Да здравствует новое
Есть некоторые аспекты биологии старения, в которых избавление от вредных факторов не увенчается успехом, если мы не будем в состоянии заменить их чем-то лучшим. Например, хотя старая иммунная система может работать с нарушениями и подвергать нас большему риску инфекционных заболеваний и рака, это лучше, чем альтернатива. Единственное, что хуже, чем иметь стареющую иммунную систему, это вообще не иметь иммунной системы.
Таким образом, мы должны придумать способы стимулировать защиту от болезней и, кроме того, протянуть организму руку помощи, чтобы обратить вспять некоторые патологии старения. Эта глава посвящена четырем широким категориям заместительной терапии. Во-первых, лечению стволовыми клетками, при котором обеспечение ими может лежать в основе регенерации многих частей тела. Во-вторых, иммунной системе: различные идеи, включая некоторые методы лечения стволовыми клетками, могут помочь вернуть ее более молодое состояние.
В-третьих, хорошим парням в микробиоте – огромной экосистеме бактерий, вирусов и грибков, которые мы носим в кишечнике, на коже и в других местах и которые также с возрастом могут нуждаться в пополнении. И, наконец, долгоживущим каркасам белков вне наших клеток, которые со временем подвергаются химическому повреждению, так что их замена может быть более перспективным подходом, чем ремонт.
Терапия стволовыми клетками
Терапия стволовыми клетками – одна из самых актуальных областей медицины, и использование стволовых клеток для лечения, скорее всего, станет главным оружием в арсенале против старения. Стволовые клетки помогут восполнить клетки, которые утрачиваются в процессе старения, играя определенную роль в заболеваниях от возрастной слепоты до диабета и болезни Паркинсона.
Однако, учитывая шумиху, часто окружающую ее, терапия стволовыми клетками часто неправильно понимается. Термин «стволовая клетка» активно используется шарлатанами, которые заманивают отчаявшихся пациентов в блестящие, полурегулируемые клиники и вливают в них таинственные растворы для «лечения» всех мыслимых видов заболеваний. Стволовые клетки – это не что-то одно и не какой-то эликсир, не единое средство, способное вылечить множество различных заболеваний или системно устранить разрушительные последствия времени. Чтобы осознать огромный, подлинный потенциал этих методов лечения, нам нужно точно понять, что такое стволовые клетки и, следовательно, что мы можем ожидать от них. Получение нужных клеток в нужном месте в нужное время служит ключом к их использованию в регенеративной[53] медицине.
Стволовая клетка – это клетка, у которой при делении есть выбор: она может либо делать то, что и большинство клеток при делении, и образовывать две клетки одного и того же типа (которые в данном случае были бы двумя стволовыми клетками, используемыми для пополнения их популяции), делиться на стволовую клетку и другой вид клеток, не истощая популяцию стволовых клеток и добавляя новую клетку везде, где она находится, от кожи до слизистой оболочки кишечника, или превращаться в две не стволовые клетки (чтобы максимизировать пополнение тканей за счет популяция стволовых клеток). Процесс превращения стволовой клетки в определенный тип клеток организма известен как дифференцировка. Проще всего рассматривать эти способности в контексте развивающегося эмбриона.
Мы все сначала представляем собой одну оплодотворенную яйцеклетку, которая является великим матриархом на вершине раскидистого генеалогического древа различных типов клеток. Она – абсолютный универсалист, способный сформировать каждую клетку в развивающемся ребенке. Ее первые несколько дочерних клеток на очень ранних стадиях развития эмбриона известны как плюрипотентные из-за способности образовывать любую ткань взрослого человека[54]. Плюрипотентность мимолетна:
вскоре все клетки развивающегося эмбриона становятся просто «мультипотентными», у них еще есть довольно эклектичные варианты развития, но они уже не способны стать буквально чем угодно. Пока развитие продолжается, определяются потенциальные судьбы клеток по мере того, как их положение в организме становится более ясным. Клетка может появиться как плюрипотентная стволовая клетка, и некоторые из ее дочерних клеток станут универсальными клетками-предшественниками мозга, а другие – весьма специфическими типами нейронов с определенной задачей в мозге.
В итоге большинство клеток добираются до конца пути – говорят, что они окончательно дифференцировались. Это означает, что если вы, скажем, клетка определенного типа в сердце или печени, то это ваша работа на всю жизнь. Если вы разделитесь, ваши дочерние клетки станут двумя клетками того же типа, что и вы. Горстка клеток, которые не дифференциируются окончательно, – это взрослые стволовые клетки, такие как популяции клеток, поддерживающих кожу, слизистую оболочку кишечника, или гемопоэтические стволовые клетки (ГСК), ежедневно производящие сотни миллиардов свежих клеток крови. Это подводит нас к первой категории терапии стволовыми клетками: трансплантация взрослых стволовых клеток от одного индивидуума к другому или собственных клеток себе же. Хотя методы лечения стволовыми клетками часто считаются довольно футуристическими, существует один обычный метод терапии этого типа, который мы успешно применяем уже полвека. Трансплантация костного мозга, которую более правильно называть трансплантацией ГСК, поскольку ГСК часто получают не из костного мозга, а из других мест, таких как донорская кровь или пуповина, в настоящее время является рутинной (при серьезных болезнях) медицинской процедурой.
Классический сценарий – лечение рака крови, такого как лейкемия. При лейкемии организм массово перепроизводит определенные виды клеток крови, которые заполняют костный мозг и подавляют стволовые клетки. Поэтому они теряют способность производить клетки крови и пациенты чаще всего умирают от инфекций из-за отсутствия белых кровяных телец, производимых иммунной системой для защиты от инфекции. Как и при большинстве онкологических заболеваний, стандартным лечением является химио– или лучевая терапия, обе из них предпочтительно нацеливаются на быстро делящиеся раковые клетки и, как надеются, не наносят слишком большого вреда другим быстро делящимся клеткам в процессе лечения. Однако ГСК также невероятно чувствительны к этим методам лечения, и их запасы могут быть истощены настолько сильно, что вы все равно умрете, просто от катастрофической потери клеток крови, а не от рака. Решение состоит в том, чтобы дождаться окончания терапии, а затем ввести некоторый объем ГСК, чтобы возобновить производство клеток крови.
В настоящее время во всем мире было проведено более миллиона трансплантаций ГСК, и еще десятки тысяч выполняются каждый год. Это невероятно успешная процедура, которая спасла огромное количество жизней. Однако у использования взрослых стволовых клеток есть ограничения, особенно когда речь идет о лечении старения. Одна из ключевых проблем заключается в том, что этот метод можно применить только в той части тела, где существует подходящая популяция стволовых клеток. Например, стволовых клеток нет в сердце или в большинстве областей мозга, хотя ученые продолжают искать их. Даже если бы были полезные стволовые клетки мозга или сердца, большинство из нас по понятным причинам не решились бы записаться в доноры. В подавляющем большинстве случаев донорство ГСК из костного мозга требует приема лекарств в течение нескольких дней, а затем нескольких часов фильтрации крови для извлечения стволовых клеток, что не слишком обременительно. Извлечение клеток сердца или мозга, напротив, может быть довольно рискованной и инвазивной процедурой для донора.
Вторая проблема – это иммунное отторжение. Точно так же, как при трансплантации органов, иммунная система пациента-реципиента может идентифицировать новые клетки как «чужеродные» и уничтожить их, лишая пользы от лечения и вызывая чрезмерную иммунную реакцию, которая в худшем случае может привести к смерти[55]. При чуть более чем половине трансплантаций ГСК используют собственные клетки пациента, что позволяет избежать этой проблемы, и мы довольно хорошо подбираем донора к реципиенту для ГСК. Но даже приличное совпадение все равно означает, что, как и люди, проходящие трансплантацию органов, многие реципиенты сталкиваются с пожизненным применением иммуносупрессивных препаратов, которые могут иметь серьезные побочные эффекты и подвергать их риску заражения.
Прорыв, который мог бы решить эти проблемы, произошел в 2006 году, когда японскому ученому Синъе Яманаке впервые удалось повернуть вспять часы развития взрослых клеток и вернуть их в плюрипотентное состояние – то есть они могли стать любой клеткой в организме. Медики надеялись, что в конце концов мы сможем производить неограниченное количество клеток любого типа из собственных клеток пациента, чтобы не было необходимости в потенциально инвазивных процедурах донорства или даже чтобы просто существовали релевантные стволовые клетки. И, поскольку мы могли бы генерировать эти клетки у пациента, не было бы никакого риска иммунного отторжения.
