Ученые Гарвардской медицинской школы успешно восстановили зрение у мышей, обратив вспять процесс на клетках сетчатки, чтобы восстановить функцию молодых генов. Работа команды описана в журнале Nature. Она представляет собой первую демонстрацию того, что можно безопасно перепрограммировать сложные ткани, такие как нервные клетки глаза, на более ранний возраст.
Помимо «обнуления» старения клеток, исследователи успешно устранили потерю зрения у животных с состоянием, имитирующим человеческую глаукому — главную 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 в различных органах и обращению вспять старения и возрастных заболеваний у людей.
«Наше исследование показывает, что можно безопасно обратить вспять возраст сложных тканей, таких как сетчатка, и восстановить их биологическую функцию в молодости»
Дэвид Синклер, профессор генетики Института Блаватника Гарвардской медицинской школы, со-директор Центра исследований биологии старения имени Пола Ф. Гленна.
Исследователи 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 эти результаты будут подтверждены в ходе дальнейших исследований, то они могут иметь решающее значение для лечения связанных с возрастом заболеваний зрения, таких как глаукома, а также для биологии и медицинской терапии болезней в целом»
Дэвид Синклер, профессор генетики Института Блаватника Гарвардской медицинской школы, со-директор Центра исследований биологии старения имени Пола Ф. Гленна.
В своей работе команда использовала аденоассоциированный вирус (AAV) в качестве средства доставки в сетчатку мышей трех восстанавливающих молодость генов — 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, оно способствовало регенерации нервов у мышей с поврежденными зрительными нервами. Во-вторых, оно обратило вспять потерю зрения у животных с состоянием, имитирующим глаукому человека. В-третьих, оно обратил вспять потерю зрения у стареющих животных без глаукомы.
Подход команды основан на новой теории о том, почему мы стареем. Большинство клеток тела 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, посредством 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 можно использовать и на животных.
Юаньчэн Лу, научный сотрудник по генетике в HMS и бывший докторант в лаборатории Синклера, разработал генную терапию, которая может безопасно изменить возраст клеток у живого животного. Работа Лу основана на открытии Шиньи Яманаки, 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 до наиболее примитивного состояния, таким образом полностью стирая идентичность.
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.
В текущем исследовании исследователи нацелены на клетки центральной нервной системы, потому что это часть тела, наиболее подверженная старению. 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, который изучает нейрорегенерацию 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. Наши результаты показывают, что этот метод безопасен и потенциально может произвести революцию в лечении глаз и многих других органов, затронутых старением».
Юаньчэн Лу, научный сотрудник по генетике в HMS и бывший докторант в лаборатории Синклера
Затем команда запланировала 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. Этот новый подход, который успешно устраняет множество причин потери зрения у мышей без необходимости трансплантации сетчатки, представляет собой новый метод лечения в регенеративной медицине».
Мередит Грегори-Ксандер, доцент офтальмологии HMS
Подобным же образом лечение подействовало на пожилых 12-месячных мышей с ухудшением зрения 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 свидетелем процесса старения, а скорее активным агентом, управляющим им.
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 подхода на людях с глаукомой. По словам исследователей, пока полученные результаты обнадеживают. В текущем исследовании однолетнее лечение мышей методом трех генов не выявило отрицательных побочных эффектов.