Cellules souches hématopoïétiques

As people get older so do the hematopoietic stem cells (HSCs) that form their blood, creating an increased risk for compromised immunity and certain blood cancers. Now researchers are reporting in the scientific journal EMBO that the bone marrow niche where HSC's form also ages, contributing to the problem.

In a study published March 2, scientists from the University of Ulm in Germany and Cincinnati Children's Hospital Medical Center in the United States propose rejuvenating the bone marrow niche where HSCs are created. This could mean younger acting HSCs that form healthier blood cells, boosted immunity in older people, and a better defense mechanism against certain cancers, according to study authors.

Conducting their study in mouse models, the scientists point to cells in the bone marrow called osteoblasts, which help form bone. Osteoblasts make a protein called osteopontin, which is important to supporting a vibrant bone marrow environment in the creation of blood-forming HSCs.

"We show that the place where HSCs form in the bone marrow loses osteopontin upon aging, but if you give back the missing protein to the blood-forming cells they suddenly rejuvenate and act younger," says Hartmut Geiger, PhD, study lead investigator at the Institute for Molecular Medicine and Aging Research Center at the University of Ulm, and the Division of Experimental Hematology and Cancer Biology at Cincinnati Children's. "Our study points to exciting novel ways to have a better immune system and possibly less blood cancer upon aging by therapeutically targeting the place where blood stem cells form."

Because the study was in mice, its findings cannot at this stage be extended to clinical treatment of human patients, the authors say. But the data provide interesting leads that one day could benefit human health.

Bone marrow time warp

The researchers conducted a number of experiments to test the formation and vitality of cells in and near the bone marrow microenvironment. One test in aging mice looked at the formation of endosteum stroma cells, which form a thin layer of connective tissue on the inner surface of bones. Another experiment monitored levels of osteopontin and other proteins linked to distinct cells in bone marrow during the aging process.

Study authors say they observed reduced production of osteoblasts and other stroma cells in the endosteum of older mice. They also saw decreased osteopontin protein levels in the bone marrow of older animals, which they note was associated with reduced vigor and function of blood-forming HSCs.

Reversing the niche aging process

Scientists followed up the earlier experiments by transplanting bone marrow cells from older mice (19-21 months) into young mice (8 to 10 weeks). In two other experiments, the authors also transplanted aged HSCs from older mice into younger mice, and they treated aged HSCs with a recombinant form of the osteopontin protein.

Transplantation into the younger animals caused cells to act in a younger more vital manner, the authors report. This includes the presence of smaller numbers of HSCs with greater potential for forming different types of blood cells, which included larger populations of B and T cells and smaller production of myeloid cells.

The authors also saw aged HSCs treated with recombinant osteopontin regain their youthful characteristics and capacity to form different blood-cell types. Also observed was diminished signaling of the protein Cdc42, a protein that Geiger and his team previously showed causes HSCs to age.

Osteopontin levels are not only low in the bone marrow niche, but also in the blood upon aging. As a follow up to the current study, the researchers are investigating the possibility to use osteopontin replacement therapy in mice to counter the influence of an aging niche directly in the animals.

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Comme les gens vieillissent ainsi font les cellules souches hématopoïétiques (HSC) qui forment leur sang, ce qui crée un risque accru d'immunité compromise et certains cancers du sang. Maintenant, les chercheurs rapportent dans la revue scientifique EMBO que la niche de moelle osseuse où la forme HSC vieillit, contribue au problème.

Dans une étude publiée le 2 mars, des scientifiques de l'Université d'Ulm en Allemagne et Cincinnati Children's Hospital Medical Center aux États-Unis proposent de rajeunir la niche de moelle osseuse où HSCs sont créés. Cela pourrait signifier de plus jeunes HSCs qui forment des cellules sanguines plus saines, stimulé l'immunité chez les personnes âgées, et un meilleur mécanisme de défense contre certains cancers, selon les auteurs de l'étude.

En menant leur étude sur des modèles de souris, les scientifiques indiquent des cellules dans la moelle osseuse appelées ostéoblastes, qui aident à former l'os. Les ostéoblastes fabriquent une protéine appelée ostéopontine, ce qui est importante pour soutenir un milieu de moelle osseuse dynamique dans la création de HSC formant le sang.

«Nous montrons que l'endroit où les HSC se forment dans la moelle osseuse perd de l'ostéopontine au cours du vieillissement, mais si vous restituez la protéine manquante aux cellules formant le sang, elles se rajeunissent et agissent comme des plus jeunes», déclare Hartmut Geiger, L'Institut de médecine moléculaire et de vieillissement Centre de recherche de l'Université d'Ulm, et la Division de l'hématologie expérimentale et la biologie du cancer à Cincinnati Children's. «Notre étude souligne de nouvelles manières passionnantes d'avoir un meilleur système immunitaire et peut-être moins de cancer du sang après le vieillissement en ciblant thérapeutiquement l'endroit où les cellules souches du sang se forment.

