Биомедицина

Новая научная область нутригеномика использует геномные инструменты, способные, подобно микромассивам, анализировать метаболическую адаптацию, вызванную изменениями в пищевом статусе. Группа профессора Панкратза описала, как образцы транскрипционной регуляции, вызванные пищевыми изменениями, могут быть идентифицированы, используя копирование экспрессии гена. Это включает технические замечания по анализу микромассива и обработке данных, так же как и предоставление биологического обоснования к статистически надежным данным. Исследовательская группа выдвигает на первый план свои недавние результаты транскрипционного регулирования генов, представляющих определенную передачу сигналов и метаболические пути в печени мыши при голодании. Результаты показывают сильные корреляции с предварительно идентифицированными ответами на ограничение калорийности, которое может быть связано с увеличением продолжительности жизни.

Группа Саймона Пайка изучала способность гидралазина защищать клетку от высокотоксичного альдегида акролеина. Акролеин — высокотоксичный альдегид, имеющий связь с большим количеством заболеваний и токсичностью лекарств. Взаимодействуя с белками, он способен образовывать аддукты (продукты присоединения), содержащие электрофильные карбонильные группы. Эти группы затем участвует в следующей реакции, приводящей к образованию поперечных сшивок. Саймон Пайк и его коллеги высказали предположение о том, что реакционноспособные белковые аддукты можно инактивировать при помощи нуклеофильных препаратов, и таким образом нейтрализовать токсичное действие акролеина. Ранее были сделаны наблюдения, что гипотензивный препарат 1-гидразинофталазин (гидралазин) в значительной степени ослабляет токсичность предшественника акролеина — аллилового спирта. В связи с этим учеными была исследована возможность реакции гидралазина с акролеиновыми аддуктами белков сначала в изолированных гепатоцитах мыши, а затем с аллиловым спиртом in vivo. В ходе исследований было доказано, что гидралазин действительно инактивирует активные карбонилированные белки, формируемые акролеином, и таким образом предотвращает вторичные реакции, приводящие к гибели клеток.

Результаты исследований косметической компании Лореаль показывают, что продукты гликилирования накапливаются при старении в медленно обновляющихся тканях, включая кожу. Эти изменения включают в себя активацию фибробластов, увеличение количества матриксных молекул коллагена, продукцию металлопротеиназы и утолщение базальной мембраны. Данные изменения ингибировали с помощью аминогуанидина, хорошо известного ингибитора гликилирования. Действия аминогуанидина заключаются в формировании гуанидин-дикрбонильных остатков, которые, таким образом, снижают количество свободных карбонилов. Все эти процессы происходят на ранних стадиях гликилирования. В дальнейшем эти разработки будут использованы для создания передовой косметики для борьбы со старением кожи. Анализ биомаркеров кожи выявил биологические и морфологические изменения, которые прямо связаны с гликилированием. Таким образом, результаты исследования группы Герве Пагеона показывают, что ингибирование гликилирования предотвращает старение кожи.

Лаборатория профессора Грэма Павелека изучает иммунологические аспекты рака и старения, проверяя гипотезу о влиянии хронического антигенного стресса на нарушение иммунной регуляции Т-лимфоцитов при раке и старении. При старении важными хроническими стрессорами являются персистирующие в организме вирусы, в особенности цитомегаловирус. Профессор Павелек считает, что все виды рака являются иммуногенными, т. к. в этом случае в качестве хронических стрессоров выступают опухолевые антигены. В лаборатории Павелека была создана и оптимизирована клональная технология Т-клеток, с помощью которой изучались изменения, происходившие в Т-клетках в условиях хронической стимуляции антигенами (антигенного стресса). Были отмечены связанные с возрастом изменения в составе поверхностных маркеров Т-лимфоцитов, способности Т-клеток отвечать на антигенную стимуляцию выработкой цитокинов, изменения в регуляции апоптоза и пролиферации, длины теломер, теломеразной активности и прочих признаков. Хроническая цитомегаловирусная инфекция вносит существенные изменения в экспрессионный профиль поверхностных иммуннорецеторов Т-лимфоцитов и продуцируемых ими цитокинов. Так, происходит резкое уменьшение поверхностной экспрессии костимуляторных молекул и секреции интерлейкина-2, в то время как возрастает продукция провоспалительных цитокинов (IL-10, TNFα) и экспрессия провоспалительных поверхностных эффекторов. В ответ на постоянную стимуляцию антигенами цитомегаловируса Т-лимфоциты, специфичные к цитомегаловирусу, занимают много места в иммунной системе, не оставляя его для наивных клеток. Элиминация нефункционирующих CD8-клеток, специфических к цитомегаловирусу, может оказывать благотворное влияние на иммунную систему. Поскольку освободится место для наивных клеток, которые могут генерироваться «островками» тимуса даже у самых старых особей. Таким образом, необходимо разработать метод, при котором можно было бы избирательно уничтожать CD8-клетки. Для этого нужно знать их отличительные особенности. В качестве маркеров таких клеток ученые группы Павелека предлагают использовать два рецептора: KLRG-1 и CD57, которые одновременно содержатся в стареющих Т-лимфоцитах.

