Человек начинает развиваться с одной клетки. Накопленные в клетках
же мутации приводят к старению, а значит, к возрастзависимым
болезням и смерти. Что будет, если приручить этот могущественный
механизм и с его помощью лечить людей, а то и повернуть время
вспять? Биолог Александр Тышковскийрассказал ПостНауке, как
клеточная терапия уже сегодня омолаживает мышей и позволяет
улучшать состояние больных с Паркинсоном и можно ли будет в
ближайшем будущем выращивать не только искусственное мясо, но и
запасные органы для человека.Что такое старение и как оно
происходит на клеточном уровне?Старение это процесс повреждения
организма, происходящий на самых разных уровнях [1]. Есть
молекулярные повреждения. Самые известные из них мутации в ДНК,
которые увеличивают риск развития рака, или, скажем, аномальные
скопления белков в тканях мозга один из факторов риска болезни
Альцгеймера.Следующий уровень повреждений клеточный. Когда в клетке
появляются повреждения, во многих случаях она способна справиться с
поломками: есть механизмы репарации (починки) ДНК или, например,
протеолиза расщепления поврежденных белков. Но механизмы самозащиты
неидеальны, и, когда поломок в клетке становится слишком много, у
нее есть три возможных исхода. Первый перерождение клетки в
раковую: накопившиеся мутации приводят к тому, что клетка выходит
из-под контроля, начинает безостановочно делиться и причинять вред
организму. Второй вариант, пожалуй, самый гуманный для тела
самоликвидация клетки (этот механизм называется апоптозом). Третий
исход промежуточный: клетка не погибает, но при этом под гнетом
поломок перестает делиться и выполнять свои биологические функции.
Такие клетки называют сенесцентными (от англ. senescence дряхление,
старение) или клетками-зомби: ведь в некотором смысле они ни живы,
ни мертвы. Отдельные исследования показывают, что от этих клеток
все-таки есть польза: например, они помогают сохранить ткань после
острой травмы [3]. Но в долгосрочной перспективе вреда от них,
по-видимому, все же больше. В частности, сенесцентные клетки
выделяют в ткань факторы воспаления, тем самым вызывая новые
повреждения в других клетках. Таким образом, поломки отдельных
молекул в итоге разрастаются до уровня целого органа, как лесной
пожар. Это неизбежно приводит к серьезным патологиям в
организме.Параллельно с накоплением сенесцентных клеток у нас с
возрастом уменьшается количество стволовых клеток. Именно они
ответственны за регенерацию, замену умерших клеток новыми. Со
временем в стволовых клетках тоже возникают повреждения, в
результате чего они могут стать сенесцентными или погибнуть. По
итогу у старого организма хуже происходит регенерация тканей, и в
этом легко убедиться даже невооруженным глазом: порез на руке у
пожилого человека заживает медленнее, чем у молодого.Это неполный
список механизмов старения, но уже по нему заметно, что повреждений
много и каждое из них может вызвать последующие. С возрастом этот
снежный ком становится все больше, у человека возникают хронические
заболевания, и в конечном итоге он умирает. Причем возникновение
поломок с возрастом процесс во многом случайный. Что произойдет
раньше: накопятся мутации и возникнет рак, накопятся сенесцентные
клетки и случится инфаркт миокарда или появятся агрегаты
бета-амилоидов, а с ними и болезнь Альцгеймера, это своего рода
русская рулетка, в которую каждый из нас вынужден играть. Впрочем,
в том, что все механизмы старения взаимосвязаны, есть и
положительный момент: если мы сможем с молодых лет существенно
замедлить накопление основных видов повреждений, то у человека
одновременно снизятся и риск рака, и риск болезни Альцгеймера, и
риск инфаркта.Какие клеточные технологии помогают предотвращать или
замедлять болезни?Поскольку у нас в организме уже есть специальные
клетки, задача которых бороться со многими заболеваниями, логичным
кажется использовать их в новых медицинских целях. Речь, конечно, о
нашей иммунной системе, а лечение болезней с ее помощью называются
иммунотерапией. Например, можно взять у больного человека его
собственные иммунные клетки и в лабораторных условиях натравить их
на конкретную болезнь этого пациента. Самый яркий пример такой
технологии CAR-T (Chimeric Antigen Receptor, или химерный рецептор
антигена) [4]. Работает этот метод так: допустим, перед нами
пациент с некоторым видом рака крови. У этого больного берут
иммунные клетки, отвечающие за поиск и уничтожение неправильных
клеток в организме, T-лимфоциты. В лаборатории с помощью генной
инженерии к ним пришивают определенный рецептор, который позволяет
им прицельно обнаружить раковые клетки больного. Затем эти клетки
пересаживают обратно пациенту, где они успешно выполняют свое
предназначение и избавляют человека от болезни. В США этот метод
уже одобрен для лечения нескольких видов рака крови [4].Кстати,
этот же подход можно использовать и для борьбы с механизмами
старения. Для этого достаточно натравить Т-лимфоциты не на раковые,
а на сенесцентные клетки. Ученые подтвердили эффективность такой
терапии на мышах [5], где им удалось помочь грызунам, страдающим от
фиброза печени.Можно ли омолодить сами клетки?Можно. Более того,
сегодня ученые умеют доводить взрослую клетку организма до ее
эмбрионального состояния. Дело в том, что во взрослом состоянии у
нас нет клеток, способных дать начало любому типу клеток. Даже
стволовые клетки ограничены в своих возможностях: стволовая клетка
печени не сможет дать начало клетке сердечной мышцы, и наоборот.