Долгое время считалось, что процесс развития и дифференцировки полностью однонаправлен: от оплодотворенной яйцеклетки через плюрипотентные и мультипотентные стволовые клетки к взрослым клеткам организма. Возможно, если оглянуться назад, должно было быть очевидно, что это не так. Ведь для чуда беременности необходимо, чтобы две взрослые клетки – яйцеклетка и сперматозоид – слились и, сделав это, повернули время вспять от гиперспециализированных половых клеток к оплодотворенной яйцеклетке, которая вновь пробудит способность стать любой клеткой в человеческом теле. Таким образом, дифференцировка не противоречит законам биологии. Вопрос в том, можно ли воспроизвести этот процесс в лаборатории.
В 2006 годуяпонскому ученому Синтье Яманаке удалось повернуть вспять часы развития взрослых клеток, вернув их в плюрипотентное состояние.
В серии новаторских экспериментов в 1960-х годах британский ученый Джон Гердон показал, что это возможно. Он взял ядро – часть клетки, содержащую код ДНК, – из клетки лягушки, поместил его в яйцеклетку лягушки, чье собственное ядро было разрушено, и наблюдал, что произошло. Ядра из молодых эмбрионов, перенесенных в яйцеклетку, могли стать взрослыми лягушками, в то время как ядра из взрослых лягушек не доходили до этого, часто полностью погибая, но иногда доходя до поздней стадии развития эмбриона с различимыми частями тела.
Этот метод переноса ядра взрослой клетки в свободную яйцеклетку совершенствовали в течение многих лет, и он стал более надежным. В 1997 году он был ответственен за зачатие, вероятно, самой знаменитой овцы в мире: Долли, первого в истории клонированного млекопитающего. Из-за перенесения ядра у нее была точно такая же ДНК, как и у ее «матери», из тела которой оно было взято.
Очевидно, что оплодотворенная яйцеклетка содержит какой-то механизм, «перезагружающий» изменения, которые заставляют клетки дифференцироваться. К 2000-м годам лаборатория Яманаки изучала гены, действующие в эмбриональных стволовых клетках (ЭСК) – клетках, извлеченных из эмбрионов на достаточно ранней стадии развития, чтобы они все еще были плюрипотентными, – чтобы найти способ воспроизвести любые бурные химические процессы в яйцеклетке, позволяющие ей повернуть время вспять. В конце концов ему и его лаборатории удалось обнаружить четыре гена, известные как факторы Яманаки, которые, будучи перенесенными в клетку, могут индуцировать плюрипотентность. Этот подвиг – создание индуцированных плюрипотентных стволовых клеток (иПСК) – принес Яманаке Нобелевскую премию, разделенную с Гердоном в 2012 году.
Причина, по которой способность повернуть вспять часы дифференцировки достойна Нобелевской премии, заключается не только в самих плюрипотентных клетках, но и в том, что они могут быть использованы для создания новых клеток– кажется, буквально любых клеток. В качестве доказательства ученые попытались заменить эмбриональные клетки очень молодого эмбриона мыши на иПСК – и в результате с каждым типом клеток взрослые мыши работают так, как и должны. Это показывает, что при наличии подходящей среды (в данном случае внутри эмбриона мыши) можно сделать так, чтобы иПСК стали любым типом клеток у взрослой мыши.
Однако это, возможно, еще один обман – поместить иПСК в готовый котел природы и создать взрослую мышь – это одно. Но то, что нам действительно нужно сделать, – это производить клетки данного типа по требованию. Итак, обратно дифференцировав клетку, чтобы она стала иПСК, мы решаем обратную задачу – как нам снова провести ее обратную дифференцировку в нужные клетки? Ответы можно найти, смотря на то, как развиваются эмбрионы. Если мы можем понять, за счет чего клетки растущей мыши или человека «знают», чем стать, то можем смоделировать эти условия в лаборатории и произвести любой тип клеток, который нужен данному пациенту. Клетка развивающегося эмбриона знает, чем должна стать, благодаря постоянному потоку химических сообщений, идущих от клеток, которые находятся и совсем близко, и далеко. Развивающиеся клетки выделяют много различных молекул, и сила, время и продолжительность этих химических сигналов сами определяются сигналами, которые они получают. Эта рекурсивная, децентрализованная система порождает паттерны на паттернах различных химических сообщений, позволяя каждой клетке определить, где она находится, с помощью химических веществ в локальной среде и, следовательно, во что она должна превратиться и какую задачу выполнять.
Итак, если вы хотите побудить иПСК превратиться в нейрон, клетку сердца, кожи или что-то еще, нужно снабдить ее соответствующей серией сигналов. Той же последовательностью, которую она получила бы, если бы развивалась по-настоящему в полноценном эмбрионе, а не сидела в пробирке в какой-нибудь лаборатории. В течение нескольких дней или недель ученые подают соответствующие сигнальные молекулы к определенным клеткам, медленно направляя их к нужному результату. Благодаря более полному пониманию как эмбриологии, так и культивирования клеток ученые становятся все более успешными в создании нужных клеток в лаборатории.
Надеюсь, понятно, почему это было бы отличной новостью для клеточной терапии, а не только для борьбы со старением. Во всех ситуациях, когда из-за болезней, травм или процесса старения происходит потеря клеток, мы могли бы создать новые клетки, которые займут место утраченных. И в идеале клетки можно получить от самого пациента, благодаря чему не будет никаких проблем с подбором подходящего донора: иммунная система с радостью распознает их как «своих» и не вспыхнет в попытке избавить организм от захватчиков.
Хотя может показаться, что плюрипотентные клетки являются «лучшими» стволовыми клетками, учитывая их способность образовывать любые виды клеток, стоит подчеркнуть, что при обсуждаемом виде терапии не будут вводить сами иПСК. Причина в том, что иПСК не могут принести реальную пользу организму, потому что в отсутствие направляющих сигналов не превратятся в нужный тип клеток. А еще они могут повысить риск развития рака. Плюрипотентные клетки могут размножаться бесконечно в лабораторных пробирках, что замечательно, если вы хотите сделать огромную партию для эксперимента или заменить потерянные клетки в организме. Недостаток этого процесса заключается в том, что если какие-либо плюрипотентные клетки остаются в препарате, который вы вводите пациенту, то они также могут бесконечно делиться в его организме, образуя опухоль.
Особый тип опухоли, вызываемой плюрипотентными клетками, известен как тератома, и эти новообразования абсолютно гротескны. На самом деле, они настолько ужасны, что я настоятельно рекомендую лично найти какую-нибудь фотографию, чтобы по-настоящему понять их чудовищность (даже название «тератома» происходит от греческого «чудовищная опухоль»). Тератомы могут возникать естественным путем, хотя, к счастью, редко, обычно в женских яичниках или семенниках у мужчин. Без тщательно отлаженных сигналов, используемых в процессе развития, плюрипотентные клетки не знают, что делать, – вместо этого они дифференцируются почти наугад, образуя хаотичный комок ужаса. Это сочетание редкости и мерзости сделало их коллекционными предметами для викторианских медиков. Их можно найти в анатомических музеях, плавающих в формальдегиде: это отвратительные клубки мышц, спутанных волос, зубов, костей, жира, а иногда даже глаз и кусочков мозга. Один особенно неприятный пример, извлеченный из яичника пациентки в Японии в начале 2000-х годов, выглядел как крошечный неправильно развившийся ребенок. У него были волосы, прото-конечности, несколько зубов и единственное уродливое подобие глаза. Поэтому крайне важно, чтобы все плюрипотентные приспешники были удалены до того, как ввести лекарство из стволовых клеток пациенту.
Есть много различных идей для терапии с использованием дифференцированных дочерних клеток иПСК, и многие из наиболее перспективных будущих методов предназначены для лечения болезней пожилого возраста. Идеальный тестовый случай для клеточной терапии – это тот, при котором болезнь или дисфункция могут быть связаны с потерей одного типа клеток. А это означает, что нужно только пополнить численность конкретного типа клеток, а не всей популяции. В результате два самых быстро развивающихся метода лечения – это замена клеток пигментного эпителия сетчатки (ПЭС), с которыми мы познакомились в предыдущей главе, для облегчения течения возрастной макулярной дегенерации (ВМД), а также специфического типа нейронов, потеря которых вызывает болезнь Паркинсона.
Наиболее близким к реализации методом лечения стволовыми клетками, вероятно, является терапия ВМД. В двух испытаниях в 2018 году стволовые клетки использовались для создания клеток ПЭС и имплантации их в глаза пациентов. Оба были испытаниями первой фазы, предназначенными для проверки безопасности лечения, а не для того, чтобы доказать, работает оно или нет. Но они не только продемонстрировали безопасность, но и показали улучшение зрения участников эксперимента. Один пациент после лечения перешел от чтения со скоростью 1,7 слова в минуту к сносным 50 и смог прочитать еще 29 букв на одном из рисунков для оценки остроты зрения, где буквы постепенно уменьшаются в размере. В этих исследованиях участвовало в общей сложности всего шесть пациентов, поэтому требуется гораздо больше работы, но это многообещающие предварительные результаты.
