Работа команды, описанная дек. 2 в природе, представляет собой первую демонстрацию того, что можно безопасно перепрограммировать сложные ткани, такие как нервные клетки глаза, на более ранний возраст.
Помимо сброса часов старения клеток, исследователи успешно устранили потерю зрения у животных с состоянием, имитирующим глаукому человека, ведущую причину слепоты во всем мире.
По словам исследователей, это достижение представляет собой первую успешную попытку обратить вспять потерю зрения, вызванную глаукомой, а не просто остановить ее прогрессирование.
При повторении в ходе дальнейших исследований этот подход может проложить путь к терапии, способствующей восстановлению тканей различных органов и обращению вспять старения и возрастных заболеваний у людей.
«Наше исследование демонстрирует, что можно безопасно повернуть вспять возраст сложных тканей, таких как сетчатка, и восстановить их биологическую функцию в молодости», – сказал старший автор Дэвид Синклер, профессор генетики Института Блаватника Гарвардской медицинской школы, содиректор Пол Ф. Центр биологии старения Гленна, исследования в HMS и эксперт по старению.
Синклер и его коллеги предупреждают, что результаты еще предстоит воспроизвести в дальнейших исследованиях, в том числе на различных моделях животных, до проведения каких-либо экспериментов на людях.
Тем не менее, добавляют они, результаты предлагают подтверждение концепции и путь к разработке методов лечения ряда возрастных заболеваний человека.
«Если будут подтверждены в ходе дальнейших исследований, эти результаты могут иметь решающее значение для лечения связанных с возрастом заболеваний зрения, таких как глаукома, а также для биологии и медицинской терапии болезней в целом», – сказал Синклер.
В своей работе команда использовала аденоассоциированный вирус (AAV) в качестве средства доставки в сетчатку мышей трех восстанавливающих молодость гена – Oct4, Sox2 и Klf4, которые обычно включаются во время эмбрионального развития. Три гена вместе с четвертым, который не использовался в этой работе, вместе известны как факторы Яманака.
Лечение оказало множество положительных эффектов на глаза. Во-первых, он способствовал регенерации нервов после повреждения зрительного нерва у мышей с поврежденными зрительными нервами. Во-вторых, он обратил вспять потерю зрения у животных с состоянием, имитирующим глаукому человека. В-третьих, он обратил вспять потерю зрения у стареющих животных без глаукомы.
Подход команды основан на новой теории о том, почему мы стареем. Большинство клеток в организме содержат одни и те же молекулы ДНК, но выполняют самые разные функции.
Чтобы достичь такой степени специализации, эти клетки должны читать только гены, специфичные для их типа. Эта регуляторная функция является прерогативой эпигенома, системы включения и выключения генов в определенных паттернах без изменения базовой последовательности ДНК, лежащей в основе гена.
Эта теория постулирует, что изменения в эпигеноме со временем заставляют клетки считывать неправильные гены и работать с ошибками, что приводит к заболеваниям старения. Одним из наиболее важных изменений в эпигеноме является метилирование ДНК, процесс, с помощью которого метильные группы прикрепляются к ДНК. Паттерны метилирования ДНК закладываются во время эмбрионального развития для образования различных типов клеток.
Со временем молодые паттерны метилирования ДНК утрачиваются, и гены внутри клеток, которые должны быть включены, отключаются, и наоборот, что приводит к нарушению клеточной функции. Некоторые из этих изменений метилирования ДНК предсказуемы и используются для определения биологического возраста клетки или ткани.
Тем не менее, остается неясным, вызывает ли метилирование ДНК возрастные изменения внутри клеток. В текущем исследовании исследователи выдвинули гипотезу, что если метилирование ДНК действительно контролирует старение, то стирание некоторых его следов может обратить вспять возраст клеток внутри живых организмов и вернуть их к их более раннему, более молодому состоянию.
В прошлых работах этот подвиг был достигнут на клетках, выращенных в лабораторных чашках, но не удалось продемонстрировать эффект на живых организмах.
Новые результаты показывают, что этот подход может быть использован и на животных.
Преодоление важного препятствия
Ведущий автор исследования Юаньчэн Лу, научный сотрудник по генетике в HMS и бывший докторант в лаборатории Синклера, разработал генную терапию, которая может безопасно обратить вспять возраст клеток у живого животного.
