БИОХИМИЯ, 2020, том 85, вып. 7, с. 948–962

УДК 577.24

Пленки из рекомбинантного спидроина отменяют некоторые признаки старения фибробластов NIH 3T3, индуцированные высокой концентрацией глюкозы

© 2020 А.М. Мойсенович 1#, М.М. Мойсенович 1*#, А.К. Судьина 1, В.В. Татарский 2,3,4, А.И. Хамидуллина 3, М.А. Ястребова 3, Л.И. Давыдова 5,6, В.Г. Богуш 5,6, В.Г. Дебабов 5,6, А.Ю. Архипова 1,7, К.В. Шайтан 1,8, А.А. Штиль 2,3, И.А. Дёмина 1,9

Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова, биологический факультет, 119234 Москва, Россия; электронная почта: mmoisenovich@mail.ru

Национальный медицинский исследовательский центр онкологии им. Н.Н. Блохина Минздрава России, 115478 Москва, Россия

Институт биологии гена РАН, 119334 Москва, Россия

Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС», 119049 Москва, Россия

Национальный исследовательский центр «Курчатовский институт» – ГосНИИгенетика, 117545, Москва, Россия

Национальный исследовательский центр «Курчатовский институт», 123182, Москва, Россия

Московский областной научно-исследовательский клинический институт (МОНИКИ), 129110 Москва, Россия

Институт химической физики им. Н.Н. Семенова РАН, 119991 Москва, Россия

Национальный медицинский исследовательский центр детской гематологии, онкологии и иммунологии им. Дмитрия Рогачева Минздрава России, 117198 Москва, Россия

Поступила в редакцию 28.03.2020
После доработки 15.05.2020
Принята к публикации 22.05.2020

DOI: 10.31857/S032097252007009X

КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: клеточное старение, рекомбинантный спидроин, регенерация, искусственная кожа.

Аннотация

Целью исследования было изучение влияния производных структурных белков шелка на показатели клеточного старения при культивировании мышиных фибробластов NIH 3Т3 в средах с повышенным содержанием глюкозы. В качестве субстратов для культивирования клеток использовали пленки, сформированные из фиброина шелка Bombyx mori или из рекомбинантного аналога спидроина 1 Nephila clavipes – rS1/9, а также покровные стекла. Показано, что воздействие 50 мМ глюкозы вызывало замедление роста фибробластов на покровных стеклах. Также, культивирование фибробластов на стеклах при повышенной концентрации глюкозы приводило к увеличению площади клеток и их ядер, к усилению программируемой клеточной гибели и уменьшению синтеза коллагена. Пленки защищали фибробласты от клеточной гибели, вызываемой глюкозой. Наиболее выраженное влияние на количество клеток, включение BrdU и снижение программируемой клеточной гибели было показано для спидроина. Общее количество растворимого коллагена, продуцируемого фибробластами при повышении концентрации глюкозы, уменьшалось на стекле и субстрате из фиброина и не изменялось для спидроина. Проведение молекулярного анализа показало, что при концентрации глюкозы 50 мМ усиливается фосфорилирование субъединицы p65 гетеродимера NF-κB при культивировании на стекле, в то время как на фиброине влияние концентрации глюкозы на данный показатель не детектировалось, а на спидроине фосфорилирование снижалось. В ходе исследования была продемонстрирована антивозрастная активность спидроина, что указывает на его перспективность при разработке скаффолдов, предназначенных для тканевой инженерии и регенеративной медицины.

Сноски

* Адресат для корреспонденции.

# Авторы внесли равный вклад в работу.

Финансирование

Работа выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований [проекты №№ 17-00-00359 (17-00-00356, 17-00-00357 и 17-00-00358) и 18-34-00875].

Благодарности

Работа выполнена с использованием оборудования, приобретенного за счет средств Программы развития Московского Университета и на оборудовании ЦКП Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова.

Конфликт интересов

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

Соблюдение этических норм

Настоящая статья не содержит описания каких-либо исследований с участием людей или животных в качестве объектов.

Список литературы

1. West, M. D., Pereira-Smith, O. M., and Smith, J. R. (1989) Replicative senescence of human skin fibroblasts correlates with a loss of regulation and overexpression of collagenase activity, Exp. Cell Res., 184, 138-147.

2. Stadelmann, W. K., Digenis, A. G., and Tobin, G. R. (1998) Physiology and healing dynamics of chronic cutaneous wounds, Am. J. Surg., 176, 26S-38S.

