«Магический коктейль Яманаки». Существует ли научный способ откатить возраст?

Отрывок из книги Ангелины Потаповой «Как подружить гены в клетках: коктейль молодости, светящиеся котики, напечатанные органы и другие прелести науки»

Итак, моя работа была связана со стволовыми клетками. Самая главная способность этих клеток — самообновляться и превращаться в клетки различных органов и тканей. Они являются своего рода «запасными частями», которые можно использовать, если в организме что-то «поломалось».

Использование стволовых клеток в различных областях медицины — перспективное направление, которое может помочь избавить человечество от многих заболеваний. «Добыть» эти клетки можно несколькими способами. Самый часто применяемый — донорство костного мозга (материал часто берут из подвздошной кости, проще говоря, верхней части тазовой кости).

Есть другой источник стволовых клеток — эмбрион ранней стадии развития. Однако этот способ сомнителен по этическим причинам и недостаточно изучен в медицине. Существует еще один источник стволовых клеток, самый безопасный — пуповинная кровь и пупочный канатик.

Интересно, что, например, содержащиеся в пуповинной крови и пупочном канатике стволовые клетки можно сразу после рождения ребенка сохранить в специальном банке. В среднем объем собранной пуповинной крови составляет от 40 до 100 мл, это зависит от физиологических особенностей пуповины.

Впоследствии, если человек серьезно заболеет, он сможет использовать собственные ресурсы. Однако существуют и минусы стволовых клеток из пуповины по сравнению с клетками, взятых из костного мозга.

Поскольку в порции пуповинной крови содержится меньшее количество клеток, чем в порции стволовых клеток, полученных из костного мозга, лечение проходит намного медленнее, а количества клеток, полученных из пуповины, необходимо больше.

В своей диссертации я исследовала, как ученые могут использовать мезенхимальные стволовые клетки (МСК) для лечения химических ожогов и механических травм. Это очень эффективный материал для восстановления, так как стволовая клетка способна трансформироваться в клетку ткани.

Однако серьезная сложность заключается в том, что также она способна стать «врагом» и превратиться в источник распространения онкологии по организму. Для того чтобы взять от стволовой клетки только ее лучшие качества, мы работали не с ней самой, а с ее факторами роста, которые благотворно влияют на регенерацию.

Предметом моих исследований была поврежденная кожа. Я вводила факторы роста стволовых клеток животным и следила, заживляются ли ткани и каким образом воздействуют компоненты, сравнивая этот процесс с воздействием плацебо (физраствора).

Стволовые клетки и их ростовые факторы изучают во всем мире. Регенеративная медицина в настоящее время практически базируется на исследованиях, включающих применение стволовых клеток в той или иной области.

В этой главе я расскажу об удивительных исследованиях с применением стволовых клеток. Почему удивительных? Потому что некоторые из них еще 120 лет назад казались чем-то на уровне фантастики. Впрочем, и опасность в их применении тоже есть.

Опасность стволовых клеток

В чем же опасность стволовых клеток? Это обратная сторона медали. Почти на всех конференциях и даже на защите диссертации у меня спрашивали лишь об одном:

К сожалению, эти вопросы задавались не без основания. Как только ученые «разведали» удивительные свойства стволовых клеток, практики тут же начали думать, как же можно их применить. И конечно же, как только из каждого утюга стало доноситься, что стволовые клетки — это панацея, сильнейшие мира сего начали их «втюхивать» налево и направо, а те, кто побогаче, познаменитее и постарше, с большим удовольствием пользовались «благами современной цивилизации».

Клеточный туризм начиная с 2010 года процветал во многих странах. Но какой ценой? В том, что стволовые клетки стали причиной развития раковых опухолей, много слухов, но были и исследования, подтверждающие их опасность. В 2016 году американские врачи опубликовали в New England Journal of Medicine статью о случае развития опухоли в результате «лечения» стволовыми клетками в коммерческих клиниках.

Мужчина, желающий избавиться от последствий инсульта, решился на введение в спинномозговой канал мезенхимальных, эмбриональных и плодных стволовых клеток. Все эти манипуляции ему сделали в клиниках Китая, Аргентины и Мексики. Через некоторое время у мужчины парализовало ноги и началось недержание мочи, помимо всего прочего, у него дико болела спина.

С помощью МРТ с контрастным веществом, биопсии и анализа ДНК врачи выяснили, что под твердой оболочкой спинного мозга этого мужчины плотное клеточное быстрорастущее новообразование, которое состоит в основном из чужеродных клеток.

У этого образования были все признаки злокачественного, но секвенирование не выявило ни одного изменения в геноме, характерного для рака. Врачи недоумевали, ведь до этого они ни разу такого не видели. После курса лучевой терапии новообразование уменьшилось в размере, а пациент смог шевелить правой ногой. Поэтому, дабы минимизировать такие случаи, ученые все же пытаются и дальше работать над исследованиями стволовых клеток.

