Жировая ткань выполняет многочисленные роли; она служит в качестве центрального узла связи метаболических коммуникаций и контроля, в качестве арбитра терморегуляции, буфера против травм и холода, и в качестве регулятора репродукции и сытости. Жир также ассоциирует с эмоциональной нагруженностью проблемами, передавая различные психосоциальные отпечатки, которые меняются каждое столетие: от признака здоровья в среддние века, до Рубенсовского торжества во времена Ренессанса, до боязни и ненависти в современном Голливуде (за исключением, конечно, его инъекций в губы и др. 'косметически желанные' места). Несмотря на современное социальное отвращение к жиру, увеличивается процент людей с избытком веса почти во всех регионах мира. Глобальное преобладание тучности составляет приблизительно 15% , а в США белее 2/3 популяции имеет избыточный вес (Hossain et al., 2007). Система здравоохранения раскачивается не только эпидемическим ожирением, но и также носителями связанными с ожирением негативными последствиями, включая диабет, сердечно-сосудистые заболевания, цирроз и даже рак. Причиной этого увеличения является хорошо известное увеличение потребления пищи и уменьшение упражнений - но это из-за того, что тело предрасположено к накоплению жира.

Становится также ясно, что разнообразные эволюционные и онтогенетические силы составляют основание для развития ожирения. У беспозвоночных и позвоночных существуют жир накапливающие ткани и многие аспекты механистической поддержки законсервированы. Сюда входят онтогенетические программы, транскрипционные каскады и базовые белки, которые регулируют синтез, хранение и липолиз жира (McKay et al., 2003; Suh et al., 2006; Suh et al., 2008; Suh et al., 2007). Очевидно, что жировая ткань используется, прежде всего, как надежная гавань для хранения энергии во время изобилия и предоставляет горючее, когда источник пищи становится недостаточным. Однако, помимо служения в качестве просто хранилища, жировая ткань сегодня считается крупнейшим эндокринным органом тела, контролирующим многие аспекты системной физиологии путем секреции гормонов (adipokines), липидов, цитокинов и др. факторов (Gesta et al., 2007; Nawrocki and Scherer, 2004; Spiegelman and Flier, 2001). Хотя многие из регуляторных молекул пока ещё не идентифицированы, они контролируют широкое разнообразие биологических действий, включая аппетит, гомеостаз глюкозы, чувствительность к инсулину, старение, фертильность и плодовитость, температуру тела.

У млекопитающих жировая ткань формируется in utero, перед рождением и в течение всей жизни. Отметим, что даже у взрослых людей новые адипоциты генерируются постоянно и со значительной скоростью (Spalding et al., 2008). Жировая ткань состоит из жировых стволовых клеток (клеток предшественников, которые дают новые адипоциты), адипоцитов (клеток, сохраняющих жир) и различных др. типов клеток, которые включают пристеночные, эндотелиальные и нейрональные клетки. Жировая ткань представлена различными дискретными отложениями, такими как паховые, межлопаточными, окологонадными, забрюшинными и мезентерическими отложениями, которые размещены в определенных позициях по всему телу. Эти различные отложения развиваются в специфическое и отличимое пре- и постнатальное время и они имеют дискретную и отличающуюся морфологию (Gregoire et al., 1998; Hossain et al., 2007; MacDougald and Mandrup, 2002). Эти наблюдения поддерживают мнение, что онтогенетические сигналы являются жизненно важными для собственно формирования, миграции и морфологии жировой ткани. Сегодня относительно мало известно о развитии адипоцитов, поскольку адипоциты распределены по всему телу, из-за прирожденных затруднений манипуляций с аномальными и ломкими жировыми клетками и из-за исторической опоры на модели с культурами клеток.

Однако, видны новые горизонты; начинают использоваться онтогенетические инструменты и растет интерес к развитию жировой ткани. Начинает повышаться наше понимание биологии развития жировой ткани. Это своевременно, поскольку кризис ожирения увеличивает потребность в новых терапевтических стратегиях болезней, связанных с ожирением.

Brown and white fat: flavors of the month

У млекопитающих имеется два главных класса жировой ткани, которые разделяются на два основных гистологических подразделения, молекулярно отличны и различимы функционально. White adipose tissue (WAT) предназначена для хранения энергии, тогда как brown adipose tissue (BAT) растрачивает энергию и генерирует тепло. WAT распространен значительно больше и биологически более важен, тогда как BAT прежде всего функционирует в неонатальный период, хотя недавние сообщения показали, что BAT присутствует и и выполняет функциональную роль у взрослых (Cypess et al., 2013;Lidell et al., 2013). Жировая ткань также присутствует в различных местах, таких как ладони, подошвы, скальп, в околосуставных регионах и орбитах, выполняя т. наз. механическую роль (Gesta et al., 2007). Кроме того, адипоциты располагаются по всей коже и в костном мозге, а недавно показано, что в таких местах адипоциты регулируют биологию стволовых клеток, напр., контролируя выбор между эпидермальными и гематопоэтическими клонами.