3. Mekkes, J. R., Loots, M. A. M., Van Der Wal, A. C., and Bos, J. D. (2003) Causes, investigation and treatment of leg ulceration, Br. J. Dermatol., 148, 388-401.

4. Bellin, C., De Wiza, D. H., Wiernsperger, N. F., and Rösen, P. (2006) Generation of reactive oxygen species by endothelial and smooth muscle cells: influence of hyperglycemia and metformin, Horm. Metab. Res., 38, 732-739.

5. Beauchef, G., Bigot, N., Kypriotou, M., Renard, E., Porée, B., Widom, R., Dompmartin-Blanchere, A., Oddos, T., Maquart, F. X., Demoor, M., Boumediene, K., and Galera, P. (2012) The p65 subunit of NF-κB inhibits COL1A1 gene transcription in human dermal and scleroderma fibroblasts through its recruitment on promoter by protein interaction with transcriptional activators (c-Krox, Sp1, and Sp3), J. Biol. Chem., 287, 3462-3478.

6. Fisher, G. J., Kang, S., Varani, J., Bata-Csorgo, Z., Wan, Y., Datta, S., and Voorhees, J. J. (2002) Mechanisms of photoaging and chronological skin aging, Arch. Dermatol., 138, 1462-1470.

7. Fisher, G. J., Quan, T., Purohit, T., Shao, Y., Moon, K. C., He, T., Varani, J., Kang, S., and Voorhees, J. J. (2009) Collagen fragmentation promotes oxidative stress and elevates matrix metalloproteinase-1 in fibroblasts in aged human skin, Am. J. Pathol., 174, 101-114.

8. Cole, M. A., Quan, T., Voorhees, J. J., and Fisher, G. J. (2018) Extracellular matrix regulation of fibroblast function: redefining our perspective on skin aging, J. Cell Commun. Signal., 12, 35-43.

9. Dyer, D. G., Dunn, J. A., Thorpe, S. R., Bailie, K. E., Lyons, T. J., McCance, D. R., and Baynes, J. W. (1993) Accumulation of Maillard reaction products in skin collagen in diabetes and aging, J. Clin. Invest., 91, 2463-2469.

10. Hadley, J. C., Meek, K. M., and Malik, N. S. (1998) Glycation changes the charge distribution of type I collagen fibrils, Glycoconj. J., 15, 835-840.

11. Phillip, J. M., Aifuwa, I., Walston, J., and Wirtz, D. (2015) The mechanobiology of aging, Annu. Rev. Biomed. Eng., 17, 113-141.

12. Shanbhag, S., Nayak, A., Narayan, R., and Nayak, U. Y. (2019) Anti-aging and sunscreens: paradigm shift in cosmetics, Adv. Pharm. Bull., 9, 348-359.

13. Matsuyama, M., WuWong, D. J., Horvath, S., and Matsuyama, S. (2019) Epigenetic clock analysis of human fibroblasts in vitro: effects of hypoxia, donor age, and expression of hTERT and SV40 largeT, Aging (Albany NY), 11, 3012-3022.

14. Yan, L.-J. (2014) Pathogenesis of chronic hyperglycemia: from reductive stress to oxidative stress, J. Diabetes Res., 2014, 1-11.

15. Campos, C. (2012) Chronic hyperglycemia and glucose toxicity: pathology and clinical sequelae, Postgrad. Med., 124, 90-97.

16. Safi, S. Z., Qvist, R., Kumar, S., Batumalaie, K., and Ismail, I. S. B. (2014) Molecular mechanisms of diabetic retinopathy, general preventive strategies, and novel therapeutic targets, Biomed Res. Int., 2014, 801269.

17. Sun, Q., Li, J., and Gao, F. (2014) New insights into insulin: the anti-inflammatory effect and its clinical relevance, World J. Diabetes, 5, 89-96.

18. Geraldes, P., and King, G. L. (2010) Activation of protein kinase C isoforms and its impact on diabetic complications, Circ. Res., 106, 1319-1331.

19. Groop, P.-H., Forsblom, C., and Thomas, M. C. (2005) Mechanisms of disease: pathway-selective insulin resistance and microvascular complications of diabetes, Nat. Clin. Pract. Endocrinol. Metab., 1, 100-110.

20. Soydas, T., Yaprak Sarac, E., Cinar, S., Dogan, S., Solakoglu, S., Tuncdemir, M., and Kanigur Sultuybek, G. (2018) The protective effects of metformin in an in vitro model of aging 3T3 fibroblast under the high glucose conditions, J. Physiol. Biochem., 74, 273-281.