Эмбриональныестволовые клетки с успехом использовались в эксперименте 2014 года для лечения потери зрения у пациентов.
Самым существенным недостатком этих исследований является то, что в них использовали эмбриональные стволовые клетки для создания клеток ПЭС, и поэтому материалы по определению не могли брать у самих пациентов, которые проходили лечение. Поэтому участники должны были принимать иммуносупрессивные препараты, чтобы иммунная система не атаковала новые клетки. Следующий шаг – получить положительные результаты с помощью иПСК, взятых у пациентов. Первое испытание на людях было проведено в 2014 году в Японии, но было остановлено по соображениям безопасности после обнаружения потенциально раковых мутаций в имплантированных клетках. Хотя у пациента не было никаких проблем, это заставило ученых остановиться и критически взглянуть на свою работу. Исследование 2019 года, проведенное Национальным офтальмологическим институтом
США (US National Eye Institute), было направлено на то, чтобы развеять любые сомнения. В нем использовался кропотливо разработанный реальный производственный протокол для клеток ПЭС, безопасность которого тщательно проверялась на каждом этапе. Протокол прошел это тщательное тестирование, и следующий шаг – опробовать его на реальных пациентах.
Благодаря эффективности лечения на основе эмбриональных стволовых клеток и позитивным шагам в направлении использования иПСК ученые возлагают большие надежды на собственные клетки пациентов, которые будут использоваться для лечения возрастной потери зрения в больнице рядом с вами в не слишком отдаленном будущем, что представляет собой первый клинический триумф, связанный с открытием Яманаки в 2006 году.
Болезнь Паркинсона вызвана потерей «дофаминергических» нейронов – специализированных нейронов, которые производят химическое вещество, называемое дофамином, которое клетки мозга используют для связи друг с другом. К моменту появления симптомов пациенты теряют до 80 % этих нейронов, что значительно подрывает работу точных систем в мозге, которые позволяют контролировать движения. Стандартное лечение для пациентов с прогрессирующей болезнью Паркинсона – L-дофа, химическое вещество, которое мозг может превращать в дофамин. Но привлекательность лечения стволовыми клетками, как мы надеемся, очевидна: они могут заменить дофаминергические нейроны и потенциально вылечить болезнь, а не маскировать ее симптомы.
Лечение болезни Паркинсона стволовыми клетками имеет чрезвычайно длинную историю. Первые новаторские операции были проведены более трех десятилетий назад, в Лунде, Швеция, в 1987 году. Они включали хирургическую пересадку предшественников дофаминергических нейронов, взятых из абортированных плодов, в мозг двух пациентов с прогрессирующей болезнью Паркинсона. Идея состояла в том, что эти незрелые клетки будут размножаться и развиваться в дофаминергические нейроны – и, похоже, это сработало. Воодушевленные этим ранним успехом, экспериментальные работы продолжались в течение многих лет. Результаты оказались невероятно убедительными: один субъект, известный как пациент 4, прошел процедуру в 1989 году, и за три года его состояние настолько улучшилось, что ему больше не нужно было принимать L-дофу. Он наслаждался почти полной ремиссией в течение девяти лет, но потом последовало ухудшение двигательной функции, из-за которой лечение пришлось постепенно возобновить. Когда он умер через 24 года после операции, вскрытие показало, что пересаженные нейроны все еще были живы и установили связь с окружающими клетками мозга. Но к этому моменту любая функциональная польза была потеряна, вероятно, из-за деменции и общего ухудшения состояния остальной части мозга.
После этих многообещающих ранних результатов произошел ряд поворотов. Шведские исследования включали всего 18 пациентов, а более крупные, более тщательные исследования, проведенные Национальными институтами здравоохранения в США, казалось, ставили под сомнение эффективность лечения. Шведы нанесли ответный удар, заявив, что в крупных проектах не использовались свежие клетки при трансплантации, не применялись иммунодепрессанты, чтобы остановить отторжение трансплантата, и не наблюдали за пациентами достаточно долго, чтобы заметить эффект (улучшения состояния пациента 4, как вы помните, стали очевидными только через 3 года). Существует достаточно мало данных, которые продолжают бурно обсуждаться. Но самым явным признаком того, что неврологическое сообщество сохранило энтузиазм и оптимизм, является то, что в 2010 году начались совместные усилия по проведению детального исследования эмбриональных стволовых клеток для лечения болезни Паркинсона. Первые результаты исследования TRANSEURO, в котором приняли участие более 100 пациентов по всей Европе, ожидаются в 2021 году.
К сожалению, поскольку эти клетки могут быть извлечены только из абортированных плодов на определенной стадии развития (кропотливая процедура включает в себя поиск области размером с булавочную головку у плода длиной всего в пару сантиметров), поставка предшественников дофаминергических нейронов из плодов сильно ограничила бы доступность этого лечения. В результате, если дальнейшая работа покажет, что эти клетки могут помочь при болезни Паркинсона, очевидным следующим шагом будет использование иПСК для их создания. Первое испытание иПСК, хотя и взятых не у самих пациентов, а у других доноров, началось в Японии в 2018 году, и в ближайшее время ожидаются и другие.
Хотя лечение ВМД и болезни Паркинсона занимает лидирующие позиции, за ними стоит множество других методов терапии стволовыми клетками. Диабет может быть следующим претендентом. Мы можем создать бета-клетки – продуцирующие инсулин клетки поджелудочной железы, которые держат уровень сахара в крови под контролем, – из иПСК в лаборатории, и они могут вылечить мышей с диабетом. Человеческие иПСК также использовались для создания «хондроцитов», которые производят и восстанавливают хрящи в суставах. И они были успешно использованы для регенерации коленей крыс с остеоартрозом. Более ранние исследования на мышах показали, что введение небольшого количества материала, содержащего предшественников обонятельных нейронов, может восстановить обоняние у мышей, чьи собственные обонятельные нейроны были повреждены. В другом исследовании были взяты клетки, отфильтрованные из человеческой мочи (!), превращены в иПСК и использованы для создания клеток-предшественников зубов, которые выросли в «зубоподобные структуры» у мышей. Свежие биологические зубы для всех в отличие от различных металлических, пластиковых и керамических протезов доступных в настоящее время, безусловно, являются благородной целью для стоматологии и окажут особую помощь пожилым людям, которые испытывают трудности с пережевыванием пищи.
Исследования стволовых клеток – это область настолько обширная и быстро развивающаяся, что невозможно отдать ей должное в единственном разделе одной главы книги. К тому времени, как вы прочтете это, какие-то детали наверняка устареют, надеюсь, потому, что некоторые из этих видов лечения находятся немного ближе к реальной клинической практике. Это, пожалуй, единственный аспект исследований старения, который привлекает внимание и финансирование, даже едва пропорциональное его потенциальным выгодам. Хотя есть перегибы, которые нужно устранить, темп и широта изменений захватывают дух.
Надеюсь, теперь вы можете понять, почему стволовые клетки не являются панацеей, предложенной теневыми клиниками. Это не универсальное одноразовое лечение, которое может обратить старение вспять само по себе, а общий термин для целого ряда методов лечения, включающих различные виды клеток. Тем не менее стволовые клетки скоро станут гораздо более важной частью медицинской помощи, особенно при лечении дегенеративных заболеваний, связанных со старением.
Укрепление иммунитета
Стволовые клетки и другие омолаживающие методы лечения будут чрезвычайно полезны иммунной системе. Хорошим местом для начала исследований является тимус – маленький орган сразу за грудиной, где тренируются Т-клетки и который подвергается программируемому снижению функций, начиная с детства. Процесс превращения полезной ткани тимуса в бесполезный жир известен как «инволюция», и это чрезвычайно податливый процесс. Из различных способов остановить инволюцию тимуса или даже обратить процесс вспять, вероятно, наиболее изученным является стерилизация. Объем тимуса у мышей увеличивают как хирургическое удаление яичек или яичников, так и препараты, которые останавливают действие половых гормонов.
