“年轻血液”中的长寿分子使衰老的小鼠肌肉恢复活力

  研究人员在血液循环的膜状颗粒中确定了小鼠肌肉年轻的关键介质NAD+,这一发现可以促进老年人的肌肉再生疗法。

“年轻血液”中的长寿分子使衰老的小鼠肌肉恢复活力插图NMN

  来自年轻小鼠的血液通过血液中称为细胞外囊泡 (EV) 的膜结合包裹使老化的肌肉恢复活力。

  衰老会影响电动汽车携带的货物,降低编码一种叫做 Klotho 的长寿蛋白的 mRNA 水平。

  注射含有 Klotho mRNA 的 EV 可改善肌肉再生,复制年轻小鼠血液对衰老肌肉的影响。

  从一些怪异的类似科学怪人的研究中,研究人员将年轻和年老老鼠的血管播种在一起,让两只啮齿动物之间的血液交换,研究人员表明,循环因子在再生和恢复活力中起着关键作用。除了向细胞输送氧气、营养物质和激素,同时去除二氧化碳等废物之外,血液还携带影响干细胞和组织(包括肌肉)衰老和功能的因素。虽然其中许多因素已被确定为自由循环的蛋白质,但研究表明,细胞分泌出称为细胞外囊泡 (EV) 的膜状颗粒,它们在解剖学上偏远的部位之间运输并充当生物分子信使。

  在《自然衰老》杂志上发表的一项研究中,匹兹堡大学医学中心 (UPMC) 的研究人员证明,携带特定遗传物质的 EV 驱动了年轻小鼠血液对衰老肌肉再生的有益作用。Sahu 及其同事表明,含有编码长寿蛋白 α-Klotho (Klotho) 的 mRNA 的 EV 可以模拟年轻小鼠的血液对衰老骨骼肌的影响。

  “出于几个原因,我们对这项研究感到非常兴奋,”资深作者、UPMC International 康复主任、皮特物理医学和康复副教授 Fabrisia Ambrosio 博士说。“在某种程度上,它帮助我们了解肌肉再生如何起作用以及随着年龄增长它如何失效的基本生物学。然后,将这些信息带到下一步,我们可以考虑使用细胞外囊泡作为治疗剂来抵消这些与年龄相关的缺陷。”

  (Ancel 和 Feige 2021 | Nature Aging) 年轻的 EV 通过 Klotho 转录本的穿梭在衰老过程中使骨骼肌再生恢复活力。随着年龄的增长,骨骼肌在组织损伤后失去了再生的潜力。萨胡等人。报告称,衰老通过将其轮廓偏向缺乏抗衰老因子 Klotho mRNA 的表达 CD63 的 EV 来改变循环 EV 的池。左图,这些变化损害了 EV 对肌源性细胞的承诺和线粒体氧化代谢的下游益处,导致肌肉修复受损和力量降低。对,相反,将 CD81 高表达的年轻 EV 注射到老年受体中,可将 Klotho 转录物穿梭回肌肉细胞,并提高肌肉氧化能力、再生能力和力量。

  通过接触年轻小鼠的血液使老化的肌肉恢复活力

  NMN实验研究

  循环因子在调节组织平衡和再生中起着至关重要的作用。用于识别这些循环因子对目标组织的影响的一种方法涉及年轻和年老小鼠的手术连接。该程序实现了异慢性血液交换——两只动物的循环系统的耦合,使老年小鼠暴露于年轻小鼠的循环因子,反之亦然。该模型为年龄相关因素对干细胞和组织(包括骨骼肌)功能的影响提供了有价值的见解。

  大多数研究异慢性联体共生对衰老组织功能的有益影响的研究主要集中在游离循环蛋白上。但越来越多的研究结果表明,细胞分泌的许多生物分子被包装在 EV 中,它们在解剖学上偏远的地点之间运输,并充当蛋白质和遗传物质的信使。已在大多数体液中鉴定出 EV,包括血浆、血清、尿液、唾液和脑脊液。新出现的证据表明,EV 中的 mRNA 货物可以靶向并重新编程各种组织中的细胞以调节功能。

  鉴于它们在细胞间通讯中的强大作用,电动汽车及其货物中与年龄相关的改变与年龄相关的疾病越来越相关也就不足为奇了。然而,尚未研究循环 EV 是否介导年轻血液对老年小鼠骨骼肌再生的“恢复活力”作用。“我们想知道细胞外囊泡是否有助于肌肉再生,因为这些信使通过血液和其他体液在细胞之间传播,”皮特物理医学和康复系博士后研究员 Amrita Sahu 博士说。 . “就像瓶子里的信息一样,电动汽车将信息传递给目标细胞。”

