Xenotransplantation of mice-donors’ stem cells to poikilothermic aquatic organisms as a method of correcting pathologies and improving reproductive activity

The scope of application of embryonic and fetal stem cells (SCs) is limited due to their multidirectional differentiation in the recipient’s organism and possible formation of teratomas and tera-tocarcinomas, as well as due to some ethical reasons. Therefore, adult stem cells (postnatal SCs) are more widely used. These cells are divided into hematopoietic, mesenchymal stromal, and tissue-specific progenitor cells-precursors. Hematopoietic stem cells (HSCs) are able to colonize and provide long-term self-support. Mesenchymal stromal stem cells are the precursors of a number of tissues and have a wide range of possible applications in regenerative medicine. Tissue-specific progenitor cells replace dead cells in the body and are responsible for tissue renewal. Hematopoietic stem cells are used for transplantation and specialized care for patients with various primary and recurrent cancer, hematological, immunological and other diseases. The most effective method is autogenous transplantation, since the risk of transplant rejection is minimal. At present, the allotransplantation of SCs is widely used. However, it requires special training of the recipient and compatibility with the donor. Xenogenic stem cell transplantation is a promising but the least developed treatment method. This is due to the differences in the genotype and the fact that donor cells are not embedded in the recipient’s body. It is shown that xenotransplantation of mammalian stem and progenitor cells to lower-vertebrate and invertebrate poikilothermic hydrobionts with artificially induced pathology leads to the regeneration and restoration of damaged organs. The stem cells of donor mice introduced into the organism of mature crayfish and axolotls stimulate the reproductive activity of recipients. Aquatic organisms can be potential sources of stem cells. The research results reveal the prospects of using stem cells in medical and veterinary practice.

постнатальные стволовые клетки, гемопоэтические стволовые клетки, ксеногенная трансплантация, гидробионты, регенерация, стимуляция репродуктивной активности, postnatal stem cells, hematopoietic stem cells, xenogenic transplantation, hydrobionts, regeneration, stimulation of reproductive activity

1. Грицаев С.В., Павлова И.Е., Семенова Н.Ю. Отдельные аспекты трансплантации гемопоэтических стволовых клеток онкогематологическим больным // Вестник гематологии, 2015. т. 11, № 3. С. 9-21.

2. Иванов А. А. Использование органов животных для трансплантации человеку (ксенотрансплантология). В кн.: Этология с основами зоопсихологии // СПб.: Лань, 2013. С. 608-617.

3. Касинская Н.В., Степанова О.И., Каркищенко Н.Н., Каркищенко В.Н., Семенов Х.Х, Бескова Т.Б., Капанадзе Г.Д., Ревякин А.О., Деньгина С.Е. Ген зеленого белка как маркер при трансплантации стволовых и прогениторных клеток костного мозга // М.: Биомедицина, 2011. № 2. С. 30-34.

4. Корочкин Л.И, Ревищин Ф.В, Охотин В.Е. Нейральные стволовые клетки и их значение в восстановительных процессах в нервной системе // Морфология. Обзорные и общетеоретические статьи. 2005. С. 7-16.

5. Криворучко Н.А. Основные свойства и перспективы применения фетальных стволовых клеток // Клиническая медицина Казахстана, 2012. № 2(25). С. 133-136.

6. Пронина Г.И., Корягина Н.Ю., Ревякин А.О., Капанадзе Г.Д. Степанова О.И. Баранова О.В. Касинская Н.В. Трансплантация клеток костного мозга мышей рыбам и речным ракам // Международный научно-исследовательский журнал: Сборник по результатам VII заочной научной конференции Research Journal of International Studies. Екатеринбург: МНИЖ, 2014. № 1(20) Часть 1. С. 17-18.

7. Пронина Г.И., Корягина Н.Ю., Ревякин А. О., Степанова О.И., Курищенко Ж.О., Петрова Н.В. Использование гидробионтов в качестве альтернативных биомоделей // Российский физиологический журнал им. И.М. Сеченова. СПб. 2017. Russian journal of physiology (formerly I.M. Sechenov Physiological Journal). 103 N8. С.912-929.

8. Пронина Г.И., Ревякин А.О., Корягина Н.Ю., Капанадзе Г.Д., Степанова О.И. Курищенко Ж.О. Влияние стволовых клеток на репродуктивную функцию речных раков // Биомедицина, 2015. № 1. C. 81-84.

9. Расулов М.Ф. Использование мезенхимальных стволовых клеток костного мозга и эмбриональных фибробластов в лечении ожоговых ран // Тихоокеанский мед. журнал, 2004. № 1(15). С 7-9.

10. Репин B.C., Сабурина И.Н. Эмбриональные и взрослые стволовые клетки: место в современной медицине // Лаб. медицина. 2006. № 8. С 33-41.

