Стартапы делают ставку на то, что тщательно контролируемое перепрограммирование клеток может привести к обращению вспять возраста, но препятствия остаются.
19 января соучредители Рик Клаузнер и Ханс Бишоп публично запустили стареющую исследовательскую инициативу под названием Altos Labs с первоначальным финансированием в размере 3 миллиардов долларов от спонсоров, включая технологического инвестора Юрия Мильнера и основателя Amazon Джеффа Безоса. Это последний из недавних всплесков инвестиций в предприятия, стремящиеся создать антивозрастные вмешательства на основе фундаментальных исследований в области эпигенетического перепрограммирования (модификация химических меток на ДНК для включения или выключения генов). В декабре соучредитель криптовалютной компании Coinbase Брайан Армстронг и венчурный капиталист Блейк Байерс вместе с Калифорнийским университетом, Алексом Марсоном из Сан-Франциско и Марком Дэвисом из Стэнфорда в качестве консультантов основали NewLimit, биотехнологию, ориентированную на старение, с первоначальными инвестициями в размере 105 миллионов долларов.
Открытие « факторов Яманаки » — четырех факторов транскрипции (Oct3/4, Sox2, c-Myc и Klf4), белков, которые могут перепрограммировать полностью зрелую клетку в состояние, подобное эмбриону, — принесло исследователю из Киотского университета Шинья Яманаке доля Нобелевской премии в 2012 году. Открытие, описанное в 2006 году, изменило исследование стволовых клеток, предоставив новый источник клеток, напоминающих эмбриональные стволовые клетки, которые способны давать начало любому типу специализированных клеток в организме, кроме половых клеток. . Эти индуцированные плюрипотентные стволовые клетки (ИПСК) не требуют для своего получения человеческих эмбрионов. Но в последние годы факторы Яманаки также стали центром внимания другой развивающейся области: отодвинуть время старения вспять.
Так называемое частичное перепрограммирование заключается в применении факторов Яманаки к клеткам в течение достаточно долгого времени, чтобы остановить клеточное старение и восстановить ткани, но без возврата к плюрипотентности, при которой клетка может специализироваться в другие типы клеток. Несколько групп, в том числе под руководством Витторио Себастьяно из Стэнфордского университета, Хуана Карлоса Изписуа Бельмонте из Института Солка и Дэвида Синклера из Гарвардской медицинской школы (см. Таблицу), показали, что частичное перепрограммирование может резко изменить возрастные характеристики глаз, мышц и других тканей. в культивируемых клетках млекопитающих и даже на моделях грызунов путем противодействия эпигенетическим изменениям, связанным со старением. Эти результаты подстегнули интерес к использованию идей, полученных на животных моделях, в мероприятиях по борьбе со старением. «Это погоня, которая теперь превратилась в гонку, — говорит Дэниел Айвз.
«Мы инвестируем в эту область, [потому что] это одно из немногих известных нам вмешательств, которые могут восстановить юношескую функцию в различных типах клеток», — объясняет Джейкоб Киммел, главный исследователь Calico Life Sciences, дочерней компании Alphabet в Южной Америке. Сан - Франциско, Калифорния. Это рвение разделяет Джоан Манник, глава отдела исследований и разработок в Life Biosciences, которая говорит, что частичное перепрограммирование может быть потенциально «преобразующим», когда речь идет о лечении или даже профилактике возрастных заболеваний. Life Biosciences, стартап, соучредителем которого является Дэвид Синклер, изучает регенеративную способность трех факторов Яманаки (Oct4, Sox2 и Klf4).
Несмотря на то, что Life Biosciences и несколько других стартапов исследуют факторы Яманаки с целью обратить вспять старение человека, биология омоложения путем перепрограммирования остается в лучшем случае загадочной и непрозрачной. «В этих первых работах содержатся удивительные наблюдения, — говорит Конрад Хохедлингер из Гарвардского института стволовых клеток. «Но требуется гораздо больше исследований, чтобы разобраться в происходящих молекулярных и механистических процессах». Учитывая, что полностью перепрограммированные иПСК легко образуют опухоли, известные как тератомы, ученые должны определить, можно ли безопасно повернуть клеточные часы у людей, а это означает, что гонка в клинику, скорее всего, будет марафоном, а не спринтом.
Техника Яманаки, позволяющая получать биологически молодые стволовые клетки даже от столетних доноров, активно изучалась в течение последних 15 лет. Александр Мейснер из Института молекулярной генетики Макса Планка говорит, что большая часть перепрограммирования иПСК сводится к переписыванию эпигенетических меток — химических модификаций генома, таких как добавление метильных групп к ДНК или к гистоновым белкам, которые действуют как упаковка для ДНК. Этот процесс влияет на то, какие гены активируются, а какие изменяются по мере старения клеток. «Вы стираете все эти сигнатуры, которые выглядят как старение или какие-либо аномальные сигнатуры, и [клетки] по существу сбрасываются до исходного «идеального» эпигенома», — говорит Мейснер.