Работа Лу основана на открытии Шинья Яманака, получившего Нобелевскую премию, который идентифицировал четыре фактора транскрипции, Oct4, Sox2, Klf4, c-Myc, которые могут стирать эпигенетические маркеры на клетках и возвращать эти клетки в их примитивное эмбриональное состояние, из которого они могут превратиться в любой другой тип клетки.
Однако последующие исследования показали две важные неудачи.
Во-первых, при использовании у взрослых мышей четыре фактора Яманака также могут вызывать рост опухоли, что делает этот подход небезопасным. Во-вторых, факторы могут сбросить состояние ячейки до наиболее примитивного состояния ячейки, таким образом полностью стирая идентичность ячейки.
Лу и его коллеги обошли эти препятствия, немного изменив подход.
Они отбросили ген c-Myc и доставили только оставшиеся три гена Яманака, Oct4, Sox2 и Klf4. Модифицированный подход успешно обратил вспять старение клеток, не способствуя росту опухолей и не теряя их идентичности.
Генная терапия, применяемая для регенерации зрительного нерва
В текущем исследовании исследователи нацелены на клетки центральной нервной системы, потому что это первая часть тела, на которую влияет старение. После рождения способность центральной нервной системы к регенерации быстро снижается.
Чтобы проверить, можно ли передать регенеративную способность молодых животных взрослым мышам, исследователи доставили модифицированную комбинацию из трех генов через AAV в ганглиозные клетки сетчатки взрослых мышей с повреждением зрительного нерва.
Для работы Лу и Синклер сотрудничали с Чжиганом Хэ, профессором неврологии и офтальмологии Бостонской детской больницы Чжиган Хэ, который изучает нейро-регенерацию зрительного нерва и спинного мозга.
Лечение привело к двукратному увеличению количества выживших ганглиозных клеток сетчатки после травмы и пятикратному увеличению отрастания нервов.
«В начале этого проекта многие наши коллеги говорили, что наш подход потерпит неудачу или будет слишком опасен для использования», – сказал Лу. "Наши результаты показывают, что этот метод безопасен и потенциально может произвести революцию в лечении глаз и многих других органов, подверженных старению."
Обращение к глаукоме и возрастной потере зрения
После обнадеживающих открытий на мышах с повреждениями зрительного нерва команда начала сотрудничать с коллегами из Института исследования глаза Schepens Массачусетского глаза и уха Брюсом Ксандером, доцентом офтальмологии HMS, и Мередит Грегори-Ксандер, доцентом офтальмологии HMS.
Они запланировали две серии экспериментов: одну, чтобы проверить, может ли коктейль из трех генов восстановить потерю зрения из-за глаукомы, и другой, чтобы увидеть, может ли этот подход обратить вспять потерю зрения, вызванную нормальным старением.
В модели глаукомы на мышах лечение привело к повышенной электрической активности нервных клеток и заметному увеличению остроты зрения, что измерялось по способности животных видеть движущиеся вертикальные линии на экране. Примечательно, что это произошло после того, как потеря зрения из-за глаукомы уже произошла.
«Ученые редко демонстрируют восстановление зрительной функции после травмы», – сказал Ксандер. «Этот новый подход, который успешно устраняет множество причин потери зрения у мышей без необходимости трансплантации сетчатки, представляет собой новый метод лечения в регенеративной медицине."
Подобным же образом лечение подействовало на пожилых 12-месячных мышей с ухудшенным зрением из-за нормального старения. После лечения пожилых мышей паттерны экспрессии генов и электрические сигналы клеток зрительного нерва были подобны молодым мышам, и зрение было восстановлено.
Когда исследователи проанализировали молекулярные изменения в обработанных клетках, они обнаружили обратные модели метилирования ДНК – наблюдение, предполагающее, что метилирование ДНК является не просто маркером или сторонним наблюдателем в процессе старения, а скорее активным агентом, управляющим им.
«Это говорит нам о том, что часы не просто представляют время – это время», – сказал Синклер. "Если повернуть стрелки часов назад, время тоже пойдет назад."
Исследователи заявили, что если их результаты подтвердятся в ходе дальнейших исследований на животных, они могут начать клинические испытания в течение двух лет, чтобы проверить эффективность этого подхода на людях с глаукомой.
На данный момент результаты обнадеживают, говорят исследователи. В текущем исследовании однолетнее лечение мышей методом трех генов не выявило отрицательных побочных эффектов.