Стратегии моделирования старения и возрастных заболеваний

npj Aging | (2024) 10:32.

doi.org

Strategies for modeling aging and age-related diseases

Старение — это сложный процесс, на который влияют как генетические, так и экологические факторы. Увеличение скорости биологического старения у людей часто связано с развитием возрастных нейродегенеративных расстройств, таких как болезнь Альцгеймера (БА) и болезнь Паркинсона (БП). На сегодняшний день для понимания механизма старения и возрастных заболеваний были использованы различные клеточные и животные модели, и некоторые из них обсуждаются ниже.

Старение у животных и особенно у людей является естественным результатом энтропии в клетках как части тканей и органов человеческого тела. Это медленный, неумолимый процесс, который приводит к постоянному увеличению молекулярных ошибок в ДНК и белках, все больше нарушая гомеостаз клеток, тканей и органов. Соответственно, был создан набор инструментов для анализа старения на клеточном уровне. Клеточное старение – это репликативное старение, процесс, при котором соматические клетки теряют свою способность к пролиферации и прекращают делиться после остановки клеточного цикла. In vitro клетки человеческих фибробластов используются для изучения процесса репликативного старения из-за их ограниченной пролиферативной способности. Старение в этих клетках оценивается по увеличению активности β-галактозидазы или экспрессии белков-супрессоров опухолей, ограничивающих клеточный цикл, таких как p14 ARF , p16, p21 и p53. В качестве альтернативы клеточное старение может быть охарактеризовано по экспрессии маркеров старения, таких как IGF1, EGF и c-Fos в клетках. Кроме того, измерение удвоения популяции клеток позволяет количественно оценить клетки, связанные с репликативным старением. Однако изучение репликативного старения часто требует много времени, поскольку необходимы многочисленные удвоения популяции, прежде чем клетки окончательно приобретут характеристики старения. Кроме того, различные факторы могут вызывать стресс, тем самым влияя на условия культивирования клеток и ускоряя старение. Это поднимает вопрос о том, являются ли изменения, которые мы наблюдаем как репликативное старение в клетках, точным представлением старения in vivo. Однако следует признать, что традиционные методы культивирования клеток привели к некоторому базовому пониманию таких признаков старения, как истощение теломер и геномная нестабильность.

Поскольку первичные клеточные модели, такие как человеческие фибробласты, не могут точно имитировать условия in vivo, различные модели животных были использованы для получения важной информации о старении и возрастных заболеваниях. В этих моделях было выявлено много консервативных путей, которые регулируют продолжительность жизни и здоровья организмов, и на данный момент было предложено несколько медицинских вмешательств. Интересно, что стратегия ограничения калорий (CR), применяемая со стандартной диетой, увеличила продолжительность жизни большинства животных моделей. Однако общий механизм, с помощью которого CR увеличивает продолжительность жизни этих организмов, не ясен. Тем не менее, использование животных моделей для изучения старения имеет свои собственные ограничения. Большинство вмешательств, разработанных на основе моделей животных, являются половыми и штаммоспецифичными. Фактически, несмотря на схожие генетические предпосылки, вариации средней продолжительности жизни составляли до 20% из-за различного пола и штамма мыши. Более того, модели на мышах и крысах не демонстрируют всех фенотипов заболеваний, связанных с БА и БП. Хотя у долгоживущих крыс наблюдались признаки старения, характерные для людей, такие как дегенерация сетчатки и остеоартрит, у них не наблюдалось никаких изменений в старении и смертности, связанной с возрастом, по достижении 15-летнего возраста. Однако исследования старения с использованием моделей необходимы, поскольку у людей есть этические и моральные ограничения.

