Для понимания процессов старения нужно создавать модель человека in vitro

С помощью системы «Органы на чипе», созданной в Лаборатории исследований молекулярных механизмов долголетия, можно более точно исследовать, как изменяется человеческий организм с годами. О работе лаборатории рассказывает ее руководитель, доцент факультета биологии и биотехнологии НИУ ВШЭ Максим Шкурников.

— Что известно о современных исследованиях механизмов старения?

— Большинство исследований механизмов старения проводится на очень ограниченном числе классических модельных видов: на мышах, крысах, плодовых мушках и аскаридах. Очевидными преимуществами использования этих моделей являются наличие стабильных линий животных с известными генетическими свойствами, высококачественные данные геномного и транскриптомного секвенирования, разнообразные возможности экспериментального манипулирования, включая хорошо зарекомендовавшие себя инструменты редактирования генома, а также простота содержания в лабораторных условиях. Однако этот подход может привести к ошибкам в интерпретации результатов экспериментов из-за специфических характеристик исследуемых видов.

Исследования механизмов старения часто проводят с использованием человеческих клеточных культур in vitro. В данной области постоянно разрабатываются и внедряются инновации и новые технологии, особенно в области тканевой инженерии. В настоящее время успешно осуществлено моделирование человеческих тканей. Однако фокусирование внимания на моделировании одной специфичной ткани не позволяет решить существующую проблему моделирования организма человека, несмотря на всю физиологическую близость искусственных тканей к настоящим, поскольку возрастные изменения могут проявляться по причине комплексного взаимодействия различных тканей и органов.

Например, старение печени приводит к развитию хронического воспаления и кардиометаболических заболеваний (инфаркт миокарда, инсульт, диабет, инсулинорезистентность и неалкогольная жировая болезнь печени), старение нервной системы приводит не только к снижению когнитивных способностей, но и к нарушению иннервации мышечной ткани, эндокринных желез. Особого внимания заслуживают возрастные изменения в кишечнике. Они включают не только старение тканей желудочно-кишечного тракта, но и изменение микрофлоры кишечника, играющей значительную роль в регуляции организма человека. Поэтому необходимо создание моделей in vitro, включающих в себя несколько тканей и органов.

— На чем специализируется Лаборатория исследований молекулярных механизмов долголетия?

— Исследования последних десяти лет в области тканевой инженерии и микрофлюидики привели к созданию совершенно нового подхода в моделировании in vitro на базе микрофлюидных систем с так называемыми «органами на чипе». Одной из основных целей «органов на чипе» является отражение состояния организма при патологических состояниях и изучение способов воздействия на них. Такие модели являются более физиологичными, чем традиционные клеточные культуры. Однако моделирование процессов старения нельзя свести только к моделированию возрастных заболеваний. Необходимо моделирование длительного взаимодействия нескольких органов. Для имитации такого системного взаимодействия были разработаны микрофизиологические платформы, содержащие несколько типов клеток из разных органов, помещенных в отдельные компартменты, соединенные микрофлюидными каналами, имитирующими систему кровообращения. Однако ни одна из современных систем не моделирует совместно функциональный кишечный барьер, печень, мозг. Такая модель позволила бы изучать взаимодействие возрастных изменений в одном органе на другие. Над созданием и использованием такой модели и будет работать Лаборатория исследований молекулярных механизмов долголетия.

— Расскажите подробнее о проекте «Роль некодирующих РНК в обеспечении активного долголетия».

— Вместе с развитием моделей старения совершенствовались и методы анализа их состояния. Технологии секвенирования, микрочипового анализа позволили перейти от оценки активности десятков генов к изучению активности всего ансамбля молекул внутри клетки — интерактома. Анализ интерактома дает возможность одновременно оценить совокупность всех факторов старения: наличие мутаций в экзонах генов, влияние метилирования и микроРНК на экспрессию соответствующих мРНК, активность различных сигнальных каскадов и факторов транскрипции.

МикроРНК — короткие, некодирующие, одноцепочечные РНК длиной 18–25 нуклеотидов. Их важнейшая функция заключается в посттранскрипционном подавлении экспрессии генов-мишеней, происходящем за счет комплементарного связывания микроРНК с 3’-нетранслируемой областью целевой мРНК, приводящего к блокированию дальнейшей трансляции и/или деградации мРНК.

Показано, что микроРНК принимают участие в регуляции биологических процессов, ассоциированных со старением. Изменения в профиле микроРНК ассоциированы не только с патогенезом возрастных заболеваний, но и непосредственно с процессом биологического старения.

Недавние исследования показали, что микроРНК присутствуют в клетках в нескольких вариантах, именуемых изоформами микроРНК и отличающихся друг от друга 1–3 нуклеотидами на 5’- и 3’-концах молекулы. При анализе данных секвенирования микроРНК было замечено, что значимая часть прочтений отличается от канонической последовательности микроРНК на 1–3 нуклеотида с концов молекулы. Причиной таких различий оказалась особенность работы белковых комплексов, главными участниками которых являются ферменты Drosha и Dicer.

Изменения канонической формы микроРНК с 5’-конца приводят к изменению seed-региона молекулы, который играет решающую роль при связывании микроРНК с целевой мРНК (обычно seed-регионом обозначается участок микроРНК от 2 до 7 нуклеотидов с 5’-конца).

В проекте «Роль некодирующих РНК в обеспечении активного долголетия» будет уделено пристальное внимание роли именно изоформ микроРНК в процессах старения.

— Расскажите о новой мультиорганной микрофлюидной модели для изучения процессов старения и подходов к обеспечению активного долголетия.

— С каждым годом в мире все больший процент населения составляют люди пожилого возраста, что влечет за собой увеличение числа случаев заболеваний, связанных со старением организма, и расходов на их лечение. В этих условиях ключевой задачей является разработка подходов к обеспечению активного долголетия, то есть как можно более долгого периода здоровой жизни, не отягощенного возрастными заболеваниями.

Для этого необходима разработка моделей, позволяющих изучать молекулярные механизмы старения и способы воздействия на них. Так как процесс старения является результатом взаимодействия нескольких систем органов, для его адекватного изучения необходимо использовать мультиорганные модели. Сотрудники лаборатории обладают опытом создания подобных моделей для изучения процессов биотрансформации лекарственных средств в печени и персонифицированного подбора химиотерапии при онкологических заболеваниях. Однако до сих пор подобные модели не применялись для моделирования процесса старения. Наибольший интерес для изучения старения может представлять такая мультиорганная модель, как совместно функционируемые кишечник, печень и мозг. Такая модель позволила бы реализовать in vitro существующие в организме оси «кишечник—мозг» и «кишечник—печень», которые настолько тесно связаны между собой, что зачастую рассматриваются как единая ось «кишечник—печень—мозг» (gut—liver—brain axis).

— На ваш взгляд, как дальше будет развиваться деятельность лаборатории?

— Сейчас наша лаборатория ищет аспирантов. Развитие лаборатории будет основано на активном вовлечении в исследовательский процесс как студентов НИУ ВШЭ, так и привлечении в аспирантуру выпускников ведущих в области молекулярной биологии, биохимии, математики и биоинформатики вузов.

Подготовила Мария Грибова