Starzenie się komórek jest formą reakcji na stres charakteryzującą się stabilnym zatrzymaniem cyklu komórkowego. W ciągu ostatniej dekady badania zdecydowanie wykazały, że starzenie się jest związane z różnymi procesami biologicznymi i patologicznymi, w tym rozwojem embrionalnym, zwłóknieniem i starzeniem się organizmu1,2. Starzenie się komórek zostało po raz pierwszy zidentyfikowane w ludzkich fibroblastach pod koniec ich replikacyjnej długości życia wywołanej skracaniem telomerów3. Oprócz stresu replikacyjnego istnieje wiele innych bodźców, które mogą indukować starzenie się, w tym uszkodzenia DNA, stres oksydacyjny, sygnały onkogenne i zmiany genomowe/epigenomiczne, z których każdy może ostatecznie aktywować szlaki p53/p21 i/lub pRB w celu ustanowienia i wzmocnienia trwałego zatrzymania wzrostu1. Jedną z ważnych cech komórek starczych jest to, że pozostają one metabolicznie aktywne i silnie wyrażają fenotyp wydzielniczy związany ze starzeniem się (SASP): wydzielanie wielu cytokin zapalnych, czynników wzrostu i czynników macierzy zewnątrzkomórkowej4. Zaproponowano, że czynniki SASP odgrywają ważną rolę w pośredniczeniu i wzmacnianiu efektu starzenia, ze względu na ich silny wpływ na przyciąganie komórek odpornościowych i zmianę miejscowego i ogólnoustrojowego środowiska tkankowego1. Co ciekawe, ostatnio zaproponowano starzenie się jako ważne dla naprawy i regeneracji tkanek5,6. Ponadto dane z kilku laboratoriów, w tym z naszego, sugerują, że starzenie się wywołane uszkodzeniem tkanek może zwiększać plastyczność komórkową za pośrednictwem SASP, aby promować regenerację7-9. Dlatego wszystkie pojawiające się dane podkreślają znaczenie badania starzenia się in vivo.
W erze po indukcji pluripotencjalnych komórek macierzystych (iPSC), plastyczność komórkowa to zdolność komórki do uzyskania nowej tożsamości i przyjęcia alternatywnego losu po wystawieniu na działanie różnych bodźców, zarówno w hodowli, jak i in vivo10. Wiadomo, że pełne przeprogramowanie można osiągnąć in vivo11,12, gdzie ekspresja kasety zawierającej cztery czynniki Yamanaka: Oct4, Sox2, Klf4 i c-Myc (OSKM) może być indukowana in vivo, aby promować powstawanie potworniaków w wielu narządach. W związku z tym reprogramowalny model myszy (i4F) może być używany jako potężny system do identyfikacji krytycznych regulatorów i ścieżek, które są ważne dla plastyczności komórkowej11.
Odpowiedni i czuły system in vivo jest niezbędny do zrozumienia, jak starzenie się komórek reguluje plastyczność komórkową w kontekście regeneracji tkanek. W tym miejscu przedstawiamy solidny system i szczegółowy protokół do oceny związku między starzeniem się a plastycznością komórkową w kontekście regeneracji tkanek. Połączenie indukowanego przez kardiotoksynę (CTX) uszkodzenia mięśni w grupie mięśni piszczelowej przedniej (TA), dobrze ugruntowanego systemu do badania regeneracji tkanek, oraz mysiego modelu i4F, pozwala na wykrycie zarówno starzenia się komórek, jak i przeprogramowania in vivo podczas regeneracji mięśni.
Aby ocenić związek między plastycznością komórkową a starzeniem się, myszy i4F są raniene za pomocą CTX w celu wywołania ostrego uszkodzenia mięśni i leczone doksycykliną (0,2 mg/ml) przez 7 dni w celu wywołania przeprogramowania in vivo. Chociaż protokół ostrego uszkodzenia i regeneracji mięśni wywołanego CTX został niedawno opublikowany13, ze względów etycznych procedura ta zostanie pominięta w obecnym protokole. Próbki mięśni TA zostaną pobrane po 10 dniach od urazu13, kiedy wcześniej zaobserwowano szczyt komórek starczych14. W tym przypadku ten szczegółowy protokół opisuje wszystkie kroki wymagane do oceny poziomu starzenia się (za pomocą SA-β-Gal) i przeprogramowania (poprzez barwienie IHC Nanog).
Test beta-galaktozydazy (SA-β-Gal) związany ze starzeniem jest najczęściej używanym testem do wykrywania komórek starczych zarówno w hodowli, jak i in vivo15. W porównaniu z innymi testami, test SA-β-Gal umożliwia identyfikację komórek starczych w ich naturalnym środowisku z nienaruszoną architekturą tkankową, co jest szczególnie ważne w badaniach in vivo. Ponadto możliwe jest sprzężenie testu SA-β-Gal z innymi markerami za pomocą IHC. Jednak test SA-β-Gal wymaga świeżych lub mrożonych próbek, co pozostaje głównym ograniczeniem. Gdy świeże lub zamrożone tkanki są rutynowo dostępne, takie jak zamrożone próbki mięśni TA, SA-β-Gal jest oczywiście najbardziej odpowiednim testem do wykrywania komórek starczych. Nanog jest markerem używanym do wykrywania przeprogramowanych komórek z dwóch powodów: 1) jest niezbędnym markerem pluripotencji; 2) co ważniejsze, jego ekspresja nie jest sterowana przez doksycyklinę (dox), dlatego wykrywa indukowaną pluripotencję, a nie wymuszoną ekspresję kasety Yamanaka.
Ważne jest, aby zauważyć, że protokoły barwienia przedstawione w tym badaniu mogą być przeprowadzane oddzielnie, aby uprościć procedurę kwantyfikacji, ale mogą być również wykonywane w procedurze jednoczesnego barwienia, aby uwidocznić zarówno starcze, jak i pluripotencjalne komórki macierzyste na tym samym obszarze.