Александр ТЫШКОВСКИЙ
7 вопросов о самых передовых методах борьбы с болезнями и старением
Человек начинает развиваться с одной клетки. Накопленные в клетках же мутации приводят к старению, а значит, к возрастзависимым болезням и смерти. Что будет, если приручить этот могущественный механизм и с его помощью лечить людей, а то и повернуть время вспять? Биолог Александр Тышковский рассказал ПостНауке, как клеточная терапия уже сегодня омолаживает мышей и позволяет улучшать состояние больных с Паркинсоном и можно ли будет в ближайшем будущем выращивать не только искусственное мясо, но и запасные органы для человека.
Что такое старение и как оно происходит на клеточном уровне?
Старение — это процесс повреждения организма, происходящий на самых разных уровнях [1]. Есть молекулярные повреждения. Самые известные из них — мутации в ДНК, которые увеличивают риск развития рака, или, скажем, аномальные скопления белков в тканях мозга — один из факторов риска болезни Альцгеймера.
Болезнь Альцгеймера — наиболее распространенная форма деменции, нейродегенеративное заболевание, которое проявляется в накоплении в тканях мозга масс белка бета-амилоида и тау-белка, что приводит к нарушению его функции. В результате на ранних стадиях у больного возникают расстройства кратковременной памяти, затем болезнь добирается до долговременной памяти, нарушаются речь и когнитивные функции, больной теряет способность ухаживать за собой. Нарастающая потеря функций организма ведет к смерти. В основном болезнь Альцгеймера поражает людей в возрасте старше 65 лет. По оценкам [2] исследователей, к 2050 году число больных в мире может превысить 100 миллионов человек.
Следующий уровень повреждений — клеточный. Когда в клетке появляются повреждения, во многих случаях она способна справиться с «поломками»: есть механизмы репарации (починки) ДНК или, например, протеолиза — расщепления поврежденных белков. Но механизмы самозащиты неидеальны, и, когда поломок в клетке становится слишком много, у нее есть три возможных исхода. Первый — перерождение клетки в раковую: накопившиеся мутации приводят к тому, что клетка выходит из-под контроля, начинает безостановочно делиться и причинять вред организму. Второй вариант, пожалуй, самый гуманный для тела — самоликвидация клетки (этот механизм называется апоптозом). Третий исход — промежуточный: клетка не погибает, но при этом под гнетом поломок перестает делиться и выполнять свои биологические функции. Такие клетки называют сенесцентными (от англ. senescence — «дряхление», «старение») или «клетками-зомби»: ведь в некотором смысле они ни живы, ни мертвы. Отдельные исследования показывают, что от этих клеток все-таки есть польза: например, они помогают сохранить ткань после острой травмы [3]. Но в долгосрочной перспективе вреда от них, по-видимому, все же больше. В частности, сенесцентные клетки выделяют в ткань факторы воспаления, тем самым вызывая новые повреждения в других клетках. Таким образом, поломки отдельных молекул в итоге разрастаются до уровня целого органа, как лесной пожар. Это неизбежно приводит к серьезным патологиям в организме.
Параллельно с накоплением сенесцентных клеток у нас с возрастом уменьшается количество стволовых клеток. Именно они ответственны за регенерацию, замену умерших клеток новыми. Со временем в стволовых клетках тоже возникают повреждения, в результате чего они могут стать сенесцентными или погибнуть. По итогу у старого организма хуже происходит регенерация тканей, и в этом легко убедиться даже невооруженным глазом: порез на руке у пожилого человека заживает медленнее, чем у молодого.
Это неполный список механизмов старения, но уже по нему заметно, что повреждений много и каждое из них может вызвать последующие. С возрастом этот снежный ком становится все больше, у человека возникают хронические заболевания, и в конечном итоге он умирает. Причем возникновение поломок с возрастом — процесс во многом случайный. Что произойдет раньше: накопятся мутации и возникнет рак, накопятся сенесцентные клетки и случится инфаркт миокарда или появятся агрегаты бета-амилоидов, а с ними и болезнь Альцгеймера, — это своего рода русская рулетка, в которую каждый из нас вынужден играть. Впрочем, в том, что все механизмы старения взаимосвязаны, есть и положительный момент: если мы сможем с молодых лет существенно замедлить накопление основных видов повреждений, то у человека одновременно снизятся и риск рака, и риск болезни Альцгеймера, и риск инфаркта.