  循环细胞外囊泡调节衰老骨骼肌的再生

  在这项研究中,Sahu 及其同事评估了循环 EV 对年轻血清对衰老肌肉干细胞和骨骼肌再生级联的有益作用的贡献。UPMC 研究人员表明,年轻的血清可以恢复来自肌肉干细胞的衰老肌肉细胞后代的年轻生物能量和肌原特征。这种效果取决于循环 EV 的存在。此外,虽然年轻的 EV 货物保留了靶肌肉细胞中的线粒体结构和功能,但老年 EV 货物会传播线粒体功能障碍。

  Sahu 及其同事接下来评估了循环 EV 是否有助于先前报道的年轻血清对小鼠骨骼肌再生的有益影响。为此,老年小鼠接受了连续尾静脉注射年轻血清或耗尽 EV 的血清。伤后 11 天,血液交换显着促进骨骼肌再生和功能恢复,这分别由肌纤维横截面积和收缩测试确定。然而,在没有循环 EV 的情况下,年轻血清对肌肉再生潜力的有益作用就丧失了。这表明年轻血清对老化肌肉再生和功能的有益作用至少部分取决于循环 EV。

  (Sahu 等人,2021 | Nature Aging)年轻血清对老化肌肉再生的有益作用取决于循环 EV。从接受对照(假)、年轻血清或 EV 耗尽的年轻血清治疗的小鼠再生受伤肌肉时,肌肉纤维的横截面积(左上)和产生的力(右上)的量化。对接受盐水、年轻血清 EV 或老年血清 EV 的老年小鼠的受伤胫骨肌肉中再生纤维的数量(左下)和产生的力(右下)进行量化。

  EV 中的 Klotho mRNA 有助于功能性骨骼肌再生

  为了了解是什么推动了年轻血清的有益效果,Sahu 及其同事对 EV 货物进行了分类。他们发现,电动汽车显示出与年龄相关的 Klotho mRNA 水平下降。这种长寿蛋白与维持线粒体生物能量学和骨骼肌健康呈正相关。值得注意的是,研究人员发现年轻 EV 对肌肉祖细胞生物能量学和骨骼肌再生的影响取决于 Klotho mRNA 的存在。

  为了证明年轻 EV 对肌肉再生的有益作用取决于 Klotho 转录水平,Sahu 和他的同事从年轻小鼠身上分离出的 EV 被注射到老年小鼠体内,这些小鼠要么编码 Klotho 的遗传物质有一半被删除,要么在基因上没有改变。 Klotho mRNA 水平显着降低。与那些从具有完整遗传物质的小鼠那里接受 EV 的动物相比,从缺失一半编码 Klotho 的遗传物质的年轻小鼠那里接受 EV 的老年动物表现出大肌纤维显着减少、肌纤维瘢痕(纤维化)增加和力量恢复受损.

  现象(Sahu等,2021 |。自然老化)从小鼠缺乏胞外囊泡(EV)用为的Klotho已经减少骨骼肌再生。接受来自具有编码 Klotho 的全套遗传物质 (KL+/+) 或半组 (KL+ /-)。

  Sahu 和他的同事把这个实验颠倒过来,用一半编码 Klotho 的遗传物质对小鼠进行了改造,使 EV 能够产生合成的 Klotho mRNA。当 UPMC 和匹兹堡大学的研究人员向受伤的老年小鼠注射这些基因工程 EV 时,他们观察到与缺少 Klotho 遗传物质的同行相比,肌纤维尺寸显着改善,纤维化减少。总之,这些发现支持循环 EV 中的 Klotho 转录物促进功能性骨骼肌再生的结论。

  (Sahu et al., 2021 | Nature Aging )细胞外囊泡 (EV) 中的 Klotho mRNA 有助于骨骼肌再生。代表性图像 (g) 和老年小鼠胫骨肌纤维横截面积 (h) 的分析,这些小鼠接受了来自小鼠的 EV,小鼠的 Klotho (Kl+/-) 遗传物质的一半装载了对照或合成的 Klotho (synKL) mRNA。线粒体标志物琥珀酸脱氢酶亚基 A (SDHA) 的成像 (j) 和量化 (k) 在接受来自小鼠的 EVs 的损伤部位再生肌纤维中,这些小鼠的 EVs 来自具有一半 Klotho (Kl+/-) 的遗传物质加载了对照或合成的 Klotho (synKL) mRNA。

  电动汽车和肌肉再生的下一步是什么?

  总之,这些发现表明循环 EV 中的 Klotho 转录物有助于对老年骨骼肌再生的系统调节。“电动汽车可能有助于提高老年人肌肉的再生能力并改善受伤后的功能恢复,” Ambrosio说。

  她说,他对设计带有特定货物的电动汽车感到非常兴奋,这样我们就可以决定靶细胞的反应。 对循环 EV 减弱、预防甚至逆转与年龄相关的骨骼肌再生衰退的潜力的机制理解增强,可能有助于为开发基于 EV 的治疗方法铺平道路,以造福不断增长的老龄化人口。