Хотя может оказаться трудным найти добровольцев для клинического исследования стерилизации у людей, есть несколько интересных исследований, которые используют исторические данные, чтобы попытаться выяснить ее влияние на долголетие. В Европе XVIII века на оперной сцене доминировали певцы-кастраты – мальчики, которых кастрировали до наступления половой зрелости, чтобы сохранить их голос неизменным на протяжении всей жизни. Анализ их продолжительности жизни показал, что не было никаких различий между ними и певцами – нормальными мужчинами того времени. Но размер выборки был невелик, и вполне возможно, что некоторые кастраты на самом деле не были кастрированы, а были просто мужчинами, чьи голоса не сломались в период полового созревания. В другом исследовании рассматривались учреждения для «умственно отсталых» в Канзасе. Тогда «генетически непригодных» стерилизовали из-за политических взглядов, появившихся вследствие развития евгенического движения. Эти результаты были более убедительными, показав, что кастрированные заключенные жили 71 год по сравнению с 65 годами для других заключенных мужчин – и они также, казалось, избегали мужского облысения. Однако все еще оставались некоторые сомнения, потому что показатель 65 лет был несколько ниже общей ожидаемой продолжительности жизни в США в то время, что могло означать, что эта разница была продуктом институционализации. Возможно, например, заключенные, избежавшие стерилизации, были нездоровыми или с ними обращались иначе, чем с их кастрированными сверстниками, из-за чего этот эффект не распространится на обычное население.
Самым убедительным доказательством того, что кастрация увеличивает продолжительность жизни людей, является исследование евнухов корейской династии Чосон. Династия Чосон правила Кореей в течение пяти столетий, и евнухи, или нэси, были ключевой частью императорского двора. Только им наряду с янгбань или знатными людьми, разрешалось становиться правительственными чиновниками. И лишь членам королевской семьи, евнухам и женщинам дозволялось оставаться в стенах дворца после захода солнца, чтобы сохранить королевскую родословную. Около 140 евнухов образовали Нае-Ше-Бу, организацию, ответственную за охрану дворца, приготовление пищи, уборку, надзор за обслуживанием и выполнение поручений императора.
Нэси разрешалось вступать в брак и усыновлять детей, будь то девочки или кастрированные мальчики, что парадоксальным образом означало, что существуют целые династии евнухов. В 2012 году исследователи использовали их семейные древа для анализа долголетия евнухов, перекрестно сверяясь с другими династическими документами, когда это было возможно, чтобы подтвердить полученные данные. Результаты были ясны: 81 евнух, чью продолжительность жизни можно было проверить, прожил в среднем 70 лет по сравнению с тремя семьями янгбань с аналогичным социальным статусом, средняя продолжительность жизни которых колебалась от 51 до 56 лет. Даже императоры, проводившие всю жизнь во дворце, в среднем жили 47 лет. А два нэси, Ин-Бо Хон и Кен-Хон Ги, жили при четырех из них, достигнув 100 лет и 101 года соответственно, а Ки-Вон Ли, который умер в возрасте 109 лет, жил при пяти правителях. Это составляет три долгожителя из 81 евнуха – по сравнению с менее чем одним из 10 000 мужчин, достигающих 100 лет в современной Японии, стране, которая в настоящее время возглавляет список государств по продолжительности жизни. А 101-летний Ги родился в 1670 году, когда продолжительность жизни была на десятилетия короче, чем сегодня.
К сожалению, в генеалогических записях евнухов Чосона не упоминается размер тимуса. Тем не менее есть веские основания полагать, что именно этот фактор способствовал подобной ситуации. Заключенные из Канзаса жили дольше в основном из-за снижения смертности от инфекций, что предполагает вовлечение иммунной системы. Есть также эксперименты на мышах: кастрация девятимесячных мышей увеличила размер их тимуса и улучшила иммунный ответ после заражения гриппом, а также значительно укрепила их способность противостоять раку. При введении опухолеиндуцирующих клеток у 80 % контрольных мышей развился рак, в то время как то же самое произошло только у 30 % их кастрированных братьев и сестер с усиленным тимусом.
Исследованиягенеалогического древа евнухов показали, что они жили значительно дольше своих соотечественников.
Данные, полученные на мышах, свидетельствуют о том, что это справедливо и для самок, и для самцов. Но есть гораздо меньше данных, чтобы продолжить исследования первых как на мышах, так и на людях из-за того, что удаление яичников – значительно более сложная и опасная процедура, чем удаление яичек. Имеющиеся у нас доказательства указывают на то же самое: например, стерилизованные женщины-заключенные в канзасском исследовании действительно жили дольше, но их было так мало, что трудно сделать уверенные выводы. Эффект также может быть замаскирован, потому что женский половой гормон эстроген оказывает защитное воздействие на сердечно-сосудистую систему. Удаление яичников может помочь тимусу, но приведет к увеличению риска развития сердечных заболеваний, уменьшая чистую выгоду для общей продолжительности жизни.
Хотя стерилизация – это простое вмешательство для лабораторных экспериментов, я не думаю, что много людей встанут в очередь на эту процедуру. К счастью, есть несколько альтернативных методов лечения, использующих гормоны роста, стволовые клетки или генную терапию. Гормональный подход является самым передовым, и компания под названием Intervention Immune уже провела небольшое испытание на людях. Ученые дали девяти мужчинам комбинацию гормона роста человека (соматотропный гормон, СТГ) вместе с дегидроэпиандростероном, или ДГЭА (другим гормоном), и метформином (лекарством от диабета и потенциальным препаратом для антивозрастной терапии, который вы, возможно, помните из предыдущей главы) для борьбы с риском развития диабета, связанным с СТГ. Результаты были многообещающими. На МРТ-сканировании видно, что в их тимусах меньше жира и больше Т-клеток, только что вышедших из тимуса. Кроме этого, улучшилась функция почек и, что самое волнующее, снизился их эпигенетический возраст, измеренный болезненно точными эпигенетическими часами, с которыми мы познакомились пару глав назад. Это говорит о том, что омоложение тимуса может привести к омоложению организма в целом, а не только иммунной системы. И, учитывая широкие полномочия иммунной системы по защите и поддержанию организма, возможно, это не должно стать сюрпризом.
Есть более прямой способ запустить восстановление тимуса, используя ген FOXN1. Хотя он выполняет ряд различных функций, участвуя в развитии клеток кожи, волос и ногтей, FOXN1, по-видимому, особенно важен для тимуса. У большинства детей, рожденных с синдромом Ди Георга – генетическим заболеванием, при котором тимус недоразвит или полностью отсутствует, – нет части 22-й хромосомы, содержащей ген FOXN1. Известно также, что с возрастом у мышей и людей его активность снижается, в то время как тимус исчезает. Наконец, и это самое волнующее: FOXN1, по-видимому, способен в одиночку управлять регенерацией тимуса. Исследователи в Эдинбурге, Великобритания, генетически модифицировали мышей, чтобы получить его дополнительную копию, которую можно было бы активировать с помощью лекарства. Введение препарата и активация гена стимулировали тимус восстанавливаться и производить новые Т-клетки, даже у старых мышей. В результате исследователи изучают генную терапию, которая могла бы добавить дополнительную копию FOXN1 в клетки больных тимусов, или лекарства, которые могли бы снова включить уже существующие копии.
Последний потенциальный подход не станет неожиданностью после первой части этой главы: мы могли бы вырастить новые тимусы с помощью стволовых клеток. Одним из новаторских методов лечения, который был использован в нескольких случаях тяжелой формы синдрома Ди Георга, когда тимус новорожденного полностью отсутствует, является трансплантация этого органа. Прогноз для ребенка с тяжелой формой заболевания не очень хороший: обычно он умирает до двухлетнего возраста от инфекций, против которых без Т-клеток он не в состоянии вести полноценную борьбу. Трансплантация тимуса может улучшить шансы этих детей, и анализы крови после операции показывают, что у них появляется гораздо больше Т-клеток. К сожалению, единственным источником для пересадки тимуса являются другие дети с неповрежденными тимусами, перенесшие операцию на сердце, когда тимус вырезают, чтобы получить доступ к грудной клетке, так что существует довольно серьезная нехватка таких трансплантатов. Очевидное решение – стволовые клетки, и, хотя они еще не готовы для применения в реальной клинической практике, «органоиды тимуса» – маленькие искусственные тимусы, выращенные в лаборатории, – как было показано, работают при пересадке мышам без тимусов, и быстрый прогресс достигается также в создании этих органов из иПСК.
Не очевидно, какой из этих подходов принесет плоды первым, но благодаря множеству развивающихся методов вскоре мы сможем остановить инволюцию тимуса. Это гарантирует, что мы сможем производить свежие Т-клетки в пожилом возрасте, что является первым шагом к повышению способности бороться с инфекциями и раком на том же уровне, что и в юности.