Заболевания костной ткани, в том числе остеопороз, достаточно широко распространены в настоящее время. Одним из факторов, влияющих на их развитие, является трансформирующий фактор роста-бета (TGF-β). Оказалось, что данный фактор ингибирует апоптоз, препятствуя преждевременной гибели клетки и вырождению костной ткани. TGF-β запускает каскад реакций с вовлечением целого ряда ферментов, приводящей в конечном итоге к активации NFkB-сигнального пути и способствует выживанию остеокласта за счет увеличения экспрессии белка BclXL и Mcl-1, блокирующего опосредованный каспазами апоптоз. Одной из главных причин развития остеопороза является нарушение нормального протекания цепи реакций, блокирующих запуск NFkB естественных внутриклеточных защитных механизмов и ведущих к гибели клетки при апоптозе.

Исследования по сравнительной биогеронтологии, которые проводит профессор Стивен Остад из Университета Техаса, направлены на поиск различий в клеточных и молекулярных механизмах, которые влияют на скорость старения у различных видов. В лаборатории исследуется клеточный материал коротко и долгоживущих видов: летучих мышей (которые могут прожить более 40 лет), белок, мартышек, бабуинов, а также традиционных лабораторных крыс и мышей. Проводится сравнительный анализ уровней стрессоустойчивости клеток и механизмов, определяющих эту стрессоустойчивость, в особенности — как сильно эти виды различаются по устойчивости к повреждениям экзогенной ДНК и способности быстрой починки этих повреждений. Результаты экспериментов с долгоживущими линиями червей, дрозофил и мышей дают основания предположить, что стрессоустойчивость клетки является одним из основных факторов долгожительства. Другой проект Стивена Остада — изучение мартышки обыкновенной, которая может послужить прекрасной моделью для изучения когнитивного старения, роли питания в процессе старения, терапевтического воздействия различных препаратов и изучения роли ранних событий и факторов в возникновении старческих патологий. Развитие этих сравнительных исследований лаборатории — в идентификации новых долгоживущих видов для использования в качестве моделей для медицины.

С возрастом меняются механические свойства костной ткани, что является причиной возникновения остеопороза и других старческих заболеваний. Молекулярные причины этих изменений — предмет исследований лаборатории Гитте Ортофт. Ученые исследовали ультраструктуру трабекул кости, а также количество разных типов сшивок в коллагеновых волокнах в зависимости от возраста пациента. Образцы позвоночной губчатой кости были взяты у 43 здоровых людей в возрасте от 15 до 90 лет. Их сравнивали с образцами костной ткани людей 70–90 лет, страдающих остеопорозом. Как выяснилось, архитектура самих трабекул кости у больных не изменялась, однако наблюдались значительные изменения в количестве и типе сшивок. У больных остеопорозом уровень так называемых дивалентных сшивок, формирование которых осуществляет фермент лизил-оксидаза, был понижен на 30% по сравнению со здоровыми людьми. При этом данные сшивки — наиболее часто встречающиеся типы межмолекулярных связей в коллагеновых волокнах. По-видимому, утрата дивалентных сшивок и есть одна из причин развития хрупкости костей.