White adipose tissue: the great white whale

Белая жировая ткань координирует системный метаболизм. Ключевая роль подчеркивается метаболическими дисфункциями (напр., гипергликемия, гиперлипидемия, гипертензия, диабет, болезни печени, усиление канцерогенеза и др.), которые являются следствием или слишком большого (ожирение) или слишком малого количества (lipodystrophy) белых адипоцитов. Существует два основных подразделения белой жировой ткани: подкожное и органное. Подкожные и висцеральные отложения разделяются просто по крупным анатомическим частям (Fig. 1A,B). Пока эти основные расположения, по-видимому, определяют разнообразие важных признаков, включая время развития, микроскопический вид, молекулярные признаки и биологические функции. У грызунов подкожные отложения, такие как межлопаточное и паховое, по-видимому, формируются прежде висцеральных отложений, которые включают забрюшинный, окологонадный и мезентерический WAT (Fig. 1C,D). Каждое жировое отложение имеет специфическую, отличающуюся и воспроизводимую морфологию и текстуру. Гистологически, подкожный жир гетерогенен и содержит зрелые происходящие из одного гнезда адипоциты, интеркалированные небольшими происходящими из многих локусов адипоцитами, тогда как висцеральный жир более униформный и, по-видимому, состоит преимущественно из крупных однолокусных адипоцитов (Fig. 2A,B) (Tchernof et al., 2006; Tchkonia et al., 2007). Конечно забрюшинные жировые отложения, которые отнесены к висцеральному классу, обладают признаками, которые могут быть промежуточными между подкожными и органными отложениями. Сегодня предполагается, что подкожные и висцеральные отложения, скорее всего, вносят разный вклад в метаболизм с прирожденными последствиями на здоровье. Повышенные подкожные отложения жира, иногда называемые грушевидным или характерным для женщин распределением, могут защищать от определенных аспектов метаболической дисфункции (Snijder et al., 2003a; Snijder et al., 2003b). Однако, висцеральные отложения, известные также как яблоко-подобными или мужского типа, как полагают, ассоциируют с метаболическими осложнениями, по-видимому, увеличивают риск диабета, гиперлипидемии и сердечно-сосудистых заболеваний (Grauer et al., 1984). Поскольку это всё ещё плохо установленные ассоциации, становится популярным обозначать подкожные отложения жира как 'хорошего жира' и висцеральные как 'плохого жира'. Fig. 1. Fig. 2.

Что может объяснить подобные ассоциации? Вполне возможно, что упомянутые выше гистологические отличия могут играть роль. Подкожные отложения содержат большие количества маленьких мультилокусных адипоцитов, которые могут быть защищенными от метаболических расстройств (Salans et al., 1973; Weyer et al., 2000). Кроме того, имеются повышенные количества интерстициальной ткани в подкожных отложениях (Fig. 2A). В сочетании с гистологическими отличиями подкожные отложения обнаруживают повышенную скорость оборота жира и образование новых адипоцитов и поэтому постулируется, что 'более молодые' адипоциты не вызывают метаболической дисфункции (Bj?rntorp et al., 1971; Salans et al., 1973). Скорость липолиза также, по-видимому, различается между двумя отложениями (Fisher et al., 2002). Др. факторы, которые могут объяснить различия, включают кровоток и близость к метаболически важным висцеральным органам, таким как печень, которая продуцирует глюкозу, липиды и холестеролы, и кишечник, где абсорбируется пища. Известно также, что аспекты региональных отложений жира наследуются; напр., широко распространено, что склонность к накоплению подкожного в противовес висцеральному жиру наследуется в семьях (Shi and Clegg, 2009). That is, one can only control whether one becomes fat, not where one puts it.

Подкожные и висцеральные отложения жира также отвечают на внешние стимулы разными способами. Напр., у человека и мышей, стероидные гормоны обеспечивают специфичные для отложения последствия (Shi and Clegg, 2009); эстроген, как полагают, увеличивает подкожные отложения, тогда как жировая ткань на шее или на внутренних органах более чувствительна к глюкокортикоидам. Более того, подкожные и висцеральные отложения обнаруживают уникальную и различимую реакцию на thiazolidinediones (TZDs), класс лекарств, широко предписываемый при диабете (Tontonoz and Spiegelman, 2008). Дополнительные подтверждения сложности исходят из клинических наблюдений, что липодистрофия (патологическое отсутствие жира) предпочтительно воздействует на разные расположения жира. Напр., некоторые пациенты с врожденной липодистрофией лишены всего метаболического жира, но сохраняют нормальные количества механического жира (Herbst, 2012).

Трансплантационные методологии были использованы в попытке проверить, является ли существующие функциональные различия между висцеральными и подкожными отложениями внутренне присущими (автономными) или внешними (неавтономными). Однако, эти исследования пока не дали чёткого ответа, при этом получены некоторые указания на врожденные отличия, а др. подтверждают, что эти функциональные атрибуты изменяются с изменением положения. Напр., Kahn с колл. предприняли элегантную серию реципрокных трансплантаций у мышей, сопровождаемую обширным метаболическим анализом (Tran et al., 2008). Эти исследования показали, что трансплантации подкожных отложений в висцеральные места улучшали метаболические параметры, тогда как трансплантации висцеральных отложений не делали этого (Tran et al., 2008). В дополнение к метаболическим и морфологическим изменениям возникают поразительные перестройки в экспрессии генов в направлении подкожных характеристик в течение трех недель после трансплантации (Satoor et al., 2011). Т.о., по-видимому, существуют и внутренние и внешние силы, которые регулируют биологию жировых отложений. Факторы и относительные вклады каждого, скорее всего, имеют фундаментальное и клиническое значение и станут областью будущих исследований.

