–394:104771. DOI: https://doi.org/10.1016/j.cellimm.2023.104771.

10. Sarıkaya A, Aydın G, Özyüncü Ö, Şahin E, Uçkan-Çetinkaya D, Aerts-Kaya F. Comparison of immune modulatory properties of human multipotent mesenchymal stromal cells derived from bone marrow and placenta. Biotechnic & Histochemistry. 2022;97(2):79–89. DOI: https://doi.org/10.1080/10520295.2021.1885739.

11. Arki MK, Moeinabadi-Bidgoli K, Niknam B, Mohammadi P, Hassan M, Hossein-Khannazer N, et al. Immunomodulatory performance of GMP-compliant, clinical-grade mesenchymal stromal cells from four different sources. Heliyon. 2024;10(2):e24948. DOI: https://doi.org/10.1016/j.heliyon.2024.e24948.

12. Abumaree MH, Abomaray FM, Alshabibi MA, AlAskar AS, Kalionis B. Immunomodulatory properties of human placental mesenchymal stem/stromal cells. Placenta. 2017;59:87–95. DOI: https://doi.org/10.1016/j.placenta.2017.04.003.

13. Mathew SA, Naik C, Cahill PA, Bhonde RR. Placental mesenchymal stromal cells as an alternative tool for therapeutic angiogenesis. Cellular and Molecular Life Sciences. 2020;77(2):253–265. DOI: https://doi.org/10.1007/s00018-019-03268-1.

14. Maklakova IYu, Yastrebov AP, Grebnev D Yu. Changing of the morphometric and cytological indexes of the spleen in the condition of acute blood loss on the background of stem cells insertion. Uspekhi gerontologii. 2015;28(2):218–221. (In Russ.). EDN: https://elibrary.ru/UDENCH.

15. Grebnev DYu, Maklakova IYu, Yastrebov AP. The effect of different doses of HSC during combined transplantation with MSC on the regeneration of myeloid tissue after exposure to ionizing radiation. Journal of Ural Medical Academic Science. 2014;(5):73–75. (In Russ.). EDN: https://www.elibrary.ru/TKZMWB.

16. Grebnev DYu, Yastrebov AP, Maklakova IYu. Changes in the morphometric parameters of the spleen of old laboratory animals after exposure to ionizing radiation on the background of stem cell transplantation. Kazan Medical Journal. 2013;94(6):911–914. (In Russ.). DOI: https://doi.org/10.17816/KMJ1818.

17. Maklakova IYu, Grebnev DYu, Osipenko AV. Influence of combined transplantation of multipotent mesenchymal stromal cells and stellate liver cells on its morphofunctional state after partial hepatectomy. Ural Medical Journal. 2021;20(1):16–22. (In Russ.). DOI: https://doi.org/10.52420/2071-5943-2021-20-1-16-22.

18. Azarbarz N, Nejaddehbashi F, Khorsandi L, Bijan Nejad D, Sayyahi A. Autophagy enhances the differentiation of insulin-producing cells from Wharton’s jelly-derived mesenchymal stem cells. Tissue and Cell. 2024;88:102384. DOI: https://doi.org/10.1016/j.tice.2024.102384.

19. Verma J, Rai AK, Satija NK. Autophagy perturbation upon acute pyrethroid treatment impacts adipogenic commitment of mesenchymal stem cells. Pesticide Biochemistry and Physiology. 2023;195:105566. DOI: https://doi.org/10.1016/j.pestbp.2023.105566.

20. Liu S, Yao S, Yang H, Liu S, Wang Y. Autophagy: Regulator of cell death. Cell Death & Disease. 2023; 14(10):648. DOI: https://doi.org/10.1038/s41419-023-06154-8.

21. Klionsky DJ, Petroni G, Amaravadi RK, Baehrecke EH, Ballabio A, Boya P, et al. Autophagy in major human diseases. The EMBO Journal. 2021;40(19):e108863. DOI: https://doi.org/10.15252/embj.2021108863.

22. Molaei S, Roudkenar MH, Amiri F, Harati MD, Bahadori M, Jaleh F, et al. Down-regulation of the autophagy gene, ATG7, protects bone marrow-derived mesenchymal stem cells from stressful conditions. Blood Research. 2015;50(2):80–86. DOI: https://doi.org/10.5045/br.2015.50.2.80.

23. Gao L, Cen S, Wang P, Xie Z, Liu Z, Deng W, et al. Autophagy improves the immunosuppression of CD4+ T cells by mesenchymal stem cells through transforming growth factor-β1. Stem Cells Translational Medicine. 2016;5(11):1496–1505. DOI: https://doi.org/10.5966/sctm.2015–0420.

