Нова стратегія подовжує життя мишей та пом'якшує вікові симптоми.

перепрограмуванню

Отримання будь-якого типу клітин у чашці Петрі, вивчення ранніх стадій розвитку людини або навіть генерування органів у лабораторії - це деякі з можливостей, які пропонують нам стовбурові клітини. Вони визначаються як такі, що мають здатність регенерувати цілісний багатоклітинний організм. До 2006 року стовбурові клітини, що використовувались у лабораторії, походили з ембріонального матеріалу з очевидними етичними обмеженнями. З цієї причини відкриття перепрограмування клітин у 2006 р. Зробило революцію в галузі регенеративної медицини.

Досягнення було здійснено групою дослідників під керівництвом Сіньї Яманаки з Кіотського університету, яка в 2012 році отримала за це Нобелівську премію з фізіології та медицини. Команда показала, що, включивши в клітини чотири гени, що кодують молекули, відомі з тих пір як фактори Яманаки, вона може перетворити клітини шкіри на стадію плюрипотентності, подібну до клітин ембріона. Процес відомий як перепрограмування клітин, а генеровані клітини називаються індукованими плюрипотентними стовбуровими клітинами. Ці клітини значно відкрили спектр можливостей у галузі біомедицини. Серед інших застосувань вони використовувались для моделювання захворювань або для оцінки ефективності ліків при певних недугах.

Але, перш за все, відкриття перепрограмування клітин представляло зміну парадигми в галузі регенеративної медицини. Думка про те, що ембріональний розвиток був односпрямованим процесом, при якому плюрипотентні клітини диференціювались і набули специфічної і незворотної долі клітини, була замінена ідеєю, що це податливий і навіть двонаправлений процес. Перепрограмування показало, що дорослі або диференційовані клітини, такі як клітини шкіри, можуть омолоджуватися і повертатися до стадії плюрипотентності, з якої вони можуть самостійно відновлюватися і створювати різні типи клітин, такі як клітини печінки, м’язів або знову шкіри.

Цей прогрес означав переосмислення старіння, яке завжди вважалося однобічним і неминучим явищем. Якщо диференційована клітина може бути перетворена в плюрипотенційну, як у ембріонів; Іншими словами, якщо його повернути до початкової точки, чи можливо тоді омолодити клітини, що не вимагає повернення назад у часі? А цілий організм? Чи існує можливість уповільнення або зміни старіння?

У дослідженнях, проведених Хуаном Карлосом Ізпісуа Бельмонте в лабораторії експресії генів Інституту біологічних досліджень Салка в Сан-Дієго, і в якому брав участь один з нас (Васкес-Феррер), було показано, що періодична активація вищезгаданих факторів Яманаки, що зазвичай асоціюється з ембріональною стадією, може змінити характеристики старості у живих мишей. Результати цих досліджень, опублікованих у 2016 р. У «Клітині» та «Тенденції в молекулярній медицині», не лише дали уявлення про клітинні механізми, що впливають на старіння, але також вказують на потенційні терапевтичні підходи для поліпшення здоров’я та довголіття людини. З тих пір інші новітні публікації підтвердили вирішальну роль епігенетичних змін у механізмі зворотного старіння та заглибилися в перепрограмування in vivo конкретних клітин тканини для відновлення втрати функції, а отже, побічно продовжуючи тривалість життя.

Омолоджують клітини in vitro

Старіння можна визначити як поступове погіршення здатності клітини або організму протистояти стресу, пошкодженням або хворобам. Він являє собою найбільший фактор ризику для більшості захворювань: з плином років ризик та вразливість, що страждають на серцево-судинні та нейродегенеративні захворювання, рак та ожиріння, серед інших недуг, зростає; і це також погіршує ваш прогноз. З цієї причини вдалося повернути назад або уповільнити старіння привернуло велику увагу наукової спільноти.

Недавні досягнення в перепрограмуванні клітин дали можливість аналізувати старіння в лабораторії, як фізіологічне (внаслідок природних причин), так і патологічне (спричинене хворобами). Таким чином, фібробласти (тип клітин сполучної тканини) були перепрограмовані in vitro у осіб, що пройшли 100-річчя, або у пацієнтів з прогерією, хворобою, при якій уражені швидко старіють з народження. Перепрограмовані клітини демонструють поліпшення кількох характеристик старіння: концентрація білків, що регулюють клітинне старіння, і рівень окисного стресу зменшується, теломери (кінці хромосом) подовжуються, а епігенетичні сліди (хімічні модифікації ДНК) зникають. Тому в лабораторії було досягнуто омолодження клітин.

Але хоча є численні дослідження, які показали, що перепрограмування клітин змінює вік клітин у чашках Петрі, крок перепрограмування клітин у живих цілих організмах ставить набагато складніший виклик.

Перехід від in vitro до in vivo

Можливість перепрограмування клітин у живих тварин з використанням факторів Яманаки була вперше описана в 2013 році в “Природі” групою Мануеля Серрано, тоді в Національному центрі онкологічних досліджень. Дослідники створили мишей, званих 4F, які були носіями чотирьох факторів Яманаки. Активація цих факторів контролюється геном, який, у свою чергу, може бути активований шляхом введення речовини, доксицикліну, яке пропонується мишам із напоєм. Дослідники показали, що можна розпочати перепрограмування клітин у мишей шляхом введення доксицикліну.

Однак ця та інші спроби викликати перепрограмування клітин у живих тварин завжди стикалися з однією і тією ж проблемою: перепрограмовані клітини, як правило, швидше ділилися, що призводило до появи тератом (пухлин, що містять клітини або тканини трьох зародкових шарів). Як наслідок, тварини зазнали високої смертності.

