Как молодая кровь влияет на процесс старения

Парабиоз (от греч. «жизнь рядом» или «жизнь бок о бок») был впервые осуществлен в 1864 году французским физиологом и политиком Полем Бером, которому просто было любопытно, начнут ли сшитые через кожу звери пользоваться общей системой кровотока. Испробовал он эту операцию на крысах, соединив их бока; предположение его подтвердилось, за что Бер удостоился в 1866 году премии по экспериментальной физиологии Французской академии наук. Принципиальная возможность, таким образом, была доказана, однако научному сообществу парабиоз в качестве исследовательского инструмента оставался малоинтересен до начала следующего века, когда начали сшивать самых разных животных, не только грызунов, но и лягушек и насекомых. Все это помогло изучить множество биологических феноменов, нормальных и патологических.

Соединять животных для исследования старения впервые пришло в голову Клайву Маккею в 1956 году. Маккея мы уже встречали в главе 8 за опытами с ограничением калорий на службе американскому животноводству. Как вы помните, Маккея очень заботила тема старения. Желая узнать, не станет ли молодая кровь эликсиром молодости для пожилых, он сшил 69 пар крыс во всевозможных возрастных сочетаниях. Но техники еще не были отработаны, что привело крыс к ужасному концу: одни соединенные твари перегрызлись между собой, в других парах одно из животных умерло, были и крысы, погибшие от загадочной парабиотической болезни — вероятно, иммунной реакции, идущей от места, где начинает развиваться общая сосудистая система. 

Однако у тех пожилых животных, которым удалось уцелеть в паре с молодыми, проявились признаки омоложения. К примеру, у них значительно возросла плотность костей. А когда Маккей подключил мышь, сидевшую на низкокалорийной диете, к другой, имевшей возможность есть сколько ей вздумается, то в какой-то степени, по его наблюдениям, возросла и продолжительность жизни. Однако данных у Маккея, при всем интересе, который они представляли, было крайне мало, и в основном бессистемных. Только в 1970-е годы другие исследователи, сшивая старых мышей с гораздо более молодыми, получили явные доказательства продления срока жизни. Пришитые «старички» жили на четыре-пять месяцев дольше контрольной группы.

Следующий большой шаг для парабиоза и геронтологии был сделан в 1999 году. Биолог — специалист по стволовым клеткам Эми Уэйджерс, в то время работавшая в Стэнфордском университете в Калифорнии, искала способ исследовать, что происходит со стволовыми клетками костного мозга, циркулирующими в крови. Тогда многие ученые ошибочно полагали, что стволовые клетки костного мозга обладают почти такой же способностью к превращениям, как эмбриональные. Уэйджерс после защиты диссертации работала в лаборатории Ирвинга Вайсмана, который уже много лет применял парабиоз для изучения регенерации у асцидий — мелких беспозвоночных, населяющих океанское дно. Вайсман посоветовал Уэйджерс использовать ту же процедуру, что она и сделала — и в результате доказала, что стволовые клетки костного мозга, поддерживающие иммунную систему, не в состоянии производить новые специализированные клетки, и уж точно не мозговые нейроны, как некоторые ученые предполагали раньше. Ее эксперименты вдохновили многих других специалистов по биологии стволовых клеток. Среди них особо выделяются Ирина и Майк Конбой, цитологи, вместе работающие на кафедре биоинженерии Калифорнийского университета в Беркли.

Жарким воскресным утром в августе 2016 года я навестила чету Конбой в их рабочем кабинете в университетском городке. Ирина только что вернулась из бассейна и еще вытирала волосы. Майк, в свободной клетчатой рубашке, брюках и сандалиях, присоединился к нам чуть позже, как раз когда Ирина рассказывала, как уехала из России на учебу в США и втянулась в исследования проблем старения. Этой темой она увлеклась очень рано, еще в детстве. «Я помню этот момент так четко, словно это было вчера», — сказала она мне. Ей было шесть лет. Глядя на свою бабушку, она обратила внимание на морщинистую кожу у нее на руках, так непохожую на ее собственную, юную и упругую. «Ее руки были такие старые-старые, и я поняла, что со мной тоже так однажды будет, потому что я расту, я меняюсь и в итоге должна стать как бабушка». Она поняла и то, что старушка приближается к смерти, и от этого впечатления ее стали еще острее. «Мне стало так грустно, я хотела что-нибудь сделать, чтобы бабушка не умерла, и родители тоже, конечно». Так желание понять и победить старение стало еще одной заветной мечтой Ирины. «Я еще хотела стать принцессой, гимнасткой, золотой медалисткой... всё на свете!» — смеется она. 