Parce que l'étude a été chez la souris, ses résultats ne peuvent pas à ce stade être étendu au traitement clinique des patients humains, disnet les auteurs. Mais les données fournissent des pistes intéressantes qui, un jour, pourraient bénéficier à la santé humaine.

Déformation de la moelle osseuse

Les chercheurs ont mené un certain nombre d'expériences pour tester la formation et la vitalité des cellules dans et près de la moelle osseuse microenvironnement. Un test chez des souris vieillissantes a examiné la formation de cellules de stroma d'endosteum, qui forment une mince couche de tissu conjonctif sur la surface interne des os. Une autre expérience a contrôlé les niveaux d'ostéopontine et d'autres protéines liées à des cellules distinctes dans la moelle osseuse au cours du processus de vieillissement.

Les auteurs de l'étude affirment qu'ils ont observé une réduction de la production d'ostéoblastes et d'autres cellules du stroma dans l'endosteum des souris plus âgées. Ils ont également observé une diminution des taux de protéines de l'ostéopontine dans la moelle osseuse des animaux plus âgés, ce qui, selon eux, était associé à une diminution de la vigueur et de la fonction des HSC sanguins.

Inverser le processus de vieillissement de la niche

Les scientifiques ont suivi les expériences antérieures en transplantant des cellules de moelle osseuse de souris plus âgées (19-21 mois) en jeunes souris (8 à 10 semaines). Dans deux autres expériences, les auteurs ont également transplanté des HSC âgées de souris plus âgées dans des souris plus jeunes, et ils ont traité des HSC âgées avec une forme recombinante de la protéine d'ostéopontine.

La transplantation chez les jeunes animaux a causé des cellules à agir d'une manière plus jeune, plus vital, rapportent les auteurs. Cela inclut la présence de plus petits nombres de HSC avec un plus grand potentiel pour former différents types de cellules de sang, qui incluaient des populations plus grandes de lymphocytes B et T et une plus petite production de cellules myéloïdes.

Les auteurs ont également observé que les HSC âgées traitées par l'ostéopontine recombinante retrouvaient leurs caractéristiques de jeunesse et leur capacité à former différents types de cellules sanguines. On a également observé une diminution de la signalisation de la protéine Cdc42, une protéine que Geiger et son équipe ont précédemment montrée provoque l'âge des HSC.

Les taux d'ostéopontine ne sont pas seulement faibles dans la niche de la moelle osseuse, mais aussi dans le sang lors du vieillissement. Dans le prolongement de la présente étude, les chercheurs étudient la possibilité d'utiliser la thérapie de remplacement de l'ostéopontine chez la souris pour contrer l'influence d'une niche vieillissante directement chez les animaux.

A group of proteins best known for helping to activate all mammalian genes has been found to play a particularly commanding role in the natural development of specialized stem cells into healthy blood cells, a process known as hematopoiesis.

Researchers at NYU Langone Medical Center and its Perlmutter Cancer Center say their findings, which resulted from experiments in mice and human cells, suggest that placing strict biological controls on a portion of the protein complex, known as Mediator Complex Subunit 12, or MED12 for short, could serve as a tool for stopping a variety of cancers. MED12 mutations, they note, have been linked to several kinds of leukemia, as well as cancers of the prostate, uterus, and connective tissue.

Researchers say their latest experiments, described in a report in the journal Cell Stem Cell online Aug. 25, are believed to be the first to fill in the details about how MED12 is vital to the growth of hematopoietic stem cells, or HSCs, in bone marrow, to keep blood cells healthy. Three other proteins known to be tied to the active part of the mediator complex were tested and found to not be essential to HSC development, confirming MED12's prominence, they say.

"Because MED12 appears to be so essential to hematopoiesis, our study points to it as a possible target for future anticancer therapies for both chronic and acute forms of leukemia," says senior study investigator and NYU Langone cancer biologist Iannis Aifantis, PhD. "Our study also suggests that MED12 hyperactivation or loss of control is a possible explanation for what factors may trigger these cancers and other solid tumors."

Aifantis, a professor and chair of the Department of Pathology at NYU Langone and a member of its Perlmutter Cancer Center, says it is becoming clear that the mediator complex and other proteins involved in gene activation and regulation, including enhancer and promoter stretches of DNA, are "not just innocent bystanders in gene transcription, but active participants in cell differentiation programs like hematopoiesis, both when these programs functions normally and when they go awry."

