Стартъпите залагат, че частичното препрограмиране с фактори на Яманака може да доведе до преобръщане на възрастта, но препятствията остават.
На 19 януари съоснователите Рик Клауснер и Ханс Бишоп публично стартираха инициатива за изследване на стареенето, наречена Altos Labs, с 3 милиарда долара първоначално финансиране от поддръжници, включително технологичния инвеститор Юри Милнър и основателят на Amazon Джеф Безос. Това е най-новото в неотдавнашния скок на инвестиции в начинания, които се стремят да изградят интервенции срещу стареенето, базирани на основни изследвания на епигенетичното препрограмиране. През декември съоснователят на компанията за криптовалута Coinbase Брайън Армстронг и рисковият капиталист Блейк Байърс основаха NewLimit, биотехнология, фокусирана върху стареенето, подкрепена от първоначална инвестиция от 105 милиона долара, като съветници са Калифорнийския университет, Алекс Марсън от Сан Франциско и Марк Дейвис от Станфорд.
Откриването на „факторите на Яманака“ – четири транскрипционни фактора (Oct3/4, Sox2, c-Myc и Klf4), които могат да препрограмират диференцирана соматична клетка в плурипотентно състояние, подобно на ембриона – спечели на изследователят от университета в Киото Шиня Яманака дял от Нобелова награда през 2012 г. Откритието, описано през 2006 г., трансформира изследването на стволови клетки, като предостави нов източник на подобни на ембрионални стволови клетки (ESC), индуцирани плурипотентни стволови клетки (iPSC), които не изискват човешки ембриони за тяхното извличане. Но през последните години факторите на Яманака също станаха фокус за друга процъфтяваща област: изследването на стареенето.
Диференцираните клетки могат да бъдат препрограмирани в състояние, подобно на ембриона, чрез прехвърляне на ядрено съдържание в овоцити или чрез сливане с ембрионални стволови клетки. Малко се знае за факторите, които предизвикват това препрограмиране. Яманака демонстрира индукция на плурипотентни стволови клетки от миши ембрионални или възрастни фибробласти чрез въвеждане на четири фактора, Oct3/4, Sox2, c-Myc и Klf4, при условия на ES клетъчна култура. Тези клетки, които са обозначени като iPS клетки, показват морфологията и свойствата на растеж на ES клетките и експресират ES клетъчни маркерни гени. Подкожната трансплантация на iPS клетки в голи мишки води до тумори, съдържащи различни тъкани от трите зародишни слоя. След инжектиране в бластоцисти, iPS клетките допринасят за ембрионалното развитие на мишката. Тези данни показват, че плурипотентни стволови клетки могат да бъдат директно генерирани от фибробластни култури чрез добавяне само на няколко дефинирани фактора.
Така нареченото частично препрограмиране се състои в прилагане на факторите на Яманака върху клетките за достатъчно дълго време, за да се върне обратно клетъчното стареене и да се възстановят тъканите, но без връщане към плурипотентност. Няколко групи, включително тези, ръководени от Виторио Себастиано от Станфордския университет, Хуан Карлос Изписуа Белмонте от Института Солк и Дейвид Синклер от Медицинското училище в Харвард, показват че частичното препрограмиране може драстично да обърне свързаните с възрастта фенотипове в очите, мускулите и други тъкани, в култивирани клетки на бозайници и дори модели на гризачи чрез противодействие на епигенетичните промени, свързани със стареенето. Тези резултати стимулират интереса към превръщането на прозрения от животински модели в интервенции срещу стареенето.
„Това е преследване, което сега се превърна в надпревара“, казва Даниел Айвс, главен изпълнителен директор и основател на базираната в Кеймбридж Shift Bioscience.
„Инвестираме в тази област защото това е една от малкото интервенции, за които знаем, които могат да възстановят младежката функция в разнообразен набор от типове клетки“, обяснява Джейкъб Кимел, главен изследовател в дъщерната компания на Alphabet Calico Life Sciences в Сан Франциско, Калифорния. Стремежът се споделя от Джоан Маник, ръководител на R&D в Life Biosciences, която казва, че частичното препрограмиране може да бъде потенциално „трансформиращо“, когато става въпрос за лечение или дори предотвратяване на заболявания, свързани с възрастта. Life Biosciences, стартъп, съосновател на Дейвид Синклер, проучва регенеративния капацитет на три фактора на Яманака (Oct4, Sox2 и Klf4).
Въпреки че Life Biosciences и няколко други стартиращи компании изследват факторите на Яманака с оглед обръщане на стареенето на човека, биологията на подмладяването чрез препрограмиране остава загадъчна и непрозрачна в най-добрия случай.
„Тези първи документи правят някои удивителни наблюдения“, казва Конрад Хохедлингер от Харвардския институт за стволови клетки. „Но са необходими много повече изследвания, за да се копае в молекулярните и механистични процеси, които се случват.“ Като се има предвид, че напълно препрограмираните iPSC лесно образуват тумори, известни като тератоми, учените трябва да определят дали клетъчният часовник може да бъде върнат безопасно при хората – което означава, че състезанието до клиниката вероятно ще бъде маратон, а не спринт.