Закончив вуз, Ирина в начале 1990-х перебралась в США в поисках лучшего образования. Она защитила диссертацию в Стэнфорде и сосредоточилась на мышечных стволовых клетках — в особенности ей хотелось знать, почему с возрастом они делаются вялыми. Изначально она намеревалась вернуться на родину, но вскоре по прибытии в США познакомилась с коллегой-ученым, Майком, вышла за него замуж, так что планы изменились. С тех пор эта пара прославилась на весь мир своими исследованиями крови, в которой кроется часть ответов на загадку старения. 

В Стэнфорде после защиты Ирина и Майк оказались в одной и той же лаборатории, под началом Тома Рэндо. Их задачей было брать образцы мышечных стволовых клеток старых и молодых мышей и пытаться разводить их в чашках Петри с плазмой, тоже взятой у молодых и старых мышей, в разных сочетаниях. Получались интересные результаты: плазма старых мышей подавляла активность стволовых клеток молодых мышей, а молодая плазма, наоборот, подстегивала стволовые клетки старых. Когда они погружали клетки в смесь молодой и старой плазмы, пополам, старая плазма верховенствовала и угнетала деятельность любых стволовых клеток. Естественно, ученые захотели выяснить, как аналогичные процессы идут в живых организмах. 

Конбоев занимали и другие вопросы. Почему, например, старение идет сразу во всем теле и столько разных тканей сдают одновременно? У Ирины уже была своя оригинальная теория причины ослабления наших способностей к регенерации с возрастом. Она предполагала, что не стволовые клетки стареют, но беднеет их жизненная среда, так что они постепенно лишаются нужной для работы стимуляции. Может быть, в кровеносной системе есть что-то, что координирует работу стволовых клеток? 

Затем дело было так: в 2002 году Ирина на встрече журнального клуба своей кафедры представляла статью Эми Уэйджерс о стволовых клетках костного мозга. Она пересказывала эксперименты Уэйджерс с парабиозом, в ходе которых пары молодых мышей обменивались кровью. В этот момент Майка, молча сидевшего в заднем ряду, осенило. После встречи он поймал жену и заведующего лабораторией Тома Рэндо и предложил: почему бы нам не сделать то же самое, но соединить молодых мышей со старыми? «Этого никогда еще не делали ни для изучения биологии стволовых клеток, ни для регенеративной медицины», — объясняет мне Ирина. Ей и Рэндо идея сразу приглянулась.

Они заручились помощью Эми Уэйджерс, и она сшила большую часть животных для начальных опытов в лаборатории Рэндо, а также научила этому Майка Конбоя на будущее. Через неделю-другую у их сшитых мышей (подопытные были в парах смешанного возраста, контрольные — одного) установилась общая циркуляция крови. Через пять недель ученые умертвили животных, чтобы посмотреть на ткани мозга, мышц и печени. Эти ткани представляют три зародышевых листка (эктодерму, мезодерму и эндодерму), формирующихся на ранних стадиях развития эмбриона и дающих начало всем тканям организма. 

«Во всех случаях налицо было значительное омоложение стволовых клеток и способности к восстановлению у старых мышей, — говорит Ирина. — И заметный упадок у молодых». Группа опубликовала свои находки в журнале Nature в 2005 году. «Но все были в таком восторге от омоложения и не очень-то в восторге от преждевременного старения молодого участника, — отмечает Ирина, — из-за этого и в названии, и в описании статьи был, пожалуй, перекос в сторону омоложения». В ходе опытов ученые использовали хитроумные средства из арсенала генетики, чтобы убедиться, что восстановлением тканей они обязаны именно стволовым клеткам старой мыши, а не приплывшим по кровотоку из организма молодой. 

