Mast Cells Heparin — New Information on the Old Component (Review)


Cite item

Full Text

Abstract

Mast cells (MC) are widely distributed throughout the body of animals and humans, mainly in barrier tissues. This review provides new information on the hematopoietic origin of MCs from early erythromyeloid progenitors (EMPs), late EMPs, and definitive hematopoietic stem cells. As well as information on the maturation of MSs and heparin synthesis already in the embryonic period. Many physiological functions of MCs are determined by the properties of heparin, which forms the basis of the matrix of granules, since the heparin molecule is a strong polyanion, capable to forming complexes with many biologically active substances and regulating their properties. In a new hypothesis about the participation of MCs in pathological processes, it is assumed that this is due to the depletion of the heparin pool. In such cases, injections of exogenous heparin can help replenish MCs heparin stores. As a result of the restoration of the physiological functions of MCs and the action of exogenous heparin, the pathological process will be converted into an adaptive one. In clinical practice, unfractionated heparin (UFH) obtained from natural sources and low molecular weight heparin (LMWH) obtained by the biochemical route are used. Most often, UFH and LMWH are used in the clinic only as anticoagulants. The worldwide spread of a disease named COVID-19 in 2020 showed that UFH and LMWH are multifunctional drugs that have saved many people. The pandemic caused by COVID-19 has been an unprecedented social and health emergency worldwide. Depression, anxiety and post-traumatic stress disorder (PTSD) have been reported in populations of many countries. This review provides new information on experimental studies on the successful treatment of pathology with low doses of UFH in modeling PTSD in animals. Consequently, heparin can be considered as a promising multifunctional drug for effective pharmacological correction of comorbid diseases under the influence of extreme factors.

About the authors

Marina V. Kondashevskaya

Research Institute of Human Morphology

Author for correspondence.
Email: aktual_probl@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-1302-8446
SPIN-code: 4421-5225

MD, PhD, assistant professor, Leading Researcher, lab. immunomorphology of inflammation “Research Institute of Human Morphology”