В начале 2018 года российские исследователи опубликовали статью в журнале Stem Cell Reports, где рассказали о том, что разработали новый способ мечения ДНК, при помощи которого можно наблюдать за делением и дифференциацией стволовых клеток почти во всех тканях.

Метод основан на применении трех модифицированных аналогов нуклеотидов. Последовательное окрашивание трех разных меток в мозге позволило исследователям наблюдать за нейрогенезом у мышей.

Стволовые клетки: как они превращаются в органы и эмбрионы

И все же волков бояться — в лес не ходить. Поэтому от опасности перейдем к пользе. Как вы, наверно, уже поняли из описания стволовых клеток, в них таится огромный потенциал для того, чтобы лечить различные заболевания и восстанавливать ткани.

Команда ученых из медицинской школы Перельмана в Университете Пенсильвании нашла белок, который запускает тот самый процесс «инициации»: перехода стволовой клетки в специализированную. Они смогли описать пошагово этот процесс!

Еще в 2002 году исследователи из лаборатории доктора Зарета обнаружили специальный белок FOXA1, который дает доступ другим молекулам белка к структуре ДНК стволовых клеток. Новая работа позволила разобраться, как именно стволовая клетка получает информацию, кем необходимо ей стать.

Для упрощенного объяснения процесса исследователи используют следующую аналогию. Белок FOXA1 — это человек, который открывает дверь в квартиру. Что из себя представляет эта квартира? Эдакая типичная двушка в новостройке с отделкой White Box. Ровные белые стены, тип планировки и высота потолков — это стандартные параметры, которыми обладают все стволовые клетки до превращения в новые.

Чтобы сделать в такой квартире ремонт по вашему заказу, требуется дизайнер интерьера: в мире клеток это сигнальные молекулы, которые определяют дальнейшую судьбу каждой стволовой клетки. Они задают цвет обоев, отделку пола и потолков, расстановку мебели. Далее приходит команда работников (определенный набор белков), которая выполняет свою работу.

Они берутся активировать те участки генома стволовой клетки, которые соответствуют поставленной задаче. Из пустой комнаты можно сделать и спальню, и гостиную, и детскую: база для этого имеется. Так и эти белки-активаторы: заставляют работать те гены, которые отвечают за рост определенного типа тканей.

FOXA1 обнажает молекулу ДНК стволовой клетки и открывает доступ к информации! Белки считывают тот код, на который указывает FOXA1, и строят новые структуры тканей и органов. Результаты этого исследования дает надежду на переход на новый уровень в выращивании органов и тканей для пересадки их нуждающимся людям. А вот исследователи из Медицинской школы Университета Вирджинии даже смогли вырастить мышиный эмбрион из стволовых клеток.

Работа основана на результатах предыдущего исследования, в котором определили необходимые условия для искусственного развития эмбрионов рыбок Данио с нуля. Теперь же удалось получить нормальное развитие хорды, то есть будущего позвоночника, зачатков желудочно-кишечного тракта и впервые в мире вырастили нервную трубку — начальный этап развития центральной нервной системы.

Американские ученые получили даже первые сократительные движения сердечной мышцы! Но такой эмбрион не сможет вырасти в полноценную мышь: развитие останавливается в середине беременности.

Требуются дополнительные исследования. Несмотря на это, такие эмбрионы могут стать отличным инструментом для изучения заболеваний плода на стадии эмбрионального развития, а также для создания возможного лечения таких заболеваний.

Ранее ученые обнаружили, что нервные стволовые клетки активно участвуют в регуляции процесса старения организма. Но не будем долго останавливаться на процессах старения и перейдем к процессам омоложения. Итак, чтоб чудом омолодиться, нужен всего лишь особый коктейль, «магический коктейль Яманаки». Или это все же не так просто, как кажется?

Как приготовить «молодильный коктейль»? И при чем тут стволовые клетки?

Из плюрипотентных клеток происходит все. И если мы научимся управлять этой плюрипотентностью, то для каждого человека будем способны создавать дополнительные ткани. Плюрипотентные клетки могут дифференцироваться во все типы клеток, кроме клеток внезародышевых органов (плаценты и желточного мешка).

У человека эти клетки существуют на стадии эмбрионального развития, которая называется бластоциста. После этого они специализируются, то есть, теряя плюрипотентность, становятся мультипотентными, и происходит развитие организма.

Японский ученый Синъя Яманака с помощью четырех генов научился получать плюрипотентные стволовые клетки из любых клеток живущих взрослых организмов. Это шикарнейшее открытие! И по сравнению с клонированием оно технологически намного проще. Не нужно переносить ядро, не нужна яйцеклетка. Нет морально-этических проблем! Красота!

Репрограммирование клеток с помощью генов похоже на волшебство! Именно поэтому эти четыре гена многие и называют «магическим коктейлем Яманаки».

Эти четыре гена можно ввести в любые клетки взрослого организма. Например, взять клетки кожи, ввести в них эти гены — и вот оно, чудо! Через некоторое время они превратятся в клетки, совершенно одинаковые с клетками, которые мы выделили бы из бластоцисты, то есть с первыми плюрипотентными стволовыми клетками.

