Старые человеческие клетки можно омолодить, используя технологии стволовых клеток

Витторио Себастиано (Vittorio Sebastiano), PhD, адъюнкт-профессор акушерства и гинекологии, в своей лаборатории. (Фото: Stanford University School of Medicine)

Кратковременная смоделированная экспрессия ряда генов, активных в период эмбрионального развития, переводит старые человеческие клетки в более молодое и энергичное состояние. Об этом свидетельствуют результаты нового исследования, проведенного учеными из Медицинской школы Стэнфордского университета (Stanford University School of Medicine). Более того, подвергшиеся воздействию омолаживающих белков и трансплантированные обратно в организм старых мышей их собственные стволовые мышечные клетки восстанавливают физические силы животных.

Белки, называемые факторами Яманаки, обычно используются для перепрограммирования взрослых клеток в так называемые индуцированные плюрипотентные стволовые клетки (induced pluripotent stem cells, iPS cells). Такие клетки могут стать практически любым типом клеток организма вне зависимости от их источника - той ткани организма, из которой они получены. Их значение в развитии регенеративной медицины и разработке лекарственных препаратов уже является общепризнанным.

Как показало исследование, кратковременный синтез in vitro старыми человеческими клетками этих белков стирает многие молекулярные признаки старения и делает подвергшиеся такому воздействию клетки почти неотличимыми от их более молодых гомологов.

"Полученные из взрослых клеток iPS-клетки молоды и плюрипотентны", - объясняет руководитель исследования Витторио Себастиано (Vittorio Sebastiano), PhD, адъюнкт-профессор акушерства и гинекологии. "Какое-то время назад мы стали задаваться вопросом, нельзя ли более легким способом повернуть вспять часы старения без введения клеток в состояние плюрипотентности. Сейчас мы установили, что строгим контролем над продолжительностью воздействия этими белковыми факторами можно стимулировать омоложение многих типов человеческих клеток".

"Мы очень рады этим результатам", - говорит соавтор исследования профессор неврологии и неврологических наук Томас Рандо (Thomas Rando), MD, PhD, директор Центра изучения биологии старения Гленна при Медицинской школе Стэнфордского университета (Paul F. Glenn Center for Biology of Aging Research at Stanford School of Medicine). "Мои коллеги и я занимаемся вопросом омоложения тканей с начала 2000-х годов, когда наши исследования показали, что системные факторы могут сделать старую ткань моложе. Говард Чанг и я предложили концепцию использования факторов перепрограммирования для омоложения клеток и тканей в 2012 году, и видеть доказательства успешности этого подхода очень приятно". (Говард Чанг (Howard Chang), MD, PhD, - профессор дерматологии и генетики в Стэнфорде).

Воздействие белков

В лаборатории Себастиано индуцированные плюрипотентные клетки получают из взрослых клеток, таких, например, как клетки кожи, путем многократного воздействия на них в течение примерно 2-х недель набором белков, важных для раннего эмбрионального развития. Это достигается путем ежедневного введения во взрослые клетки короткоживущих информационных РНК. В этих РНК закодированы инструкции для синтеза белков Яманаки. Спустя некоторое время белки Яманаки изменяют судьбу клеток, отправляя их все дальше назад по шкале развития до тех пор, пока они не становятся очень похожими на молодые плюрипотентные клетки эмбрионального типа, из которых когда-то произошли.

Во время этого процесса клетки не только забывают свою прежнюю идентичность, но и возвращаются в более молодое состояние. Их трансформация заканчивается стиранием с ДНК не только молекулярных меток, отличающих, к примеру, клетку кожи от клетки сердечной мышцы, но и других меток, накапливающихся в процессе старения.

