Старые клетки человека омоложены с помощью технологии стволовых клеток

Согласно новому исследованию, проведенному учеными из Медицинской школы Стэнфордского университета, старые человеческие клетки возвращаются к более молодому и энергичному состоянию после побуждения к краткой экспрессии панели белков, участвующих в эмбриональном развитии.

Исследователи также обнаружили, что пожилые мыши восстановили молодость после того, как их существующие мышечные стволовые клетки были подвергнуты омолаживающему белку и пересажены обратно в их тела.

Белки, известные как факторы Яманака, обычно используются для превращения взрослой клетки в так называемые индуцированные плюрипотентные стволовые клетки или клетки iPS. Индуцированные плюрипотентные стволовые клетки могут стать практически любым типом клеток в организме, независимо от того, из какой клетки они произошли. Они стали важными в регенеративной медицине и открытии лекарств.

Исследование показало, что побуждение старых человеческих клеток в лабораторной посуде кратко экспрессировать эти белки перематывает многие молекулярные признаки старения и делает обработанные клетки почти неотличимыми от их более молодых аналогов.

«Когда клетки iPS делаются из клеток взрослого организма, они становятся и молодыми, и плюрипотентными», — говорит Витторио Себастьяно, доктор философии, доцент кафедры акушерства и гинекологии и научный сотрудник факультета семейства Вудса в области детской трансляционной медицины. «Некоторое время мы задавались вопросом, можно ли просто перемотать часы старения, не вызывая плюрипотентности. Теперь мы обнаружили, что, строго контролируя продолжительность воздействия этих белковых факторов, мы можем способствовать омоложению у множества людей. типы клеток. «

Себастьяно является старшим автором исследования, которое будет опубликовано в сети 24 марта в Nature Communications . Бывший аспирант Тапаш Саркар, доктор философии, является ведущим автором статьи.

«Мы очень рады этим результатам», — сказал соавтор исследования Томас Рэндо, доктор медицинских наук, профессор неврологии и неврологических наук и директор Стэнфордского центра биологии старения им. Гленна. «Мои коллеги и я занимались омоложением тканей, так как наши исследования в начале 2000-х годов показали, что системные факторы могут омолодить старые ткани. В 2012 году мы с Говардом Чангом предложили концепцию использования факторов перепрограммирования для омоложения клеток и тканей, и Приятно видеть доказательства успеха с таким подходом ». Чанг, доктор медицинских наук, профессор дерматологии и генетики в Стэнфорде.

Воздействие белков

Исследователи в лаборатории Себастьяно делают клетки iPS из взрослых клеток, таких как клетки кожи, путем многократного воздействия на них в течение примерно двух недель панелью белков, важных для раннего эмбрионального развития. Они делают это, вводя ежедневные кратковременные сообщения РНК во взрослые клетки. Сообщения РНК кодируют инструкции по созданию белков Яманака. Со временем эти белки переворачивают судьбу клеток — отталкивая их назад по временной шкале развития, пока они не напоминают молодые, похожие на эмбрионы плюрипотентные клетки, из которых они произошли.

Во время этого процесса клетки не только теряют воспоминания о своей прежней идентичности, но и возвращаются в более молодое состояние. Они осуществляют эту трансформацию, стирая свою ДНК с молекулярных меток, которые дифференцируют не только, скажем, клетку кожи и клетку сердечной мышцы, но и другие метки, которые накапливаются с возрастом клетки.

В последнее время исследователи начали задумываться о том, может ли воздействие на взрослые клетки белков Яманака в течение нескольких дней, а не недель, вызвать этот юношеский реверс, не вызывая полной плюрипотентности. В действительности, исследователи из Института биологических исследований Солка в 2016 году обнаружили, что кратковременное выражение четырех факторов Яманака у мышей в форме преждевременного старения увеличивает продолжительность жизни животных примерно на 20%. Но не было ясно, будет ли этот подход работать на людях.

Саркар и Себастьяно задались вопросом, будут ли старые человеческие клетки реагировать аналогичным образом, и будет ли реакция ограничена несколькими типами клеток или обобщена для многих тканей. Они разработали способ использования генетического материала, называемого РНК-мессенджер, для временной экспрессии шести факторов перепрограммирования — четырех факторов Яманака плюс два дополнительных белка — в клетках кожи человека и кровеносных сосудов. Messenger RNA быстро разлагается в клетках, что позволяет исследователям жестко контролировать длительность сигнала.