Техниката на Яманака, която дори може да генерира биологично млади стволови клетки от столетни донори, е подробно проучена през последните 15 години. Александър Майснер от Института за молекулярна генетика Макс Планк казва, че повечето iPSC препрограмиране се свежда до пренаписване на епигенетични белези – химични модификации на генома, като ДНК и метилиране на хистон, които влияят върху това кои гени са активни или в покой и които са склонни да се променят с възрастта на клетките.
„Изтривате всички тези сигнатури, които изглеждат като стареене или някакви необичайни подписи, и клетките се нулират по същество до базовия „перфектен“ епигеном“, казва Мейснер.
Това препрограмиране преконфигурира мрежите за генна експресия, като по този начин обръща клетъчните характеристики, свързани с възрастта. Но няколко изследователи са предположили, че частичното препрограмиране може потенциално да направи клетките по-млади, без чак да ги изтласка обратно към недиференцирано, ембрионално състояние.
През 2016 г. Изписуа Белмонте и колегите му генетично модифицират миши модел на прогерия – състояние на преждевременно стареене, причинено от мутирали ламинни протеини – за да изразят четирите фактора на Яманака. Неговият екип регулира експресията на тези фактори, като третира животни с лекарството доксициклин, което е програмирано като регулаторен „превключвател“ за контрол на генната експресия. Това условно превключване се оказа от съществено значение, тъй като когато факторите се експресират непрекъснато, мишките умират в рамките на дни в резултат на органна недостатъчност, причинена от загуба на клетъчна идентичност. Но чрез активиране на факторите на кратки интервали, изследователите успяват да удължат продължителността на живота на прогероидните мишки и да възстановят младежката функция на множество органи.
За да оцени възрастта на тъкан или клетка, Стив Хорват от Калифорнийския университет в Лос Анджелис разработи „епигенетичен часовник“, базиран на ДНК метилиране. През 2019 г. Тамир Чандра и екипът от Университета в Единбург показаха, че частичното препрограмиране може да върне този часовник назад, преди клетките в крайна сметка да загубят своята идентичност. Но Чандра предупреждава, че не е убеден, че има причинно-следствена връзка и че часовникът може да е показание за по-широк процес на клетъчно подмладяване. Мейснер също така отбелязва, че много от тези епигенетични промени изглежда се намират далеч от известни гени или регулаторни елементи.
Факторите Яманака, които могат да препрограмират клетките в тяхното ембрионално състояние, са в основата на изследванията за дълголетие.
Експериментите за частично препрограмиране се оказаха обещаващи и подтикнаха други академични групи да следват подобен подход при различни животински модели на стареене. През 2020 г. екипът на Синклер нулира епигенома, за да възстанови зрението при мишки, използвайки вектора на адено-асоциирания вирус (AAV) за доставяне на три гена на Яманака – те изключват c-Myc поради известните му онкогенни свойства. Експресията на транскрипционните фактори в ганглиозните клетки на ретината обръща загубата на зрение при мишките, насърчавайки регенерацията на аксон след наранявания на зрителния нерв или глаукома при възрастни мишки. Критично е, че изследователите не виждат признаци на загубена клетъчна идентичност, дори когато трите гена на Яманака се експресират непрекъснато.
Може ли същото да се случи в човешките клетки? Екипът на Себастиано показа, че базираната на иРНК експресия на четирите фактора на Яманака плюс два допълнителни фактора (LIN28 и NANOG) за повишаване на ефективността на препрограмирането може да обърне епигенетичните и възпалителни сигнатури и да възстанови регенеративния потенциал в култивираните фибробласти, ендотелни клетки и хондроцити от възрастни хора.
„Видяхме това сега в почти 20 различни типа човешки клетки“, съобщава Себастиано.
Множество компании се появиха, за да надградят тези пионерски проучвания: Себастиано е съосновател на Turn Biotechnologies, Синклер създаде Life, а Изписуа Белмонте според съобщенията се присъединява към Altos Labs. Kimmel както и други стартиращи компании, включително Shift, Retro Biosciences, YouthBio Therapeutics и AgeX (първоначално дъщерно дружество на BioTime на Майкъл Уест), също изследват подмладяващия потенциал на частичното препрограмиране.
Но пътят към безопасни и ефективни интервенции за стареенето на човека е малко вероятно да продължи чрез системно доставяне на факторите на Яманака. Директното инжектиране би било твърде рисковано поради шансовете за предизвикване на злокачествени заболявания в резултат на връщане на клетките към тяхното ембрионално, дедиференцирано състояние.
„Би било много трудно да се намали достатъчно риска от това“, казва Кимел.