В работе над этой целью внимание получают и другие части иммунной системы, которые, вероятно, нуждаются в подобной регенерации. Один из примеров – лимфатические узлы, «железы», которые иногда неприятно набухают во время инфекционных заболеваний и делают это все реже в пожилом возрасте. Лимфатические узлы – это место, где новая угроза сопоставляется с иммунными клетками, которые лучше всего приспособлены для борьбы с ней. А это означает, что новые Т-клетки нуждаются в функционирующих лимфатических узлах для правильного созревания, и возрастное снижение их функций также подавляет иммунную защиту. Исследования показывают, что иммунная система сильна лишь настолько, насколько сильно ее самое слабое звено, и активного тимуса может быть недостаточно, чтобы вызвать сильный иммунный ответ, если лимфатические узлы ослаблены. Регенеративные методы для лечения лимфатической системы сейчас активно разрабатываются, но они находятся на более ранней стадии, чем работа над вилочковой железой, и им не помешало бы дополнительное внимание.
Помимо изучения тренировочных площадок иммунной системы, нам также нужно будет посмотреть на их выпускников. Клетки адаптивной иммунной системы могут быть одними из самых старых клеток в организме – Т– и В-клетки «памяти», которые остаются после заражения, готовые применить свои знания о знакомом враге, если он вернется, и могут выживать годами или даже десятилетиями. Это означает, что сами клетки могут стареть. Способы, которыми мы будем бороться с этим старением, вероятно, будут аналогичны подходам, используемым по всему телу: удаление стареющих клеток (с ними мы уже встречались) и борьба с повреждением ДНК или удлинение укороченных теломер (оба метода мы обсудим в следующей главе).
Специфическим аспектом старения иммунной системы является изменение не отдельных клеток, а всей популяции в результате персистирующих инфекций, например вызванных цитомегаловирусом (ЦМВ). Как мы уже упоминали в Главе 4, заражение ЦМВ в итоге приводит к росту популяции ЦМВ-специфических иммунных клеток, которые засоряют память иммунной системы. К старости до трети Т-клеток памяти могут быть настроены на распознавание ЦМВ, оставляя меньше места Т-клеткам памяти для борьбы с другими инфекциями (и ситуация усугубляется отсутствием свежих Т-клеток, выходящих из тимуса).
ЦМВ – это герпесвирус, т. е. он относится к семейству вирусов, стоящих за простым и генитальным герпесом, ветрянкой и инфекционным мононуклеозом. Что объединяет столь разнообразные болезни, так это их невероятные навыки, когда дело доходит до уклонения от иммунной системы. Хотя первоначальная инфекция может быть очевидной (как зудящая сыпь, типичная для ветряной оспы), вирусы переходят в скрытый режим после того, как симптомы стихают. Иммунная система никогда полностью не уничтожит их все, и отставшие могут прятаться в теле до конца вашей жизни. Они могут вновь появиться во время снижения функции иммунитета, возможно, стрессового события в жизни или тяжелого приступа другой болезни. Вероятно, самой известной реинкарнацией герпеса является опоясывающий лишай – болезненная локализованная сыпь, появляющаяся, когда вирус ветряной оспы выходит из укрытия. Из-за общего снижения иммунитета с возрастом пожилые люди подвергаются гораздо более высокому риску развития опоясывающего лишая, а также других латентных инфекционных заболеваний.
Вирусгерпеса никогда не исчезает из организма. При ослаблении иммунитета он может давать вспышки новых заболеваний.
Причина, по которой вы, вероятно, не слышали о ЦМВ до того момента, пока не прочитали о нем несколько глав назад, заключается в том, что он редко имеет какие-то симптомы. В худшем случае на несколько дней может появиться неспецифическая лихорадка. Учитывая его незаметность, ЦМВ поразительно распространен: к 30 годам он есть примерно у половины из нас, и этот показатель увеличивается до более чем 70 процентов к 65 годам. (И это в развитых странах – а в более бедных государствах заражены почти 100 % взрослых.) Он передается через телесные жидкости недавно инфицированных, из-за чего им легко заразиться через слюну младенцев и детей или, если вы не были инфицированы в детстве, во время секса во взрослом возрасте.
И у большинства людей старше 30 лет он все еще есть – после заражения вирус уходит в подполье, выжидая своего часа. Эта вездесущность означает, что, хотя вы можете считать это «внешним» фактором, имеет смысл рассматривать ЦМВ как часть старения человека.
Хроническая ЦМВ-инфекция – плохая новость. Одно исследование показало, что у пожилых людей с самым высоким уровнем антител к ЦМВ в крови – показателем реакции организма на инфекцию и, следовательно, активности ЦМВ в их организме – было на 40 % больше шансов умереть в течение следующего десятилетия, чем у людей с более низким уровнем активности антител. Не совсем ясно, является ли это просто корреляцией – возможно, течение ЦМВ может обостриться в результате других основных проблем со здоровьем – или же ЦМВ (и все более яростная реакция иммунной системы на него) – причина плохого здоровья и в конечном счете смерти.
Как мы можем бороться со скрытой угрозой ЦМВ? Первый, очевидный метод заключается в том, что мы должны разработать вакцину. Это поможет тем, кто еще не был заражен, и может дать остальным иммунитет, чтобы держать его под контролем. На самом деле это не проблема, даже если вы игнорируете потенциально большой вклад ЦМВ в старение. Один из немногих случаев, когда ЦМВ-инфекция может вызвать проблемы немедленно, – это если вы заразитесь ею во время беременности, и во всем мире вирус – ведущая причина повреждения мозга у детей, а также может вызвать другие нарушения. Это само по себе является достаточным обоснованием с человеческой и экономической точек зрения для создания вакцины против ЦМВ.
Другой подход заключается в переносе некоторых клеток, борющихся с ЦМВ, для усиления иммунных войск у пожилых людей в надежде взять вирус под контроль без необходимости в такой огромной популяции специфичных к ЦМВ Т-клеток. Было показано, что это лечение работает с использованием Т-клеток от доноров, полученных от людей, перенесших трансплантацию ГСК. А также был достигнут прогресс в создании Т-клеток, способных нацеливаться на ЦМВ и другие инфекции, из стволовых клеток, которые были бы идеальным источником для поддержки иммунной системы пожилых людей.
Последнее, что мы могли бы попробовать, – это удалить некоторые из специфичных к ЦМВ Т-клеток, чтобы освободить место в иммунной памяти. Это приводит нас к самому смелому предложению, которое я видел для лечения иммунного старения: полная перезагрузка иммунитета. Эта мера потенциально может решить проблему ЦМВ, наряду со многими другими проблемами старения, связанными с иммунитетом. Это означало бы пересадку ГСК не только людям с раком крови, но и тем, чья единственная медицинская проблема – биологический возраст. Причина, по которой это предположение является смелым, заключается в том, что трансплантация ГСК включает в себя уничтожение существующих ГСК и иммунных клеток, что в настоящее время означает курс химио– или лучевой терапии, на что в остальном здоровый 60-летний человек вряд ли подпишется. Потерпите – это не так безумно, как кажется.
Мы уже обсуждали классический пример трансплантации ГСК – лейкемию. При лечении рака кроветворные и иммунные клетки уничтожаются, а затем проводится пересадка ГСК для восстановления клеток крови и иммунной системы с нуля. Однако в последние годы наблюдается растущий интерес к использованию трансплантации ГСК для лечения гораздо более широкого спектра заболеваний.
Один из примеров – рассеянный склероз (РС), при котором иммунная система начинает разрушать миелиновые оболочки, защищающие нервные волокна, нарушая их способность к взаимодействию. Поскольку нервы контролируют так много различных функций по всему телу, симптомы могут быть невероятно разнообразными, от ухудшения зрения до боли и потери двигательного контроля. Рассеянный склероз – это всего лишь одно из многих «аутоиммунных» заболеваний, при которых иммунные клетки ошибочно учатся нацеливаться на собственные клетки или белки организма как на угрозу. Хотя существуют генетические факторы, которые могут предрасполагать к этому, похоже, что рассеянный склероз в некоторой степени зависит от невезения. Например, если у одного из однояйцевых близнецов развивается РС, вероятность того, что у другого произойдет то же самое, «только» 30 %, несмотря на идентичную генетику. Это все еще является большой вероятностью, но показывает, что существует значительный негенетический компонент. Таким образом, если вы уничтожите проблемные иммунные клетки и позволите иммунной системе развиваться с нуля, то фактически дадите больному РС еще один шанс. Для многих пациентов перезагрузки иммунной системы достаточно, чтобы вылечить болезнь: трансплантация ГСК более эффективна, чем любое другое доступное лечение.
