Нова стратегия удължава живота на мишките и смекчава свързаните с възрастта симптоми.

чрез

Получаването на всякакъв тип клетки в чаша на Петри, изучаване на ранните етапи на човешкото развитие или дори генериране на органи в лабораторията са някои от възможностите, които стволовите клетки ни предлагат. Те се определят като тези, които имат способността да регенерират цялостен многоклетъчен организъм. Преди 2006 г. стволовите клетки, използвани в лабораторията, произхождат от ембрионален материал, с очевидните етични ограничения. Поради тази причина откритието на препрограмирането на клетки през 2006 г. революционизира областта на регенеративната медицина.

Постижението е извършено от група изследователи, водени от Шиня Яманака от Университета в Киото, който през 2012 г. получи Нобелова награда за физиология или медицина за това. Екипът показа, че като включи в клетките четири гена, кодиращи молекули, известни оттогава като фактори на Яманака, той може да превърне кожните клетки в етап на плюрипотентност, подобен на този на ембрионалните клетки. Процесът е известен като препрограмиране на клетки и генерираните клетки се наричат ​​индуцирани плюрипотентни стволови клетки. Тези клетки значително разкриха диапазона от възможности в областта на биомедицината. Наред с други приложения, те са били използвани за моделиране на заболявания или за оценка на ефикасността на лекарствата при определени заболявания.

Но преди всичко откритието на препрограмирането на клетки представлява промяна на парадигмата в областта на регенеративната медицина. Възгледът, че ембрионалното развитие е еднопосочен процес, при който плюрипотентните клетки се диференцират и придобиват специфична и необратима клетъчна съдба, е заменен от идеята, че това е ковък и дори двупосочен процес. Препрограмирането разкри, че възрастните или диференцирани клетки, като кожни клетки, могат да се подмладят и да се върнат в етап на плурипотентност, от който те могат да се самовъзобновят и да дадат началото на различни видове клетки, като тези на черния дроб, мускулите или отново кожата.

Този напредък предполага преосмисляне на стареенето, което винаги се е смятало за еднопосочно и неизбежно явление. Ако диференцирана клетка може да се превърне в плюрипотенциална като тази на ембрионите; С други думи, ако се върне към началната си точка, възможно ли е тогава да се подмладят клетките, нещо, което не изисква връщане назад във времето? А цял организъм? Има ли възможност да се забави или обърне стареенето?

В проучвания, ръководени от Хуан Карлос Изписуа Белмонте, в Лабораторията за генна експресия на Института за биологични изследвания Salk в Сан Диего и в които участва един от нас (Васкес-Ферер), беше показано, че периодичното активиране на гореспоменатите фактори от Яманака, обикновено свързан с ембрионален стадий, може да обърне характеристиките на старостта при живи мишки. Резултатите от тези проучвания, публикувани през 2016 г. в Cell и в Trends in Molecular Medicine, не само дават представа за клетъчните механизми, които движат стареенето, но също така сочат към потенциални терапевтични подходи за подобряване на човешкото здраве и дълголетие. Оттогава други по-нови публикации потвърждават решаващата роля на епигенетичните промени в механизма за обръщане на стареенето и се задълбочават в in vivo препрограмирането на специфични клетки на тъканта, за да възстановят загубата на функция и по този начин индиректно удължават продължителността на живота.

Подмладяват клетките in vitro

Стареенето може да се определи като прогресивно влошаване на способността на клетката или организма да се противопоставят на стрес, увреждане или болест. Той представлява най-големият рисков фактор за повечето заболявания: с течение на годините рискът и уязвимостта на страдащите от сърдечно-съдови и невродегенеративни заболявания, рак и затлъстяване, нараства, наред с други заболявания; а също така влошава прогнозата ви. Поради тази причина успехът да се обърне или забави стареенето привлече голямо внимание от научната общност.

Последният напредък в препрограмирането на клетките позволи да се анализира стареенето в лаборатория, както физиологично (поради естествени причини), така и патологично (причинено от заболявания). По този начин фибробластите (вид клетки на съединителната тъкан) са препрограмирани in vitro от лица от столетни или от пациенти с Progeria, заболяване, при което засегнатите бързо стареят от раждането си. Препрограмираните клетки показват подобрение в няколко характеристики на стареенето: концентрацията на протеини, които регулират клетъчното стареене и нивата на оксидативен стрес намаляват, теломерите (краищата на хромозомите) се удължават и епигенетичните белези (химични модификации на ДНК) изчезват. Следователно в лабораторията е постигнато подмладяване на клетките.

Но докато има многобройни проучвания, които показват, че препрограмирането на клетки обръща възрастта на клетките в чашките на Петри, стъпката, включена в препрограмирането на клетките в живи цели организми, е много по-трудно предизвикателство.

Скокът от in vitro към in vivo

Възможността за препрограмиране на клетки при живи животни с помощта на фактори Яманака е описана за първи път през 2013 г. в Nature от групата на Мануел Серано, след това в Националния център за онкологични изследвания. Изследователите създадоха мишки, наречени 4F, които носеха и четирите фактора на Яманака. Активирането на тези фактори се контролира от ген, който от своя страна може да се активира чрез прилагането на вещество, доксициклин, което се предлага на мишките с напитката. Изследователите показаха, че е възможно да се започне препрограмиране на клетки при мишки чрез прилагане на доксициклин.

Този и други опити за предизвикване на препрограмиране на клетки при живи животни винаги са срещали един и същ проблем: препрограмираните клетки са склонни да се делят по-бързо, което води до появата на тератоми (тумори, съдържащи клетки или тъкани от трите зародишни слоя). В резултат на това животните са претърпели висока смъртност.

