Naukowcom udało się cofnąć wiek ludzkich komórek skóry. Nowa metoda odwraca proces starzenia nawet o 30 lat! Co ważne, komórki nie tracą przy tym swoich wyspecjalizowanych funkcji. Autorzy badań uważają, że być może uda się zrobić to samo z innymi tkankami w organizmie. Badania te to ogromny krok naprzód dla medycyny regeneracyjnej.
Naukowcy z Instytutu Babraham opracowali nową metodę odmładzania komórek skóry. Technika ta pozwoliła cofnąć ich zegar o około 30 lat, zgodnie z pomiarami molekularnymi. To znacznie dłużej niż poprzednie metody. Co ważne, odmłodzone komórki zachowywały się w eksperymentach symulujących ranę skóry jak młode komórki. Badania, które ukazały się na łamach pisma „eLife” (DOI: 10.7554/eLife.71624), chociaż są na wczesnym etapie, mogą mieć ogromne implikacje dla medycyny regeneracyjnej, zwłaszcza jeśli metodę uda się powtórzyć z innymi typami komórek.
Wraz z wiekiem funkcje naszych komórek podlegają ograniczeniom i widać w nich ślady starzenia się. Proces ten można śledzić za pomocą narzędzi, takich jak zegary epigenetyczne, które mierzą tempo zmian w organizmie w celu określenia wieku biologicznego osoby. Biologia regeneracyjna ma na celu naprawę, przywrócenie młodości lub wymianę starszych komórek. Jednym z najważniejszych narzędzi w biologii regeneracyjnej jest możliwość tworzenia „indukowanych” komórek macierzystych, czyli przeprogramowania starszych komórek do podstawowego stadium, podobnego do embrionalnego. Te komórki macierzyste mogą następnie różnicować się w dowolny typ komórek.
Metoda ta została opracowana przez japońskiego badacza, laureata nagrody Nobla - Shinya'ego Yamanake. W 2006 roku odkrył on, że zróżnicowane komórki mogą zostać cofnięte do stanu podobnego do zarodkowych komórek macierzystych poprzez indukcję ekspresji czterech genów. Obecnie technika ta zwana jest czynnikami transkrypcyjnymi Yamanaki.
Korzystając z prac Yamanaki uczeni z Instytutu Babraham opracowali swoją technikę, która pozwoliła na „skok w czasie” ludzkich komórek skóry o 30 lat wstecz, bez utraty ich wyspecjalizowanej funkcji. Badaczom udało się częściowo przywrócić wigor i funkcje starszych komórek, a także odmłodzić molekularne miary wieku biologicznego.
Technika Yamanaki pozwala na przekształcenie komórek o określonej funkcji w komórki macierzyste, które mogą rozwinąć się w dowolny typ. Oznacza to jednak, że komórka traci swoją specyficzną tożsamość i trudno ją nakłonić do różnicowania się w typ komórki, z którego została cofnięta. Ale naukowcy z Instytutu Babraham przeprogramowali komórki tak, aby były biologicznie młodsze, przy jednoczesnym zachowaniu niektórych funkcji, które uczyniły je komórkami skóry.
Nowa metoda, oparta na nagrodzonej Nagrodą Nobla technice, jest wykorzystywana do wytwarzania komórek macierzystych w taki sposób, że rozwiązuje problem całkowitego wymazania tożsamości komórek. Wszystko dzięki modyfikacji techniki Yamanaki. Nowa technika czyni komórki biologicznie młodszymi, a jednocześnie umożliwia odzyskanie ich wyspecjalizowanej funkcji komórkowej.
Yamanaka opracował technikę przekształcania dojrzałych komórek z powrotem w komórki macierzyste poprzez wystawienie ich na działanie mieszanki substancji chemicznych przez 50 dni. Jednak po takim zabiegu naukowcy nie są w stanie skutecznie nakłonić komórki macierzyste do ponownego różnicowania się w dojrzałe komórki tego samego typu. Aby obejść ten problem, autorzy nowego badania wystawili ludzkie komórki skóry na działanie czynników transkrypcyjnych Yamanaki przez zaledwie 13 dni.
Przerwanie procesu w około jednej czwartej czasu jego trwania uniemożliwiło komórkom całkowity powrót do stanu podobnego do embrionalnego, powodując ich cofnięci się w czasie jedynie do etapu pośredniego, podobnego do fazy dojrzewania. W ten sposób wiele markerów genetycznych związanych z wiekiem zostało usuniętych, a po usunięciu chemikaliów, czyli czynników transkrypcyjnych, komórki były w stanie ponownie odzyskać swoją wyspecjalizowaną funkcję komórek skóry.