Разные исследования подтвердили мнение, что отличающиеся и поддающиеся определению молекулярные программы могут лежать в основе функциональных различий между подкожными и висцеральными отложениями жировой ткани (Gesta et al., 2007). Напр., определение профиля экспрессии генов жировой ткани у грызунов и человека продемонстрировали дивергентные и дискретные молекулярные сигнатуры между различными местами отложений. Заметим, что паттерн экспрессии генов, даже внутри отложения изменяется в зависимости от размера адипоцитов (Jern?s et al., 2006). Подкожные отложения жира обнаруживают тенденцию экспрессировать более высокие уровни leptin, angiotensinogen и glycogen synthase по сравнению с висцеральным жиром. Жир сальника, часть висцерального компартмента, экспрессирует повышенные уровни инсулинового рецептора, 11β hydroxysteroid dehydrogenase (11β HSD) и interleukin 6 (IL6) (Gesta et al., 2007; Masuzaki et al., 2001). Крупномасштабный анализ генной экспрессии для сравнения сигнатур предшественников подкожных и висцеральных отложений жира также идентифицировал присутствие дифференциально экспрессируемых транскриптов (Gesta et al., 2006). Сюда входят группы онтогенетических регуляторов, таких как семейства транскрипционных факторов homeobox (HOX) и forkhead box (FOX) (Gesta et al., 2006; Macotela et al., 2012). Более того, гены обнаруживали тенденцию к тому, что гены, обнаруживаемые у мышей, обнаруживались также в выборках жира человека (Gesta et al., 2006). Дополнительные данные подтвердили, что субнабор этих генов коррелирует с body mass index (BMI) и его увеличение связано с метаболической дисфункцией и середечно-сосудистыми болезнями (Gesta et al., 2006). Роль этих генов в формировании и регуляции жира остается неясной. Однако, многие из идентифицированных генов участвуют в формировании онтогенетического паттерна и возможно, что они могут регулировать определенные аспекты формирования жировой ткани. Изучение онтогенетических сигнальных каскадов подчеркивает мнение, что онтогенетические силы важны для развития жира и региональных различий. Это можно проиллюстрировать на примере пути WNT, который регулирует образование жировой ткани пространственно значимым способом (Longo et al., 2004; Zeve et al., 2012). В связи с генными изменениями жир-сохраняющие клетки, происходящие от подкожных предшественников, накапливают больше липидов и экспрессируют более высокие уровни PPARγ and C/EBPα после дифференцировки по сравнению с висцеральными клетками предшественниками (Baglioni et al., 2012; Tchkonia et al., 2002). Подкожные клетки предшественники также обладают улучшенной скоростью роста и отличающимися электрофизиологическими свойствами (Baglioni et al., 2012;Macotela et al., 2012). Итак, существуют прирожденные специфичные для отложений генные отличия в жировых стволовых клетках, которые приводят к отличающимся адипогенным потенциалам, паттернам генной экспрессии, скоростям роста и биологическим свойствам. Эти исследования подтверждают мнение, что определенные онтогенетические сигналы , скорее всего, предопределяют сложность адипозных клонов и что все жировые стволовые клетки и адипоциты не создаются одинаковыми.

Brown adipose tissue: burning down the house

Коричневые адипоциты превращают питательные вещества в химическую энергию в форме тепла (Kajimura et al., 2010). Первичной ролью BAT, по-видимому, является неонатальный период, когда контроль температуры затруднен (Gregoire et al., 1998; MacDougald and Mandrup, 2002; Spiegelman and Flier, 2001). Клетки коричневого жира экспрессируют уникальные термогенные и митохондриальные генетические программы, которые способствуют биогенезу митохондрий, продукции энергии и рассеянию энергии, это создает значительную часть тепла для организма (Kajimura et al., 2010). Рассеяние энергии сопровождается изобилием митохондрий, что придает характерный цвет BAT, также как и специализированные белки, включая uncoupling protein 1 (UCP1). UCP1 обваливает (collapses) градиент электронов, чтобы создавать тепло скорее, чем генерировать АТФ (Cannon and Nedergaard, 2004). Подобно WAT, BAT присутствует на нескольких стереотипичных местах и может быть увеличен или уменьшен с помощью средовых сигналов (Fig. 2C). Однако, коричневые адипоциты, которые присутствуют во время неонатальной жизни, по-видимому, отличаются от тех, что присутствуют или могут быть индуцированы у взрослых (Wu et al., 2012).

В неонатальный период наиболее выдающееся отложение BAT расположено в дорсальном регионе между лопатками (Cannon and Nedergaard, 2004). Клетки в межлопаточном регионе тела происходят из дермомиотома, из необычного tripotent engrailed 1 (EN1)-позитивного клона клеток, который дает пучки коричневого жира, дермис и мышечные клетки (Atit et al., 2006). Исследование также показало, что этот специализированный регион тела происходит от myogenic factor 5 (MYF5)-позитивного источника, но ясно, что только субнабор коричневых адипоцитов делает это. Интересно, недавние данные показали, что субнабор белых адипоцитов также возникает из MYF5-позитивных клеток (Sanchez-Gurmaches et al., 2012), а дополнительное исследование показало, что клетки предшественники коричневого и белого жира обладают общей унификацией (commonality). Granneman с колл. продемонстрировали, что platelet-derived growth factor receptor alpha (PDGFRα)-позитивный клон ведет к коричневой и белой жировой ткани и что PDGFRα присутствует в пролиферирующих предшественниках коричневого и белого жира (Lee et al., 2012).

Коричневые адипоциты, как полагали, отсутствуют у взрослых людей; однако, недавние данные показали, что некоторые взрослые обладают энергию-сжигающими адипоцитами с 'brown-like' характеристиками, а содействие их образованию или поддержанию обладает потенциалом действия на пути против ожирения (Cypess et al., 2009; Cypess et al., 2013; Lidell et al., 2013; Whittle et al., 2011). Исследования небольшой шкалы, показали, что ожирение снижает появление клеток, похожих на коричневые, и из-за возможного их терапевтического использования были предприняты исследования, нацеленные на выяснение молекулярных каскадов и факторов, лежащих в основе образования коричневого жира, при этом имеется цель запуска клеток, обладающих BAT-подобным действием потребления энергии (Cannon and Nedergaard, 2004; Kajimura et al., 2010; Seale et al., 2008; Seale et al., 2009). Многие инициальные исследования изучали возможность консервации функции между клонами белого и коричневого жира и было выявлено, что аспекты перекрывания стержневого транскрипционного аппарата играют родственные роли в двух клонах (Kajimura et al., 2010). Кроме того, различные энзимы, участвующие в липогенезе и липолизисе, экспрессируются в обоих типах адипоцитов. Однако, стало очевидным, что формирование коричневого жира имеет и уникальные аспекты. Напр., bone morphogenetic protein 7 (BMP7) может заставить культивируемые клетки подвергнуться дифференцировке в коричневые адипоциты (Tseng et al., 2008). In vivo исследования также подчеркнули потенциальную роль BMP7 в формировании или поддержании BAT; Bmp7 нулевые эмбрионы имеют меньше коричневого жира по сравнению с контролем, а с помощью вируса избыточная экспрессия BMP7 увеличивала коричневый жир, но не белую жировую ткань (Tseng et al., 2008). Т.о., очевидно, что существуют определенные сигналы, которые способствуют образованию коричневого жира в противовес белым адипоцитам и vice versa.