21. Li, B., Bian, X., Hu, W., Wang, X., Li, Q., Wang, F., Sun, M., Ma, K., Zhang, C., Chang, J., and Fu, X. (2020) Regene-rative and protective effects of calcium silicate on senescent fibroblasts induced by high glucose, Wound Repair Regen., 28, 315-325.

22. Maeda, M., Hayashi, T., Mizuno, N., Hattori, Y., and Kuzuya, M. (2015) Intermittent high glucose implements stress-induced senescence in human vascular endothelial cells: role of superoxide production by NADPH oxidase, PLoS One, 10, e0123169.

23. Christian, F., Smith, E., and Carmody, R. (2016) The regulation of NF-κB subunits by phosphorylation, Cells, 5, 12.

24. Wei, W., and Ji, S. (2018) Cellular senescence: molecular mechanisms and pathogenicity, J. Cell. Physiol., 233, 9121-9135.

25. Zhang, L., Yousefzadeh, M. J., Suh, Y., Niedernhofer, L. J., and Robbins, P. D. (2019) Signal transduction, ageing and disease, Subcell Biochem., 91, 227-247.

26. Zhang, W.-S., Pan, A., Zhang, X., Ying, A., Ma, G., Liu, B.-L., Qi, L.-W., Liu, Q., and Li, P. (2019) Inactivation of NF-κB2 (p52) restrains hepatic glucagon response via preserving PDE4B induction, Nat. Commun., 10, 4303.

27 Soria-Valles, C., López-Soto, A., Osorio, F. G., and López-Otín, C. (2017) Immune and inflammatory responses to DNA damage in cancer and aging, Mech. Ageing Dev., 165, 10-16.

28. Tilstra, J. S., Robinson, A. R., Wang, J., Gregg, S. Q., Clauson, C. L., Reay, D. P., Nasto, L. A., St Croix, C. M., Usas, A., Vo, N., Huard, J., Clemens, P. R., Stolz, D. B., Guttridge, D. C., Watkins, S. C., Garinis, G. A., Wang, Y., Niedernhofer, L. J., and Robbins, P. D. (2012) NF-κB inhibition delays DNA damage-induced senescence and aging in mice, J. Clin. Invest., 122, 2601-2612.

29. Sheikh, F. A., Ju, H. W., Lee, J. M., Moon, B. M., Park, H. J., Lee, O. J., Kim, J. H., Kim, D. K., and Park, C. H. (2015) 3D electrospun silk fibroin nanofibers for fabrication of artificial skin, Nanomedicine, 11, 681-691.

30. Teplenin, A., Krasheninnikova, A., Agladze, N., Sidoruk, K., Agapova, O., Agapov, I., Bogush, V., and Agladze, K. (2015) Functional analysis of the engineered cardiac tissue grown on recombinant spidroin fiber meshes, PLoS One, 10, e0121155.

31. Сидорук К. В., Давыдова Л. И., Козлов Д. Г., Губайдуллин И. И., Глазунов А. В., Богуш В. Г., Дебабов В. Г. (2014) Оптимизация ферментации штамма Saccharo-myces cerevisiae – продуцента рекомбинантного спидроина 1f9, Биотехнология, 30, 27-35.

32. Богуш В. Г., Сидорук К. В., Молчан О. К., Птицын Л. Р., Альтман И. Б., Козлов Д. Г., Ефремов Б. Д., Беневоленский С. В., Агапов И. И., Машко С. В., Дебабов В. Г. (2001) Молекулярное клонирование и экспрессия в дрожжах синтетических генов белков-аналогов белка каркасной нити спидроина 1, Биотехнология, 2, 11-22.

33. Moisenovich, M. M., Pustovalova, O. L., Arhipova, A. Yu., Vasiljeva, T. V., Sokolova, O. S., Bogush, V. G., Debabov, V. G., Sevastianov, V. I., Kirpichnikov, M. P., and Agapov, I. I. (2010) In vitro and in vivo biocompatibility studies of a recombinant analogue of spidroin 1 scaffolds, J. Biomed. Mater. Res. Part A, 96, 125-131.

34. Moisenovich, M. M., Pustovalova, O., Shackelford, J., Vasiljeva, T. V., Druzhinina, T. V., Kamenchuk, Y. A., Guzeev, V. V., Sokolova, O. S., Bogush, V. G., Debabov, V. G., Kirpichnikov, M. P., and Agapov, I. I. (2012) Tissue regeneration in vivo within recombinant spidroin 1 scaffolds, Biomaterials, 33, 3887-3898.