Однако каждый человек начинается с клеток, которые впоследствии
дают начало всем взрослым клеткам организма, с эмбриональных
клеток.В 2006 году японский исследователь Синъя Яманака впервые
сумел превратить взрослую клетку организма в похожую на
эмбриональную. По сути он смог обратить процесс взросления клетки,
за что в 2012 году получил Нобелевскую премию. Для этого было
достаточно ввести во взрослую клетку четыре гена, которые в честь
ученого были названы факторами Яманаки. А сами клетки получили
название индуцированных плюрипотентных стволовых клеток
(iPS-клеток).Эта технология дала ученым огромные возможности, в том
числе позволила превращать один тип клеток в другой. К примеру, мы
можем взять клетку кожи (фибробласт) у взрослого человека, откатить
ее в эмбриональное состояние, а потом вырастить из нее клетку
печени, мозга и тому подобное. В этом случае нам уже не нужно
замораживать стволовые клетки пуповины с детства, потому что для
любого взрослого человека можно в течение месяца получить его
эмбриональные клетки. Но самое главное, эти клетки будут еще и
биологически молодыми, то есть в них будет гораздо меньше
повреждений, чем в аналогичных взрослых клетках.Неудивительно, что
эта технология уже нашла применение в клинической практике. К
примеру, два года назад ученые вырастили [6] для одной пациентки
молодые клетки роговицы глаза, тем самым восстановив ей зрение.
Другой яркий пример лечение болезни Паркинсона нейродегенеративного
заболевания.Ученые берут у больного клетки кожи, после чего с
помощью технологии iPS выращивают из них новые молодые клетки мозга
и пересаживают их обратно пациенту, но на этот раз уже в мозг [7].
В результате такая терапия позволяет замедлить прогрессирование
заболевания, а в некоторых случаях даже улучшить показатели
здоровья больных [8]. Конечно, полностью вылечить заболевание с
помощью этой терапии пока не удалось, но текущий результат уже
большой прорыв. Особенно с учетом того, что эффективных лекарств,
излечивающих болезнь Паркинсона, до сих пор нет.Можно ли с помощью
iPS-технологии омолодить все клетки организма?Теоретически, если мы
научились обращать старение на уровне каждой отдельной клетки,
можно это сделать и для всего организма. Но практически это сделать
крайне сложно: ведь у человека десятки триллионов клеток. Достать,
омолодить и вернуть каждую из них обратно идея не самая
перспективная. Можно, конечно, попробовать омолодить клетки не в
лаборатории, а прямо в организме. Для этого понадобится вирус,
который доставит в клетки те самые факторы Яманаки. Правда, эта
технология пока довольно рискованная: если перестараться и довести
клетки до эмбрионального состояния, они могут переродиться в
раковые и привести к образованию опухоли. Поэтому сейчас ученые
ищут золотую середину, включая факторы Яманаки на ограниченное,
короткое время. Таким образом ученые пытаются омолодить клетки, но
не допустить их превращения в эмбриональные.У этих манипуляций есть
результат: временное применение технологии iPS в мышах привело к
тому, что их биологический возраст по многим физиологическим
параметрам уменьшился, а качество здоровья [9] повысилось. При этом
рак у них чаще не возникал. Приведет ли это к тому, что мышь станет
жить дольше, пока неизвестно на выяснение этого нужно время. Но
перспективы у подхода, безусловно, высокие.Что касается применения
на людях, то, скорее всего, первое время эта технология будет
тестироваться для лечения отдельных заболеваний. Для этого можно
вводить гены не во все клетки организма, а лишь в тот орган,
который мы хотим починить. Профессор Гарвардского университета
Дэвид Синклер продемонстрировал эффективность такого подхода для
восстановления зрения у пожилых мышей и мышей, страдающих от
глаукомы.Как это можно сделать? Возьмем какой-нибудь вирус,
например аденоассоциированный, и загрузим в него факторы Яманаки.
Если мы введем такой вирус в кровь, то большинство вирусных частиц
осядут в печени. Если же сделать инъекцию вируса в глаз, то
вирусные частицы не смогут покинуть этот изолированный орган, и
весь терапевтический эффект сконцентрируется в нем. Группа Синклера
ввела вирус с факторами Яманаки в глаз пожилым мышам и мышам с
глаукомой [10]. В результате у них действительно улучшилось зрение:
пожилые мыши стали видеть не хуже молодых.Можно ли выращивать
органы и заменять ими старые?Другое интересное применение
технологии iPS-клеток заключается в том, чтобы с помощью нее
выращивать для пациента новый молодой орган на замену старому. На
сегодняшний день есть два способа это сделать. Первый напечатать
орган на 3D-принтере. Звучит немного футуристично, но это уже
реальность: в 2019 году в Израиле группа ученых напечатала [11] на
3D-принтере слой за слоем сердце из клеток сердечной мышцы и стенок
кровеносных сосудов. Правда, сердце было размером с кроличье и не
сокращалось как единое целое, только на уровне отдельных мышц.