In vitro adipocyte differentiation: artificial sweeteners

Пионерские исследования по формированию in vivo жировой ткани были проведены в первой половине 20-го века, но они были разрознены и преимущественно наблюдательными (Clark and Clark, 1940; Napolitano, 1963; Napolitano and Gagne, 1963). В последние несколько десятилетий основным фокусом в этой области стало моделирование клеточных культур первоначально в исследованиях in vitro адипогенеза. Термин адипогенез впервые был предложен для описания перехода культивируемых и слитых 3T3-L1 клеток фибробластов с индивидуальными клетками, нагруженными липидами после инкубации в мощном коктейле из искусственных 'индукторов': индукторов цАМФ, агонистов глюкокортикоидов и инсулина или insulin-like growth factor (IGF) (Green and Kehinde, 1975; Gregoire et al., 1998). Такие хранящие жир клетки, по-видимому, обладали несколькими характеристиками адипоцитов и служили в качестве первичной модели. Эта хорошо изученная система привела к вычленению клеточных и биологических событий, которые происходят и к транскрипционной иерархии, которая существует во время превращения этих клеток из фибробластов в подобные адипоцитам клетки (Rosen and Spiegelman, 2000; Tontonoz and Spiegelman, 2008). Очевидно, что аспекты адипогенного перехода 3T3-L1 также имеют место и в др. системах in vitro, таких как mouse embryonic fibroblasts (MEFs) и stromal vascular (SV) клетки (see below), когда индуцируется адипогенная индукционная смесь (Rosen and Spiegelman, 2000).

Значительное преимущество, получаемое от 3T3-L1 клеточной модели, это идентификация необходимых молекул, экспрессируемых во время накопления жира, и что важно транскрипционной иерархии. molecules expressed during fat accumulation, most notably a transcriptional hierarchy. PPARγ, ядерный гормональный рецептор, является центром этого транскрипционного каскада и необходим и достаточен для адипогенеза in vitro (Chawla et al., 1994;Tontonoz et al., 1994). PPARγ контролирует гены, участвующие в хранении липидов, синтезе липидов и чувствительности к глюкозе (Barak et al., 1999; He et al., 2003; Miles et al., 2000). Многие исследования с использование условных и гипоморфных аллелей, все подтвердили роль PPARγ в дифференцировке зрелых адипоцитов. Однако разные данные показывают, что PPARγ может играть существенную роль помимо той, что выполняется в адипоцитах, и в самом деле может играть центральную роль в раннем развитии адипозных клонов. Напр., PPARγ экспрессируется на день эмбриогенеза (E)14.5, т.е. значительно раньше, чем начинается развитие жировой ткани, и, по-видимому, отмечает расположение подкожных отложений жира, которые возникнут перинатально (Barak et al., 1999; Brun et al., 1996). Более того, PPARγ экспрессируется в жировых стволовых клетках и, по-видимому, выполняет ключевые функции в компартменте жировых стволовых клеток, включая участие в пролиферации, самообновлении и детерминации стволовых клеток (Tang et al., 2011; Tang et al., 2008). Итак, подтверждено, что PPARγ является критическим как для терминальной дифференцировки адипоцитов, так и детерминантом, контролирующим развитие и расположение клонов жировой ткани.

Элегатные исследования in vitro также идентифицировали многие дополнительные гены, которые могут экспрессироваться в адипоцитах или могут регулировать дифференцировку и функцию адипоцитов. Множественные сигнальные молекулы могут инициировать клеточный модельный адипогенный каскад, включая инсулин, тироидный гормон, глюкокортикоиды и члены сверхсемейства TGFβ (BMP2/BMP4/GDF3) (Chapman et al., 1985; Flores-Delgado et al., 1987; Zamani and Brown, 2011). Во время инициации дифференцировки возникает транскрипционный каскад с активацией множественных факторов, таких как KLF4, KLF5, SMAD1/5/8, CREB, KROX20 (EGR2), глюкокортикоидный рецептор, STAT5A, STAT5B, C/EBPβ и C/EBPδ. В свою очередь эти факторы могут изменять экспрессию PPARγ (Cristancho and Lazar, 2011; Siersb?k et al., 2012). Др. транскрипционные факторы, такие как тироидный рецептор, C/EBPα, SREBP-1c (SREBF1), KLF15 и LXR (NR1H), участвуют позднее в созревании адипоцитов регуляции экспрессии PPARγ , а также др. генов, участвующих в хранении жира (Siersb?k et al., 2012). Окончательная дифференцировка характеризуется появлением капелек липидов и экспрессией белков, сохраняющих липиды и углеводы [напр. AP2 (FABP4), CD36, LPL, perilipin и GLUT4 (SLC2A4)], и адипокинов (leptin) (Cawthorn et al., 2012). Множественные онтогенетические сигнальные пути, гормоны и внешнесредовые сигналы также ингибируют адипогенез in vitro, такие как каноническая передача сигналов WNT, ретиноевая кислота, TNFα, передача сигналов Hedgehog (Hh), SMAD/TGFβ и HIF1α (Berry et al., 2012; Cawthorn et al., 2007; Ross et al., 2000; Suh et al., 2006; Sul, 2009;Wang et al., 2006). Итак исследования модельных клеточных культур показали, что образование жир-сохраняющих клеток контролируется сложными взаимодействиями стимулирующих и ингибирующих сигналов.