In their latest experiments, researchers analyzed what happened to HSCs in mice engineered to specifically lack the MED12 protein, after injection of a special activating molecule into the adult mice's bone marrow. All MED12-deficient mice died within two weeks after injection, with shrunken spleen and thymus tissues considered evidence of insufficient and underdeveloped blood cells.

Subsequent analyses of the animals' bone marrow, where the stem cells reside, showed that estimates of early progenitor and other undifferentiated blood cells diminished in each mouse from nearly 150,000 to 15,000 within four days post injection. Deleting other protein factors showed much less dramatic depletions in blood cells and did not kill any mice, providing further evidence that MED12 -- by loss of its function alone -- is essential for hematopoiesis, researchers say.

In another set of laboratory experiments using human HSCs, researchers found that deleting MED12 was lethal, with blood cell growth colonies dropping from an average of 25 per plate to five per plate in 10 days.

Further experiments showed that removing MED12 deactivated enhancer components that normally help increase gene transcription and hematopoiesis.

Lead study investigator and NYU Langone associate research scientist Beatriz Aranda-Orgilles, PhD, says the team next plans to screen blood samples from cancer patients for signs of MED12 mutations and uncontrolled HSC development. The team also plans experiments to identify the biological mechanisms involved in MED12 hyperactivation, including how the complex binds to enhancer molecules to regulate blood cell maturation.

Aranda-Orgilles says the team has further goals to identify drug molecules that could block MED12 hyperactivity and serve as potential MED12 inhibitors.

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On a découvert qu'un groupe de protéines plus connus pour aider à activer tous les gènes de mammifères jouait un rôle particulièrement dirigeant dans le développement naturel des cellules souches spécialisées dans les cellules sanguines saines, un processus connu sous le nom de l'hématopoïèse.

Des chercheurs de l'Université de New York   disent que leurs résultats, qui ont résultés des expériences sur des souris et des cellules humaines, suggèrent que de placer des contrôles biologiques strictes sur une partie du complexe de protéine, connue sous le nom Mediator Subunit Complex 12, ou MED12 pour faire court , pourrait servir d'outil pour arrêter une variété de cancers. Les mutations MED12, notent-ils, ont été associées à différents types de leucémie , ainsi que les cancers de la , de l'utérus et du tissu conjonctif.

Les chercheurs disent que leurs dernières expériences, décrites dans un rapport dans la revue Cell Stem Cell en ligne le 25 août, sont soupçonnés d'être les premières à répondre en  détails sur la façon dont MED12 est vital pour la croissance des cellules souches hématopoïétiques, ou CSH, dans la moelle de l'os, pour garder les cellules sanguines saines. Trois autres protéines connues pour être liées à la partie active du complexe de médiateur ont été testées et ne sont pas essentielles pour le développement HSC, confirmant la proéminence de MED12, disent-ils.

"Parce que MED12 semble être si essentielle à l'hématopoïèse, nos études pointent  celle-ci comme cible possible pour les futures thérapies anticancéreuses pour les deux formes chroniques et aiguës de leucémie», dit le chercheur senior de l'étude et biologiste du centre Langone de cancer,  Iannis Aifantis, PhD. "Notre étude suggère également que l'hyperactivation MED12 ou sa perte de contrôle est une explication possible de quels facteurs peuvent déclencher ces cancers et autres tumeurs solides."

Aifantis, professeur et président du Département de pathologie à NYU Langone dit qu'il devient clair que le complexe de médiateurs et de d'autres protéines impliquées dans l'activation de la régulation génique, y compris les activateurs et de promoteurs agissant sur l'ADN, «ne sont pas juste des passants innocents dans la transcription des gènes, mais des participants actifs dans les programmes de différenciation cellulaire comme l'hématopoïèse, à la fois lorsque les fonctions des programmes sont normales et quand elles vont de travers."

Dans leurs dernières expériences, les chercheurs ont analysé ce qui est arrivé aux souris modifiées pour manquer spécifiquement de la protéine MED12, après l'injection d'une molécule d'activation spéciale dans la moelle osseuse des souris adultes. Toutes les souris déficientes en MED12 sont mortes dans les deux semaines après l'injection, avec des tissus de la rate et du thymus rétrécies considérés comme preuves de cellules sanguines insuffisantes et sous-développées.

Les analyses ultérieures de la moelle osseuse des animaux, où les cellules souches résident, ont montré que les estimations des progéniteurs précoces et d'autres cellules sanguines indifférenciées chez chaque souris a diminué de près de 150 000 à 15 000 dans les quatre jours après l'injection. La suppression d'autres facteurs protéiques ont montré beaucoup épuisements moins dramatiques dans les cellules sanguines et ne tuent pas des souris, fournissant une preuve supplémentaire que MED12 - par la seule perte de sa fonction - est essentielle pour l'hématopoïèse, affirment les chercheurs.