Какие клеточные технологии помогают предотвращать или замедлять болезни?
Поскольку у нас в организме уже есть специальные клетки, задача которых — бороться со многими заболеваниями, логичным кажется использовать их в новых медицинских целях. Речь, конечно, о нашей иммунной системе, а лечение болезней с ее помощью называются иммунотерапией. Например, можно взять у больного человека его собственные иммунные клетки и в лабораторных условиях «натравить» их на конкретную болезнь этого пациента. Самый яркий пример такой технологии — CAR-T (Chimeric Antigen Receptor, или химерный рецептор антигена) [4]. Работает этот метод так: допустим, перед нами пациент с некоторым видом рака крови. У этого больного берут иммунные клетки, отвечающие за поиск и уничтожение «неправильных» клеток в организме, — T-лимфоциты. В лаборатории с помощью генной инженерии к ним «пришивают» определенный рецептор, который позволяет им прицельно обнаружить раковые клетки больного. Затем эти клетки пересаживают обратно пациенту, где они успешно выполняют свое предназначение и избавляют человека от болезни. В США этот метод уже одобрен для лечения нескольких видов рака крови [4].
Кстати, этот же подход можно использовать и для борьбы с механизмами старения. Для этого достаточно «натравить» Т-лимфоциты не на раковые, а на сенесцентные клетки. Ученые подтвердили эффективность такой терапии на мышах [5], где им удалось помочь грызунам, страдающим от фиброза печени.
Можно ли омолодить сами клетки?
Можно. Более того, сегодня ученые умеют доводить взрослую клетку организма до ее эмбрионального состояния. Дело в том, что во взрослом состоянии у нас нет клеток, способных дать начало любому типу клеток. Даже стволовые клетки ограничены в своих возможностях: стволовая клетка печени не сможет дать начало клетке сердечной мышцы, и наоборот. Однако каждый человек начинается с клеток, которые впоследствии дают начало всем взрослым клеткам организма, — с эмбриональных клеток.
В 2006 году японский исследователь Синъя Яманака впервые сумел превратить взрослую клетку организма в похожую на эмбриональную. По сути он смог обратить процесс взросления клетки, за что в 2012 году получил Нобелевскую премию. Для этого было достаточно ввести во взрослую клетку четыре гена, которые в честь ученого были названы факторами Яманаки. А сами клетки получили название индуцированных плюрипотентных стволовых клеток (iPS-клеток).
Эта технология дала ученым огромные возможности, в том числе позволила превращать один тип клеток в другой. К примеру, мы можем взять клетку кожи (фибробласт) у взрослого человека, откатить ее в эмбриональное состояние, а потом вырастить из нее клетку печени, мозга и тому подобное. В этом случае нам уже не нужно замораживать стволовые клетки пуповины с детства, потому что для любого взрослого человека можно в течение месяца получить его «эмбриональные» клетки. Но самое главное, эти клетки будут еще и биологически молодыми, то есть в них будет гораздо меньше повреждений, чем в аналогичных взрослых клетках.
Неудивительно, что эта технология уже нашла применение в клинической практике. К примеру, два года назад ученые вырастили [6] для одной пациентки молодые клетки роговицы глаза, тем самым восстановив ей зрение. Другой яркий пример — лечение болезни Паркинсона — нейродегенеративного заболевания.
Болезнь Паркинсона — нейродегенеративное неврологическое заболевание моторной системы. Его вызывает прогрессирующее разрушение и гибель нейронов, вырабатывающих нейромедиатор дофамин, что ведет к нарушениям двигательной функции и работы мозга. Оно начинается с тремора (дрожи) в одной из конечностей, а заканчивается тем, что больной оказывается прикован к постели и не способен себя обслуживать. Болезнь Паркинсона часто проявляется в старости, но может развиться и у 30–40-летних.