Adipose stem cells: getting to the root of the stem

Хотя некоторые аспекты моделей in vitro отражают события in vivo? но становится всё яснее, что дифференцировка адипоцитов in vivo отличается. Поэтому идентификация и характеристика жировых стволовых клеток является важной для понимания развития, образования и поддержания жировой ткани. Однако наше понимание биологии развития жировой ткани отстаёт, а наше понимание жировых стволовых клеток примитивно. Стволовые клетки являются критическими компонентами для развития и поддержания ткани. В 1940s, было отмечено, что похожие на фибробласты клетки изменяют морфологию и приобретают однополостные (unilocular) липидные капельки (Clark and Clark, 1940). Онтогенетический или эмбриональный источник жировых стволовых клеток оставался в основном неисследованным. Общепринятая точка зрения гласила, что WAT возникает из слоя мезодермальных зародышевых клеток, несмотря на отсутствие прямых доказательств в пользу этой гипотезы (Duan et al., 2007); однако, не вся жировая ткань происходит из мезодермы (Monteiro et al., 2009). Напр., разные исследования с использованием химер курица-перепел и современных Cre-зависимых маркирующих клетки исследований на мышах, показали, что черепно-лицевые отложения жира происходят из клеток нервного гребня (Billon et al., 2007; Le Li?vre and Le Douarin, 1975).

Identifying and characterizing adipose stem cells

Исследования с диссоциацией тканей были применены к жировой stromal vascular fraction (SVF) как возможного места возникновения жировых стволовых клеток. SVF это гетерогенная смесь клеток, которые могут быть изолированы из жировой ткани после диссоциации и центрифугирования, в которой адипоциты плавают, а остальные клетки в гранулах (pellet) (Hollenberg and Vost, 1968). SVF состоит из мириада клеток, включая фибробласты, эндотелиальные клетки, гематопоэтические клетки и нервные клетки. Среди этого разнообразия клеток SVF, по-видимому, содержит bone fide жировые стволовые клетки, которые пролиферируют, самообновляются и дифференцируются (Rodeheffer et al., 2008; Tang et al., 2008; Yamamoto et al., 2007). Выделение, идентификация и характеристика таких жировых стволовых клеток осуществлены совсем недавно с использованием двух подходов: тканевой диссоциации, связанной с fluorescence-activated cell sorting (FACS), и отслеживания клонов. Используя маркеры клеточной поверхности, Friedman с коллегами идентифицировали популяцию клеток CD24⁺ в SVF, которые обладали высоким адипогенным потенциалом in vitro (Rodeheffer et al., 2008). Когда эта популяция клеток инъецировалась мышам дикого типа, то она не давала функциональных жировых подушек; однако, когда она трансплантировалась A-Zip мышам (сконструированная модель липодистрофии, лишенная жира ), то клетки оказывались способны формировать жироподобную ткань. Т.о., очевидно, что A-Zip мыши и возможно мыши с липодистрофией в целом обладают способствующими адипогенезу условиями, преимущественно содержащими разные сигналы, индуцирующие дифференцировку адипоцитов (Rodeheffer et al., 2008).

Одновременно Tang et al. также разработали flow-based метод для выделения изолированных жировых стволовых клеток, способных формировать жировую ткань после трансплантации, даже у мышей дикого типа (Tang et al., 2008). Более важным стало наблюдение, что PPARγ экспрессируется на низких уровнях в стволовых клетках адипоцитов, следовательно, может служить генетической меткой и позволит отслеживать стволовые клетки адипоцитов. Они сообщили, что клетки, экспрессирующие PPARγ, присутствуют ещё до рождения и задолго до образования адипоцитов (Tang et al., 2008). Более того, эти клетки пролиферируют, самообновляются, дифференцируются и способны возобновлять пул стволовых клеток и вносить вклад в образование всех адипоцитов (Tang et al., 2011; Tang et al., 2008; Zeve et al., 2009).

Удивительно из этих исследований возникло новое понятие, что эти жировые стволовые клетки присутствуют в сосудистой нише, располагаясь в качестве субнабора околососудистых пристеночных клеток внутри жировых отложений, которые экспрессируют разнообразные интрамуральные клеточные маркеры, такие как PDGFRβ, α-smooth muscle actin и NG2 (CSPG4) (Fig. 3). Трансплантация PDGFRβ интрамуральных клеток, выделенных из отложений жира, воспроизводила отложения жира у реципиентов; хотя эквивалентные PDGFRβ-позитивные пристеночные клетки из др. органов не давали адипоцитов или жировых подушек (Tang et al., 2008). Эти данные подтверждают мнение, что жировые стволовые клетки располагаются на сосудистом интерфейсе (месте контакта) и напоминают пристеночные (mural) клетки, которые могут пролиферировать и дифференцироваться в зрелые адипоциты. Fig. 3.

Некоторые недавние наблюдения открыли возможность, что эндотелиальные клетки и гематопоэтические стволовые клетки могут давать субнабор адипоцитов за счет изменения судьбы в пристеночные клетки и превращения их в популяцию предшественников (Crossno et al., 2006; Gupta et al., 2012; Medici et al., 2010; Sera et al., 2009; Tran et al., 2012). Такие клональные изменения не являются предпочтительными в др. эндотелиальных компартментах, но могут оказаться важными для биологии жировой ткани. Однако, делеция из эндотелиальных клеток PPARγ не изменяет образование жира при нормальных условиях питания, как можно было ожидать, если бы эндотелиальные клетки являлись основными компонентами выбора судьбы жировых клеток (Kanda et al., 2009). Недавно было показано, что клональные маркеры ни эндотелиальных, ни гематопоэтических клеток не маркируют адипоциты даже при диете с высоким содержанием жира (Berry and Rodeheffer, 2013).

