Биомедицина

Эллен Хебер-Кац и ее коллеги обнаружили, что мыши линии MRL имеют уникальную способность к самоисцелению: у них наблюдается замещение поврежденной ткани без образования рубца. Способность к восстановлению тканей и конечностей известна для многих животных, не относящихся к млекопитающим. Однако взрослые MRL мыши способны к регенерации хрящей, кожи, волосяных фолликулов, миокарда. Исследователи предположили, что мыши данной линии могут служить моделью непрерывной регенерации и, возможно, обладают более высокой продолжительной жизнью. Наблюдается нормальный рост и нормальная гистологическая структура, как при регенерации у амфибий, тогда как обычно у млекопитающих происходит образование рубца. У гибридов MRL мышей с мышами других линий наблюдается промежуточный тип зарастания поврежденного хряща. Проведенный генетический анализ позволил сделать вывод о том, что, по крайней мере, 20 разных локусов ответственны за эту способность. Процесс регенерации уха происходит у самцов и самок по-разному. Считается, что у млекопитающих сердце не способно к регенерации, хотя у других позвоночных животных она может иметь место. Исследователи производили криоповреждение сердца мышей линий MRL and B6 через диафрагму. Через 60 дней у мышей MRL наблюдали восстановление миокарда, в некоторых случаях выявлен небольшой рубец. Тогда как у контрольных особей B6 выявлялся неклеточный рубец. Проведенные позже эхокардиография и гистологический анализ миокарда мышей выявили полное восстановление сердца у особей линии MRL. Исследователи предположили, что восстановление миокарда может быть связано либо с миграцией кардиомиоцитов в поврежденную зону, либо с активностью стволовых клеток. Было обнаружено, что на 7–15 день после повреждения кардиомиоциты экспрессируют Ki-67, являющийся маркером пролиферации. Исследование по восстановлению поврежденного спинного мозга позволили выявить соединение, которое участвует в процессе регенерации, — аполипопротеин Е. Молодые мыши MRL способны восстанавливать сквозное отверстие в ухе 2 мм диаметром за 30 дней, тогда как у обычных мышей такого не происходит, и отверстие сохраняется в течение всей жизни. Эксперименты, проведенные Эллен Хебер-Кац ее коллегами на мышах линии MRL по восстановлению хрящевой ткани уха, повреждений сердечной мышцы и спинного мозга предполагают, что регенерация ткани подавляется процессом формирования рубца. Это открытие открывают перспективу исследования регенеративных возможностей и у человека.

Существенный вклад в понимании клеточного старения внесла работа группы Ральфа Хасса, показавшая непосредственное участие металлопротеиназы-7 и 20S протеасомы в передаче сигнала белку PARP-1, который играет ключевую роль в омоложении гематопоэтических клеток. Более того, эксперименты показали, что снижение активности металлопротеиназ напрямую связано с тем, насколько быстро клетки станут сенесцентны, а также со старением ткани в целом. Работы лаборатории профессора Хасса ведутся в основном на первичных (primary) стволовых клетках, взятых из пуповины новорождённых. И это, несомненно, является большим преимуществом с точки зрения использования в дальнейшем полученных научных данных для решении медицинских задач. В частности, учеными лаборатория профессора Хасса была выдвинута гипотеза о возможной де-дифференцировке клеток с целью их омоложения.

В 1980 году Грегори М. Фэй (Gregory M. Fahy, Ph. D.) опубликовал статью о замораживании и удачном оттаивании с сохранением жизненных функций нескольких типов органов и тканей кролика с использованием диметилсульфоксида. В частности, ему удалось заморозить при -135°C почку кролика, затем оттаять ее и успешно трансплантировать животному. В настоящее время Грегори М. Фэй является вице-президентом и главным научным сотрудником компании «Медицина 21-го века», которая занимается исследованием и разработкой менее токсичных криопротекторов с минимальным формированием льда. А также ведет исследования по поиску синтетических блокаторов формирования льда, которые были бы подобны белкам-антифризам, найденным в живых организмах Арктики. В перспективе, витрификация будет использоваться для сохранения человеческих органов и тканей для последующей трансплантации.

Джон Фурбер занимается изучением проблемы старения уже на протяжении более 20 лет. Джон Фурбер — основатель компании Legendary Pharmaceuticals, занимающейся разработкой лекарств и методов генной терапии, восстановления нормальной работы клеточных органелл при расстройствах, связанных со старением. Приоритетными направлениями является изучение терапевтического воздействия на митохондрии, лизосомальный аппарат, ламин, А (прогерин) и восстановление белков внеклеточного матрикса. Огромный вклад в развитие изучения старения внесла схема cистемной биологии старения. Схема является основой для создания компьютерных моделей процессов старения.