Ученые берут у больного клетки кожи, после чего с помощью технологии iPS выращивают из них новые молодые клетки мозга и пересаживают их обратно пациенту, но на этот раз уже в мозг [7]. В результате такая терапия позволяет замедлить прогрессирование заболевания, а в некоторых случаях даже улучшить показатели здоровья больных [8]. Конечно, полностью вылечить заболевание с помощью этой терапии пока не удалось, но текущий результат уже большой прорыв. Особенно с учетом того, что эффективных лекарств, излечивающих болезнь Паркинсона, до сих пор нет.
Можно ли с помощью iPS-технологии омолодить все клетки организма?
Теоретически, если мы научились обращать старение на уровне каждой отдельной клетки, можно это сделать и для всего организма. Но практически это сделать крайне сложно: ведь у человека десятки триллионов клеток. Достать, омолодить и вернуть каждую из них обратно — идея не самая перспективная. Можно, конечно, попробовать омолодить клетки не в лаборатории, а прямо в организме. Для этого понадобится вирус, который доставит в клетки те самые факторы Яманаки. Правда, эта технология пока довольно рискованная: если перестараться и довести клетки до «эмбрионального» состояния, они могут переродиться в раковые и привести к образованию опухоли. Поэтому сейчас ученые ищут золотую середину, включая факторы Яманаки на ограниченное, короткое время. Таким образом ученые пытаются омолодить клетки, но не допустить их превращения в «эмбриональные».
У этих манипуляций есть результат: временное применение технологии iPS в мышах привело к тому, что их биологический возраст по многим физиологическим параметрам уменьшился, а качество здоровья [9] повысилось. При этом рак у них чаще не возникал. Приведет ли это к тому, что мышь станет жить дольше, пока неизвестно — на выяснение этого нужно время. Но перспективы у подхода, безусловно, высокие.
Что касается применения на людях, то, скорее всего, первое время эта технология будет тестироваться для лечения отдельных заболеваний. Для этого можно вводить гены не во все клетки организма, а лишь в тот орган, который мы хотим «починить». Профессор Гарвардского университета Дэвид Синклер продемонстрировал эффективность такого подхода для восстановления зрения у пожилых мышей и мышей, страдающих от глаукомы.
Как это можно сделать? Возьмем какой-нибудь вирус, например аденоассоциированный, и загрузим в него факторы Яманаки. Если мы введем такой вирус в кровь, то большинство вирусных частиц осядут в печени. Если же сделать инъекцию вируса в глаз, то вирусные частицы не смогут покинуть этот изолированный орган, и весь терапевтический эффект сконцентрируется в нем. Группа Синклера ввела вирус с факторами Яманаки в глаз пожилым мышам и мышам с глаукомой [10]. В результате у них действительно улучшилось зрение: пожилые мыши стали видеть не хуже молодых.
Можно ли выращивать органы и заменять ими старые?
Другое интересное применение технологии iPS-клеток заключается в том, чтобы с помощью нее выращивать для пациента новый молодой орган на замену старому. На сегодняшний день есть два способа это сделать. Первый — напечатать орган на 3D-принтере. Звучит немного футуристично, но это уже реальность: в 2019 году в Израиле группа ученых напечатала [11] на 3D-принтере слой за слоем сердце из клеток сердечной мышцы и стенок кровеносных сосудов. Правда, сердце было размером с кроличье и не сокращалось как единое целое, только на уровне отдельных мышц. Впрочем, эти недостатки имеют скорее технический характер и, возможно, будут доработаны в будущем. В этом случае подобная технология окажется по-настоящему революционной. Во-первых, она решит проблему нехватки доноров органов, поскольку теперь каждому человеку можно будет вырастить свой орган «под ключ». А во-вторых, пересадка такого органа не приведет к иммунному отторжению: ведь новый орган будет напечатан из клеток самого пациента.