Factors that regulate adipose stem cells

Наблюдение, что PPARγ маркирует стволовые клетки адипоцитов, которые располагаются в околососудистой нише, ставит несколько важных вопросов о функциональной роли PPARγ внутри этих клеток. TZDs, группа лекарств, снижающих уровни глюкозы у людей с диабетом типа 2, являются главными индукторами PPARγ, которые способствуют чувствительности к инсулину и снижению в крови глюкозы. Однако, распространенным и огорчающим побочным эффектом у пациентов, принимающих TZDs, является существенный избыток веса и повышенная масса жира (de Souza et al., 2001; Hiragun et al., 1988; Sandouk et al., 1993a;Sandouk et al., 1993b). Этот процесс многогранен тем, что TZDs стимулируют образование новых адипоцитов и апоптоз крупных адипоцитов (Okuno et al., 1998), вызывая ремоделирование отложений жира из висцеральных в подкожные (Akazawa et al., 2000; Kelly et al., 1999), увеличивая удержание жидкости (Muto et al., 2001) и увеличивая аппетит (Shimizu et al., 1998). Это клиническое наблюдение связано с находкой, что PPARγ маркирует жировые стволовые клетки, открывая тем самым возможность, что TZDs могут воздействовать на стволовые клетки адипоцитов, напр., заставляя их дифференцироваться, увеличивая тем самым количество адипоцитов и приводя к избытку веса (Yki-J?rvinen, 2004). В соответствии с этой гипотезой применение in vivo TZDs мышей усиливало дифференцировку популяции жировых стволовых клеток и повышало образование дополнительных зрелых адипоцитов (Tang et al., 2011). Более того, rosiglitazone (a TZD предписываемый клиницистами) повышает пролиферацию жировых стволовых клеток и уменьшает фракцию жировых стволовых клеток в состоянии покоя. Интересно, что хроническое применение rosiglitazone уменьшает количества жировых стволовых клеток, снижая адипогенный потенциал существующего компартмента стволовых клеток, истощая, по-видимому, популяцию стволовых клеток адипоцитов (Tang et al., 2011). Эти исследования косвенно указывают на участие PPARγ в пролиферации адипозных стволовых клеток, самообновлении, клональном выборе, идентификации стволовых клеток и ниш и в дифференцировке адипоцитов (Tang et al., 2011).

The adipose stem cell niche: blood brothers

Ниша, микроокружение, в котором располагаются стволовые клетки, высоко специализировано и контролирует поведение стволовых клеток, такое как пролиферация, покой и дифференцировка. Clark and Clark исследовали образование жира в ушах кроликов используя систему подразделения, чтобы перемещать ткань и наблюдать за ростом капилляров и образоанием жира в камерах (Clark and Clark, 1940). Эта методология позволила наблюдать в 'реальном времени' образование жира в квази in vivo условиях. Эти эксперименты также показали, что в течение многих минут появляются сначала капельки липидов и сливаются, чтобы сформировать крупные unilocular капли по мере изменения морфологии клеток (Clark and Clark, 1940). Электронные микрофотографии предоставили дальнейшие доказательства, что клетки предшественников адипоцитов располагаются на кровеносных сосудах и 'отшелушиваются', когда начинается переход к зрелым адипоцитам (Napolitano, 1963; Napolitano and Gagne, 1963). Это далее было подтверждено Hausman с колл., которые наблюдали появление сосудистых структур, которые слегка выпячивались перед образованием адипоцитов (Crandall et al., 1997). Их микроскопическое исследование показало также, что ангиогенез рекрутирует жировые стволовые клетки и стимулирует эти жировые стволовые клетки к дифференцировке (Crandall et al., 1997). Эти наблюдения были подтверждены исследованием Han et al., чьи данные подтвердили, что ангиогенез предшествует появлению отложений жировой ткани в эпидидимусе (Han et al., 2011). Подобное взаимоотношение между сосудами и клетками адипозного клона, по-видимому, обоюдное, поскольку стволовые клетки адипоцитов стимулируют образование кровеносных сосудов. Напр., in vivo смесь жировых стволовых клеток с эндотелиальными клетками показывает, что жировые стволовые клетки стимулируют васкулогенез и показывают, что дифференцировка адипоцитов и ангиогенез возникают во взаимодействии (Traktuev et al., 2009). Более того, жировые стволовые клетки секретируют многие ангиогенные регуляторы, некоторые из которых транскрипционно регулируются с помощью PPARγ, включая vascular endothelial growth factor (VEGF), angiopoietin-like 4, fibroblast growth factor 2 и matrix metalloproteinases (MMPs) (Cao, 2007; Fukumura et al., 2003;Gealekman et al., 2008; Kersten et al., 2000). Более того, обработка фрагментов жировой ткани с помощью TZDs увеличивает образование ангиогенных разрастаний, сходные результаты наблюдались и у мышей in vivo (Gealekman et al., 2008). Ингибирование или активирование ангиогенных факторов контролирует ожирение; в эпидидимных отложениях жира нейтрализация передачи сигналов VEGF/VEGFR2 подавляет образование жировых подушек (Han et al., 2011), а трансгенно вызываемая избыточная экспрессия VEGF в зрелых адипоцитах усиливает васкулогенез и уменьшает размеры адипоцитов (Nishimura et al., 2007; Sun et al., 2012), демонстрируя взаимосвязь между кровеносными сосудами и адипоцитами.