Иммунная перезагрузка была исследована в тяжелых случаях некоторых других аутоиммунных состояний, таких как воспалительные заболевания кишечника и волчанка, на тысячах пациентов, прошедших эту процедуру, и есть убедительные доказательства того, что она работает. Есть также два зарегистрированных случая трансплантации ГСК, по-видимому, излечивающих пациентов от вируса иммунодефицита человека (ВИЧ), который заражает иммунные клетки. У обоих был рак крови, и, когда им потребовалась пересадка костного мозга, они воспользовались возможностью выбрать донора с мутацией, которая делает иммунные клетки устойчивыми к ВИЧ. Это сработало: по крайней мере, до сих пор ни у одного пациента не было обнаруженного вируса в крови, и им стало не нужно принимать лекарства от ВИЧ после трансплантации.
В процессе старения иммунная система каждого человека в итоге выходит из строя по-разному. Это чрезвычайно сложный процесс, включающий развитие аутоиммунитета[56], порочный круг с хроническим воспалением, увеличение количества специфичных к ЦМВ Т-клеток памяти и многое другое. Вместо того чтобы выяснять, как именно все оказалось в таком состоянии, может быть, лучше просто перезагрузить иммунную систему и начать все сначала. В отсутствие полного понимания того, как тонкие взаимодействия между многочисленными популяциями иммунных клеток нарушаются в течение жизни, можем ли мы эффективно обходить ситуацию, выключая и снова включая иммунную систему?
В экспериментах на мышах были получены некоторые доказательства того, что эта процедура может быть полезна для лечения старения. Ученые из Техаса пересадили ГСК от молодых мышей старым, правда, не удалив сначала старые ГСК и иммунные клетки, и добавили три месяца к средней продолжительности жизни. Другая группа в Лос-Анджелесе уничтожила иммунную систему и ГСК старых мышей радиацией, а затем переселила им клетки молодых или старых мышей. У пожилых мышей с новой партией молодых ГСК наблюдалось улучшение когнитивных показателей в ряде различных тестов – во многих случаях сравнимое с результатами молодых животных. У мышей с ГСК от таких же старых особей не было такого улучшения: продолжалась та же тенденция снижения когнитивных функций, что и у старых грызунов, которые не получали никакого лечения. Это говорит о том, что обновленная иммунная система может оказывать положительное воздействие на многие системы организма.
Эти эксперименты не проверяли ничего конкретно относящегося к иммунной функции, такого как реакция на вакцину или устойчивость к инфекции. Тем не менее иммунная система вполне может стоять за некоторым омоложением этих старых грызунов, помогая с очисткой стареющих клеток и так далее. Другие эффекты могут исходить от лучших, здоровых клеток крови в целом и, как мы увидим в следующей главе, от полезных сигналов, посылаемых молодыми стволовыми клетками. Этого должно быть достаточно, чтобы стимулировать дальнейшие исследования по предоставлению пожилым людям новых ГСК.
На данный момент трансплантация ГСК – невероятно серьезная процедура, рассматриваемая только в тех случаях, когда мало других вариантов. Это происходит потому, что химио– или лучевая терапия, которую нужно предварительно провести, может быть сущим наказанием. И перспектива на недели остаться без иммунной системы, ожидая ее восстановления с нуля, подвергает пациентов серьезному риску заражения (не в последнюю очередь из-за повторного проявления латентных вирусов, таких как ЦМВ). Тем не менее я думаю, что это также обеспечивает увлекательный мысленный эксперимент, когда он переносится в контекст старения. По мере улучшения клинического понимания трансплантации ГСК смертность у пациентов с РС, перенесших эту процедуру, снизилась до 0,3 %. Это не так уж и мало – врачи и пациенты по понятным причинам не решались бы пройти процедуру с серьезными побочными эффектами и вероятностью смерти 1 к 300, если бы она не приносила довольно существенной выгоды. Однако включение этого риска в контекст старения может изменить ваше мировоззрение: в развитых странах ежегодный риск смерти превышает 0,3 % в возрасте около 50 лет. Итак, за пределами этого возраста, может ли 0,3-процентная вероятность смерти от процедуры стоить того, чтобы она уменьшила риск смерти в целом более чем на это значение? Конечно, у нас нет доказательств того, что трансплантация ГСК должна проводиться здоровым людям в возрасте 50 лет. Это всего лишь пример, показывающий, как размышление с точки зрения старения может переопределить то, что мы подразумеваем под «рискованной» процедурой. И в конечном счете нам все равно не придется забивать иммунную систему до смерти системными методами лечения с побочными эффектами, такими как химиотерапия. Учитывая ее преимущества для людей с аутоиммунными заболеваниями, работа по повышению безопасности трансплантации ГСК продолжается.
Нетрудно представить, что омолодившийся тимус, повышение эффективности работы лимфатических узлов и свежая партия ГСК могут значительно улучшить иммунную функцию у пожилых людей. Есть результаты, полученные в экспериментах на мышах, компании и текущие клинические испытания, – и все они указывают, что мы движемся в правильном направлении. Результат, вероятно, стоит того, не только с точки зрения борьбы с инфекциями, но и для усиления многих других функций иммунной системы по всему организму, включая удаление стареющих клеток и обнаружение рака на ранней стадии, прежде чем он станет проблемой.
Изменение микробиоты
Учитывая синергетическую связь между иммунными клетками и кишечной микробиотой, еще одна вещь, на которую может повлиять укрепление иммунной системы, – это микробиота, поддерживающая собственный баланс в дальнейшей жизни и уменьшающая хроническое воспаление. Однако, как мы видели, когда рассматривали микробиоту как новичка среди признаков старения, ученый только начинает понимать многие факторы, влияющие на здоровье кишечных микробов, и как их состояние воздействует на наше. Вероятно, есть ситуации, когда самое быстрое вмешательство – это то, которое имеет дело непосредственно с микробиотой, позволяя полезным бактериям помочь остальному организму.
Есть различные способы попытаться восстановить баланс микробиоты. Самый простой – это пробиотики, с которыми вы, возможно, знакомы по отделу с молочными продуктами местного супермаркета. Пробиотики стремятся ввести живые микроорганизмы в кишечник, когда вы просто едите или пьете продукт, содержащий их. Другой потенциальный путь – потребление пребиотиков – веществ, которые мы не в состоянии переварить, но которые отлично подходят в качестве пищи для полезных бактерий в кишечнике. В настоящее время самыми вероятными кандидатами являются в основном различные цепи сахаров, известные как олигосахариды и полисахариды. В качестве пребиотиков, они, как было показано, меняют кишечную микробную популяцию в хорошем смысле этого слова. Пре– и пробиотики можно комбинировать как «синбиотики», эффективно совмещая полезные бактерии вместе со стартовым пакетом питательных веществ, чтобы заставить их работать.
Пробиотики – это полезные бактерии. Пребиотики – пища для них. А синбиотики – то и другое в совокупности.
Требуется больше исследований, чтобы установить, какие про-, пре– и синбиотики будут наиболее эффективны в различных сценариях, но эта сфера быстро развивается. Небольшие исследования показали, что различные напитки, печенье и капсулы, содержащие культуры бифидо– и лактобактерий, способны увеличить количество этих полезных бактерий в кишечнике пожилых добровольцев и вытеснить проблемные. И предполагают, что эти методы лечения также могут оказывать благотворное влияние на иммунную систему. Пробиотический коктейль из девяти различных штаммов бактерий, известный как SLAB51, был способен подавлять воспаление, препятствовать образованию бета-амилоида и тау-белка, снижать уровень конечных продуктов гликирования и замедлять ухудшение когнитивных функций в мышиных моделях болезни Альцгеймера. Пробиотики, пребиотики и синбиотики также успешно использовались в небольших испытаниях на людях для избавления от симптомов болезни Альцгеймера и достижения желаемого уровня сахара при преддиабете.
По мере того как наше понимание микробиоты расширяется и все больше становится известно о том, как эти полезные и вредные бактерии и грибы влияют на организм при занятиях спортом, ожирении, старении и на общее состояние здоровья, мы сможем лучше определить, какие бактерии и другие микроорганизмы принесут наибольшую пользу при пересадке. Но самые захватывающие современные результаты дал нам более смелый метод – полная пересадка микробиоты.
История начинается с рыбы под названием нотобранх Фурцера, одного из самых короткоживущих позвоночных в мире (позвоночные – это животные с позвоночниками, как и мы), потому что она влачит существование в «эфемерных бассейнах» в Зимбабве и Мозамбике. В этих сезонных прудах – часто по размеру немногим больше, чем лужи, – происходят рождение, спаривание и затем смерть небольших популяций нотобранхов, чьи икринки должны затем пережить долгие месяцы, выпекаясь в сухой грязи и ожидая дождя, чтобы заполнить бассейны и начать цикл жизни снова. Это делает рыб хорошим потенциальным модельным организмом для исследований старения – не так сильно отличающимся от нас, как муха или червь (и, что особенно важно в этом случае, с богатой экосистемой кишечной микробиоты, гораздо более похожей на нашу, чем у мухи), но с удобной продолжительностью жизни в несколько месяцев, благодаря чему эксперименты могут быть завершены достаточно быстро.
