Egy új stratégia meghosszabbítja az egerek életét és enyhíti az életkorral kapcsolatos tüneteket.

sejtek

Bármilyen típusú sejt megszerzése egy Petri-csészében, az emberi fejlődés korai szakaszának tanulmányozása vagy akár szervek előállítása a laboratóriumban néhány lehetőség, amelyet az őssejtek kínálnak nekünk. Ezeket úgy definiáljuk, mint amelyek képesek egy teljes többsejtű szervezet regenerálására. 2006 előtt a laboratóriumban használt őssejtek embrionális anyagból származnak, annak nyilvánvaló etikai korlátai mellett. Emiatt a sejtek újraprogramozásának felfedezése 2006-ban forradalmasította a regeneratív orvoslás területét.

Az eredményt Shinya Yamanaka, a Kiotói Egyetem vezetésével egy kutatócsoport hajtotta végre, aki 2012-ben fiziológiai vagy orvosi Nobel-díjat kapott ezért. A csapat kimutatta, hogy négy, azóta Yamanaka-tényezőként ismert molekulákat kódoló gén sejtekbe történő beépítésével a bőrsejtek pluripotencia-stádiumba konvertálhatók, hasonlóan az embrionális sejtekhez. A folyamat sejt átprogramozás néven ismert, és a keletkezett sejteket indukált pluripotens őssejteknek nevezzük. Ezek a sejtek nagyban megnyitották a lehetőségek körét a biomedicina területén. Egyéb alkalmazások mellett betegségek modellezésére vagy bizonyos betegségek gyógyszereinek hatékonyságának felmérésére használták őket.

De mindenekelőtt a sejtek újraprogramozásának felfedezése paradigmaváltást jelentett a regeneratív orvoslás területén. Az a nézet, miszerint az embrionális fejlődés egyirányú folyamat volt, amelyben a pluripotens sejtek megkülönböztették és megszerezték a sajátos és visszafordíthatatlan sejtsorsot, felváltotta az az elképzelés, hogy ez egy alakítható, sőt kétirányú folyamat. Az újraprogramozás kimutatta, hogy a felnőtt vagy differenciált sejtek, például a bőrsejtek megújulhatnak és visszatérhetnek egy pluripotencia stádiumba, ahonnan önmegújulhatnak, és különféle sejteket eredményezhetnek, például a máj, az izmok vagy a bőr sejtjeit.

Ez az előrelépés az öregedés újragondolását vonta maga után, amelyet mindig is egyirányú és elkerülhetetlen jelenségnek tekintettek. Ha egy differenciált sejt átalakítható pluripotenciálissá, mint az embrióké; Más szavakkal, ha visszatérünk a kiindulópontjához, lehetséges-e a sejtek fiatalítása, ami nem igényli az idõbeli visszalépést? És egy egész szervezet? Van-e lehetőség az öregedés lassítására vagy megfordítására?

Juan Carlos Izpisúa Belmonte rendezésében, a San Diego-i Salk Intézet Biológiai Tanulmányainak Génexpressziós Laboratóriumában, amelyekben egyikünk (Vázquez-Ferrer) részt vett, kimutatták, hogy a fent említett Yamanaka faktorok szakaszos aktiválása, amely általában embrionális stádiumhoz kapcsolódik, megfordíthatja az öregség jellemzőit az élő egerekben. E tanulmányok eredményei, amelyeket 2016-ban publikáltak a Cell és a Trends in Molecular Medicine szakirodalomban, nemcsak betekintést nyújtottak az öregedést ösztönző sejtmechanizmusokba, hanem rámutattak az emberi egészség és a hosszú élettartam javítását célzó lehetséges terápiás megközelítésekre is. Azóta más újabb publikációk megerősítették az epigenetikus változások döntő szerepét az öregedés megfordulási mechanizmusában, és elmélyültek a szövet bizonyos sejtjeinek in vivo újraprogramozásában, hogy helyreállítsák a funkcióvesztést, és ezzel közvetett módon meghosszabbítsák a várható élettartamot.

Fiatalítsa a sejteket in vitro

Az öregedés meghatározható a sejt vagy egy organizmus stressznek, károsodásnak vagy betegségnek ellenálló képességének fokozatos romlásaként. Ez jelenti a legtöbb betegség legnagyobb rizikófaktorát: az évek múlásával növekszik a szív- és érrendszeri és neurodegeneratív betegségekben, a rákban és az elhízásban szenvedők kockázata és kiszolgáltatottsága, többek között. és ez rontja a prognózisodat is. Emiatt az öregedés visszafordításának vagy lassú képességének nagy figyelmet keltett a tudományos közösség.