Dans une autre série d'expériences de laboratoire utilisant des cellules souches hématopoïétiques, ou CSH humaines, les chercheurs ont constaté que la suppression de MED12 était mortelle, avec une croissance des cellules de sang tombant d'une moyenne de 25 par plaque à cinq par plaque en 10 jours.

D'autres expériences ont montré que l'élimination des composants MED12 désactivaient des composants activateurs qui normalement aident à augmenter la transcription du gène et  l'hématopoïèse.

L'investigateur principal de l'étude et de NYU Langone associé chercheur Beatriz Aranda-Orgilles, PhD, dit que l'équipe planifie de dépister des échantillons de sang provenant de patients atteints de cancer pour des signes de mutations de MED12 et de développement incontrôlé de CSH. L'équipe prévoit également des expériences pour identifier les mécanismes biologiques impliqués dans l'hyperactivation de MED12, y compris comment le complexe se lie à des rehausseurs pour réguler la maturation des cellules sanguines.

Aranda-Orgilles dit que l'équipe a d'autres objectifs comme d'identifier des médicaments qui pourraient bloquer l'hyperactivité de MED12 et  servir comme potentiels inhibiteurs de MED12.

Des chercheurs suisses et espagnols ont testé avec succès un médicament contre le cancer du sein pour traiter une leucémie incurable. Le syndrome myéloprolifératif est une maladie du sang causée par une mutation génétique dans les cellules souches hématopoïétiques et leur descendance. Il est plus fréquent chez l'homme que chez la femme et peut évoluer en leucémie.

L'équipe de Jürg Schwaller et Radek Skoda, de l'Hôpital universitaire de Bâle, a constaté que le tamoxifène, un médicament largement utilisé contre le cancer du sein, parvient à stopper le processus chez des souris mâles leucémiques. Dans le cas du cancer du sein, le tamoxifène inhibe les effets de l'hormone sexuelle féminine oestrogène, mais il semble que dans les cellules sanguines, il imite leur action. Un autre point positif est que les cellules sanguines saines ne sont pratiquement pas affectées par le traitement. Les scientifiques espèrent que ces résultats pourront être rapidement mis en pratique car le tamoxifène est bien supporté dans les doses prescrites.

Article rédigé par Georges Simmonds pour RT Flash

Le trafic de cellules sanguines réglé par l'horloge interne du corps
Agence France-Presse
Paris


Le largage naturel dans la circulation sanguine de cellules, utilisées lors de greffes thérapeutiques (cancer, leucémies) est maximal dans les premières heures de la journée, car il est soumis au rythme de l'horloge interne du corps, selon une étude américaine publiée dans la revue britannique Nature.

La greffe de ces cellules qui portent le nom savant de «cellules souches hématopoïétiques (CSH)» intervient dans le traitement de plusieurs types de pathologies (leucémies, cancers, déficit immunitaire...). Leur principale source est la moelle osseuse, l'usine à fabriquer nos cellules sanguines. On les trouve également dans le sang de cordon ombilical et, à moindre titre dans la circulation sanguine.

Jusque là on pensait que leur concentration dans la circulation sanguine restait stable.
Paul Frenette (Mount Sinaï School of Medicine, New York) et ses collègues ont découvert par hasard que ce n'était pas le cas, en constatant que des souris continuellement soumises à la lumière présentaient des fluctuations de leur concentration sanguine.

Les chercheurs ont donc décidé de mesurer ces niveaux de CSH dans le sang des rongeurs en les soumettant à différents rythmes d'illumination, standard type jour/nuit, continue, avec décalage horaire ou encore en les plongeant dans l'obscurité totale.

Résultat, ils ont constaté que cette concentration suivait un rythme circadien dont la période est d'environ 24 heures. Chez l'homme, l'alternance veille/sommeil, entre autres, obéit à un rythme circadien, qu'un décalage horaire (jet-lag) par exemple peut perturber.

Ainsi le niveau sanguin de ces cellules thérapeutiques est maximal après cinq heures de jour et minimal après cinq heures de nuit, du moins chez les souris.

Les chercheurs ont d'autre part montré que la synthèse d'une protéine (la «chimiokine CXCL12») impliquée dans le largage de ces cellules, à partir de la moelle, allait à l'inverse, maximale la nuit et minimale le jour. La production de cette protéine est régulée par le système nerveux central, par l'intermédiaire de messages délivrés directement dans la moelle.

Ces observations pourraient contribuer à améliorer le rendement des prélèvements sanguins faits pour obtenir ces cellules thérapeutiques.