Однако почему омоложение старой мыши оказалось гораздо более явно выражено, чем преждевременное дряхление молодой, в то время как по экспериментам с клетками можно было ожидать прямо противоположного? Дело в том, объясняет Ирина, что у соединенных животных общей становится не только кровеносная система. «Подключено целое молодое животное, не просто пакет с кровью». К услугам старой мыши — крепкие молодые печень и почки, способные выводить из крови все лишнее, что накапливается с возрастом, и многое другое. «Даже кровяное давление нормализуется. С молодыми легкими и насыщение кислородом улучшается, и баланс глюкозы и инсулина, — говорит Ирина. — Зато теперь страдает уже молодое животное, ведь ему приходится поддерживать на плаву организм с патологиями и воспалительными процессами».

Среди прочего мусора в крови дряхлых особей циркулируют, например, молекулы воспаления, выделяемые старыми клетками, как мы уже знаем по предыдущим главам. Но опыты с парабиозом дали Конбоям возможность в скором времени обнаружить и другой вредоносный элемент в старой крови: трансформирующий ростовой фактор бета (transforming growth factor beta, TGFβ). Это молекулы, которых организм мыши (и человека) с возрастом начинает производить слишком много. Больше того, клетки, получающие сигналы TGFβ, готовят больше рецепторов для этой сигнальной молекулы, что еще осложняет проблему перепроизводства. TGFβ угнетает процесс восстановления тканей, особенно мышц и мозга.

Исследователям удалось также выделить один из омолаживающих факторов в молодой крови — окситоцин, гормон, вырабатываемый в головном мозге и широко известный тем, что вызывает сокращения матки во время родов. «Окситоцин непосредственно воздействует на мышечные стволовые клетки, — поясняет Ирина. — На мышечных стволовых клетках есть рецепторы для него, и без окситоцина мышцы плоховато заживают, плоховато работают и заменяются жиром. С возрастом содержание окситоцина в крови снижается раза в три, а окситоциновых рецепторов становится меньше».

Ученая чета выяснила, что, если привести в норму уровень TGFβ в организме старых мышей или добавить в кровь другие факторы роста или окситоцин, можно «перезагрузить систему», так что, по словам Майка, «стволовые клетки просыпаются, снова начинают делиться и восстанавливать что положено» — как и предполагала Ирина раньше в своей смелой гипотезе. «Если то, что мы сделали с мышами, можно применить к человеку, то это очень обнадеживает. Это может быть очень ценным методом в медицине, в дополнение к хирургии, например, или после несчастного случая или травмы». Ингибиторы TGFβ, окситоцин и ряд факторов роста уже используются врачами против разных болезней, но перенос их открытий в клиническую практику — не главная забота Конбоев. Их интересуют беззвучные, непрерывные и незримые процессы, идущие в глубине наших тел. «Мы делаем опыты, публикуем результаты и надеемся, что кто-то еще прочитает и сообразит что-то такое для терапии», — говорит Майк. 

Дальше на сцене появляется Тони Уисс-Корэй, нейробиолог, чья лаборатория в Стэнфордском университете расположена этажом ниже рэндовской. Команда Рэндо изучила ткань мозга соединенных животных и была впечатлена восстановлением нейронов в гиппокампе — хранилище воспоминаний — старых мышей, а также тем, как сжалась эта часть мозга у молодых. В статье 2005 года про это не стали упоминать, чтобы не откладывать публикацию (у рецензентов возникло слишком много дополнительных вопросов по исследованию тканей мозга). Но Уисс-Корэй узнал об этих находках и взялся за дело. Он устроил собственные опыты с парабиозом, подтвердившие наблюдения группы Рэндо, и пришел к убеждению, что те наткнулись на что-то важное. Дальше он выяснил, что плазма крови сама по себе действует так же, то есть приводит в форму мозг сонных старых мышей, чтобы они снова начали формировать новые воспоминания (мышам приходилось улепетывать от страшной мигалки по полю с норами, где только одна вела на свободу).

В своей лекции на TED в июне 2015 года Уисс-Корэй сравнил этот эксперимент с «поиском машины на парковке, когда вы весь день провели за покупками» — заурядная повседневная задача, становящаяся удручающе сложной для людей на грани старческой деменции. Результаты опытов явно вселили в ученого оптимизм. «Не думаю, что мы будем жить вечно, — сказал он слушателям. — Но, может быть, мы обнаружили, что источник молодости находится у нас внутри и он просто пересох… Если удастся снова запустить его, хоть чуть-чуть, то, возможно, мы сможем найти факторы, которые влияют на эти эффекты, синтезировать их и лечить старческие болезни вроде болезни Альцгеймера и других видов деменции».