Недавно ученые задались вопросом, может ли воздействие на взрослые клетки белками Яманаки в течение дней, а не недель стать триггером возвращения в молодое состояние без индуцирования полной плюрипотентности. Фактически еще в 2016 году ученые из Института биологических исследований Солка (Salk Institute for Biological Studies) открыли, что кратковременная экспрессия 4 факторов Яманаки у мышей с одной из форм преждевременного старения увеличивает продолжительность жизни животных примерно на 20%. Но будет ли такой подход работать на человеческом организме, оставалось неясным.

Профессор Себастиано и его коллеги решили выяснить, будут ли старые человеческие клетки реагировать подобным же образом, а также будет ли такая реакция общей для большого числа тканей или же она будет ограничена только некоторыми типами клеток. Они разработали способ использования генетического материала - матричных, или информационных, РНК - для временного воздействия шестью факторами перепрограммирования - четырьмя факторами Яманаки и двумя дополнительными белками - на клетки человеческой кожи и кровеносных сосудов. Матричная РНК в клетках быстро разлагается, позволяя жестко контролировать длительность сигнала.

Сравнив профили генетической экспрессии обработанных и контрольных клеток, взятых у пожилых людей, с таковыми необработанных клеток, взятых у молодых людей, ученые установили, что в клетках пожилых людей признаки обращения старения вспять проявляются уже после четырех дней воздействия факторами перепрограммирования. В то время как клетки пожилых людей, не подвергавшиеся воздействию, демонстрируют более высокие уровни экспрессии генов, связанных с известными молекулярными путями старения, паттерны генетической экспрессии обработанных клеток пожилых людей очень близки к паттернам более молодых клеток.

Анализ паттернов химических меток, связанных со старением (метильных групп), являющихся индикатором хронологического возраста клетки, показал, что паттерны обработанных клеток соответствовали таковым клеток в среднем на 1.5 - 3.5 года моложе с пиком в 3.5 года (для клеток кожи) и 7.5 лет (для клеток, выстилающих кровеносные сосуды).

Сравнение признаков старения

Затем исследователи провели сравнение между клетками молодых людей, обработанными клетками пожилых и необработанными клетками пожилых людей по нескольким характерным признакам старения, включая распознавание клетками питальных веществ, метаболизм химических соединений для получения энергии и утилизацию клеточного мусора.

"По всем признакам, кроме одного, мы наблюдали значительное омоложение всех типов протестированных клеток", - комментирует результаты Себастиано. "Но наш последний и самый важный эксперимент был проведен на стволовых клетках мышц. Хотя эти клетки обладают естественной способностью к самообновлению, с возрастом эта способность ослабевает. Мы задались вопросом, можно ли омолодить и стволовые клетки и при этом получить долговременный эффект".

Ретрансплантированные мышам предварительно обработанные мышечные стволовые клетки вернули старым животным мышечную силу молодых.

Наконец, ученые выделили хрящевые клетки людей, страдающих остеоартритом и не имеющих этого заболевания. Он установили, что временное воздействие на клетки больных перепрограммирующими факторами снижает секрецию медиаторов воспаления и повышает способность клеток делиться и выполнять свою функцию.

В настоящее время исследователи оптимизируют панель перепрограммирующих белков, необходимых для омоложения клеток человека, и изучают возможность лечения клеток или ткани, не удаляя их из организма.

"Хотя впереди еще очень много работы, мы надеемся, что однажды у нас появится возможность перезапускать целые ткани", - подводит итог профессор Себастиано. "Но прежде всего мы хотим убедиться, что это строго проверено в лабораторных условиях и признано безопасным".

Old human cells rejuvenated with stem cell technology

Оригинальная статья:

Tapash Jay Sarkar, Marco Quarta, Shravani Mukherjee, Alex Colville, Patrick Paine, Linda Doan, Christopher M. Tran, Constance R. Chu, Steve Horvath, Lei S. Qi, Nidhi Bhutani, Thomas A. Rando, Vittorio Sebastiano. Transient non-integrative expression of nuclear reprogramming factors promotes multifaceted amelioration of aging in human cells.