Биомедицина

Доктор Таллер исследует механизмы старения кожи, связанные с изменением свойств внеклеточного матрикса. Известно, что при дефиците эстрогена обмен веществ в коже ухудшается, чем объясняется, к примеру, замедление заживления ран у пожилых людей. То же самое наблюдается у курильщиков. Группой Таллера было показано, что в регуляции данных изменений принимает участие фермент Матриксная металлопротеиназа (Matrixmetalloproteinase (MMP)-13). Исследования группы Таллера показали, что табачный дым и дефицит эстрогена увеличивали активность ММР-13 у старых мышей. Кроме того, у старых самок в составе коже снижалось содержание коллагена и эстрогеновых рецепторов. Следовательно, с возрастом организм мышей-самок становится более восприимчив к табачному дыму, это проявляется в том числе как снижение эластичных свойств кожи животных. А посредником данных процессов служит металлопротеиназа ММР-13. Необходимо дальнейшее исследование этих механизмов для поиска способов предотвращения нарушений регенеративных и эластических свойств кожи при старении.

Основными научными интересами Пола Талалая являются хемопротекция против активных форм кислорода, вызывающих рак, и поиск растительных хемопротекторов. Несколько лет назад Пол Талалай показал, что у грызунов под воздействием сульфорафана активируется синтез белков второй фазы детоксификации. Впоследствии Талалай вместе с Ямамото выяснили механизм этого процесса: сульфорафан вызывает диссоциацию фактора keap1 от Nrf2. «Освобожденный» от keap1 фактор Nrf2 активизируется и индуцирует экспрессию защитных белков. Таким образом, сульфорафан, который, в частности, содержится в брокколи (Brassica oleracea italica), способен индуцировать защиту против активных форм кислорода.

У макроскопических организмов процесс старения очевиден, тогда как у одноклеточных, которые являются потенциально очень ценными видами для установления механизмов старения, различать и оценивать старение очень сложно. Основные результаты в этой области были получены у организмов, обладающих очевидно асимметричным делением, а также легко различимой ювенильной фазой развития. Так как репродуктивное старение может быть связано с неравнозначным распределением «старых» и «молодых» компонентов между родителем и потомством, считалось, что организмы, у которых эта черта отсутствует, не стареют, следовательно, обладают функциональным бессмертием. При помощи автоматической микроскопии Таддей с коллегами изучили последовательные циклы размножения отдельных клеток Escherichia coli, бактерии, у которой отсутствует ювенильная фаза, а деление симметрично. Авторы пришли к выводу, что клетки, считавшиеся равнозначными после деления, являются функционально асимметричными. Таким образом, клетка, получающая «старый» полюс, может рассматриваться как родительская. Эти результаты позволили авторам сделать вывод, что ни одна из известых жизненных стратегий не является устойчивой к эффектам старения. Ученые показали, что клетка, которая наследует «старый» полюс, характеризуется снижением скорости роста, сниженной способностью к воспроизведению и повышенной частотой смертности.

Возраст-зависимые изменения в иммунной системе приводят к повышению чувствительности к инфекционным заболеваниям, к увеличению заболеваемости и смертности. Также, в пожилом возрасте резко снижается эффективность вакцинации, что ограничивает профилактику инфекционных заболеваний. Для усиления иммунитета при старении необходимо четкое понимание того, какие дефекты, какие механизмы в клетках иммунной системы ответственны за возраст-обусловленное ослабление активности иммунитета. Научная группа доктора Сьюзан Свейнпоказала, что CD4+ клетки стареющих мышей производят в 2 раза меньше цитокина IL-2 после активации комплекса антиген-АРС, чем здоровые мыши. Это приводит к меньшей клональной экспансии Т-клеток и к снижению продукции эффекторных цитокинов. В дальнейших работах было продемонстрировано, что Т-клетки памяти, полученные стимуляцией наивных стареющих клеток in vitro в присутствии IL-2 выживают, но существенно снижают уровень пролиферации и продукции цитокинов при повторном иммунном ответе. Кроме того, подобные Т-клетки памяти не способны участвовать в формировании гуморального иммунного ответа. Возраст-зависимое уменьшение хелперной активности CD4+ клеток приводит к дефектам клеток памяти CD8+, которые при повторном иммунном ответе погибают. Эти дефекты преодолеваются, если к клеткам in vitro добавить IL-2. Таким образом, нарушения функционирования наивных CD4+ клеток с последующими снижением генерации В-клеток и активации CD8+ клеток суммируются и приводят к уменьшению активности Т- и В-клеток иммунной системы после встречи с антигеном.