11. Романенков Н.С., Мовчан К.Н. Результаты применения мезенхимальных стволовых клеток из аутологичной жировой ткани в пластической и реконструктивной хирургии (обзор литературы) // Вестник СПбГУ: Медицина, 2016. Сер. 11, Вып. 4. С. 85-95.

12. Степанова О.И., Касинская Н.В., Баранова О.В., Семенов Х.Х, Ревякин А.О. Метод культивации и фенотипическая характеристика гемопоэтических клеток костного мозга (мононуклеарной фракции) от доноров с геном зеленого белка // М.: Биомедицина, 2013. № 3. С. 91-94.

13. Сухинич К.К., Подгорный О.В., Александрова М.А. Иммуногистохимический анализ развития суспензионных и тканевых нейротрансплантатов // Известия РАН. Серия биологическая. М.: Наука. 2011. № 6. С. 659-669.

14. Сухих Г.Г., Малайцева В.В., Богданова И.М. Перспектива использования фетальных/прогенетивных клеток человека клеточной терапии // Клеточные технологии в биологии и медицине. Изд-во РАМН, 2008. № 1. С. 5-14.

15. Хавинсон В.Х., Кветной И.М., Южаков В.В. Попучиев В.В., Коновалов С.С. Пептидергическая регуляция гомеостаза. СПб: Наука, 2003. 190 с.

16. Ярыгин Е.И., Алямовский В.В., Шестакова Л.А. Технология получения концентрата стволовых клеток пуповинной крови для использования в стоматологии: метод, рекомендации для интернов, ординаторов по специальности «Стоматология общей практики». Красноярск: КрасГМУ, 2014. 28 с.

17. Ader M., & Tanaka E.M. Modeling human development in 3D culture // Current Opinion in Cell Biology, 2014. Vol. 31. P. 23-28.

18. Alvarez-Dolado M., Pardal R., Garcia-Verdugo J.M, Fike JR, Lee HO, Pfeffer K, Lois C, Morrison SJ, Alvarez-Buylla A. Fusion of bone-marrow-derived cells with Purkinje neurons, cardiomyocytes and hepatocytes // Nature, 2003. Vol. 425. Р. 968-972.

19. Banerjee M., Kumar A., Bhonde R.R. Reversal of experimental diabetes by multiple bone marrow transplantation // Biochem. Biophys. Res. Commun, 2005. Vol. 328(1). P. 318-325.

20. Bjorklund A., Lindvall O. Cell replacement therapies for central nervous system disorders // Nature Neuroscience, 2000. Vol. 3. P. 537-44.

21. Bonnet D. Hematopoietic stem cell niche, Vol. 1 // Advances in stem cells and their niches. English: Academic Press. 2017. 186 p.

22. Chen L.B., Jiang X.B., Yang L. Differentiation of rat marrow mesenchymal stem cells into pancreatic islet beta-cells // World J. Gastroenterol, 2004. Vol. 10(20). P. 3016-3020.

23. Chiu C.H., Su L.H., Chu C, Chia J.H., Wu T.L., Lin T.Y, Lee Y.S., Ou J.T, Isolation of Salmonella enterica serotype choleraesuis resistant to ceftriaxone and ciprofloxacin // Lancet. 2004. Vol. 363(9417). P. 1285-1286.

24. Gershon A.A., Steinberg S., Gelb L. Live attenuated varicella vaccine: protection in healthy adults in comparison to leukemic children. // J. Infect. Dis.1990, Vol. 161. P. 661-666.

25. Greenbaum A., Hsu Y.M, Day R.B, Schuettpelz L.G, Christopher M.J, Borgerding J.N, Nagasawa T, Link D.C. CXCL12 in early mesenchymal progenitors is required for haematopoietic stem-cell maintenance // Nature, 2013. Vol. 495(7440). P. 227-30. doi: 10.1038/nature11926.

26. Haller MJ., Wasserfall CH, McGrail KM, Cintron M, Brusko TM, Wingard JR, Kelly SS, Shuster J.J, Atkinson MA, Schatz DA. Autologous umbilical cord blood transfusion in very young children with type 1 diabetes // Diabetes Care, 2009. Vol. 32(11):2041-2046. doi: 10.2337/dc09-0967.

27. Horwitz E.M., Gordon P.L., Koo W.K., Marx J.C., NeelM.D., McNall R.Y., Muul L. and Hofmann T. Isolated allogeneic bone marrow-derived mesenchymal cells engraft and stimulate growth in children with osteogenesis imperfecta: Implications for cell therapy of bone // Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 2002. Vol. 99. P. 8932-8937. doi: 10.4236/ oalib.1101505

28. Izumida Y., Aoki T., Yasuda D. et al. Hepatocyte growth factor is constitutively produced by donor-derived bone marrow cells and promotes regeneration of pancreatic beta-cells // Biochem. Biophys. Res. Commun, 2005. Vol. 333(1). P. 273-282.