В нашите изследвания, ръководени от Izpisúa Belmonte, ние също се заехме да препрограмираме клетки при живи мишки и търсихме начин да избегнем това неудобство. Първо, работихме с мишки, които са носители на фактори на Яманака (4F) и които освен това имат мутация в гена Lmna, който причинява прогерия. Тези мишки живеят по-малко време и показват множество симптоми, свързани с възрастта, като загуба на тегло или промяна на различни органи.

При препрограмиране на клетки на мишки с Progeria, ние изследвахме различни комбинации, в които променяхме броя на копията на гените на фактора Yamanaka и броя на дните на индукция на фактора (които контролирахме чрез прилагане на доксициклин). В съгласие с предишните експерименти, ако индуцирахме факторите на Яманака в продължение на четири последователни дни, мишките претърпяха голяма загуба на тегло и висока смъртност, вероятно причинена от дедиференциацията (загуба на идентичност) на клетките и последвалата дисфункция на клетки.жизненоважни органи.

Протоколът, който изглеждаше най-подходящ, беше да предизвика циклично изразяване на факторите, като ги остави активни в продължение на два дни и ги деактивира през следващите пет дни. По този начин, само с два дни лечение, факторите вече могат да бъдат открити в кръвта на мишките, но това не се превърна в загуба на тегло или смъртност, дори повтаряйки цикъла до 35 пъти. Също така не сме наблюдавали признаци на рак или плурипотентност в нито един от изследваните органи. Открихме също голяма разлика между мишки, които носеха едно копие на трансгена на фактора Яманака и тези, които носеха две копия. И накрая, ние проверихме, че осем седмици циклично индуциране на факторите при мишки с две копия са причинили увеличаване на клетъчната пролиферация и са причинили образуването на тератоми в черния дроб, бъбреците и панкреаса.


Непълно препрограмиране

Първият момент, който трябва да се отбележи, е, че нашата стратегия, кратко индуциране на фактори на Яманака, постигна частично препрограмиране на клетките. Ние проверихме това, когато, когато изолирахме фибробласти от мишките, забелязахме, че те не са възстановили етапа на плурипотентност (крайната дестинация на препрограмирането), тъй като те не представят маркери (характерни молекули) на плурипотентност. За разлика от това, препрограмираните клетки продължават да запазват първоначалната си идентичност, тъй като те все още експресират някои маркери, типични за фибробластите. Това постижение е особено важно, тъй като частичното препрограмиране може да осигури ползата от елиминирането на фенотипите, типични за стареенето, без клетките да загубят своята идентичност и функция. Друго допълнително предимство е, че не насърчава образуването на тумори.

След като показахме, че цикличното приложение на доксициклин избягва негативните последици от препрограмирането на клетките in vivo, ние изследвахме промените, свързани със стареенето. Въпреки че мишките Laki 4F продължават да показват характерната си загуба на тегло, ние наблюдавахме значително увеличение на продължителността на живота при тях, тъй като те живееха с 30% по-дълго от животните с прогерия, които не бяха подложени на лечението. В допълнение, няколко от неговите тъкани претърпяха подобрение: тези, съответстващи на храносмилателната система, имаха много по-добър външен вид, обновяването на клетките се увеличи в много органи, като стомаха, бъбреците или кожата, и броят на сателитните клетки на мускула ( отговарящ за регенерирането на тъканите).

Един от основните проблеми, от който страдат мишките с Progeria, са сърдечно-съдовите заболявания. Но след препрограмиране на клетките дори този проблем е облекчен и не се наблюдава характерното развитие на брадикардия или забавен сърдечен ритъм, както е показано от анализа на електрокардиограмата. И накрая, те също така показаха по-ниска експресия на бета-галактозидазния протеин, маркер, свързан със стареенето. Важно е да се отбележи, че всички тези промени, които сочат към обръщане на фенотипите на стареенето, са независими от протеина прогерин, причината за синдрома на ускорено стареене при тези мишки. По-скоро те се дължат на ремоделиране на епигенетични белези, поредица от химически белези, които се натрупват върху генома и контролират експресията на гените, без да ги променят сами.

И накрая, за да изследваме физиологичното (естествено) стареене, използваме 4F мишки и ги оставяме да остареят. Сега разглеждаме две характерни черти на остарелите мишки. Първият се отнася до панкреаса. С напредване на възрастта бета клетките на този орган имат по-малък капацитет за регенерация. За разлика от това, мишките, подложени на препрограмиране на клетки, се възстановяват по-добре от увреждане на панкреаса и като цяло показват по-добра функция на органите, което не е случаят при мишки, при които факторите на Яманака не са активирани. Втората черта, която изследвахме, беше саркопенията, загубата на мускулна маса, свързана със стареенето. В този случай, чрез прилагане на доксициклин интрамускулно за индуциране на препрограмиране на клетки, старите мишки показват разширяване на мускулни стволови клетки, способни да регенерират увредената мускулна тъкан.

Пристигналият тук основният въпрос, който човек поставя, е: по-близо ли сме сега до вечната младост? Нашата работа предлага доказателства, че стареенето не е еднопосочен процес и би могло да бъде облекчено, ако се възползваме от клетъчната пластичност in vivo. Препрограмирането, приложено върху живи мишки, представлява голям напредък спрямо този, извършен в клетъчните култури, и това отваря вратата към обещаващи стратегии против стареене. Прилагането му при хората обаче все още е далеч. Трябва да извървим дълъг път, за да разберем точно механизма за подмладяване, наблюдаван в клетките на лекувани животни, както и да намерим жизнеспособен метод в клиничната практика.