Starzenie się to złożony i wieloaspektowy proces, obejmujący liczne zmiany na poziomie molekularnym, komórkowym, tkankowym i narządowym.
W rezultacie starzejące się komórki tracą zdolność do optymalnego funkcjonowania, co prowadzi do spadku wydolności organizmu i wzrostu częstości występowania chorób.

Przeprogramowanie to innowacyjne podejście badawcze, którego celem jest przywrócenie starym komórkom młodszego stanu.
Jego najbardziej znana wersja opiera się na ponownej ekspresji czynników Yamanaka,
grupy genów odgrywających kluczową rolę w przekształcaniu komórek somatycznych w komórki iPS (indukowane pluripotencjalne komórki macierzyste).

Częściowe przeprogramowanie to rozwijająca się wersja tego podejścia.
W przeciwieństwie do pełnego przeprogramowania, które prowadzi do przekształcenia komórek somatycznych w komórki iPS,
częściowe przeprogramowanie ma na celu wywołanie bardziej określonych zmian w komórce, przy jednoczesnym zachowaniu jej tożsamości.
Podejście to może być zasadniczo bezpieczniejsze i otwiera nowe możliwości badawcze w dziedzinie starzenia się.

Badanie opublikowane w 2024 roku w czasopiśmie eLife analizuje potencjał częściowego przeprogramowania.
Zespół naukowców z laboratorium Vadima Gladysheva w Brigham and Women's Hospital oraz Harvard Medical School, w tym Wayne Mitchell, Ludger Gumina i Alexander Tyshkovsky,
badał wpływ częściowego przeprogramowania na komórki hodowane w laboratorium.

Ważne jest, aby od razu wyjaśnić: Badanie zostało przeprowadzone wyłącznie na fibroblastach myszy hodowanych na szalce laboratoryjnej (in vitro), a nie na całych zwierzętach lub ludziach. Naukowcy wyizolowali fibroblasty od młodych (4-miesięcznych) i starych (20-miesięcznych) myszy i porównali je.

W badaniu tym zastosowano szereg zaawansowanych metod w celu zbadania wpływu częściowego przeprogramowania na komórki:

1. Chemiczne częściowe przeprogramowanie:

Naukowcy zastosowali koktajle małych związków (cząsteczek chemicznych), zaprojektowane w celu wywołania częściowego przeprogramowania.
W przeciwieństwie do przeprogramowania genetycznego, koktajl chemiczny w tym badaniu działał poprzez mechanizm różniący się od aktywacji czynników Yamanaka. W rzeczywistości najskuteczniejszy koktajl (oznaczony jako 7c) nie zwiększał ekspresji Sox2 i Oct4, a nawet zmniejszał ekspresję Nanog i Myc.
Oznacza to, że odmłodzenie komórek osiągnięto tutaj inną ścieżką chemiczną niż w przypadku klasycznego przeprogramowania opartego na czynnikach Yamanaka.

2. Fibroblasty:

Badanie koncentrowało się na fibroblastach, komórkach występujących w tkankach łącznych.
Komórki te zostały wybrane, ponieważ są stosunkowo łatwe w hodowli laboratoryjnej i można z nich uzyskać precyzyjne pomiary.
Dodatkową zaletą jest to, że fibroblasty są szeroko badane w kontekście starzenia się komórek.

3. Kompleksowe analizy molekularne (multi-omics):

Po przeprowadzeniu częściowego przeprogramowania naukowcy przeanalizowali komórki na różnych poziomach:
- RNA-seq: Analiza sekwencji RNA komórek, umożliwiająca identyfikację zmian w ekspresji genów.
- Proteomika i fosfoproteomika: Ilościowa analiza białek i fosforylacji białek, umożliwiająca identyfikację zmian w poziomach i funkcji białek.
- Metabolomika: Analiza metabolitów w komórce.
- Metylacja DNA: Pomiar wzorców metylacji DNA, wykorzystywany do obliczania zegarów epigenetycznych.

4. Wskaźniki funkcjonalne:

Oprócz analiz molekularnych mierzono również wskaźniki funkcjonalne, takie jak:
- Oddychanie komórkowe: Wskaźnik funkcji mitochondriów (organelli komórkowych niezbędnych do produkcji energii), mierzony za pomocą respirometrii komórkowej.
- Potencjał błony mitochondrialnej: Kolejny wskaźnik funkcji mitochondriów.

5. Porównanie komórek młodych i starych:

Badanie obejmowało porównanie wyników uzyskanych z młodych i starych komórek poddanych częściowemu przeprogramowaniu.
To porównanie pozwoliło sprawdzić, czy efekt różni się między komórkami młodymi i starymi.

Zalety metod badawczych:

Zastosowanie nowoczesnych i precyzyjnych technologii.
Dogłębna analiza na różnych poziomach, od metylacji i transkryptomu po białka i metabolity.
Badanie wskaźników funkcjonalnych.
Porównanie komórek młodych i starych.

Wyniki badania:

Leczenie częściowym przeprogramowaniem spowodowało zmiany zarówno na poziomie transkryptomu, jak i proteomu:

1. Zmiany na poziomie transkryptomu:

Analiza RNA-seq wykazała zmiany w ekspresji wielu genów.
Niektóre zmiany były związane z procesami metabolicznymi, w tym związanymi z mitochondriami.

2. Zmiany na poziomie proteomu:

Analiza proteomu wykazała zmiany w poziomach i funkcji białek.
Również tutaj zaobserwowano zmiany w białkach zaangażowanych w procesy metaboliczne i mitochondrialne.

3. Efekty funkcjonalne:

Naukowcy zgłosili zmiany we wskaźnikach funkcji komórkowej, stwierdzone w oddychaniu komórkowym i potencjale błony mitochondrialnej.
Według zegarów epigenetycznych (opartych na metylacji) i zegarów transkryptomicznych obliczonych dla komórek hodowanych w laboratorium, szacowany wiek biologiczny komórek uległ obniżeniu.

4. Porównanie komórek młodych i starych:

Zmiany wywołane przez koktajle były bardzo podobne w różnych grupach wiekowych, z wysoką korelacją między komórkami młodymi i starymi.
Innymi słowy, efekt nie ograniczał się do starych komórek, ale był obserwowany również w młodych komórkach.

Wnioski:

Badanie to dostarcza wstępnych dowodów na to, że chemiczne częściowe przeprogramowanie może odmładzać komórki hodowane w laboratorium, przynajmniej według wskaźników molekularnych i zegarów biologicznych.
Należy jednak podkreślić: dotyczy to wyłącznie komórek myszy na szalce, a nie całych zwierząt lub ludzi.
Przejście od wyników laboratoryjnych do leczenia chorób związanych z wiekiem, takich jak choroby sercowo-naczyniowe, choroba Alzheimera czy nowotwory, jest na tym etapie odległe i hipotetyczne i będzie wymagać dalszych, obszernych badań, w tym eksperymentów na zwierzętach, a następnie na ludziach, zanim będzie można mówić o zastosowaniu klinicznym.

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