29. Johansen R., Needham J.R., Colquhoun. D.J., Poppe T.T., Smith A.J. Guidelines for health and welfare monitoring of fish used in research. // Laboratory Animals, 2006. Vol. 40. P. 323-340.

30. Keirstead H.S., Nistor G., Bernal G., Totoiu M., Cloutier F., Sharp K., Steward O. Human Embryonic Stem Cell-Derived Oligodendrocyte Progenitor Cell Transplants Remyelinate and Restore Locomotion after Spinal Cord Injury // Journal of Neuroscience, 2005, Vol. 25(19) 4694-4705; doi: https://doi.org/10.1523/JNEUR0SCI.0311-05.2005

31. Kinnaird T., Stabile E., Burnett M.S, Lee CW, Barr S, Fuchs S, Epstein SE. Marrow-derived stromal cells express genes encoding a broad spectrum of arteriogenic cytokines and promote in vitro and in vivo arteriogenesis through paracrine mechanisms // Circ. Res, 2004. Vol. 94(5). P. 687-692.

32. Lee R.H., SeoM.J., Reger R.L. Spees JL, Pulin AA, Olson SD, Prockop D.J. Multipotent stromal cells from human marrow home to and promote repair of pancreatic islets and renal glomeruli in diabetic NOD/scid mice/USA // Proc. Natl. Acad. Sci., 2006. Vol. 103(46). P. 17438-17443.

33. Lendahl U, Zimmerman LB, McKay RD. CNS stem cells express a new class of intermediate filament protein. Cell, 1990 Vol. 60(4). P. 585-95.

34. Ohga S., Kudo K., Ishii E. Honjo S, Morimoto A, Osugi Y, Sawada A, Inoue M, Tabuchi K, Suzuki N, Ishida Y, Imashuku S, Kato S, Hara T. Hematopoietic stem cell transplantation for familial hemophagocytic lymphohistiocytosis and Epstein-Barr virus-associated hemophagocytic lymphohistiocytosis in Japan. // Pediatr Blood Cancer, 2010. Vol. 54. P. 299-306.

35. Pettinger M.F., Martin B.J. Mesenchimal stem cells and their potential as cardiac therapeutics // Circ. Res, 2004. Vol. 95. P. 9-20.

36. Pronina G.I., Koryagina N.Yu., Revyakin A.O., Stepanova O.I., Kurischenko J.O., Petrova N.V Recovery of the organism of poikilothermic hydrobionts using mammalian stem cells // Human & Veterinary Medicine Open Access International Journal of the Bioflux Society, 2018. Vol. 10. Issue 1. P. 10-15.

37. Rais Y., Zviran A., Geula S., Gafni O., Chomsky E., Viukov S., Mansour A.A.F., Caspi I., Krupalnik V., Zerbib M., Maza I., Mor N., Baran D., Weinberger L., Jaitin D.A., Lara-Astiaso D., Blecher-Gonen R., Shipony Z., Mukamel Z., Hagai T., Gilad S., Amann-Zalcenstein D., Tanay A., Amit I., Novershtern N., Hanna J.H. Deterministic direct reprogramming of somatic cells to pluripotency // Nature, 2013. Vol. 502(7469). P. 65-70. doi: 10.1038/nature12587

38. Sonnenberg E., Meyer D., Weidner K.M., Birchmeier C. Scatter factor hepatocyte growth factor and its receptor, the c-Met tyrosine kinase, can mediate a signal exchange between mesenchyme and epithelia during mouse development // J. Cell Biol. 1993. Vol. 123(1). P. 223-235.

39. Sottile V. Bone marrow as a source of stem cells and germ cells? Perspectives for transplantation // Cell and Tissue Research, 2007. Vol. 328 (1). P. 1-5.

40. Williams S., Anderson W.C., Santaguida M.T., Dylla S.J. Patient-derived xenografts, the cancer stem cell // Lab Invest, 2013. Vol. 93. P. 970-982.

41. Zeng W, Chen G, Kajigaya S., Nunez O, Charrow A, Billings EM, Young NS. Gene expression profiling in CD34 cells to identify differences between aplastic anemia patients and healthy volunteers. // Blood, 2004. Vol. 103. P. 325-332.

42. Zhao R.C., Liao L., Han Q. Mechanisms and perspectives on the mesenchymal stem cell in immunotherapy // J. Lab. Clin. Med., 2004. Vol. 143. P. 284-291.