Предполагается, что накопление окисленных белков при старении связано с нарушениями протеасомной деградации. Известно, что облучение ультрафиолетом фибробластов кожи человека запускает в них сигнальный каскад, приводящий к повышенной экспрессии металлопептидазы 1 матрицы (MMP-1), которая вызывает разрушение внеклеточных белков (в том числе, коллагена), приводящее к старению кожи. Группой Фриге было показано, что эти процессы сопровождались накоплением c-Jun и активацией AP-1 — транскрипционных факторов, регулирующих экспрессию металлопептидазы. Такие же процессы наблюдались при ингибировании протеасом белками, вызывающими формирование поперечных сшивок и лактацистином. Это говорит о том, что механизмы у данных процессов общие. В свою очередь, суперэкспрессия субъединиц протеасом приводила к тому, что в ответ на облучение уровень металлопептидазы не повышался. Ученые группы Фриге исследовали возможность растительных экстрактов препятствовать трансформации белков при облучении, чтобы в пер-спективе использовать препараты на их основе для замедления старения кожи. Исследования показали, что экстракт водоросли Phaeodactylum tricornutum способен активировать протеолити-ческую активность протеасом. Обработка клеток экстрактом водоросли позволила им сохранить уровень активных протеасом при облучении. Более того, уровень окисленных белков при обработке экстрактом и последующим облучением был значительно ниже, чем у необработанных. Требуется дальнейшее изучение возможности регулировки интенсивности старения кожи человека с помощью воздействия на активность протеасом. Известно, что в апоптотических сигнальных каскадах, происходящих при облучении клеток, принимают участие белки, регулирующие активность протеасом. Дальнейшие исследования эффектов экстракта Phaeodactylum tricornutum — перспективное направление в области повышения жизнеспособности кератиноцитов кожи при воздействии солнечной радиации.

Основное направление работы Роберта Фрейтаса — разработка моделей медицинских нанороботов для диагностики, ремонта поврежденных тканей, клеток и органов (в том числе после криоконсервации), анализа и корректировки ДНК, уничтожения бактерии и вирусов. Современные технологии позволят создать такое производство в течение ближайших 15–20 лет. По мнению Роберта Фрейтаса, максимальный размер устройства не должен превышать 1×1×3 микрона (без двигательных жгутиков). Молекулярное производство с помощью нанотехнологий позволит решить проблему лечения и восстановления любого организма на молекулярном уровне. Также эта технология позволит создавать искусственные клетки крови, или клетки с новой функциональной особенностью (например, respirocytes, который поможет человеку дышать под водой отказаться от антибиотиков при лечении любых инфекционных заболеваний, вылечить рак и залечить любые раны, заменять хромосомы, и таким образом избавлять от генетических заболеваний. Нанороботы позволят убирать накопленные дефекты в организме, которые приводят к старению человека, и существенно продлевать молодость и жизнь человека.

Под руководством доктора Гарольда Франча были исследованы пути разрушения белков, подавляемые при развитии диабета, в том числе и шаперон-зависимая аутофагия. Значительная часть белков, жизненно-необходимых для нормального функционирования почек, содержат в себе пентапептид KFERQ и, как следствие, являются прямыми мишенями для шаперон-зависимой аутофагии (ШЗА). Также мишенями для ШЗА являются некоторые сигнальные пептиды, холинкиназа и фосфотидилхолин трансфераза, участвующие в синтезе фосфолипидов. Нарушения в деградации таких белков может приводить к развитию диабетической реакции. Действительно, как было показано на больных диабетом крысах, происходит существенное изменение функциональной активности аппарата ШЗА. Так, протеолитическая активность в клетках больных мышей снижается на 41%, содержание белков в клетке, несущих мотив KFERQ, возрастает на 38%. Параллельно с этим в клетках больных животных снижается содержание LAMP2A и hsc73 на 25 и 81% соответственно. Таким образом, одним из механизмов, запускающих развитие приобретенного диабета, является нарушение в нормальном функционировании аппарата шаперон-зависимой аутофагии.

Основным направлением исследований Клаудио Франчески является роль иммунной функции в возникновении рака и при старении человека. Изучение долгожителей, которым удалось избежать рака и болезней сердца является одним из перспективных подходов в этом направлении. Клаудио Франчески и его научные коллеги исследовали, почему некоторым людям удается дожить до 100 лет, и при этом не заболеть раком. Они проанализировали роль хронического воспаления, а также фактора IGF-1 и супрессора рака p53 у долгожителей. Оказалось, что у долгожителей наблюдается повышенная активность таких противовоспалительных цитокинов, как IL-10 и TGF-beta, а также пониженный ответ на IGF-1. При этом и воспалительная реакция и ответ на IGF-1 влияют на активность супрессора рака p53. В настоящее время Клаудио Франчески является одним из ведущих исследователей в Европейском проекте «Генетика здорового старения в Европе» (GEnetics of Healthy Aging, GEHA). Этот проект включает в себя 24 организации из стран Европы плюс Пекинский институт генома в Китае. Задачей проекта является поиск генов, ответственных за здоровое долголетие. Ученые предполагают, что существуют особые генетические варианты супрессора рака p53, которые приводят к долголетию, защищая людей от рака.