Russian Federation, 3, Tsyurupy, 117418, Moscow

References

  1. Traina G. Mast cells in gut and brain and their potential role as an emerging therapeutic target for neural diseases. Front Cell Neurosci. 2019;13(345):1–13. doi: https://doi.org/10.3389/fncel.2019.00345
  2. Stassen M, Hartmann AK, Delgado SJ, et al. Mast cells within cellular networks. J Allergy Clin Immunol. 2019;144(4S):S46–S54. doi: https://doi.org/10.1016/j.jaci.2019.01.031
  3. Albert-Bayo M, Paracuellos I, Gonzlez-Cfstro AM, et al. Intestinal mucosal mast cells: key modulators of barrier function and homeostasis. Cells. 2019; 8(2):pii:E135. doi: https://doi.org/10.3390/cells8020135
  4. Ishihara M, Nakamura S, Sato Y, et al. Heparinoid complex-based heparin-binding cytokines and cell delivery carriers. Molecules. 2019;24(24). pii: E4630. doi: https://doi.org/10.3390/molecules24244630
  5. Lima M, Rudd T, Yates E New applications of heparin and other glycosaminoglycans. Molecules. 2017;22(5). pii: E749. doi: https://doi.org/10.3390/molecules22050749
  6. Weiss RJ, Esko JD, Tor Y. Targeting heparin and heparan sulfate protein interactions. Org Biomol Chem. 2017;15(27):5656–5668. doi: https://doi.org/10.1039/c7ob01058c
  7. Mulloy B, Lever R, Page CP. Mast cell glycosaminoglycans. Glycoconj J. 2017;34(3):351–361. doi: https://doi.org/10.1007/s10719-016-9749-0
  8. Кондашевская М.В. Экосистема тучных клеток — ключевой полифункциональный компонент организма животных и человека. — М.: Группа МДВ, 2019. — 92 c. [Kondashevskaya MV. The mast cell ecosystem is a key multifunctional component of animals and humans. Moscow: MDV Group. Moscow; 2019. 92 р. (In Russ.)]
  9. Questrada I, Chin WC, Verdugo P. ATP-independent luminal oscillations and release of Ca2+ and H+ from mast cell secretory granules: implications for signal transduction. Biophys J. 2003;85(2):963–970. doi: https://doi.org/10.1016/S0006-3495(03)74535-4
  10. Dagälv A, Holmborn K, Kjellén L, Abrink M. Lowered expression of heparan sulfate/heparin biosynthesis enzyme N-deacetylase/n-sulfotransferase 1 results in increased sulfation of mast cell heparin. J Biol Chem. 2011;286(52):44433–4440. doi: https://doi.org/10.1074/jbc.M111.303891
  11. Fornaro R, Caristo G, Stratta E, et al. Thrombotic complications in inflammatory bowel diseases. G Chir. 2019;40(1):14–19.
  12. Avila ML, Shah PS, Brandão LR. Different unfractionated heparin doses for preventing arterial thrombosis in children undergoing cardiac catheterization. Cochrane Database Syst Rev. 2020; 2:CD010196. doi: https://doi.org/10.1002/14651858.CD010196.pub3
  13. Prechel MM, Walenga JM. Complexes of platelet factor 4 and heparin activate Toll-like receptor 4. J Thromb Haemost. 2015;13(4):665–670. doi: https://doi.org/10.1111/jth.12847
  14. Bruder M, Won SY, Kashefiolasl S, et al. Effect of heparin on secondary brain injury in patients with subarachnoid hemorrahage: an additional ‘H’ therapy in vasospasm treatment. J Neurointerv Surg. 2017;9(7):659–663. Epub 2017 Feb 2. doi: https://doi.org/10.1136/neurintsurg-2016-012925
  15. Altay O, Suzuki H, Hasegawa Y, et al. Effects of Low-Dose Unfractionated Heparin Pretreatment on Early Brain Injury after Subarachnoid Hemorrhage in Mice. Acta Neurochir Suppl. 2016;121:127–1230. doi: https://doi.org/10.1007/978-3-319-18497-5_22
  16. Hayman EG, Patel AP, James RF, Simard JM. Heparin and Heparin-Derivatives in Post-Subarachnoid Hemorrhage Brain Injury: A Multimodal Therapy for a Multimodal Disease. Molecules. 2017;22(5). pii: E724. doi: https://doi.org/10.3390/molecules22050724
  17. Kondashevskaya MV. Experimental evaluation of the effects of low-dose heparin on the behavior and morphofunctional status of the liver in Wistar rats with posttraumatic stress disorders. Bulletin of Experimental Biology and Medicine. 2018;164(10):490–494. doi: https://doi.org/10.1007/s10517-018-4018-9