Исследователи использовали нотобранхов для изучения эффектов переноса микробиоты между молодыми и старыми рыбами. У двухмесячных рыб микробиоту среднего возраста уничтожали комбинацией из четырех мощных антибиотиков, а затем им давали кишечные микробы молодых особей, чтобы заменить их. Рыбы не только жили дольше – их продолжительность жизни в среднем превышала пять месяцев, что на 25 % больше, чем у других особей с типичной для их возраста кишечной микробиотой, – но и чаще активно перемещались по аквариуму в пожилом возрасте, что было своего рода рыбьим эквивалентом замедления старческой дряхлости.
Есть также некоторые ранние работы на мышах, предполагающие, что более молодая кишечная микробиота может улучшить здоровье стареющих грызунов. Эксперимент на мышах с ускоренным старением показал, что трансплантация микробиоты от нормальных мышей может продлить их жизнь примерно на 10 %, а добавление к ним одного вида бактерий, численность которой уменьшается с возрастом как у мышей, так и у людей, продлевает их жизнь на 5 %. В Главе 4 мы обсуждали, как, помещая старых и молодых мышей в клетки вместе и позволяя им есть фекалии друг друга, – таким образом осуществляя фактическую пересадку микробиоты – ученые усиливали воспаление у молодых грызунов, получавших старые микробы. Верно было и обратное: у старых мышей, живущих в одной клетке с более молодыми, иммунитет повышался. Последующие эксперименты показали, что активное перемещение микробиоты между мышами от молодых к старым или от старых к молодым (а не просто позволение им есть фекалии друг друга) улучшает иммунитет. Очевидно, что перенос кишечной микробиоты может оказать существенное влияние на здоровье, но требуется больше исследований, чтобы точно установить, какие микроорганизмы полезны при определенных обстоятельствах.
У людей тоже можно осуществить пересадку микробиоты – для этого извлекают и очищают фекальный материал, а затем либо вводят его с помощью колоноскопии или клизмы, либо просят пациента проглотить капсулу, наполненную сублимированным порошком. Если идея ввода чужих фекалий через клизму наполняет вас ужасом, вы должны знать, что этот метод уже используется в качестве лечения инфекций, вызванных бактерией клостридиум диффициле (Clostridioides difficile), при которых кишечная микробиота от здорового донора может помочь уничтожить вторгшиеся бактерии. Если альтернативой является продолжение борьбы с серьезной инфекцией, трансплантация кала, вероятно, предпочтительнее, и, возможно, стоит избавиться от брезгливости, если таким образом можно замедлить старение. Было также показано, что трансплантация микробиоты помогает при ожирении, диабете и болезни Паркинсона у мышей, и испытания на людях подтверждают эти результаты.
Поскольку одним из преимуществ микробиоты является обеспечение нас полезными молекулами, окончательный подход к реализации ее преимуществ состоит в том, чтобы идентифицировать бактериальные побочные продукты, вывести эти микробы и давать их непосредственно в виде лекарств. Недавнее исследование этой идеи было дерзким исчерпывающим экспериментом на наших любимых червях-нематодах C. elegans. Черви обычно выращиваются на пластинках бактерий кишечной палочки (E. coli), которые служат как пищей, так и единственным организмом в кишечной микробиоте, благодаря чему обитателей их кишечника значительно легче изучать, чем богатые экосистемы, обнаруженные у людей или рыб. Кишечная палочка – очень распространенный лабораторный организм, и поэтому можно заказать штаммы, в которых нет любого из 3983 генов, чье отсутствие не убивает бактерии. Таким образом, исследование нематод включало выращивание 3983 пластинок червей, каждая из них питалась кишечной палочкой, у которой отсутствовал другой ген. 29 из этих мутантных бактерий увеличили продолжительность жизни червей. Было обнаружено, что два из этих 29 генов, способствующих долголетию, контролируют выработку полисахарида, называемого колановой кислотой. Наконец, прямое введение червям колановой кислоты увеличило их продолжительность жизни на 10 %, даже если они питались обычной кишечной палочкой.
Это исследование не только доказывает принцип, согласно которому прямое поглощение микробных метаболитов может увеличить продолжительность жизни, но и демонстрирует невероятную полезность нематод для массовых систематических поисков, подобных этому. Проведение тысяч параллельных экспериментов с различными бактериальными штаммами на мышах просто невозможно. Самым простым вариантом было бы, если бы колановая кислота имела какое-то прямое применение в высших организмах, таких как мы. Но независимо от этого, если этот общий принцип выдержит испытание временем, то начнется гонка, чтобы увидеть, являются ли молекулы или микробы самым простым способом реализовать преимущества кишечных бактерий в реальной клинической практике.
Хотя еще слишком рано говорить о том, найдут ли лекарства, модифицирующие микробиоту, свое место в борьбе со старением, это, безусловно, кажется правдоподобным. С лучшим пониманием того, как эти полезные и вредные организмы влияют на наше тело, мы все могли бы периодически пить таблетки с сублимированными фекалиями, чтобы поддерживать здоровье кишечника.
Сохранение белка в первозданном виде
Коллаген – это структурный белок, название которого вы можете узнать по (часто сомнительным) заявлениям на этикетках кремов для кожи и лица. Как и во многих не совсем научных утверждениях, здесь есть зерно истины: коллаген – самый важный белок в структуре кожи и многих других тканях организма, от кровеносных сосудов до костей. Это наш самый широко представленный в организме белок, который составляет два или три килограмма от среднего веса взрослого человека, и служит на удивление долго. Современные оценки показывают, что требуются годы, чтобы коллаген в коже вышел из строя, а белок в хрящах, что обеспечивает гладкую прокладку между костями в суставах, может служить всю жизнь.
Одна молекула коллагена выглядит как действительно крошечный кусочек нити, состоящий из трех ниточек атомов, скрученных друг вокруг друга. Молекулы коллагена затем удерживаются вместе перекрестными связями, которые закрепляются на определенных точках и присоединяют ее к соседним. Это фибрилла, которая, если отдельные молекулы коллагена являются нитью, представляет собой толстый длинный отрезок веревки. Затем фибриллы связываются вместе с различными молекулами, образуя еще более толстые структуры, называемые волокнами – подобно толстым многожильным кабелям, которые поддерживают подвесной мост. Точная структура отдельных молекул коллагена жизненно важна для многотысячной мегаструктуры коллагенового волокна. Она диктует, как молекулы сливаются в фибриллы, как фибриллы собираются в волокна и какие другие молекулы вовлекаются в этот процесс, чтобы действовать как опора, клей или смазка. Результат, в свою очередь, управляет свойствами волокна – не слишком жестким, не слишком гибким, но как раз подходящим для огромного диапазона биологических контекстов. Одни и те же основные молекулярные строительные блоки могут создавать различные типы коллагена – от эластичного в коже и кровеносных сосудах до более жесткого в сухожилиях и сильного и грузоподъемного в костях. Это часто игнорируемое биологическое чудо: мы редко отступаем назад, чтобы полюбоваться изысканной эволюционной инженерией, которая позволяет белкам самособираться в массивные, невероятно эффективные команды.
Коллаген – самый важный белок в структуре кожи и других тканей организма: от кровеносных сосудов до костей.
К сожалению, эта сложная структура может быть нарушена химическими модификациями, которые изменяют строение отдельных составляющих ее молекул коллагена. Высокореактивные химические вещества, такие как сахар и кислород, могут прилипать к коллагену, вызывая сильное разрушение. Болтающиеся сахара могут ломать открытые фибриллы, позволяя воде врываться внутрь и нарушать баланс их тщательно откалиброванной внутренней химии. Многие из этих сахарных модификаций несколько преходящи и могут просто отпасть, но иногда они сами могут быть модифицированы. Это может в итоге привести к образованию конечного продукта гликирования (КПГ), который является почти неизменным. Он может висеть на одной молекуле коллагена, как и их сахарные предшественники, или сшивать молекулы коллагена, сковывая два белка вместе и останавливая их плавное движение друг вокруг друга. Все эти изменения могут также нарушить специально построенные перекрестные связи, тип и частота которых диктуют механические свойства коллагена. Масштабный эффект этих микроскопических модификаций заключается в смещении коллагена от золотой середины между жесткостью и растяжимостью. Хотя эффект варьирует в зависимости от ткани, наиболее распространенным является снижение эластичности, что вы легко можете увидеть сами: если защемить участок кожи, то с годами он все медленнее возвращается в первозданное состояние.