Целью исследований, проведенных группой Сушил Джейн, было изучение влияния пиридоксина (П) и пиридоксамина (ПМ) (две разновидности, в которых витамин В6 встречается в пищевых продуктах) на гликозилирование и ингибирование образования АФК, а также перекисное окисление липидов. Образование АФК оценивали с помощью уменьшения уровня цитохрома С глюкозой в буферном растворе. Для оценки эффекта in vitro эритроциты обрабатывали нейтральным раствором и раствором с высокой концентрацией глюкозы с пиридоксином и пиридоксамином. В результате исследований было показано, что витамин B6предотвращает гликозилирование белков и значительно снижает уровень перекисного окисления липидов в клетках в гиперосмотическом растворе глюкозы. Известно, что активные формы кислорода (АФК) являются факторами, вызывающими клеточные дисфункции и осложнения при диабете. Таким образом, пищевая добавка витамина В6 может снизить проявления старения клеток через гликозилирование при диабете.

Хорошо изученный белок цистатин С, ингибитор протеаз, играет значительную роль в развитии заболевания, приводящего к повторным инсультам (Цистатин С амилоидной ангиопатии человека).В том числе, к ним относится димерная форма, образующаяся в результате соединения двух молекул цистатина и их обмена участками цепей между собой. В результате этого процесса происходит формирование особо устойчивых олигомеров, что является важным этапом формирования амилоидных фибрилл. Исследования доктора Стэнифорс проливают свет на механизм превращения нормальных форм белка в патогенные комплексы. Понимание последовательных стадий превращения необходимо для регуляции этого процесса на разных уровнях. Кроме того, как показывают исследования, некоторые промежуточные продукты этого превращения более токсичны для организма, чем конечные. В ходе исследования группа Рози Стэнифорс выявила несколько изоформ этого белка, которые могут инициировать процесс сборки амилоидных фибрилл. Таким образом, проведенные исследования открывают широкие возможности для разработки новых методов лечения амилоидозов.

Долгое время считалось, что микроглия выполняет важную роль исключительно для обеспечения жизнедеятельности нейронов — борется с потенциально опасными инфекциями, по сути, выполняет защитную функцию. Однако данные последних лет, говорят о том, что ухудшение состояния самих клеток микроглии определяет умственные способности людей в возрасте и может стать причиной нейродегенеративных заболеваний. В лаборатории Вольфганга Джейка Стрэита была изучена роль активации микроглии и проведено сравнение ее с состояниями, характеризующими старение и вырождение этих клеток. Одна из возможных причин вырождения клеток микроглии — окислительные процессы в клетке и накопление (амилоида). В свою очередь поиск путей удаления амилоида из клеток микроглии может способствовать эффективному выполнению клетками своих функций и старению без нейродегенеративных изменений.