Старение поколения демографического взрыва и увеличение продолжительности жизни стали причиной кардинального демографического сдвига в США. В официальных прогнозах правительства, тем не менее, увеличение продолжительности жизни недооценивается. Ольшански с соавторами были проведены демографические прогностические исследования продолжительности жизни в США, главным образом, сдвигов, которые ожидаются к середине столетия на новом наборе популяций. Прогноз был составлен с использованием подхода когорта-компонент, с допущением, что на риск смерти в течение следующих нескольких десятилетий будут оказывать влияние успехи биомедицинских технологий, которые либо позволят увеличить возраст начала развития и замедлить прогрессию тяжелых возрастных заболеваний, либо замедлить процесс старения как таковой. Полученные результаты по старению популяции также анализируются в свете экономических затрат, а также перспектив развития здравоохранения, которые помогут преодолеть негативные последствия демографических изменений. Был сделан вывод, что продолжительность жизни возрастет не на 3,1 года, как предполагается в официальных прогнозах, а на 7,9 года.

Исследования Шона Олдема направлены на понимание генетического взаимодействия метаболизма, роста и старения, путем изучения чувствительности пути инсулин-TOR, в том числе -влияния инсулина на фактор FOXO. Установлено, что тучность и старение — главные причины сердечных болезней, диабета и рака. Прогрессу исследования тучности препятствует сложность в генетических/метаболических и экологических взаимодействиях. Поэтому ученые изучают влияние высокожирной диеты (HFD), вызванной ею тучности и старения на дрозофиле, которая недавно стала мощным инструментом для открытия консервативной генетической сети метаболизма и главных путей регулирования роста и старения. Используя дрозофилу, ученые группы Шона Олдема изучают:- как генетическая манипуляция новыми путями передачи сигналов метаболизма жира может модулировать сердечную структуру и функцию;- какие пути и как регулируют старение и влияют на функцию ISC кишки — в пределах ISC и в пределах нишы (стромы) на клеточном уровне;- какие генетические компоненты способствуют развитию диабета и тучности, каков их автономный и неавтономный вклад в чувствительность к инсулину в модели диабета 2 типаУченые группы Шона Олдема показали, что сокращение функции TOR у дрозофилы приводит к уменьшению жировых отложений и уровня глюкозы. Важно, что сокращение деятельности dTOR блокирует устойчивость к инсулину и метаболические синдромы фенотипа, связанные с увеличенной активностью инсулин-зависимого фактора транскрипции, dFOXO. Сокращение функции dTOR также защищает от возраст-зависимого снижения сердечной функции и увеличивает долговечность.

Основные научные достижения группы профессора Окано связаны с модификацией термочувствительного полимера (поли(N-изопропилакриламида) как поверхности для культивирования тканей. В обычных условиях культивирования (37°С) эти поверхности гидрофобны, клетки адсорбируются и пролиферируют. При снижении температуры до 20°С полимер становится гидрофильным, что позволяет собрать все культивируемые клетки как интактные листы. Клетки в этих листах сохраняют в неизменном виде цитоскелет и межклеточные контакты. Это позволяет пересаживать их на другие поверхности и использовать для биоинженерных манипуляций. Этот метод уже сейчас успешно применяется в клинике для реконструкции поверхности глаза и позволяет решить проблемы дефицита донорской ткани и отторжения после чужеродной трансплантации. В регенеративной медицине болезней роговицы достаточно взять у пациента бипсию (2 кв.мм) эктороговичных стволовых клеток из здорового глаза, чтобы создать клеточный лист для имплантации. Кроме того, ученые разработали для случаев двухстороннего поражения роговицы технологию, при которой используется трансплантант из эпителиального клеточного листа слизистой оболочки рта пациентов, что также исключает необходимость иммуносупрессии. Кроме двухмерных клеточных листов, были созданы трехмерные структуры для использования в реконстструкции сердечной ткани. Наслоенные один на другой листы кадиомиоцитов проявляли синхронную спонтанную пульсацию, свидетельствующую об установлении морфологической связи между листами клеток. На основе этого свойства Теруо Окано предложил для регенерации тканей и органов технологию «клеточного листа», которая полностью исключает применение каких-либо матриксов, используя только аутологичные клетки без посторонних компонентов. Технология листов из сердечных клеток может быть полезной при создании модели сердца и восстановления сердечно-сосудистых тканей.