Veroudering is een complex en veelzijdig proces, dat vele veranderingen omvat op moleculair, cellulair, weefsel- en orgaanniveau.
Als gevolg hiervan verliezen oude cellen hun vermogen om optimaal te functioneren, wat leidt tot een afname van de lichaamsfunctie en een toename van de frequentie van ziekten.

Herprogrammering is een innovatieve onderzoeksbenadering die tot doel heeft oude cellen terug te brengen naar een jongere staat.
De bekendste versie ervan is gebaseerd op hernieuwde expressie van Yamanaka-factoren,
een groep genen die een centrale rol spelen bij het omzetten van somatische cellen in iPS-cellen (geïnduceerde pluripotente stamcellen).

Gedeeltelijke herprogrammering is een zich ontwikkelende variant van deze benadering.
In tegenstelling tot volledige herprogrammering, die leidt tot de omzetting van somatische cellen in iPS-cellen,
streeft gedeeltelijke herprogrammering naar het bewerkstelligen van meer gedefinieerde veranderingen in de cel, met behoud van zijn identiteit.
Deze benadering kan in principe veiliger zijn en opent nieuwe onderzoeksmogelijkheden op het gebied van veroudering.

Onderzoek dat in 2024 werd gepubliceerd in het tijdschrift eLife onderzoekt het potentieel van gedeeltelijke herprogrammering.
Een team van onderzoekers uit het laboratorium van Vadim Gladyshev in het Brigham and Women's Hospital en Harvard Medical School, waaronder Wayne Mitchell, Ludger Gumina en Alexander Tyshkovsky,
onderzocht de effecten van gedeeltelijke herprogrammering op cellen die in het laboratorium waren gekweekt.

Het is belangrijk om vooraf duidelijk te maken: Het onderzoek werd volledig uitgevoerd op muizenfibroblastcellen die in een laboratoriumschaal (in vitro) waren gekweekt, en niet op intacte dieren of mensen. De onderzoekers isoleerden fibroblasten van jonge muizen (4 maanden oud) en oude muizen (20 maanden oud) en vergeleken ze.

Dit onderzoek gebruikte een verscheidenheid aan geavanceerde methoden om de effecten van gedeeltelijke herprogrammering op de cellen te onderzoeken:

1. Chemische gedeeltelijke herprogrammering:

De onderzoekers gebruikten cocktails van kleine verbindingen (chemische moleculen), ontworpen om gedeeltelijke herprogrammering te induceren.
In tegenstelling tot genetische herprogrammering, werkte de chemische cocktail in dit onderzoek via een mechanisme dat verschilt van de activering van Yamanaka-factoren. De meest effectieve cocktail (genaamd 7c) verhoogde de expressie van Sox2 en Oct4 niet, en verminderde zelfs de expressie van Nanog en Myc.
Met andere woorden, celverjonging werd hier bereikt via een andere chemische route dan die van klassieke op Yamanaka-factoren gebaseerde herprogrammering.

2. Fibroblasten:

Het onderzoek richtte zich op fibroblasten, cellen die in bindweefsels voorkomen.
Deze cellen werden gekozen omdat ze relatief eenvoudig in het laboratorium te kweken zijn en er nauwkeurige metingen uit kunnen worden verkregen.
Een bijkomend voordeel is dat fibroblasten veel worden bestudeerd in de context van cellulaire veroudering.

3. Uitgebreide moleculaire analyses (multi-omics):

Na het uitvoeren van gedeeltelijke herprogrammering analyseerden de onderzoekers de cellen op verschillende niveaus:
- RNA-seq: Analyse van de RNA-sequenties van de cellen, wat identificatie van veranderingen in genexpressie mogelijk maakt.
- Proteomics en fosfoproteomics: Kwantitatieve analyse van eiwitten en eiwitfosforylering, wat identificatie van veranderingen in eiwitniveaus en -functie mogelijk maakt.
- Metabolomics: Analyse van metabolieten in de cel.
- DNA-methylatie: Meting van DNA-methylatiepatronen, gebruikt voor de berekening van epigenetische klokken.

4. Functionele metingen:

Naast de moleculaire analyses werden ook functionele metingen verricht, zoals:
- Cellulaire ademhaling: Een maat voor de mitochondriale functie (celorganellen die essentieel zijn voor energieproductie), gemeten met behulp van cellulaire respirometrie.
- Mitochondriale membraanpotentiaal: Een andere maat voor de mitochondriale functie.

5. Vergelijking tussen jonge en oude cellen:

Het onderzoek omvatte een vergelijking tussen resultaten verkregen van jonge cellen en oude cellen die gedeeltelijke herprogrammering hadden ondergaan.
Deze vergelijking maakte het mogelijk om te onderzoeken of het effect verschilt tussen jonge en oude cellen.

Voordelen van de onderzoeksmethoden:

Gebruik van moderne en nauwkeurige technologieën.
Diepgaande analyse op verschillende niveaus, van methylatie en transcriptie tot eiwitten en metabolieten.
Onderzoek van functionele metingen.
Vergelijking tussen jonge en oude cellen.

Resultaten van het onderzoek:

De behandeling met gedeeltelijke herprogrammering veroorzaakte veranderingen, zowel op transcriptie- als op eiwitniveau:

1. Veranderingen op transcriptieniveau:

RNA-seq-analyse toonde veranderingen in de expressie van vele genen.
Sommige veranderingen waren gerelateerd aan metabole processen, waaronder die welke verband houden met mitochondriën.

2. Veranderingen op eiwitniveau:

Proteoomanalyse toonde veranderingen in eiwitniveaus en -functie.
Ook hier werden veranderingen waargenomen in eiwitten die betrokken zijn bij metabole en mitochondriële processen.

3. Functionele effecten:

De onderzoekers rapporteerden veranderingen in metingen van de celfunctie, zoals gevonden in cellulaire ademhaling en mitochondriale membraanpotentiaal.
Volgens epigenetische klokken (gebaseerd op methylatie) en transcriptionele klokken die werden berekend op de in het laboratorium gekweekte cellen, nam de geschatte biologische leeftijd van de cellen af.

4. Vergelijking tussen jonge en oude cellen:

De veranderingen die door de cocktails werden veroorzaakt, waren zeer vergelijkbaar tussen de verschillende leeftijdsgroepen, met een hoge correlatie tussen de jonge en oude cellen.
Met andere woorden, het effect was niet beperkt tot alleen oude cellen, maar werd ook waargenomen in jonge cellen.

Conclusies:

Dit onderzoek levert voorlopig bewijs dat chemische gedeeltelijke herprogrammering cellen die in het laboratorium zijn gekweekt kan verjongen, althans volgens moleculaire metingen en biologische klokken.
Het is echter belangrijk om te nuanceren: het betreft alleen muizencellen in een schaal, en niet intacte dieren of mensen.
De sprong van laboratoriumresultaten naar de behandeling van leeftijdsgerelateerde ziekten, zoals hart- en vaatziekten, Alzheimer of kanker, is op dit moment ver weg en hypothetisch, en zal veel verder onderzoek vereisen, waaronder experimenten op dieren en later op mensen, voordat er over klinische toepassing kan worden gesproken.

.
Referenties:
https://elifesciences.org/articles/90579