  18. Кондашевская М.В., Цейликман В.Э., Цейликман О.Б., и др. Эффекты гепарина при посттравматическом стрессовом расстройстве в эксперименте // Российский физиологический журнал имени И.М. Сеченова. — 2018. — Т. 104. — № 7. — С. 817–826. [Kondashevskaya MV, Tseilikman VE, Tseilikman OB, et al. Effects of heparin in post-traumatic stress disorder in an experiment. Russian Physiological Journal Named after I.M. Sechenov. 2018;104(7):817−826. (In Russ.)] doi: https://doi.org/10.7868/S0869813918070079
  19. Chen CC, Grimbaldeston MA, Tsai M, et al. Identification of mast cell progenitors in adult mice. Proc Natl Acad Sci USA. 2005;102(32):11408–11413. doi: https://doi.org/10.1073/pnas.0504197102
  20. Atiakshin D, Buchwalow I, Samoilova V, Tiemann M. Tryptase as a polyfunctional component of mast cells. Histochem Cell Biol. 2018;149(5):461–477. doi: https://doi.org/10.1007/s00418-018-1659-8
  21. Akula S, Paivandy A, Fu Z, et al. Quantitative in-depth analysis of the mouse mast cell transcriptome reveals organ-specific mast cell heterogeneity. Cells. 2020;9(1). pii: E211. doi: https://doi.org/10.3390/cells9010211
  22. Бигильдеев А.Е., Петинати Н.А., Дризе Н.И. Как методы молекулярной биологии повлияли на понимание устройства кроветворной системы // Молекулярная биология. — 2019. — Т. 53. — № 5. — С. 711–724. [Bigildeev AE, Petinati NA, Drize NI. How molecular biology methods influenced understanding of the hematopoietic system. Molecular Biology. 2019;53(5):711−724. (In Russ.)] doi: https://doi.org/10.1134/S0026898419050021
  23. Li Z, Liu S, Xu J, et al. Adult connective tissue-resident mast cells originate from late erythro-myeloid progenitors. Immunity. 2018;49(4):640–653. doi: https://doi.org/10.1016/j.immuni.2018.09.023
  24. Dahlin JS, Hallgren J. Mast cell progenitors: Origin, development and migration to tissues. Mol Immunol. 2015;63(1):9–17. doi: https://doi.org/10.1016/j.molimm.2014.01.018
  25. Moon TC. Advances in mast cell biology: New understanding of heterogeneity and function. Mucosal Immunol. 2010;3(2):111–128. doi: https://doi.org/10.1038/mi.2009.136
  26. Moon TC, Befus AD, Kulka M. Mast cell mediators: their differential release and the secretory pathways involved. Front Immunol. 2014;5:569. doi: https://doi.org/10.3389/fimmu.2014.00569
  27. Da Silva E, Jamur M, Oliver C. Mast cell function: a new vision of an old cell. J. Histochem Cytochem. 2014;62(10):698–738. doi: https://doi.org/10.1369/0022155414545334
  28. Weiskirchen R, Meurer SK, Liedtke C, Huber M. Mast cells in liver fibrogenesis. Cells. 2019;8(11). pii: E1429. doi: https://doi.org/10.3390/cells8111429
  29. Xing W, Austen KF, Gurish MF, et al. Protease phenotype of constitutive connective tissue and of induced mucosal mast cells in mice is regulated by the tissue. Proc Nat. Acad Sci. USA. 2011;108(34):14210–14215. doi: https://doi.org/10.1073/pnas.1111048108
  30. Abonia JP, Blanchard C, Butz BB., et al. Involvement of mast cells in eosinophilic esophagitis. J Allergy Cli. Immunol. 2010;126(1):140–149. doi: https://doi.org/10.1016/j.jaci.2010.04.009
  31. Williams RM, Webb WW. Single granule pH cycling in antigen-induced mast cell secretion. J Cell Sci. 2000;113(Pt21):3839–3850.
  32. Chelombitko MA, Fedorov AV, Ilyinskaya OP, et al. Role of reactive oxygen species in mast cell degranulation. Biochemistry. 2016;81(12):1564–1577. doi: https://doi.org/10.1134/S000629791612018X
  33. Wang B, Jia J, Zhang X, et al. Heparanase affects secretory granule homeostasis of murine mast cells through degrading heparin. J Allergy Clin Immunol. 2011;128(6):1310–1317. doi: https://doi.org/10.1016/j.jaci.2011.04.011
  34. Vukman KV, Försönits A, Oszvald Á, et al. Mast cell secretome: Soluble and vesicular components. Semin Cell Dev Biol. 2017;67:65–73. doi: https://doi.org/10.1016/j.semcdb.2017.02.002
  35. Taghon T, Yui MA, Rothenberg EV. Mast cell lineage diversion of T lineage precursors by the essential T cell transcription factor GATA-3. Nat. Immunol. 2007;8(8):845–855. doi: https://doi.org/10.1038/ni1486
  36. Mittal A, Sagi V, Gupta M, et al. Mast cell neural interactions in health and disease. Front Cell Neurosci. 2019;13:110. doi: https://doi.org/10.3389/fncel.2019.00110