Кстати, выращивание органов в лаборатории сможет сохранить нас не только здоровыми, но и сытыми. Подобный подход применяется для создания искусственного мяса. Для этого ученые вначале делают из желатина каркас для мышечных волокон, после чего «напрыскивают» на него молодые мышечные клетки. Эти клетки прорастают в каркас и в какой-то момент замещают желатин. В результате образуются самые настоящие мышечные волокна, повторяющие по своей форме исходный желатиновый каркас [12]. В последнее время технологиями выращивания искусственного мяса начал активно интересоваться крупный бизнес [13]. Например, в 2020 году компания KFC заключила договор с российской лабораторией 3D Bioprinting Solutions о разработке технологии 3D-печати куриных наггетсов. Вполне возможно, что благодаря клеточным технологиям убийства животных для пропитания скоро останутся в прошлом: такой же вкусный и свежий мясной стейк можно будет без труда напечатать на 3D-принтере.
Второй способ создать для человека новый орган — вырастить его в животном, например в свинье. Для этого берут эмбрион свиньи и вносят определенную мутацию, в результате которой у животного не может развиться один определенный орган, скажем поджелудочная железа. Свинья не может выжить без поджелудочной, поэтому такой эмбрион просто погибнет. Но если добавить в него iPS-клетки человека, они смогут дать начало поджелудочной железе. В результате вырастет свинья, у которой вся поджелудочная будет построена из клеток человека. Остается лишь вырезать этот орган и пересадить его пациенту.
С помощью этой технологии уже удалось вырастить у мышей поджелудочную железу крыс, а у крыс — поджелудочную мышей [14]. К сожалению, вырастить человеческий орган в свинье оказалось куда более сложной задачей. Дело в том, что человеческие клетки плохо приживаются в свином эмбрионе: вопреки известному заблуждению, свинья генетически довольно сильно отличается от человека. Другое дело — обезьяны. И действительно, в эмбрионе макаки человеческие клетки приживались гораздо лучше [15].
Можно ли восстановить нервы при помощи клеточных технологий?
В рамках уже упомянутой работы Синклера проводился еще один интересный эксперимент: факторы Яманаки вводили в глаза мышам, которым предварительно перерезали зрительный нерв, непосредственно соединяющий глаз с мозгом. Благодаря технологии iPS нерв начинал расти, наблюдалась регенерация. Если удастся перенести этот подход на человека, это позволит лечить многие неврологические заболевания — например, восстанавливать активность парализованным людям. В настоящее время для таких людей разрабатываются экзоскелеты, чтобы они могли двигать искусственными конечностями. Применение технологии iPS могло бы вернуть больным возможность вновь управлять своими руками и ногами.
Когда подобные технологии станут реальной практикой?
Сложно назвать точные сроки. Даже когда речь идет о более-менее простых технологиях, скажем о лекарствах, их клинические испытания на человеке обычно занимают около 7–10 лет. Когда же мы говорим о таких сложных подходах, как клеточная терапия и генная инженерия, что-то предсказать становится крайне сложно.
С другой стороны, мы уже видим, как эти технологии плотно входят в нашу жизнь. Вакцина Sputnik V, спасающая нас от коронавируса SARS-CoV-2, фактически является примером генной терапии и в технологическом смысле мало чем отличается от метода омоложения организма с помощью вируса, несущего факторы Яманаки, — разница лишь в соотношении пользы и риска.
Технология выращивания молодых клеток в лабораторных условиях не очень рискованна, поскольку самая сложная часть этого процесса проводится вне организма пациента. Клинические испытания такого подхода для лечения определенных заболеваний уже идут, а значит, он вполне может войти в медицинскую практику в течение ближайших 10 лет. С другой стороны, системное омоложение здоровых людей с помощью факторов Яманаки связано с куда большим риском. Не думаю, что в ближайшие 10–15 лет нам стоит ждать повсеместного профилактического применения этой технологии. Хотя я буду только рад ошибиться.
Александр ТЫШКОВСКИЙ- кандидат биологических наук, старший научный сотрудник лаборатории системной биологии в Медицинской школе Гарварда и МГУ им. Ломоносова
ИСТОЧНИК: Пост Наука https://postnauka.ru/faq/156850