- Nasze zrozumienie procesu starzenia się na poziomie molekularnym pogłębiło się w ciągu ostatniej dekady, dając początek technikom, które pozwalają naukowcom mierzyć związane z wiekiem zmiany biologiczne w ludzkich komórkach – mówi biolog Diljeet Gill z Instytutu Babraham w Wielkiej Brytanii. - Byliśmy w stanie zastosować to w naszym eksperymencie, aby określić zakres przeprogramowania w naszej nowej metodzie - dodaje.
Shinya Yamanaka był pierwszym naukowcem, który zamienił normalne komórki, o określonej funkcji, w komórki macierzyste, które mają specjalną zdolność do rozwijania się w dowolny typ komórki. Jak już wspomniano, pełny proces przeprogramowania komórek trwa około 50 dni.. Nowa metoda, nazwana „przeprogramowaniem przejściowym do fazy dojrzewania”, wystawia komórki na działanie czynników transkrypcyjnych Yamanaka przez zaledwie 13 dni i pozwala komórce zachować pierwotną tożsamość i funkcję.
W tym czasie usuwane są zmiany związane z wiekiem. W eksperymentach badacze dali czas częściowo przeprogramowanym komórkom na wzrost w normalnych warunkach, aby zaobserwować, czy powróci ich specyficzna funkcja komórek skóry. Późniejsze analizy wykazały, że komórki odzyskały markery charakterystyczne dla komórek skóry, co zostało potwierdzone przez obserwację produkcji kolagenu w przeprogramowanych komórkach.
Po przeprowadzeniu eksperymentów uczeni przyjrzeli się wielu miarom wieku komórkowego, m.in. zegarowi epigenetycznemu, w którym obecne znaczniki chemiczne wskazują na wiek. Sprawdzili też transkryptom, zestaw cząsteczek mRNA obecny w określonym momencie w komórce. Te dwie miary pokazały, że przeprogramowane komórki pasowały do profilu komórek młodszych o 30 lat w porównaniu z referencyjnymi zestawami danych.
Funkcjonowanie przeprogramowanych komórek również wskazywało na odmłodzenie. W skórze znajdują się różne elementy, m.in. fibroblasty. Produkują one kolagen – główne białko strukturalne obecne w skórze, ścięgnach czy kościach, które utrzymuje strukturalną integralność tkanek i narządów, bierze udział w rozwoju czy naprawie tkanek i narządów czy w procesie gojenia się ran. Jak zauważyli badacze, odmłodzone fibroblasty wytwarzały więcej białek kolagenowych w porównaniu z komórkami kontrolnymi, które nie przeszły procesu przeprogramowania.
Fibroblasty przemieszczają się w obszary wymagające naprawy. Badacze przetestowali częściowo odmłodzone komórki, tworząc sztuczne nacięcie w warstwie komórek na szalce Petriego i odkryli, że leczone przez nich fibroblasty przemieszczały się do rany szybciej niż starsze komórki. To obiecujący znak, że pewnego dnia badania te mogą zostać wykorzystane do stworzenia komórek, które lepiej goją rany.
„Dzięki naszemu podejściu komórki tymczasowo tracą swoją tożsamość, gdy wchodzą w fazę dojrzewania, ale, co ważne, odzyskują swój początkowy los somatyczny, gdy czynniki przeprogramowania zostaną wycofane” – piszą naukowcy. Chociaż mechanizm tego odzyskiwania tożsamości nie jest w pełni zrozumiały, autorzy spekulują, że może on polegać na „utrzymującej się pamięci epigenetycznej”, która nie jest całkowicie wymazana w fazie dojrzewania.
Ponadto naukowcy zidentyfikowali oznaki odmłodzenia w genach o funkcjach innych niż fibroblasty, takich jak te, które są związane z chorobą Alzheimera i zaćmą. „Nasze wyniki stanowią duży krok naprzód w zrozumieniu przeprogramowania komórek. Udowodniliśmy, że komórki można odmłodzić bez utraty ich funkcji i że odmładzanie może przywrócić niektóre funkcje starym komórkom. Fakt, że zaobserwowaliśmy również odwrócenie wskaźników starzenia w genach związanych z chorobami, jest szczególnie obiecujący dla przyszłości tej pracy” - czytamy w publikacji.
Jednym z następnych kroków będzie wypróbowanie zastosowanych tutaj technik do innych typów komórek w ciele i upewnienie się, że procesy są całkowicie bezpieczne przed przeniesieniem ich z laboratorium do badań klinicznych.
Źródło: Babraham Institute, Science Alert, fot. Fátima Santos, Babraham Institute. Na zdjęciu na czerwono zaznaczona produkcja kolagenu przywrócona po przeprogramowaniu komórek.