Клетки микроглии способны удалять окисленные белки из внеклеточного окружения и расщеплять конечные продукты гликозилирования, накапливающиеся в процессе старения. Для изучения старения клеток микроглии была разработана методика культур первичных микроглиальных клеток из взрослых организмов. На таких культурах было показано, что метаболизм старых микроглиальных клеток отличается от такового в клетках новорожденных: нарушено обновление белков, снижена активность протеасомы (однако содержание протеаз не меняется), повышается количество белков, расположенных на поверхности клетки, увеличивается базальный уровень выделения NO.Также у состарившихся клеток микроглии снижается способность удалять нерастворимые белковые агрегаты, накапливающиеся в процессе старения. Преинкубация клеток с витамином Е существенно улучшает их активность. Изучение старения мезенхимальных клеток важно для создания и усовершенствования методов аутологичной терапии, поскольку именно пожилые люди более подвержены дегенеративным заболеваниям. Группой Александры Стольцинг было показано, что с возрастом, с одной стороны, происходит не только уменьшение числа прогениторных мезенхимальных клеток, но и ухудшение их «качества»: повышается концентрация кисленных белков и липидов, снижается активность антиоксидантных ферментов, способности к пролиферации и дифференцировке. Культивирование мезенхимальных клеток лучше вести при пониженной температуре. В таких условиях в клетках снижается количество активных форм кислорода, NO, карбонила и липофусцина, повышается активность супероксиддисмутазы и глутатионпероксидазы, концентрация проапоптотических факторов (HSP-60) снижается, а противоапоптотических факторов (HSP-27, HSP-70, HSP-90) — повышается. Мезенхимальные клетки перспективны с точки зрения кле-точной терапии дегенеративных заболеваний. Таким образом, пониженная температура культивирования мезенхимальных клеток влияет на их антиоксидантные свойства.

При серьезных, необратимых нарушениях в желудочно-кишечном тракте в качестве перспективного подхода может выступать тканевая инженерия кишечника. Этот подход предполагает замену дисфункциональных или недостающих кишечных тканей имплантом, который имитирует физиологические функции кишки. Разные группы исследователей развили методы сбора групп стволовых клеток кишечника эмбриональных или новорожденных животных, которые могут быть привиты на естественные или синтетические материалы-переносчики. Сегодня эта методология относительно стандартизирована, и это позволяет произвести новую кишечную ткань, которая напоминает натуральный кишечник во многих морфологических особенностях и функциональных характеристиках. Созданные таким образом кишечники уже позволили улучшить или даже излечить клинические синдромы недостаточной абсорбции в исследованиях, использующих грызунов. Позже были созданы новые кишечные тканей больших млекопитающих. Исследования профессора Стелцнера сосредоточены на терапии стволовыми клетками в слизистой оболочке кишечника, включая использование биоинженерных подложек, чтобы поддержать рост клеток, пересаженных пациентам, у которых часть кишечного тракта была удалена хирургическим путем. Трансплантация органелл кишечных стволовых клеток генерирует функциональную слизистую оболочку кишечника и используется в терапевтических целях для улучшения усвоения питательных веществ и лечения нарушения абсорбции желчных кислот у крыс. Исследователи группы доктора Стелцнера предположили, что кишечные органеллы могут быть собраны и пересажены, чтобы генерировать кишечную слизистую оболочку в большом модельном животном — собаке. В результате экспериментов, в группе, где кишечные органеллы были собраны из плодов и трансплантированы 10-месячным материнским животным, рост слизистой оболочки был выявлен в 11 из 12 подложках из полигликолевой кислоты после аллотрансплантации органелл плода. Новая слизистая оболочка похожа на нормальную собачью слизистую по структуре и составу. Трансплантация органелл кишечных стволовых клеток может быть использована для создания новой слизистой оболочки у собак. Эти внушительные успехи — важные шаги к клиническому применению технологии кишечной тканевой инженерии на людях. Это первое успешное исследование по созданию новой слизистой оболочки кишечника с помощью пересадки органелл кишечных стволовых клеток большому модельному животному.

Профессор Прамод К. Сривастава был одним из первых исследователей роли белков теплового шока в функционировании иммунной системы. Белки теплого шока отвечают за образование и правильный фолдинг большинства пептидов внутри клеток. Ассоциирование белков теплового шока с пептидами является критичным моментом во взаимодействии белков MHC I класса с эпитопами. Было показано, что комплексы HSP-пептид, выделенные из раковых клеток, представляют из себя репертуар специфических для опухолевых клеток эпитопов, которые в настоящее время проходят активное тестирование на предмет использования их в качестве иммунотерапии при заболевании различными формами рака. На основании этих исследований профессор Сривастава создал компанию Antigenics, которая занимается дизайном вакцин на основе hsp, полученных из опухолей пациентов. Так, недавно были завершены два независимых клинических испытания, которые с успехом продемонстрировали высокий потенциал использования комплексов HSP-пептид в качестве иммунизирующей сыворотки для раковых пациентов.