Хотя ниша, как известно, является основным элементом контроля стволовых клеток, изучению ниш препятствуют затруднения в оценке их в качестве интактных структурных единиц. Способность изучать сосудистые ниши для жировых стволовых клеток достигается с помощью процедуры, которая сохраняет нативную структуру микроокружения, позволяя тем самым выделять stromal vascular particulates (SVPs) в качестве органотипической культуральной системы (Tang et al., 2011; Tang et al., 2008). Выделение SVPs показало, что эти сосуды не содержат заполненных липидами адипоцитов, а скорее содержат жировые стволовые клетки, которые обернуты вокруг кровеносного сосуда и экспрессируют ряд пристеночных клеточных маркеров (Fig. 3C,D). После адипогенных сигналов, таких как TZDs, стволовые клетки на SVP переходят к заполненным липидами адипоцитам, рыхло ассоциированным с макрочастицами (particulate) (Tang et al., 2008). Итак. становится очевидным, что сосудистая сеть является нишей для стволовых клеток адипоцитов и что микроокружение предоставляет адипогнные сигналы, чтобы ингибировать или инициировать дифференцировку адипоцитов.

Adipocyte turnover: churning the fat

Стволовые клетки играют важные роли в развитии тканей, а также в гомеостатическом поддержании и реакции на внешние стимулы. Существуют две отличающиеся реакции на экспансию жировой ткани: гипертрофия и гиперплазия. Однако уровень вклада этих двух реакций варьирует в зависимости от генетического фона, эффектов модификаторов, диеты, биологической и гормональной среды и предпочтительных отложений для хранения жира. Жировая ткань может занимать от 2-3% до 60-70% веса тела в ответ на положительный энергетический баланс (Fig. 1A,B; Fig. 4D) (Hossain et al., 2007). Гипертрофическая реакция характеризуется тем, что уже существующие адипоциты увеличивают хранение триглицеридов; подсчеты показывают, что одиночный адипоцит может увеличивать свой объем в два-три раза (Hirsch and Batchelor, 1976; Salans et al., 1973). Продолжительная гипертрофическая реакция является, по-видимому, причинной связью между экспансией жира и дисфункцией метаболизма, такой как снижение в адипоцитах чувствительности к инсулину (Hossain et al., 2007; MacDougald and Mandrup, 2002). Во время ожирения имеется достоверно более высокий оборот адипоцитов, укорочение продолжительности жизни адипоцитов и заметное увеличение скорости апоптоза (Strissel et al., 2007). Гипертрофия также способствует локальному воспалению, напр., путем рекрутирования 'нездоровых' макрофагов в жировую ткань, облегчая тем самым клеточную гибель адипоцитов и др. события. которые запускают неадекватные метаболические последствия (Osborn and Olefsky, 2012). Кроме того, гипертрофия провоцирует увеличение некоторых адипоцитарных внеклеточных сигналов, таких как IGF1, IGFBP и TNFα, которые связаны с негативными исходами. Конечно. эти факторы, по-видимому, способны изменять различные аспекты биологии жировых стволовых клеток, такие как пролиферация, покой и дифференцировка (Cao, 2007). Fig. 4.

Жировая ткань может также увеличиваться за счет образования новых адипоцитов, а вновь сформированные небольшие адипоциты могут защищать от нарушений регуляции метаболизма (de Souza et al., 2001;Okuno et al., 1998; Strissel et al., 2007). В 1960s было показано на грызунах, что клетки внутри отложений жира пролиферируют, что адипоциты обновляются и что адипоциты имеют конечную продолжительность жизни (Hellman and Hellerstrom, 1961; Hollenberg and Vost, 1968). В самом деле, избыток тепла стимулирует компартмент жировых стволовых клеток пролиферировать и дифференцироваться. Напр., Joe et al. сообщили о существенном увеличении включения bromodeoxyuridine (BrdU) в SVF из подкожного отложения жира в ответ на диету с высоким содержание жира, тогда как висцеральный жир увеличивался в результате гипертрофии (Joe et al., 2009). Др. исследования начали изучать источники увеличения пролиферации, вызываемые диетой с высоким содержанием жира, наблюдаемые в клонах жировой ткани. Некоторые исследования имели целью лучшее понимание оборота адипоцитов, но они привели к смешанным находкам. У людей было установлено, что имеет место оборот в 8.4% адипоцитов каждый год (Spalding et al., 2008). Подсчеты показывают, что молодые взрослые мыши генерируют ~15% адипоцитов каждый месяц. Компартмент стволовых клеток также, по-видимому, активен, некоторые подсчеты показывают, что 4.8% мышиных жировых стволовых клеток реплицируются в данный промежуток времени (Rigamonti et al., 2011). Эти находки подтверждают, что пролиферация жировых стволовых клеток не только вносит вклад в образование адипоцитов, но и также восполняет пул стволовых клеток. Подтверждение этого мнения исходит из находок, что во время постнатального развития [особенно первые 30 дней жизни (P0-P30 у мышей)], наблюдается быстрый оборот и пополнение в отложениях жира (Fig. 4A,B) (Tang et al., 2008). Более того, жировая ткань сохраняет свою способность увеличиваться и у взрослых организмов, а старение ассоциирует с повышением процента жира в теле, чего нельзя приписать гипертрофии (Fig. 4C). Дальнейшие исследования по проверке пролиферации жировых стволовых клеток необходимы для определения механизмов, которые контролируют эти события, как деления стволовых клеток регулируют биологию жировой ткани и является ли вмешательства, нацеленные на клеточный цикл надежным терапевтическим подходом.

Жировые стволовые клетки, по-видимому, обеспечивают способность жировых отложений к обороту и они могут также лежать в основе способности жировой ткани к регенерации. У людей липоэктомия и липосакция являются обычными медицинскими процедурами, которые удаляют избыток жировой ткани. Однако удаление жировой ткани вызывает ремоделирование др. отложений жира с гипертрофической и гиперпластической реакциями (Mauer et al., 2001; Reyne et al., 1983), и полная регенерация удаленных жировых подушек приводит к повторным операциям. Эксперименты с использованием модельной системы грызунов имеет целью охарактеризовать 'jn регенеративный феномен. Когда удаляются паховые (подкожные) отложения у крыс, то жировые подушки регенерируют в течение ~ 13 недель (Larson and Anderson, 1978). Липоэктомии у тучных мышей стимулируют скорость локального и глобального липогенеза и стимулируют дифференцировку адипоцитов (Bueno et al., 2011). Это указывает на то, что стволовые клетки являются потенциальным источником обновления, отвечающим на средовые сигналы.