Дори експертите по iPSC не са наясно кога препрограмираните клетки достигат „точката без връщане“ и се връщат към напълно ембрионално състояние. Според опита на Хохедлингер времето може да варира от седмица до само два или три дни след препрограмирането. Неотдавнашен неревизиран предпечат от Kimmel и вицепрезидента по изследване на стареенето Синтия Кениън допълнително подчертава несигурността на този процес, показвайки, че дори преходното активиране на фактор на Яманака може да причини промени в генната експресия в човешките клетки, които показват загуба на клетъчна идентичност. Това не е просто академичен въпрос – основната безопасност на този подход зависи от отговора. Всъщност образуването на тератоми е общ показател за оценка на клетъчната плурипотентност в препрограмирани iPSC.
„След като една клетка е достигнала до iPSC, тази единична клетка е достатъчна, за да направи тумор“, твърди Хохедлингер.
Остава неясно дали оптималната комбинация от екзогенни фактори на Яманака и времето на приложение може напълно да смекчи риска от тератоми. Маник казва, че мишките, лекувани от групата на Синклер с три фактора на Яманака, различни от c-Myc, са останали без тумор в продължение на почти година и половина след лечението. Но прехвърлянето върху хора ще изисква поставяне на много по-висока летва.
„Безопасността е най-важното нещо, с което се занимаваме в момента“, казва Себастиано.
За да се сведе до минимум рискът от препрограмиране на клетките до плурипотентно състояние, Животът първоначално се фокусира върху една, добре проучена тъкан: окото. Маник казва, че предклиничната работа на компанията показва, че окото предлага по-безопасна отправна точка от другите тъкани, тъй като малко клетки пролиферират в тази тъкан.
Turn Biotechnologies се фокусира вместо това върху кожата, където Себастиано вижда потенциал в козметичните индикации, както и в по-сериозни проблеми, свързани с възрастта, като нарушено заздравяване на рани. Той добавя, че достъпността и подробното разбиране на кожата също могат да помогнат за ускоряване на приложението и върху хора. Turn използва базирано на липидни наночастици доставяне на иРНК на базата на коктейла на групата Sebastiano от шест фактора за препрограмиране: Oct4, Sox2, Klf4, Oct-4, LIN28 и NANOG. Въпреки че тези фактори не могат да бъдат външно регулирани, краткият полуживот на екзогенните иРНК на Turn трябва да ограничи тяхната активност до няколко дни. Друг вариант, който Turn преследва, е да препрограмира клетките ex vivo, което би позволило на лабораторията да извършва контрол на качеството на клетките, преди да ги върне на пациентите.
Оставянето на c-Myc извън микса за препрограмиране може да бъде от полза, според Хохедлингер. Той обаче подчертава, че два други фактора на Яманака, Sox2 и Oct4, в коктейла на Life също са свързани с рак. Туморогенезата може да остане риск дори за клетки, които поддържат своята идентичност. Възрастните клетки обикновено придобиват много мутации през живота си; Чандра отбелязва, че те не се изтриват чрез подмладяване и някои може да са били избрани, защото дават предимство за разпространение или оцеляване.
„Те вече са по някакъв начин една стъпка към рака“, казва той. „И така, какво ще стане, ако видят факторите на Яманака?“
Някои компании вече гледат отвъд факторите на Яманака. Shift търси заобиколни решения, които използват машинно обучение за идентифициране на гени, които помагат за обръщане на биологичното стареене, но които не допринасят за плурипотентност.
„По принцип смятаме, че имаме видимост върху пътя на подмладяване по време на клетъчното препрограмиране“, казва Айвс. „Тези гени изглеждат безопасни и не изглеждат така, сякаш ще повлияят на клетъчната идентичност.“ Той добавя, че Shift все още разработва тези генни мрежи, свързани с подмладяването, и след това ще премине към тестване на безопасността и ефикасността на различни комбинации от тези гени в редица типове клетки.
Всъщност факторите на Яманака могат да бъдат най-ценни като инструмент за изучаване на основната биология на стареенето и подмладяването, а не като терапия.
„Съмнявам се, че е добра идея да се предизвикват тези фактори на плурипотентност при всеки индивид.“ казва Майснер. Kimmel също вижда ограничени клинични приложения за настоящите подходи за препрограмиране, добавяйки, че Calico се занимава предимно с тази работа, за да проучи фундаментални въпроси за стареенето.
„В момента това не е нещо, за което мислим клинично“, казва той.
С толкова много въпроси без отговор, компаниите в това пространство трябва да се подготвят за дългосрочна инвестиция. Фирми с дълбоки джобове с подкрепата на милиардери – като Altos, която създава институти в района на залива на Сан Франциско; Сан Диего; и Кеймбридж, Великобритания – може да имат предимство тук. Чандра казва, че колегите, които са подписали договор с фирмата, „не са принудени да предоставят нищо, освен добра наука през първите пет до десет години“.
Преди всичко, тези, които преследват терапия за подмладяване, знаят за необходимостта от управление на очакванията.
„Това послание трябва да е ясно – не става дума за удължаване на живота“, казва Себастиано. „Това, което ни интересува, е да увеличим здравето на хората… и че не е нужно да живеете дълго време в състояние на слабост.”
Съставил: Радослав Тодоров
Източници: nature.com, pubmed.ncbi.nlm.nih.gov