Затем исследователи сравнили паттерны экспрессии генов обработанных клеток и контрольных клеток, полученных от пожилых людей, с таковыми у необработанных клеток молодых людей. Они обнаружили, что клетки пожилых людей проявляли признаки реверсии старения уже после четырех дней воздействия факторов перепрограммирования. В то время как необработанные пожилые клетки экспрессировали более высокие уровни генов, связанных с известными путями старения, обработанные пожилые клетки больше походили на более молодые клетки по своим паттернам экспрессии генов.

Когда исследователи изучили закономерности связанных со старением химических меток, называемых метильными группами, которые служат индикатором хронологического возраста клетки, они обнаружили, что обработанные клетки в среднем на 1,5-3,5 года моложе, чем необработанные клетки пожилых людей. с пиками 3,5 года (в клетках кожи) и 7,5 года (в клетках, которые выстилают кровеносные сосуды).

Сравнение признаков старения

Затем они сравнили несколько признаков старения — в том числе то, как клетки воспринимают питательные вещества, метаболизируют соединения для создания энергии и утилизируют клеточный мусор — среди клеток от молодых людей, обработанных клеток от старых людей и необработанных клеток от старых людей.

«Мы наблюдали значительное омоложение всех признаков, кроме одного из всех протестированных типов клеток», — сказал Себастьяно. «Но наш последний и самый важный эксперимент был сделан на мышечных стволовых клетках. Хотя они естественным образом наделены способностью к самообновлению, эта способность уменьшается с возрастом. Мы задались вопросом, можем ли мы также омолодить стволовые клетки и иметь долгосрочный эффект ?»

Когда исследователи трансплантировали старые мышечные стволовые клетки мыши, которые были обработаны назад, пожилым мышам, они обнаружили, что животные восстановили мышечную силу более молодых мышей.

Наконец, исследователи выделили клетки из хряща людей с остеоартритом и без него. Они обнаружили, что временное воздействие на клетки остеоартрита факторов перепрограммирования уменьшило секрецию воспалительных молекул и улучшило способность клеток делиться и функционировать.

В настоящее время исследователи оптимизируют панель перепрограммирования белков, необходимых для омоложения клеток человека, и изучают возможность лечения клеток или тканей без их удаления из организма.

«Несмотря на то, что необходимо проделать еще большую работу, мы надеемся, что однажды у нас будет возможность перезагрузить целые ткани», — сказал Себастьяно. «Но сначала мы хотим убедиться, что это строго проверено в лаборатории и признано безопасным».

Другие соавторы Стэнфорда — бывший доктор наук Марко Кварта, доктор философии; доктор наук Шравани Мукерджи, доктор наук; аспирант Алекс Колвилл; научные сотрудники Патрик Пейн, Линда Доан и Кристофер Тран; Констанс Чу, доктор медицинских наук, профессор ортопедической хирургии; Стэнли Ци, доктор философии, доцент кафедры биоинженерии и химической и системной биологии; и Нидхи Бутани, доктор философии, доцент кафедры ортопедической хирургии.

Исследователи из системы здравоохранения Пало-Альто по делам ветеранов, Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе и Научно-исследовательского института молекулярной медицины в Саннивейле, штат Калифорния, также внесли свой вклад в исследование.

Исследование было поддержано Национальными институтами здравоохранения (гранты R01 AR070865, R01 AR070864, ​​P01 AG036695, R01 AG23806, R01 AG057433 и R01 AG047820), Фондом медицинских исследований им. Гленна, Американской федерацией исследований старения и Департаментом по делам ветеранов.

Sarkar, Quarta и Sebastiano являются соучредителями стартапа Turn Biotechnologies, компании, которая применяет технологию, описанную в статье, для лечения связанных со старением состояний. Рандо является членом научно-консультативного совета.

---

Источник истории:

Материалы предоставлены Stanford Medicine . Оригинал написан Криста Конгер. Примечание: содержание может быть отредактировано по стилю и длине.

---

Ссылка на журнал :

1. Тапаш Джей Саркар, Марко Кварта, Шравани Мукерджи, Алекс Колвилл, Патрик Пейн, Линда Доан, Кристофер М. Тран, Констанс Р. Чу, Стив Хорват, Лей С. Ци, Нидхи Бутани, Томас А. Рандо, Витторио Себастьяно. Временная неинтегративная экспрессия факторов ядерного перепрограммирования способствует многогранному улучшению старения в клетках человека . Nature Communications , 2020; 11 (1) DOI: 10.1038 / s41467-020-15174-3