У наших дослідженнях під керівництвом Izpisúa Belmonte ми також взялися за перепрограмування клітин у живих мишей і шукали спосіб уникнути цієї незручності. По-перше, ми працювали з мишами, які були носіями факторів Яманаки (4F), і які, крім того, мали мутацію гена Lmna, що викликає прогерію. Ці миші живуть менше часу і виявляють численні симптоми, пов'язані з віком, такі як втрата ваги або зміни різних органів.

При перепрограмуванні клітин мишей з прогерією ми вивчали різні комбінації, в яких варіювали кількість копій генів фактора Яманака та кількість днів факторної індукції (які ми контролювали введенням доксицикліну). За погодженням із попередніми експериментами, якщо ми індукували фактори Яманаки протягом чотирьох днів поспіль, миші зазнали великої втрати ваги та високої смертності, можливо, спричиненої дедіференціацією (втратою ідентичності) клітин та подальшою дисфункцією клітини.життєво важливі органи.

Найбільш підходящим протоколом було викликати циклічну експресію факторів, залишаючи їх активними протягом двох днів і інактивуючи їх протягом наступних п’яти днів. Таким чином, лише за два дні лікування фактори вже могли бути виявлені в крові мишей, але це не призвело до втрати ваги або смертності, навіть повторюючи цикл до 35 разів. Ми також не спостерігали ознак раку або плюрипотентності в жодному з досліджених нами органів. Ми також виявили велику різницю між мишами, які несли одну копію трансгену фактора Яманака, та мишами, які несли дві копії. Нарешті, ми перевірили, що вісім тижнів циклічної індукції факторів у мишей двома копіями спричинили збільшення проліферації клітин та спричинили утворення тератом у печінці, нирках та підшлунковій залозі.


Неповне перепрограмування

Перший момент, на який слід звернути увагу, полягає в тому, що наша стратегія, коротка індукція факторів Яманаки, досягла часткового перепрограмування клітин. Ми перевірили це, коли, виділяючи фібробласти з мишей, ми спостерігали, що вони не відновили стадію плюрипотентності (кінцевий пункт перепрограмування), оскільки вони не мали маркерів (характерних молекул) плюрипотентності. На відміну від цього, перепрограмовані клітини продовжували зберігати свою первісну ідентичність, оскільки вони все ще експресували деякі маркери, типові для фібробластів. Це досягнення особливо важливо, оскільки часткове перепрограмування може забезпечити перевагу усунення типових для старіння фенотипів без втрати клітинами своєї ідентичності та функції. Ще однією додатковою перевагою є те, що вона не сприяє утворенню пухлин.

Продемонструвавши, що циклічне введення доксицикліну дозволяє уникнути негативних наслідків перепрограмування клітин in vivo, ми вивчили зміни, пов’язані зі старінням. Незважаючи на те, що миші Laki 4F продовжували демонструвати характерну втрату ваги, ми спостерігали помітне збільшення тривалості життя у них, оскільки вони жили на 30 відсотків довше, ніж тварини з прогерією, не піддані лікуванню. Крім того, кілька її тканин зазнали поліпшення: ті, що відповідають травній системі, мали набагато кращий зовнішній вигляд, збільшилось оновлення клітин у багатьох органах, таких як шлунок, нирки або шкіра, а також кількість клітин-супутників м’язів (відповідальних за регенерацію тканина).

Однією з основних проблем, на яку страждають миші з прогерією, є серцево-судинні розлади. Але після перепрограмування клітин навіть ця проблема була пом'якшена, і характерного розвитку брадикардії або повільного серцебиття не спостерігалося, як показав аналіз електрокардіограми. Нарешті, вони також продемонстрували нижчу експресію білка бета-галактозидази, маркера, пов'язаного зі старінням. Важливо зазначити, що всі ці зміни, які вказують на зміну старіючих фенотипів, не залежать від білка прогерину, причини синдрому прискореного старіння у цих мишей. Швидше за все, це відбувається за рахунок ремоделювання епігенетичних знаків, серії хімічних знаків, які накопичуються в геномі і контролюють експресію генів, не змінюючи їх самі.

Нарешті, для вивчення фізіологічного (природного) старіння ми використовуємо мишей 4F і даємо їм старіти. Тепер ми розглянемо дві характерні особливості літніх мишей. Перший стосується підшлункової залози. З віком бета-клітини цього органу мають меншу здатність до регенерації. На відміну від цього, миші, які піддавали перепрограмуванню клітин, краще відновлювались після пошкодження підшлункової залози і, як правило, демонстрували кращу функцію органів, чого не було у мишей, у яких фактори Яманаки не активувались. Другою ознакою, яку ми досліджували, була саркопенія - втрата м’язової маси, пов’язана зі старінням. У цьому випадку, вводячи доксициклін внутрішньом’язово для індукції перепрограмування клітин, старі миші показали розширення м’язових стовбурових клітин, здатних регенерувати пошкоджену м’язову тканину.

Прибулене сюди, основне питання, яке задається, таке: чи ми зараз ближчі до вічної молодості? Наша робота пропонує докази того, що старіння не є односпрямованим процесом, і його можна полегшити, якщо ми скористаємося клітинною пластичністю in vivo. Перепрограмування, яке застосовується до живих мишей, є значним прогресом у порівнянні з тим, що проводиться в клітинних культурах, і це відкриває двері для перспективних стратегій проти старіння. Однак до його застосування в організмі людини ще далеко. Потрібно пройти довгий шлях, щоб точно з’ясувати механізм омолодження, який спостерігається в клітинах оброблених тварин, а також знайти життєздатний метод у клінічній практиці.