35. Мойсенович М. М., Малюченко Н. В., Архипова А. Ю., Котлярова М. С., Давыдова Л. И., Гончаренко А. В., Агапова О. И., Друцкая М. С., Богуш В. Г., Агапов И. И., Дебабов В. Г., Кирпичников М. П. (2015) Новые 3D-микроносители из рекомбинантного спидроина для использования в регенеративной медицине, Доклады Академии наук, 463, 479-482.

36. Nosenko, M. A., Moysenovich, A. M., Zvartsev, R. V., Arkhipova, A. Y., Zhdanova, A. S., Agapov, I. I., Vasilieva, T. V., Bogush, V. G., Debabov, V. G., Nedospasov, S. A., Moisenovich, M. M., and Drutskaya, M. S. (2018) Novel biodegradable polymeric microparticles facilitate scarless wound healing by promoting re-epithelialization and inhibiting fibrosis, Front. Immunol., 9, 1-11.

37. Bessonov, I., Moysenovich, A., Arkhipova, A., Ezernitskaya, M., Efremov, Y., Solodilov, V., Timashev, P., Shaytan, K., Shtil, A., and Moisenovich, M. (2020) The mechanical properties, secondary structure, and osteogenic activity of photopolymerized fibroin, Polymers, 12, 646.

38. Bessonov, I. V., Rochev, Y. A., Arkhipova, A. Y., Kopitsyna, M. N., Bagrov, D. V., Karpushkin, E. A., Bibikova, T. N., Moysenovich, A. M., Soldatenko, A. S., Nikishin, I. I., Kotliarova, M. S., Bogush, V. G., Shaitan, K. V., and Moisenovich, M. M. (2019) Fabrication of hydrogel scaffolds via photocrosslinking of methacrylated silk fibroin, Biomed. Mater., 14, 034102.

39. Baker, B. M., Trappmann, B., Wang, W. Y., Sakar, M. S., Kim, I. L., Shenoy, V. B., Burdick, J. A., and Chen, C. S. (2015) Cell-mediated fibre recruitment drives extracellular matrix mechanosensing in engineered fibrillar microenvironments, Nat. Mater., 14, 1262-1268.

40. Lodder, E. M., Scicluna, B. P., Beekman, L., Arends, D., Moerland, P. D., Tanck, M. W. T., Adriaens, M. E., and Bezzina, C. R. (2014) Integrative genomic approach identifies multiple genes involved in cardiac collagen deposition, Circ. Cardiovasc. Genet., 7, 790-798.

41. Bradford, M. M. (1976) A rapid and sensitive method for the quantitation of microgram quantities of protein utilizing the principle of protein-dye binding, Anal. Biochem., 72, 248-254.

42. Zhang, Q., Lenardo, M. J., and Baltimore, D. (2017) 30 Years of NF-κB: a blossoming of relevance to human pathobiology, Cell, 168, 37-57.

43. World Health Organization and International Diabetes Federation (2006) Definition and diagnosis of diabetes mellitus and intermediate hyperglycaemia: report of a WHO/IDF consultation, World Health Organization.

44. Zhang, D., Lu, H., Chen, Z., Wang, Y., Lin, J., Xu, S., Zhang, C., Wang, B., Yuan, Z., Feng, X., Jiang, X., and Pan, J. (2017) High glucose induces the aging of mesenchymal stem cells via Akt/mTOR signaling, Mol. Med. Rep., 16, 1685-1690.

45. Bian, X., Li, B., Yang, J., Ma, K., Sun, M., Zhang, C., and Fu, X. (2020). Regenerative and protective effects of dMSC-sEVs on high-glucose-induced senescent fibro-blasts by suppressing RAGE pathway and activating Smad pathway, Stem Cell Res. Ther., 11, 166.

46. Khemais-Benkhiat, S., Belcastro, E., Idris-Khodja, N., Park, S. H., Amoura, L., Abbas, M., Auger, C., Kessler, L., Mayoux, E., Toti, F., and Schini-Kerth, V. B. (2020) Angiotensin II-induced redox-sensitive SGLT1 and 2 expression promotes high glucose-induced endothelial cell senescence, J. Cell. Mol. Med., 24 2109-2122.

47. Stirban, A., Gawlowski, T., and Roden, M. (2013) Vascular effects of advanced glycation endproducts: clinical effects and molecular mechanisms, Mol. Metab., 3, 94-108.

48. Chen, J. H., Lin, X., Bu, C., and Zhang, X. (2018). Role of advanced glycation end products in mobility and considerations in possible dietary and nutritional intervention strategies, Nutr. Metab., 15, 72.