24. Kim KW, Moon SJ, Park MJ, Kim BM, Kim EK, Lee SH, et al. Optimization of adipose tissue-derived mesenchymal stem cells by rapamycin in a murine model of acute graft-versus-host disease. Stem Cell Research & Therapy. 2015;6:202. DOI: https://doi.org/10.1186/s13287-015-0197–8. Erratum in: Stem Cell Research & Therapy. 2016;7(1):80. DOI: https://doi.org/10.1186/s13287-016-0336-x.

25. Dang S, Yu ZM, Zhang CY, Zheng J, Li KL, Wu Y, et al. Autophagy promotes apoptosis of mesenchymal stem cells under inflammatory microenvironment. Stem Cell Research & Therapy. 2015;6:247. DOI: https://doi.org/10.1186/s13287-015-0245-4.

26. Chen X, Li M, Li L, Xu S, Huang D, Ju M, et al. Trehalose, sucrose and raffinose are novel activators of autophagy in human keratinocytes through an mTOR-independent pathway. Scientific Reports. 2016;6:28423. DOI: https://doi.org/10.1038/srep28423.

27. Kim JS, Jang WS, Lee S, Son Y, Park S, Lee SS. A study of the effect of sequential injection of 5-androstenediol on irradiation-induced myelosuppression in mice. Archives of Pharmacal Research. 2015;38(6):1213–1222. DOI: https://doi.org/10.1007/s12272-014-0483-5.

28. Parasuraman S, Raveendran R, Kesavan R. Blood sample collection in small laboratory animals. Journal of Pharmacology & Pharmacotherapeutics. 2010;1(2):87–93. DOI: https://doi.org/10.4103/0976-500X.72350.

29. Yu H, Zhang T, Lu H, Ma Q, Zhao D, Sun J, et al. Granulocyte colony-stimulating factor (G-CSF) mediates bone resorption in periodontitis. BMC Oral Health. 2021;21(1):299. DOI: https://doi.org/10.1186/s12903021-01658-1.

30. Durandt C, van Vollenstee FA, Dessels C, Kallmeyer K, de Villiers D, Murdoch C, et al. Novel flow cytometric approach for the detection of adipocyte subpopulations during adipogenesis. Journal of Lipid Research. 2016;57(4):729–742. DOI: https://doi.org/10.1194/jlr.D065664.

31. Chinnadurai R, Forsberg MH, Kink JA, Hematti P, Capitini CM. Use of MSCs and MSC-educated macrophages to mitigate hematopoietic acute radiation syndrome. Current Stem Cell Reports. 2020;6(3):77–85. DOI: https://doi.org/10.1007/s40778-020-00176-0.

32. Schroeder T. Hematopoietic stem cell heterogeneity: subtypes, not unpredictable behavior. Cell Stem Cell. 2010;6(3):203–207. DOI: https://doi.org/10.1016/j.stem.2010.02.006.

33. Du J, He H, Li Z, He J, Bai Z, Liu B, et al. Integrative transcriptomic analysis of developing hematopoietic stem cells in human and mouse at single-cell resolution. Biochemical and Biophysical Research Communications. 2021;558:161–167. DOI: https://doi.org/10.1016/j.bbrc.2021.04.058.

34. Wilson NK, Kent DG, Buettner F, Shehata M, Macaulay IC, Calero-Nieto FJ, et al. Combined single-cell functional and gene expression analysis resolves heterogeneity within stem cell populations. Cell Stem Cell. 2015;16(6):712–724. DOI: https://doi.org/10.1016/j.stem.2015.04.004.

35. Kostjunina VS, Petyovka NV, Potapnev MP. Different expression of hematopoietic-supporting genes in cord, placental and bone marrow mesenchymal stromal cells. Genes & Cells. 2015;10(1):61–68. (In Russ.). DOI: https://doi.org/10.23868/gc120484.

36. Lamark T, Johansen T. Aggrephagy: Selective disposal of protein aggregates by macroautophagy. International Journal of Cell Biology. 2012;2012:736905. DOI: https://doi.org/10.1155/2012/736905.

37. de la Cruz López KG, Toledo Guzmán ME, Sánchez EO, García Carrancá A. mTORC1 as a regulator of mitochondrial functions and a therapeutic target in cancer. Frontiers in Oncology. 2019;9:1373. DOI: https://doi.org/10.3389/fonc.2019.01373.