Помимо прямого воздействия на сам коллаген, эти химические изменения могут создавать цепи обратной связи, ухудшающие ситуацию. Коллаген обеспечивает каркас для многих клеток, которые держатся на нем, от кожи до костей. В свою очередь, клетки отвечают за поддержание коллагена, производя новый коллаген, чтобы обновить строительные леса, на которых они сидят, как ответственные граждане, поддерживающие свой район в хорошем состоянии. Клетки связываются с коллагеном в точно определенных местах, положение и свойства которых являются еще одной особенностью, определяемой молекулярной структурой этого белка. По мере того как эта структура нарушается, места связывания могут стать неявными или не такими липкими, из-за чего клетки прикрепляются на месте менее прочно. Это плохо само по себе, потому что уменьшает целостность ткани, но, возможно, хуже то, как реагирует клетка. По мере того как ее привязанность к коллагену ослабевает, она начинает задумываться о своей идентичности. Когда клетки решают, как им себя вести, сигналы, которыми они руководствуются, поступают из «внеклеточного матрикса» (англ. extracellular matrix, ECM), к которому они привязаны. В тех случаях, когда прочный контакт с коллагеном подтверждает роль клетки в качестве клетки кожи или в стенке артерии, потеря этого контакта вызывает некоторые сомнения. Как ни парадоксально, из-за этого она производит меньше нового коллагена: вместо того, чтобы беспокоиться о недостатке ECM и производить больше, чтобы компенсировать его, как вы могли бы ожидать, клетка убеждается, что она не одна из тех клеток, которые сидят на коллагеновом каркасе, и поэтому ей не нужно его производить.
Также известно, что клетки могут определять возраст, используя рецепторы на своей поверхности, которые известны под аббревиатурой RAGE[57] – «рецептор для конечных продуктов гликирования» (англ. receptor for advanced glycation endproducts). (У белковых модификаций определенно лучшие аббревиатуры в биогеронтологии.) Активация этих рецепторов способствует воспалению и старению клеток, и причина этого не совсем ясна. Одна из идей заключается в том, что клетки призывают иммунную систему помочь избавиться от поврежденного с возрастом коллагена. Но пока мы не получили большого количества доказательств, что могли бы направить нас в ту или иную сторону. Тем не менее это означает, что поврежденные белки могут заставить клетки вносить свой вклад в хроническое воспаление, которое, как мы видели, стоит за многими процессами старения. Все это означает, что по мере того, как коллаген подвергается химическому повреждению на протяжении всей жизни, структурная целостность ECM начинает нарушаться. Какой процент вины следует возложить на различные факторы – гликирование, окисление, конечные продукты гликирования и реакцию клеток на все перечисленное – остается неясным, но последствия хорошо понятны. Более грубые и слабые артерии, легкие, сухожилия, кожа и так далее вызывают нарушение целостности тканей по всему организму.
Что делать с этими модифицированными белками, представляет некоторую сложность. Господствующая теория уже давно гласит, что главная проблема – конечные продукты гликирования, а именно поперечные связи, которые они образуют между молекулами коллагена, сковывая их вместе и снижая гибкость. Однако работа последних нескольких лет ставит под сомнение эту мудрость – кажется, что дело не ограничивается только КПГ. Другие модификации, которые в основном не связывают коллаген, могут быть более важными, чем КПГ. Другие типы гликирования более распространены, и их способность разрушать естественные сшивки, вероятно, имеет более выраженный эффект, чем несколько дополнительных КПГ. Общая картина того, что химические реакции нарушаются, такова. Коллаген с возрастом становится все более сахаристым и окисленным и в результате теряет свои характерные свойства – это довольно тонкая совокупность многочисленных явлений, а не просто застывание, вызванное возрастными перекрестными связями. Изучение этого процесса заняло много времени, потому что эксперименты технически трудно провести и подобная работа является междисциплинарной, которая требует тщательного сотрудничества между химиками и биологами, а такие исследования часто упускаются из виду спонсорами.
Учитывая важность перекрестных связей с КПГ в предыдущих исследованиях, большинство идей по обращению вспять старения коллагена было сосредоточено на избавлении от этих молекул. Ученые работают над препаратами, «разрушающими КПГ», которые могут расщеплять модификации коллагена в надежде восстановить его эластичность. Хотя наше новое, более точное понимание старения коллагена ставит под сомнение логику возрастных нарушителей, вероятно, все же стоит попробовать лечить их. Как мы уже упоминали, самый верный способ проверить, является ли что-то важным фактором старения, – это избавиться от него и посмотреть, что произойдет. Если мы сможем надежно удалить перекрестные связи КПГ и если это сработает, – отлично. Если гибкость тканей не изменится, нам, возможно, придется воспользоваться планом Б. Он может основываться на работе, проделанной при разработке разрушителей КПГ, модифицируя все, что оказывается эффективным против них, чтобы вместо этого отсечь другие модификации, которые более релевантны с биологической точки зрения.
Однако наиболее многообещающим подходом было бы вообще не вмешиваться в эту сложную химию. Можно было бы полностью обойти это несовершенное понимание, если бы мы могли стимулировать наши тела избавляться от старого коллагена и создавать его с нуля. Очевидно, что это возможно в теории – тела должны были построить его в первую очередь. Они также вполне способны регенерировать коллаген во многих местах, пусть и не с требуемой скоростью. Хотя некоторые молекулы коллагена служат всю жизнь, тщательные измерения продолжительности жизни коллагена у мышей показывают, что есть некоторые места, где он существует только недели, а не десятилетия. Нет никакой биологической причины, по которой мы не могли бы подражать нашим пушистым собратьям. Хорошая новость заключается в том, что мы можем в какой-то степени стимулировать производство коллагена с помощью физических упражнений. Тренировки вызывают легкое повреждение коллагена, активируя в организме естественные процессы восстановления и замены старых клеток. К сожалению, физические упражнения могут только приблизить нас к этому, и мы не уверены, как можно было бы использовать более всеобъемлющий медицинский подход, чтобы стимулировать клетки ускорять процесс разрушения и восстановления матрикса вокруг них.
К счастью, есть некоторые основания надеяться, что борьба с другими признаками старения может оказать положительное влияние на коллаген. Во-первых, многие из связанных с сахаром реакций с белками внутренне обратимы. Из-за повышенного уровня глюкозы в крови, связанного как со старением, так и с диабетом, сахара скорее прилипают, чем отваливаются, что вызывает увеличение количества гликированных белков. Улучшение контроля уровня сахара в крови может повернуть этот процесс вспять, позволяя коллагену восстанавливаться с помощью простой химии. Далее, SASP, секретируемый стареющими клетками, частично состоит из ферментов, разрушающих внеклеточный матрикс. И есть также доказательства того, что некоторые работающие с нарушениями иммунные клетки, называемые нейтрофилами, неистовствуют в старости, оставляя за собой след разрушения. Таким образом, удаление старых клеток и омоложение иммунной системы может по крайней мере замедлить повреждение белков вне клеток. Если нам повезет больше, восстановление тела до юношеского состояния может привести к тому, что клетки, которые ранее поддерживали адекватные уровни коллагена, вернутся к работе. Хотя все еще могут быть некоторые места, такие как хрящи, где оборот коллагена происходит слишком медленно даже в юности.
Это одна из проблем старения, решение которой на данный момент представляется наименее определенным. Необходимы дополнительные исследования, чтобы точно выяснить, что происходит с долгоживущими белками вне клеток и как это исправить. Есть и другие белки, на которые это влияет, но мы не потратим много времени на их обсуждение. В коже и артериях есть еще один важный структурный компонент, называемый «эластин», который, как следует из названия, частично отвечает за гибкость тканей. Старение белков в хрусталике глаза приводит к потере гибкости и прозрачности в пожилом возрасте. Также из-за белков происходит и многое другое.
Если бы нам нужно было выбрать одну область, на которой сосредоточить это исследование, я бы привел доводы в пользу коллагена и эластина в кровеносных сосудах. Высокое артериальное давление – ведущая причина смерти, болезней и деменции, и деградация ECM почти наверняка оказывает наибольшее влияние на здоровье. Хотя поддержание коллагена в коже может восстановить часть ее молодого блеска и упругости, я бы предпочел обвисшую кожу и молодые артерии, а не наоборот. Затем мы могли бы использовать инструменты и методы, разработанные для оживления кровеносной системы, в других местах нашего тела, где модифицируются белки.