Это перепрограммирование перестраивает сети экспрессии генов, которые включают и выключают гены, тем самым обращая вспять возрастные клеточные особенности. Но несколько исследователей выдвинули гипотезу, что частичное перепрограммирование потенциально может сделать клетки моложе, не возвращая клетки обратно в недифференцированное эмбриональное состояние, уменьшая вероятность возникновения опухоли.
В 2016 году Изписуа Бельмонте и его коллеги генетически модифицировали мышиную модель прогерии — состояния преждевременного старения, вызванного мутировавшими белками ламина, которые составляют поддерживающие клеточные структуры. Они сделали это, чтобы выразить четыре фактора Яманаки. Его команда регулировала экспрессию этих факторов, вводя животным препарат доксициклин, который был запрограммирован как регуляторный «переключатель» для контроля экспрессии генов. Это условное переключение оказалось необходимым, потому что, когда факторы экспрессировались непрерывно, мыши умирали в течение нескольких дней в результате отказа органов. Но, активируя факторы через короткие промежутки времени, исследователи смогли увеличить продолжительность жизни прогероидных мышей и восстановить юношескую функцию многих органов.
РЕКЛАМА
Чтобы оценить возраст ткани или клетки, Стив Хорват из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе разработал «эпигенетические часы» — средство оценки биологического старения с использованием метилирования ДНК из разных клеток и тканей. В 2019 году Тамир Чандра из Эдинбургского университета и его команда показали, что частичное перепрограммирование может повернуть эти часы вспять до того, как клетки в конечном итоге потеряют свою идентичность . Но Чандра предупреждает, что «я не уверен в наличии причинно-следственной связи» и что часы могут быть показателем более широкого процесса клеточного омоложения. Мейснер также отмечает, что многие из этих эпигенетических изменений, по-видимому, расположены далеко от известных генов или регуляторных элементов.
Эксперименты по частичному перепрограммированию оказались многообещающими и побудили другие академические группы использовать аналогичный подход на различных животных моделях старения. В 2020 году команда Синклера перезагрузила эпигеном, чтобы восстановить зрение у мышей, используя вектор аденоассоциированного вируса (AAV) для доставки трех генов Yamanaka — они исключили c-Myc из-за его известных онкогенных свойств. Экспрессия факторов транскрипции в ганглиозных клетках сетчатки обращала потерю зрения у мышей, способствуя регенерации аксонов после повреждений зрительного нерва или глаукомы у старых мышей. Важно отметить, что исследователи не обнаружили признаков утраты клеточной идентичности, даже когда три гена Яманака экспрессировались непрерывно.
Может ли то же самое происходить в клетках человека? Группа Себастьяно показала , что основанная на мРНК экспрессия четырех факторов Яманака плюс двух дополнительных факторов (LIN28 и NANOG) для повышения эффективности перепрограммирования может обратить вспять эпигенетические и воспалительные сигнатуры и восстановить регенеративный потенциал в ряде типов клеток пожилых людей — культивируемых фибробластах, эндотелиальных клеток и хондроцитов. «Мы наблюдали это почти на 20 различных типах клеток человека», — говорит Себастьяно.
На основе этих новаторских исследований возникло несколько компаний: Себастьяно стал соучредителем Turn Biotechnologies, Синклер основал Life Biosciences, а Изписуа Бельмонте, как сообщается, присоединяется к Altos Labs. Kimmel из Calico, а также другие стартапы, в том числе Shift Bioscience, Retro Biosciences, YouthBio Therapeutics и AgeX (первоначально дочерняя компания BioTime Майкла Уэста), также исследуют омолаживающий потенциал частичного перепрограммирования.
Но путь к безопасным и эффективным вмешательствам в отношении старения человека вряд ли будет проходить через системную доставку факторов Яманаки. Прямая инъекция была бы слишком рискованной из-за шансов вызвать злокачественные новообразования в результате возвращения клеток в их эмбриональное, дедифференцированное состояние. «Было бы очень сложно в достаточной степени снизить риск», — говорит Киммел.
РЕКЛАМА
Даже эксперты по иПСК неясны, когда перепрограммированные клетки достигают «точки невозврата» и возвращаются в полностью эмбриональное состояние. По опыту Хохедлингера, время «может варьироваться от недели до двух или трех дней после перепрограммирования». Недавний препринт без рецензирования Киммел и вице-президент Калико по исследованиям старения Синтия Кеньон еще раз подчеркивает неопределенность этого процесса, показывая, что даже временная активация фактора Яманака может вызвать изменения экспрессии генов в клетках человека, которые указывают на потерю клеточной идентичности. Это не просто академический вопрос — от ответа зависит фундаментальная безопасность этого подхода. Действительно, образование опухолей, называемых тератомами, является обычным показателем для оценки клеточной плюрипотентности в репрограммированных ИПСК. «После того, как одна клетка попала в иПСК, этой единственной клетки достаточно, чтобы образовалась опухоль», — говорит Хохедлингер.