A sejtek újraprogramozásának legújabb fejleményei lehetővé tették a laboratóriumi öregedés elemzését, mind fiziológiai (természetes okokból fakadó), mind patológiás (betegségek okozta) elemzést. Ily módon a fibroblasztokat (a kötőszöveti sejtek egy típusát) in vitro programozták át százéves személyektől vagy Progeriában szenvedő betegektől, olyan betegségben, amelyben az érintettek születésüktől kezdve gyorsan öregszenek. Az átprogramozott sejtek az öregedés számos jellemzőjének javulását mutatják: csökken a sejtek öregedését és az oxidatív stressz szintjét szabályozó fehérjék koncentrációja, a telomerek (a kromoszómák végei) meghosszabbodnak és az epigenetikus jelek (a DNS kémiai módosulatai) eltűnnek. Ezért a laboratóriumban a sejtek fiatalodtak.

De bár számos tanulmány kimutatta, hogy a sejtek újraprogramozása megfordítja a Petri-csészék sejtjeinek életkorát, az élő egész organizmusokban a sejtek újraprogramozásával kapcsolatos lépés sokkal nehezebb kihívást jelent.

Az ugrás az in vitro és az in vivo között

Az élő állatok sejtjeinek átprogramozásának lehetőségét Yamanaka faktorok felhasználásával először 2013-ban írták le a Nature-ben Manuel Serrano csoportja, majd az Országos Onkológiai Kutatóközpontban. A kutatók 4F nevű egereket hoztak létre, amelyek mind a négy Yamanaka faktort hordozzák. Ezeknek a faktoroknak az aktiválását egy gén szabályozza, amely viszont aktiválható egy anyag, a doxiciklin beadásával, amelyet az egereknek kínálnak az ital mellett. A kutatók kimutatták, hogy a sejtek átprogramozását meg lehet kezdeni egerekben doxiciklin beadásával.

Azonban ez és más kísérletek a sejtek újraprogramozásának előidézésére élő állatokban mindig ugyanazzal a problémával szembesültek: az újraprogramozott sejtek hajlamosak voltak a gyorsabb osztódásra, ami teratómák (a három csíralemez sejtjeit vagy szöveteit tartalmazó tumorok) megjelenéséhez vezetett. Ennek következtében az állatok magas mortalitást szenvedtek.

Izpisúa Belmonte által vezetett tanulmányaink során az egerek sejtjeinek újraprogramozását is célul tűztük ki, és kerestük a módját ennek a kellemetlenségnek a elkerülésére. Először olyan egerekkel dolgoztunk, amelyek a Yamanaka-faktorok (4F) hordozói voltak, és amelyek ezen felül mutációt mutattak az Lmna génben, amely progeriát okozott. Ezek az egerek kevesebb időt élnek, és számos, az életkorral járó tünetet mutatnak, például fogyás vagy a különféle szervek megváltozása.

Az egerek Progeria-val történő sejtprogramozásakor különféle kombinációkat tanulmányoztunk, amelyekben változtattuk a Yamanaka faktor gének kópiáinak számát és a faktor indukció napjainak számát (amit doxiciklin beadásával kontrolláltunk). A korábbi kísérletekkel összhangban, ha négy egymást követő napon indukáltuk a Yamanaka faktorokat, az egerek nagy súlyvesztést és magas mortalitást szenvedtek, valószínűleg a sejtek dedifferenciálódása (azonosságvesztés) és a későbbi diszfunkció következtében. sejtek. létfontosságú szervek.

A legmegfelelőbbnek tűnő protokoll az volt, hogy ciklikus módon indukálja a faktorok expresszióját, két napig aktívan hagyva őket, és a következő öt napon inaktiválva őket. Így mindössze két napos kezeléssel a faktorok már kimutathatók voltak az egerek vérében, de ez nem jelentett súlycsökkenést vagy mortalitást, sőt a ciklust akár 35-szer is megismételte. A vizsgált szervek egyikében sem figyeltünk meg rákot vagy pluripotenciát. Nagy különbséget találtunk továbbá a Yamanaka faktor transzgén egyetlen példányát hordozó egerek és a két példányt hordozó egerek között. Végül igazoltuk, hogy a faktorok nyolc hetes ciklikus indukciója két kópiával egerekben megnövelte a sejtproliferációt, és teratómák képződését okozta a májban, a vesében és a hasnyálmirigyben.