Впрочем, эти недостатки имеют скорее технический характер и,
возможно, будут доработаны в будущем. В этом случае подобная
технология окажется по-настоящему революционной. Во-первых, она
решит проблему нехватки доноров органов, поскольку теперь каждому
человеку можно будет вырастить свой орган под ключ. А во-вторых,
пересадка такого органа не приведет к иммунному отторжению: ведь
новый орган будет напечатан из клеток самого пациента.Кстати,
выращивание органов в лаборатории сможет сохранить нас не только
здоровыми, но и сытыми. Подобный подход применяется для создания
искусственного мяса. Для этого ученые вначале делают из желатина
каркас для мышечных волокон, после чего напрыскивают на него
молодые мышечные клетки. Эти клетки прорастают в каркас и в
какой-то момент замещают желатин. В результате образуются самые
настоящие мышечные волокна, повторяющие по своей форме исходный
желатиновый каркас [12]. В последнее время технологиями выращивания
искусственного мясаначал активно интересоваться крупный бизнес
[13]. Например, в 2020 году компания KFC заключила договор с
российской лабораторией 3D Bioprinting Solutions о разработке
технологии 3D-печати куриных наггетсов. Вполне возможно, что
благодаря клеточным технологиям убийства животных для пропитания
скоро останутся в прошлом: такой же вкусный и свежий мясной стейк
можно будет без труда напечатать на 3D-принтере.Второй способ
создать для человека новый орган вырастить его в животном, например
в свинье. Для этого берут эмбрион свиньи и вносят определенную
мутацию, в результате которой у животного не может развиться один
определенный орган, скажем поджелудочная железа. Свинья не может
выжить без поджелудочной, поэтому такой эмбрион просто погибнет. Но
если добавить в него iPS-клетки человека, они смогут дать начало
поджелудочной железе. В результате вырастет свинья, у которой вся
поджелудочная будет построена из клеток человека. Остается лишь
вырезать этот орган и пересадить его пациенту.С помощью этой
технологии уже удалось вырастить у мышей поджелудочную железу крыс,
а у крыс поджелудочную мышей [14]. К сожалению, вырастить
человеческий орган в свинье оказалось куда более сложной задачей.
Дело в том, что человеческие клетки плохо приживаются в свином
эмбрионе: вопреки известному заблуждению, свинья генетически
довольно сильно отличается от человека. Другое дело обезьяны. И
действительно, в эмбрионе макаки человеческие клетки приживались
гораздо лучше [15].Можно ли восстановить нервы при помощи клеточных
технологий?В рамках уже упомянутой работы Синклера проводился еще
один интересный эксперимент: факторы Яманаки вводили в глаза мышам,
которым предварительно перерезали зрительный нерв, непосредственно
соединяющий глаз с мозгом. Благодаря технологии iPS нерв начинал
расти, наблюдалась регенерация. Если удастся перенести этот подход
на человека, это позволит лечить многие неврологические заболевания
например, восстанавливать активность парализованным людям. В
настоящее время для таких людей разрабатываются экзоскелеты, чтобы
они могли двигать искусственными конечностями. Применение
технологии iPS могло бы вернуть больным возможность вновь управлять
своими руками и ногами.Когда подобные технологии станут реальной
практикой?Сложно назвать точные сроки. Даже когда речь идет о
более-менее простых технологиях, скажем о лекарствах, их
клинические испытания на человеке обычно занимают около 710 лет.
Когда же мы говорим о таких сложных подходах, как клеточная терапия
и генная инженерия, что-то предсказать становится крайне сложно.С
другой стороны, мы уже видим, как эти технологии плотно входят в
нашу жизнь. Вакцина Sputnik V, спасающая нас от коронавируса
SARS-CoV-2, фактически является примером генной терапии и в
технологическом смысле мало чем отличается от метода омоложения
организма с помощью вируса, несущего факторы Яманаки, разница лишь
в соотношении пользы и риска.Технология выращивания молодых клеток
в лабораторных условиях не очень рискованна, поскольку самая
сложная часть этого процесса проводится вне организма пациента.
Клинические испытания такого подхода для лечения определенных
заболеваний уже идут, а значит, он вполне может войти в медицинскую
практику в течение ближайших 10 лет. С другой стороны, системное
омоложение здоровых людей с помощью факторов Яманаки связано с куда
большим риском. Не думаю, что в ближайшие 1015 лет нам стоит ждать
повсеместного профилактического применения этой технологии. Хотя я
буду только рад ошибиться.Обложка: NIAID