Ремиелинизация — процесс восстановления поврежденных миелиновых оболочек на аксонах. Это один из удачных примеров возможной регенерации зрелого мозга с участием мультипотентных/стволовых клеток и клеток-предшественников. Этот процесс может быть с высокой эффективностью применен для лечения таких болезней как рассеянный склероз и в экспериментах для исследования регенеративной способности ЦНС. Однако ремиелинизация может не произойти, например, при множественных склеротических изменениях, приводящих к нарушению проводимости сигнала по аксону и в конечном счете к аксональной потере. Подобно другим регенеративным процессам эффективность ремиелинизации уменьшается с возрастом (у мужчин быстрее, чем у женщин). Было показано, что возрастное снижение способности к ремиелинизации происходит из-за ухудшения пополнения стволовых клеток и клеток предшественников и, что более значимо, их дифференцировки в ремиелинизующие олигодендроциты. Эти события коррелируют с возраст-зависимыми изменениями воспалительной реакции на демиелинизацию аксонов и профилями экспрессии некоторых сигналов (например, таких как фактор роста) вовлеченных в ремиелинизацию. Изучение процессов контроля ремиелинизации на локальном и системном уровне позволит использовать ремиелинизацию в качестве терапевтического подхода для лечения многих нейродегенеративных заболеваний.

Габор Форгач — один из ведущих учёных проекта Organ Printing. Значительная часть его работ посвящена изучению физических механизмов, лежащих в основе биологической самоорганизации, в частности — самосборки клеточных структур. Концепция тканевой текучести, впервые предложенная гипотезой дифференциальной адгезии Малколма Стейнберга, была экспериментально подтверждена в работах Габора Форгача и составила молекулярную основу для технологии биопечати. Именно благодаря поверхностному натяжению тканей и способности клеток одного типа склеиваться в сфероидные структуры стала возможной трёхмерная печать живых тканей особыми «чернилами» — микросферами, содержащими 10–40 тысяч клеток. Было установлено, что при такой «биопечати» клетки каждого типа перемещаются в нужное место для построения ткани и органа, форма которых определяется расположением частиц матрицы («биобумаги»). Однако использование биосовместимых матриц биоинженерии, наряду с положительными результатами может приводить к возникновению ряда нежелательных проблем. Так, иммуногенность матриц, скорость их деградации и токсичность продуктов, образование фиброзной ткани при деградации, взаимодействие с соседними тканями и др. могут влиять на отдаленные результаты трансплантации и прямо воздействовать на биологические функции биоинженерной ткани. Особенно критичны свойства экстраклеточного матрикса (коллаген, эластин) при моделировании сосудистых тканей. Проблема создания искусственных кровеносных сосудов малого диаметра с механической прочностью, сравнимой с прочностью нативных сосудов, остается одной из сложных проблем тканевой инженерии. С этой целью была разработана технология, использующая агарозные стержни как строительные блоки формы, заполняемой тканевыми сфероидами или цилиндрами. Послойное расположение агарозных стержней и стандартных многоклеточных структур (сфероидов или цилиндров) позволяет точно регулировать диаметр отверстия, толщину стенки и узор разветвлений сосудов. Весь процесс, включая удаление агарозных стержней, проходит в автоматическом режиме и позволяет получать как однослойные, так и двухслойные сосудистые трубки. Такой подход дает возможность исключить многие проблемы, связанные с присутствием экзогенных материалов и имеет ряд преимуществ. Так как получаемые конструкции создаются только из клеток, достигается высокая клеточная плотность, что приближает свойства этих биоинженерных сосудов к нативным. Кроме того, при использовании в качестве «биочернил» многоклеточных цилиндров сокращается время созревания, и уточняются формы конечных структур. Важным достижением Габора Форгача с коллегами является применение метода биопечати для реконструкции бескаркасных кровеносных сосудов, позволяющего получать сосуды разного диаметра и формы, необходимые для трансплантации. Следующим этапом биопечатания должно быть создание сложных разветвленных макро- и микрососудистых систем с диаметром от 300 микрон и толщиной стенки от 100 микрон, подходящих для клинической имплантации.