49. Bogush, V. G., Sokolova, O. S., Davydova, L. I., Klinov, D. V., Sidoruk, K. V., Esipova, N. G., Neretina, T. V., Orchanskyi, I. A., Makeev, V. Y., Tumanyan, V. G., Shaitan, K. V., Debabov, V. G., and Kirpichnikov, M. P. (2009) A novel model system for design of biomaterials based on recombinant analogs of spider silk proteins, J. Neuroimmune Pharmacol., 4, 17-27.

50. Schmidt, D. R., Waldeck, H., and Kao, W. J. (2009) Protein adsorption to biomaterials, in: Biological Interactions on Materials Surfaces (Puleo, D., and Bizios, R., eds.) Springer, New York, NY.

51. Gao, C., Peng, S., Feng, P., and Shuai, C. (2017) Bone biomaterials and interactions with stem cells, Bone Res., 5, 17059.

52. Haugh, M. G., Murphy, C. M., and O’Brien, F. J. (2010) Novel freeze-drying methods to produce a range of collagen-glycosaminoglycan scaffolds with tailored mean pore sizes, Tissue Eng. Part C Methods, 16, 887-894.

53. Sai, K. P., and Babu, M. (2000) Collagen based dressings – a review, Burns, 26, 54-62.

54. Tu, Y., and Quan, T. (2016) Oxidative stress and human skin connective tissue aging, Cosmetics, 3, 1-12.

55. Hang, W., He, B., Chen, J., Xia, L., Wen, B., Liang, T., Wang, X., Zhang, Q., Wu, Y., Chen, Q., and Chen, J. (2018) Berberine ameliorates high glucose-induced cardiomyocyte injury via AMPK signaling activation to stimulate mitochondrial biogenesis and restore autophagic flux, Front. Pharmacol., 9, 1121.

56. Chen, W., Kang, J., Xia, J., Li, Y., Yang, B., Chen, B., Sun, W., Song, X., Xiang, W., Wang, X., Wang, F., Wan, Y., and Bi, Z. (2008) p53-related apoptosis resistance and tumor suppression activity in UVB-induced premature senescent human skin fibroblasts, Int. J. Mol. Med., 21, 645-653.

57. Chen, Q. M., Tu, V. C., Catania, J., Burton, M., Toussaint, O., and Dilley, T. (2000) Involvement of Rb family proteins, focal adhesion proteins and protein synthesis in senescent morphogenesis induced by hydrogen peroxide, J. Cell Sci., 113, 4087-4097.

58. Bentov, I., Damodarasamy, M., Plymate, S., and Reed, M. J. (2014) Decreased proliferative capacity of aged dermal fibroblasts in a three dimensional matrix is associated with reduced IGF1R expression and activation, Biogerontology, 15, 329-337.

59. Beausejour, C. M. (2003) Reversal of human cellular senescence: roles of the p53 and p16 pathways, EMBO J., 22, 4212-4222.

60. Mehta, I. S., Figgitt, M., Clements, C. S., Kill, I. R., and Bridger, J. M. (2007) Alterations to nuclear architecture and genome behavior in senescent cells, Ann. N. Y. Acad. Sci., 1100, 250-263.

61. Zhang, R., Chen, W., and Adams, P. D. (2007) Molecular dissection of formation of senescence-associated heterochromatin foci, Mol. Cell. Biol., 27, 2343-2358.

62. Chujo, S., Shirasaki, F., Kondo-Miyazaki, M., Ikawa, Y., and Takehara, K. (2009) Role of connective tissue growth factor and its interaction with basic fibroblast growth factor and macrophage chemoattractant protein-1 in skin fibrosis, J. Cell. Physiol., 220, 189-195.

63. Arkhipova, A. Y., Nosenko, M. A., Malyuchenko, N. V., Zvartsev, R. V., Moisenovich, A. M., Zhdanova, A. S., Vasil’eva, T. V., Gorshkova, E. A., Agapov, I. I., Drutskaya, M. S., Nedospasov, S. A., and Moisenovich, M. M. (2016) Effects of fibroin microcarriers on inflammation and regeneration of deep skin wounds in mice, Biochemistry (Moscow), 81, 1251-1260.

64. Chien, Y., Scuoppo, C., Wang, X., Fang, X., Balgley, B., Bolden, J. E., Premsrirut, P., Luo, W., Chicas, A., Lee, C. S., Kogan, S. C., and Lowe, S. W. (2011) Control of the senescence-associated secretory phenotype by NF-κB promotes senescence and enhances chemosensitivity, Genes Dev., 25, 2125-2136.