The therapeutic adipose stem cell

Способность изолировать и отслеживать реакции стволовых клеток адипоцитов представляет собой платформу для характеристики и манипуляций с этими клетками с целью предоставления некоторых благоприятных терапевтических исходов. исследования показали, что TZDs ослабляют симптомы метаболического синдрома частично за счет мобилизации предшественников адипоцитов к дифференцировке в новые чувствительные к инсулину адипоциты (Tang et al., 2011). Это указывает на то, что жировые стволовые клетки являются фармакологически доступными, это повышает продукцию новых адипоцитов, это может быть благоприятным и жировые стволовые клетки могут быть субъектом дополнительных типов манипуляций. Попытки контролировать дифференцировку или пролиферацию могут т. о. служить в качестве вмешательства по уменьшению веса при избытке веса и у индивидов перед ожирением. В свою очередь др. методы, направленные на индукцию дифференцировки адипоцитов, чтобы поддержать новые небольшие чувствительные к инсулину адипоциты (здоровые адипоциты), могут предоставить метаболическое облегчение, страдающим от ожирения и метаболической дисфункции. Помимо фармакологического вмешательства, жировые стволовые клетки являются уникально сбалансироваными для регенеративной и генной терапии. WAT предоставляет минимально инвазивный доступ к большим количествам клеток предшественников, необходимым для клеточной терапии. Кроме того, отторжения не происходит поскольку эти клетки могут быть получены от и введены тому же самому человеку. В принципе, использование их может включать и репрограммирование клеток в др. клоны или введение клеток в жировой клон, напр.. чтобы улучшить заживление ран или использовать в качестве 'наполнителя' для репарации дефектов или др. косметических целей. Пластическая и реконструктивная хирургия уже давно использует при необходимости трансплантации жира при лечении ран и для увеличения мягких тканей (Sterodimas et al., 2012). Однако, новые технологии с обогащением пересадочного материала адипозными клетками предшественниками разработаны и кажутся многообещающими (Gir et al., 2012). Важный вопрос относительно хирургического использования, существует ли тенденция трансплантатов жировых отложений к непригодности и некрозу из-за отсутствия кровоснабжения. Однако трансплантированные жировые стволовые клетки вызывают образование сосудов и возникающие жировые отложения хорошо васкуляризованы и тем самым преодолевают причину традиционных неудач трансплантаций (Han et al., 2011;Satoor et al., 2011; Tran et al., 2008).

Способность индуцировать жировые стволовые клетки в различные клоны, такие как скелетные миоциты при мышечной дегенерации, кардиальные миоциты при сердечной недостаточности, или нейральные клетки при болезни Альцгеймера также имеет существенный потенциал. Подтверждение и идентификация условий, необходимых, чтобы способствовать клональной изменчивости, могут приводить к продукции клеток или тканей, пригодных для аутологических трансплантаций модифицированной ткани, чтобы лечить дегенеративные болезни хозяина. Пока полный спектр клональной способности и пластичности изолированных жировых клеток предшественников остается неизвестным. Напр., изменение канонической передачи сигналов WNT (посредством условного аллеля β-catenin) в жировых стволовых клетках нарушает жировое развитие у мышей (Fig. 5) (Zeve et al., 2009). Эти мутантные мыши обнаруживают заметную бедность адипоцитами и липодистрофический фенотип, с вытекающей гипертриглицеридемией. Заметим, эти мутанты обнаруживают почти полную потерю подкожной жировой ткани, что сопровождается клональным изменением в подкожных жировых стволовых клетках. Конечно, секретом WNT мутантных стволовых клеток изменен и клетки продуцируют высокие уровни гормона, понижающего глюкозу, glucodyne, который осуществляет множественные действия, сходные с инсулином, но функционирует посредством иного механизма (Zeve et al., 2012). Fig. 5.

Conclusions

In recent decades, attention to adipose tissue has increased in parallel with a rising epidemic of obesity and its negative effects on whole body metabolism and increased incidence of various illnesses and conditions. Only recently have research efforts shifted to understanding the developmental biology of this tissue (Han et al., 2011; Rodeheffer et al., 2008; Tang et al., 2011; Tang et al., 2008). The complexity of the various adipose lineages (white, brown, induced brown, subcutaneous, visceral, etc.), the difficulty in working with such a fragile cell type, and the non-contiguous nature of this tissue has made it difficult to understand its developmental origin, and multiple origins might exist. However, with the generation of developmental tools, such as lineage tracing, researchers are now poised to understand the developmental cues and origin of adipose tissue and to answer a slew of interesting and undefined questions. For instance, what are the cell types of origin of the adipose lineage? What is the timing of adipose lineage determination and specification? Do adipose stem cells arise in situ on the blood vessel or do they migrate and arrive from elsewhere? What are the signals derived from the blood vessel niche that stimulate these stem cells to proliferate and differentiate or that hold them in the quiescent state? What is the importance of adipose stem cells to the homeostasis and maintenance of the fat pad under both normal energy intake and excess nutrient load? Do other anti-diabetes drugs alter adipose stem cell biology, similar to TZD treatment? Do growth factors and development signaling pathways alter stem cell behavior and adipocyte formation? In the midst of the obesity epidemic, the recent discoveries and the answers to these open-ended questions would provide hope that there is light at the end of the tunnel.

The developmental origins of adipose tissue Daniel C. Berry,Drew Stenesen,Daniel Zeve1 and Jonathan M. Graff Development140, 3939-3949. 2013

The developmental origins of adipose tissue
Daniel C. Berry,Drew Stenesen,Daniel Zeve1 and Jonathan M. Graff
Development140, 3939-3949. 2013