  37. Xu H, Bin NR, Sugita S. Diverse exocytic pathways for mast cell mediators. Biochem Soc Trans. 2018;46(2):235–247. doi: https://doi.org/10.1042/BST20170450
  38. Klein O, Sagi-Eisenberg R. Anaphylactic degranulation of mast cells: focus on compound exocytosis. J Immunol Res. 2019;2019:9542656. doi: https://doi.org/10.1155/2019/9542656
  39. Prieto-García A, Zheng D, Adachi R, et al. Mast cell restricted mouse and human tryptase·heparin complexes hinder thrombin-induced coagulation of plasma and the generation of fibrin by proteolytically destroying fibrinogen. J Biol Chem. 2012;287(11):7834–7844. doi: https://doi.org/10.1074/jbc.M111.325712
  40. Пальцев А.И., Торгашев М.Н., Попова О.С. Патология желудочно-кишечного тракта и абдоминальные боли у ветеранов боевых действий // Терапевтический архив. — 2013. — Т. 85. — № 2. — С. 36–42. [Paltsev AI, Torgashev MN, Popova OS. Gastrointestinal tract pathology and abdominal pain in war veterans. Therapeutic Archive. 2013;85(2):36−42. (In Russ.)]
  41. Gattinoni L, Coppola S, Cressoni M., et al. COVID-19 does not Lead to a “typical” acute respiratory distress syndrome. Am J Respir Crit Care Med. 2020;201:1299–1300. doi: https://doi.org/https://doi.org/10.1164/rccm.202003-0817LE
  42. Belen-Apak FB, Sarialioglu F. The old but new: Can unfractioned heparin and low molecular weight heparins inhibit proteolytic activation and cellular internalization of SARS-CoV-2 by inhibition of host cell proteases? Med Hypotheses. 2020;142:109743. doi: https://doi.org/10.1016/j.mehy.2020.109743
  43. Hippensteel JA, LaRiviere WB, Colbert JF, et al. Heparin as a therapy for COVID-19: current evidence and future possibilities. Am J Physiol Lung Cell Mol Physiol. 2020;319(2):L211–L217. doi: https://doi.org/10.1152/ajplung.00199.2020
  44. Shi C, Tingting W, Li JP, et al. Comprehensive Landscape of Heparin Therapy for COVID-19. Carbohydr Polym. 2021;254:117232. doi: https://doi.org/10.1016/j.carbpol.2020.117232
  45. Domínguez-Salas S, Gómez-Salgado J, Andrés-Villas M, et al. Psycho-Emotional Approach to the Psychological Distress Related to the COVID-19 Pandemic in Spain: A Cross-Sectional Observational Study. Healthcare (Basel). 2020;8(3):E190. doi: https://doi.org/10.3390/healthcare8030190
  46. Huang X, Wei F, Hu L, et al. The Post-Traumatic Stress Disorder Impact of the COVID-19 Pandemic. Psychiatr Danub. 2020;32(3–4):587–589. DOI: https://doi.org/10.15690/vramn1388.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Fig. 1. Scheme of the origin of mast cells according to Z. Li et al. (2018): 1-3 - HSC - stem cells of the main embryonic periods: 1 - erythro-myeloid, 2 - hepatic, 3 - bone marrow; MCP - committed precursors of mast cells; integrin β7, T1 / ST2 and FεcRI are mast cell markers of the corresponding embryonic periods.

Download (186KB)
Indexing metadata
3. Fig. 2. Metachromatic staining of mast cells in the connective tissue surrounding the liver blood vessels of a sexually mature male Wistar rat (normal). Toluidine blue staining pH 2. × 680

Download (329KB)
Indexing metadata
4. Fig. 3. Ways of activation of mast cells: ROS - reactive oxygen species; EPR - endoplasmic reticulum; Ca2 + - calcium ions; c-Kit - receptors for the soluble stem cell factor SCF; TLR - toll-like receptor, recognize the structures of the cell walls of pathogenic bacteria Patogen; CD88 - receptors for complement components C5a; OR - opioid receptors; PAFR - receptors for the platelet activation factor PAF; HR - receptors for hormones, corticosteroids; MNC is the main factor of histocompatibility; TCR, T cell receptors for T cells; FcγR - IgG receptors; FcεRI - high affinity IgE receptors

Download (253KB)
Indexing metadata
5. Fig. four . Scheme of the dynamics of H +, K + and Ca2 + in the matrix of secretory granules of mast cells: InsP3-R - inositol-1,4,5-triphosphate receptor

Download (165KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2021 "Paediatrician" Publishers LLC

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».