Чтобы испытать теорию, что и у людей в крови есть факторы, способствующие омоложению, Уисс-Корэй ввел подопытным мышам плазму молодой человеческой крови. Результаты оказались настолько обнадеживающими, что еще за год до того выступления на TED он основал собственную небольшую компанию, Аlkahest, в Сан-Карлосе, штат Калифорния. Стартовый капитал предоставила богатая семья из Гонконга, много поколений которой страдали от болезни Альцгеймера. Этого хватило, чтобы провести скромных масштабов испытания на людях. 

Заведовала испытаниями стэнфордский нейробиолог Шэрон Ша. В них приняли участие 18 человек 54–85 лет с болезнью Альцгеймера на разных стадиях, от начальной до средней. Раз в неделю на протяжении месяца они получали уколы плазмы добровольцев-доноров 18–30 лет, а контрольная группа — просто соляной раствор-плацебо. По окончании процедур им сделали сканирование головного мозга и провели тесты когнитивных способностей, а людей, ухаживающих за ними, попросили оценить, не лучше ли их подопечные справляются с простыми повседневными задачами вроде одевания, готовки или покупки в магазинах. Объявленные в ноябре 2016 года результаты сильно разочаровали ученых. Несколько участников выбыли из исследования, не закончив его, у остальных не было замечено улучшения когнитивных способностей, а те, кто ухаживал за больными, сообщили лишь о незначительном улучшении навыков. 

Ирина Конбой отозвалась об этом исследовании довольно пренебрежительно. «Для таких испытаний просто нет научной базы», — заявила она Nature News. Пока никому не известно, какие клеточные механизмы включают полезные факторы плазмы. Кроме того, опыты вроде проведенных Уисс-Корэем — с мышами, мигалкой и лабиринтом нор для проверки воздействия молодой крови на функции мозга — не воспроизводились другими учеными. «И никто еще не устраивал экспериментов с мышиным аналогом болезни Альцгеймера», — добавила она. 

Конбои продолжили изучать вопросы, которые поставили их исследования с парабиозом. Итоги работы были опубликованы в один месяц с отчетом Уисса-Корэя об испытаниях на людях (что, наверное, объясняет раздраженную реакцию Ирины). Прежде всего Конбои хотели установить, насколько замеченные при парабиозе изменения могут быть следствием воздействия факторов в крови, а не работы общих для двух животных органов и систем. Чтобы узнать это, они соорудили устройство, в которое под управлением компьютера накачивалась кровь. С его помощью можно было устроить точно рассчитанный обмен крови между животными, не сшитыми вместе. Снова они устроили пары молодых и старых мышей, снова пары однолеток выступали в качестве контрольной группы, и затем опять изучили состояние тех же тканей, что и прежде, — мозга, мышц и печени.

Результаты оказались крайне интересными. Как и при парабиозе, молодая кровь помогла старым мышам починить поврежденные мышцы, а старая кровь заметно ослабила мышцы молодых животных. И опять старая печень несколько омолодилась, а молодая постарела раньше срока. Но сильнее всего удивила проверка состояния мозга. «Молодая кровь ни при каких обстоятельствах не способствовала нейрогенезу, — сказала Конбой. — Похоже, в старой крови есть вещества, вредные для здоровья и тормозящие рост клеток мозга. Чтобы улучшить память пациентов, нам нужно установить, что это за вещества, и научиться их устранять».

Результат этих экспериментов оказался гораздо ближе к тому, что Конбои видели в своих опытах с клеточными культурами в чашках Петри, до парабиоза: старая кровь сильнее подавляет молодые клетки, чем молодая кровь омолаживает старые. В заявлении для прессы Ирина Конбой сказала: «Наше исследование показывает, что молодая кровь сама по себе вряд ли будет эффективным лекарством. Правильнее будет сказать, что в старой крови есть вещества-ингибиторы, которые мы должны нейтрализовать, чтобы обратить процесс старения вспять». 

В свете этих находок эксперимент Уисса-Корэя с молодой плазмой как средством от болезни Альцгеймера кажется преждевременной и обреченной попыткой — одной из многих неудачных попыток разделаться с этой сложнейшей и до сих пор еще довольно таинственной болезнью мозга.

Приобрести книгу можно по ссылке