Одна из перспективных возможностей изучения клеточного старения человека предлагается индуцированными плюрипотентными стволовыми клетками (ИПСК). Появление технологии ИПСК сделало возможным создание нескольких изогенных типов клеток со схожими генотипами. Дифференциация клеток мозга из ИПСК и разработка платформ совместного культивирования дают ценную информацию о дисфункции, связанной с типом клеток при старении, БА и ПД. Более того, используя систему совместного культивирования, теперь можно изучать взаимодействие нейрональных и ненейрональных клеток мозга, таких как астроциты, микроглия, олигодендроциты, эндотелиальные клетки и перициты. В частности, ИПСК, полученные от пациентов с семейной БА (СБА) и поздней болезнью Альцгеймера, продемонстрировали связанные с заболеванием особенности, которые коррелируют с продромальными изменениями в сторону развития БА у пациентов. Более того, ИПСК, полученные от субъекта, несущего конкретную генетическую мутацию, могут облегчить индивидуальное лечение для пациента. 3D-модели ИПСК, имитирующие гематоэнцефалический барьер (ГЭБ), будут способствовать открытию систематических препаратов, которые могут проникать в мозг, и проверке того, связана ли дисфункция ГЭБ с болезнью Альцгеймера и болезнью Паркинсона. Кроме того, были разработаны 3D-модели на основе нейронов путем включения микроглии, полученной из ИПСК у пациентов с СБА, в органоиды пациентов с СБА, несущих клетки, содержащие APOE ε3 и APOE ε4. Это привело к выводу, что микроглия APOE ε3 содержала меньше амилоида-β (Aβ), чем микроглия APOE ε4. Кроме того, модель искусственной ткани сердца, разработанная с использованием ИПСК для исследования старения сердечной мышцы, показала, что с возрастом происходит прогрессирующая дегенерация, включая структурные изменения, такие как жесткость, а также функциональный спад. Это проявилось в увеличении сердечных маркеров, снижении экспрессии маркера пролиферации ki67 и увеличении ингибитора CDK p21. Была разработана модель кровеносных сосудов, состоящая из сосудистых сетей, полученных из ИПСК, для изучения их взаимодействия с наноматериалами. Было обнаружено, что профиль токсичности наночастиц для эндотелиальных клеток, полученных из ИПСК, варьируется в зависимости как от возраста эндотелиальных клеток, так и от формата сосудистой сети. Были разработаны церебральные органоиды, демонстрирующие признаки атаксии-телеангиэктазии, генетического заболевания, связанного с преждевременным старением и другими проблемами со здоровьем. Это привело к выводу, что активация пути cGAS-STING, части иммунного ответа, приводит к преждевременному старению клеток.

Было выявлено, что предварительная обработка нейросфер рапамицином перед облучением и миноциклином после облучения обеспечивает нейропротекцию и восстанавливает потенциал развития церебрального органоида. Более того, анализ Omics нейронов, полученных из ИПСК, и мозговой ткани 53 человек (16 с клиническим и патологическим профилем болезни Альцгеймера) показал, что ключевые нейропатологические особенности, такие как накопление амилоида-β и p-тау нейронов, полученных из IPSC, коррелируют с уровнями бляшек и p-тау в мозговой ткани того же человека. Таким образом, 3D-модели на основе IPSC являются мощным инструментом для анализа старения, фенотипов, связанных с болезнями, и для проведения скрининга лекарств. Хотя разработка более сложных 3D-органоидных моделей мозга со зрелыми мозговыми клетками находится в процессе разработки, импровизация этих моделей будет очень полезна в будущем.

В этом обзоре в основном обсуждаются стратегии для моделей старения in vitro и возрастных заболеваний, таких как болезнь Альцгеймера и болезнь Паркинсона, а также их потенциальное применение в разработке лекарственных препаратов и регенеративной медицине, подчеркивая точность описания патологии заболеваний.

Заключение

Для лучшего лечения и более глубокого понимания старения и возрастных заболеваний стратегии, обсуждаемые в этом обзоре, предоставляют ценный инструмент для исследователей. Обращаясь к ограничениям в стратегиях перепрограммирования и дифференциации, мы можем импровизировать использование iPSCs как мощного инструмента для продвижения нашего понимания старения/возрастных заболеваний.