Hiányos átprogramozás

Az első megjegyzendő dolog az, hogy stratégiánk, a Yamanaka-tényezők rövid indukciója, részleges sejt-újraprogramozást ért el. Ezt akkor igazoltuk, amikor a fibroblasztok egerekből történő izolálásakor azt figyeltük meg, hogy nem nyerték vissza a pluripotencia stádiumot (az újraprogramozás végső célpontját), mivel nem mutattak be pluripotencia markereket (jellegzetes molekulákat). Ezzel szemben az újraprogramozott sejtek továbbra is megőrizték eredeti azonosságukat, mivel továbbra is expresszáltak néhány, a fibroblasztokra jellemző markert. Ez az eredmény különösen fontos, mert a részleges újraprogramozás előnye lehet az öregedésre jellemző fenotípusok kiküszöbölése anélkül, hogy a sejtek elveszítenék identitásukat és funkciójukat. További előny, hogy nem segíti elő a daganatok kialakulását.

Miután kimutattuk, hogy a doxiciklin ciklikus adagolása elkerülte az in vivo sejtek újraprogramozásának negatív következményeit, tanulmányoztuk az öregedéssel kapcsolatos változásokat. Bár a Laki 4F egerek továbbra is jellemző fogyásukat mutatták, a várható élettartam jelentős növekedését figyeltük meg bennük, mivel 30 százalékkal hosszabb ideig éltek, mint azok a progériás állatok, akiket nem kezeltek. Ezenkívül számos szövete javulást tapasztalt: az emésztőrendszernek megfelelőek sokkal jobb megjelenésűek voltak, sok szervben megnőtt a sejtek megújulása, például a gyomorban, a vesében vagy a bőrben, és helyreállt az izom műholdas sejtjeinek száma ( a szövetek regenerálásáért felelős).

Az egyik fő probléma, amelyet a Progeriában szenvedő egerek szenvednek, a szív- és érrendszeri rendellenességek. De a sejtek újraprogramozása után még ezt a problémát is enyhítették, és a bradycardia, vagy a lassú pulzusszám jellegzetes kialakulását nem figyelték meg, amint azt az elektrokardiogram elemzése mutatja. Végül a béta-galaktozidáz fehérje alacsonyabb expresszióját is megmutatták, amely marker az öregedéshez kapcsolódik. Fontos megjegyezni, hogy ezek a változások, amelyek az öregedő fenotípusok megfordulására utalnak, függetlenek a progerin fehérjétől, amely az egerek gyorsított öregedési szindróma oka. Inkább az epigenetikus jelek átalakításának, egy sor kémiai jelnek köszönhetőek, amelyek felhalmozódnak a genomon és szabályozzák a gének expresszióját anélkül, hogy maguk változtatnák meg őket.

Végül a fiziológiai (természetes) öregedés tanulmányozásához 4F egereket használunk, és hagyjuk őket öregedni. Most az idős egerek két jellemző tulajdonságát vizsgáljuk. Az első a hasnyálmirigyre vonatkozik. Az életkor előrehaladtával ennek a szervnek a béta-sejtjei kevésbé képesek regenerálódni. Ezzel szemben a sejtek újraprogramozásának alávetett egerek jobban felépültek a hasnyálmirigy károsodásából, és általában jobb szervműködést mutattak, ami nem történt meg azoknál az egereknél, amelyeknél a Yamanaka faktorok nem voltak aktiválva. A második tulajdonság, amelyet megvizsgáltunk, a szarkopénia volt, az öregedéssel járó izomtömeg-csökkenés. Ebben az esetben a doxiciklin intramuszkuláris beadásával a sejtek újraprogramozásának előidézésére az öreg egerek az izom őssejtjeinek tágulását mutatták, amely képes a sérült izomszövet regenerálására.

Ide érkezve az alapvető kérdés, amelyet feltesz az ember: közelebb állunk-e most az örök fiatalsághoz? Munkánk bizonyítja, hogy az öregedés nem egyirányú folyamat, és enyhíthető, ha in vivo kihasználjuk a sejtplaszticitást. Az élő egerekre alkalmazott újraprogramozás nagy előrelépést jelent a sejttenyészetekben végzett műveletekhez képest, és ez megnyitja az ajtót az ígéretes öregedésgátló stratégiák előtt. Emberben való alkalmazása azonban még nagyon messze van. Hosszú utat kell megtenni ahhoz, hogy pontosan megismerjük a kezelt állatok sejtjeiben megfigyelt fiatalító mechanizmust, valamint hogy életképes módszert találjunk a klinikai gyakorlatban.