Остается неясным, может ли оптимальная комбинация факторов Яманаки, введенная в нужное время, полностью снизить риск тератом. Манник говорит, что у мышей, получавших лечение группой Синклера тремя факторами Яманаки, кроме c-Myc, не было опухолей в течение почти полутора лет после лечения. Но перенос этого исследования на людей потребует установки гораздо более высокой планки. «Безопасность — это самое важное, чем мы сейчас занимаемся, — говорит Себастьяно.
Чтобы свести к минимуму риск перепрограммирования клеток в плюрипотентное состояние, Life Biosciences первоначально сосредоточилась на одной, хорошо изученной ткани: глазе. Манник говорит, что доклиническая работа компании показывает, что глаз представляет собой более безопасную отправную точку, чем другие ткани, потому что в этой ткани размножается мало клеток.
Turn Biotechnologies вместо этого фокусируется на коже, где Себастьяно видит потенциал в косметических показаниях, а также в более серьезных возрастных проблемах, таких как нарушение заживления ран. Он добавляет, что доступность и детальное понимание скина также могут помочь ускорить перевод. Turn использует доставку мРНК на основе липидных наночастиц, чтобы создать коктейль группы Sebastiano из шести факторов перепрограммирования: Oct4, Sox2, Klf4, Oct-4, LIN28 и NANOG. Хотя эти факторы не могут регулироваться извне, короткий период полужизни мРНК Терна должен ограничивать их активность несколькими днями. Еще один вариант, который рассматривает Терн, — перепрограммировать клетки вне организма, что позволит лаборатории проводить контроль качества клеток, прежде чем возвращать их пациентам.
По словам Хохедлингера, исключение c-Myc из смеси для перепрограммирования может быть выгодным. Однако он подчеркивает, что два других фактора Яманаки, Sox2 и Oct4 , в коктейле Life Bioscience также связаны с раком. Опухоли могут оставаться риском даже для клеток, сохраняющих свою идентичность. Старые клетки обычно приобретают множество мутаций в течение своей жизни; Чандра отмечает, что они не стираются при омоложении, и некоторые из них, возможно, были отобраны, потому что они дают преимущество для размножения или выживания. «В каком-то смысле они уже сделали один шаг к раку», — говорит он. «Так что же произойдет, если они увидят факторы Яманаки?»
РЕКЛАМА
Некоторые компании уже выходят за рамки факторов Яманаки. Shift Bioscience ищет обходные пути, которые используют машинное обучение для выявления генов, которые помогают обратить биологическое старение, но не способствуют плюрипотентности. «В основном мы думаем, что получили представление о пути омоложения во время клеточного перепрограммирования», — говорит Айвз. «Эти гены выглядят безопасными, и похоже, что они не повлияют на идентичность клеток». Он добавляет, что Shift все еще уточняет эти генные сети, связанные с омоложением, а затем перейдет к проверке безопасности и эффективности различных комбинаций этих генов в ряде типов клеток.
Действительно, факторы Яманаки могут быть наиболее ценными как инструмент для изучения базовой биологии старения и омоложения, а не как терапия. Мейснер говорит: «Я сомневаюсь, что индуцировать эти факторы плюрипотентности у любого человека — хорошая идея». Киммел также видит ограниченное клиническое применение существующих подходов к перепрограммированию, добавляя, что Калико в первую очередь проводит эту работу для изучения фундаментальных вопросов о старении. «Сейчас мы не думаем клинически, — говорит он.
С таким количеством вопросов без ответов компаниям в этой области необходимо подготовиться к долгосрочным инвестициям. Фирмы с глубокими карманами, поддерживаемые миллиардерами, такие как Altos, которая создает институты в районе залива Сан-Франциско; Сан Диего; и Кембридж, Великобритания — здесь могут быть преимущества. Чандра говорит, что коллег, подписавших контракт с фирмой, «не заставляют делать что-либо, кроме хорошей научной работы в течение первых пяти-десяти лет».
Прежде всего, те, кто занимается омолаживающей терапией, знают о необходимости управлять ожиданиями. «Это сообщение должно быть четким — речь не идет о продлении срока службы», — говорит Себастьяно. «Мы заботимся о том, чтобы увеличить продолжительность жизни людей… и чтобы вам не пришлось долго жить в состоянии слабости».