Эти клетки получили название индуцированных плюрипотентных стволовых клеток. То есть через введение туда генов произошло репрограммирование: из взрослых они вернулись в эмбриональное состояние и приобрели свойство плюрипотентности.

Эмбриональные стволовые клетки (ЭСК) — тип плюрипотентных клеток млекопитающих, которые получают из клеточной массы на ранней стадии развития эмбриона. Для примера возьмем мышиные индуцированные плюрипотентные стволовые клетки, введем в полость бластоцисты, эту бластоцисту имплантируем мышке, и из нее родятся мышата.

Это значит, что мы можем сегодня для каждого человека получать плюрипотентные стволовые клетки и из них делать персональные тканевые либо клеточные препараты, чтобы, например, использовать их в целях регенеративной медицины либо изучать те или иные патологии. А может, оставаться вечно молодым?

Недавно ученые, кажется, чуть-чуть приблизились к ответу на этот вопрос. Исследователи смешали три фактора Яманаки (из четырех) с клетками кожи взрослого человека, чтобы таким образом перепрограммировать эти клетки.

Такой «коктейль» вводили в поврежденные клетки сетчатки в задней части глаз слепых мышей и «включали» их с помощью определенных химических веществ. Мыши восстановили бóльшую часть своего зрения. Затем команда взялась за клетки мозга, мышц, почек и восстановила их до гораздо более молодого состояния.

«Одним из наших достижений стало понимание того, что, если вы используете этот набор из трех факторов, мыши не „молодеют до конца“, что может вызвать рак или что-то еще. Вместо этого клетки омолаживаются на 50–75% и потом останавливаются („откат назад“). Как клетки это делают, пока неизвестно», — отметил руководитель научной группы.

На основе этого исследования профессор сформулировал «информационную теорию старения». Идея которой — «откатить» клетки не до «заводских настроек», а до определенной «резервной копии» (как в компьютере). Сейчас эта же команда ученых пытается найти способ равномерно доставить «молодильный коктейль» в каждую клетку.

До этого эксперимента ученые уже несколько раз пытались омолодить клетки у мышей, показывая, что старение можно обратить вспять более одного раза, и сейчас они тестируют такую перезагрузку у приматов.

Одна из теорий старения гласит, что теломеры с каждым делением укорачиваются. О теломерах вы уже узнали из первой главы, давайте еще немного углубимся в эту тему. Укорочение теломер связано с тем, что фермент ДНК-полимераза, восстанавливающий структуру ДНК, не умеет копировать концевые участки хромосом. И чтобы не потерять информацию, на концах хромосом находятся теломеры. У них есть и защитная функция — предотвращать склеивание хромосом между собой.

Жизнь клетки зависит от остатка длины теломер: при сильном укорочении она запускает процессы старения и гибели, чтобы избежать склеивания хромосом и серьезных мутаций. Стволовые же клетки делятся очень много раз и содержат фермент теломеразу, который восстанавливает эти участки.

Мутации, нарушающие работу этого фермента, вызывают наследственные заболевания. Ученые из Бостонской детской больницы под руководством Сунита Агарвала несколько лет назад показали, что в развитие теломерных заболеваний вовлечен ген, правильная работа которого важна для нормального формирования и стабилизации теломеразы.

Исследователи сосредоточились на изучении PAPD5 — белка, подавляющего работу гена PARN. Чтобы найти молекулу, которая будет препятствовать работе белка PAPD5, ученые проанализировали более 100 тысяч химических веществ.

Наиболее подходящие молекулы протестировали на культурах клеток, полученных от пациентов с дискератозом, а затем на лабораторных мышах, которым предварительно пересадили стволовые клетки человека с мутациями в гене PARN, ведущими к развитию дискератоза.

Действие молекул-ингибиторов PAPD5 приводило к восстановлению длины теломер в трансплантированных клетках, не влияя при этом на способность животных образовывать различные виды клеток крови.

Врожденный дискератоз — генетически обусловленный синдром, при котором костный мозг не вырабатывает достаточно клеток крови. Характерные симптомы при этом: аномалии на кожных покровах, поражение слизистых оболочек, ломкость ногтевой пластины.

А есть ли предел для функционирования стволовых клеток? Биолог Эван Снайдер из Санфордского института медицинских исследований задумал перепрограммировать клетки 114-летнего пациента. До сих пор считалось, что настолько старые стволовые клетки уже теряют свою «суперспособность».

Благодаря выборочному анализу клеток людей, чей возраст перешагнул целый век, удалось заметить особенность: тела этих долгожителей демонстрируют меньшую склонность к возрастным заболеваниям (например, болезням Альцгеймера и Паркинсона).

Вероятно, дальнейшее изучение особенностей генов долгожителей даст возможность противостоять многим возрастным болезням, ухудшающим качество жизни!

Фото: Shutterstock