Биологическая очистка, которая может бороться с возрастными заболеваниями

Может ли аутофагия, которую часто сравнивают с системой управления клеточным мусором, продлить жизнь? Некоторые исследователи не убеждены.

Три препарата, которые ближе других подошли к воздействию на аутофагию как причины старения - метформин, рапамицин и фелодипин. Салва Себти теряла терпение.

В 2014 году она и ее коллеги из медицинского центра Юго-Западного университета Техаса (UTSW) в Далласе начали отслеживать мышей, которые обладали генетически улучшенной способностью выводить токсины из своих клеток. Цель состояла в том, чтобы проверить омолаживающие эффекты усиления аутофагии, биологического процесса, посредством которого клетки избавляются от поврежденных компонентов. Но прошло почти два года — промежуток времени, примерно эквивалентный 70 годам у людей, — прежде чем у мышей появились какие-либо явные признаки улучшения здоровья. Это стоило того, чтобы ждать. В сердцах и почках животных было меньше рубцов на тканях, чем обычно; спонтанные раковые заболевания были предотвращены; и мыши жили примерно на 10% дольше. Когда данные наконец поступили, Себти вспоминает, что подумала про себя: “Ого, мы получили сильный фенотип”.

Другие ученые ранее сообщали о подобных возрастных преимуществах усиленной аутофагии у червей и мух. Но исследование UTSW открывало новые горизонты. Возглавляемая Бет Левин — новаторским исследователем аутофагии, которая умерла от рака в 2020 году, — и совместно возглавляемая двумя ее бывшими постдокторами Себти и Альваро Фернандесом, это была первая убедительная демонстрация того, что усиление механизма аутофагии может способствовать долголетию и благополучию у млекопитающих. Это было доказательством концепции того, что это возможно и выгодно”, - говорит Себти.

Разводя мышей с аутофагией вместе с различными мышиными моделями заболеваний, ее команда и другие обнаружили еще несколько полезных для здоровья преимуществ. Они показали, как увеличение аутофагии может сохранить функцию стволовых клеток в стареющем мозге мышей, предотвратить снижение когнитивных способностей в мышиной модели болезни Альцгеймера и преодолеть дегенерацию органов, связанную со старением. Сейчас все большее число биотехнологических стартапов пытаются воспроизвести эти омолаживающие эффекты с помощью лекарственных соединений. Аутофагия “очевидно, что это очень фундаментальный процесс, который связан со многими различными заболеваниями”, - говорит Питер Хэмли, главный научный сотрудник Samsara Therapeutics в Оксфорде, Великобритания. Компания была создана в 2018 году для лечения нейродегенеративных и редких генетических заболеваний путем индукции или восстановления системы клеточной деградации. “Это большая возможность для открытия лекарств”, - говорит он. Это тоже большая проблема. Аутофагию часто сравнивают с системой управления мусором в клетке. И точно так же, как услуги по утилизации бытовых отходов включают сбор, транспортировку и, в конечном счете, утилизацию, система аутофагии клетки также должна следовать скоординированному многоступенчатому процессу. Сначала требуется, чтобы клеточный мусор был упакован в мешкообразные структуры, известные как фагофоры. Затем они созревают в грузовые контейнеры, называемые аутофагосомами, которые сливаются с центрами деградации, называемыми лизосомами. Только после этого отходы расщепляются. Любая часть этого процесса очистки клеток может пойти не так, и это часто происходит по мере старения клеток. Но если исследователи не до конца поймут, какие аспекты аутофагии являются дефектными при каком-либо конкретном заболевании, лекарства, которые модулируют неправильные участки процесса, могут принести больше вреда, чем пользы. Терапия могла бы, например, помочь клетке упаковывать больше мусора. “Но если ваш уплотнитель мусора не работает должным образом, вы просто окажетесь в комнате, полной мешков для мусора”, - говорит Тим Сарджант, который изучает аутофагию в Южно-Австралийском институте здравоохранения и медицинских исследований в Аделаиде. “Это одна из здешних опасностей". В результате, хотя некоторые исследователи и компании, занимающиеся борьбой со старением, пошли ва-банк, нацелившись на аутофагию, другие проявляют большую осмотрительность, особенно учитывая отсутствие убедительных доказательств на людях или даже моделях мышей для многих предлагаемых вмешательств. Очевидно, что в целом поддержание аутофагии в определенных типах клеток организма будет полезно для лечения многих заболеваний, связанных со старением, поэтому имеет смысл рассмотреть активацию аутофагии”, — говорит Стивен Хелливелл, вице-президент по биологии открытий в Rejuveron Life Sciences, биотехнологической компании, базирующейся в Цюрихе, Швейцария. Но, добавляет он, “одно дело проводить эксперименты на червях и мухах. Совсем другое - показать, что манипуляция аутофагией является безопасной и эффективной стратегией борьбы со старением у людей”. Некоторые онкологи стремятся подавить аутофагию, потому что она может способствовать росту и распространению существующих опухолей, хотя также известно, что она предотвращает образование новых опухолей. Однако те, кто занимается другими болезнями старения, преследуют противоположную цель: они пытаются стимулировать аутофагию, хотя и разными способами. Некоторые компании, такие как Life Biosciences в Бостоне, штат Массачусетс, нацелены на нетипичную версию процесса, известную как аутофагия, опосредованная шапероном (CMA). В этом конкретном типе аутофагии белки-помощники, называемые шаперонами, взаимодействуют с сигналами "уничтожь меня" на белках-мишенях. Затем сопровождающие доставляют свой груз непосредственно в лизосомы, которые расщепляют мусор. Активация CMA является захватывающей, потому что это совершенно новая терапевтическая мишень, которая не была исследована клинически, но, по-видимому, играет решающую роль в биологии старения”, - говорит Джоан Манник, руководитель отдела исследований и разработок Life Biosciences. Клеточный биолог Ана Мария Куэрво продемонстрировала это в контексте многочисленных заболеваний, включая состояния, связанные с метаболической дисфункцией и нейродегенерацией. В 2013 году она и биолог-химик Эврипидис Гаватиотис, оба из Медицинского колледжа Альберта Эйнштейна в Нью-Йорке, определили класс молекул, которые могут стимулировать CMA, способствуя поглощению белков мусора, управляемых шаперонами, в лизосоме. На мышиных моделях эти соединения помогли уменьшить признаки болезни Альцгеймера и восстановили функциональность кроветворных стволовых клеток в костном мозге. На самом деле предполагаемые препараты действовали так хорошо, что “одна из шуток заключается в том, что мой муж хочет начать их принимать”, - говорит Куэрво. Она и Гаватиотис лицензировали технологию для Life Biosciences и теперь являются научными консультантами компании. При поддержке некоммерческого Фонда обнаружения лекарств от болезни Альцгеймера в Нью-Йорке Life Biosciences оптимизирует соединения для использования людьми. Должны последовать клинические испытания с участием людей с возрастными нейродегенеративными заболеваниями. Поскольку CMA полагается на этот высокоспецифичный сигнальный механизм, препараты, стимулирующие процесс, должны “разрушать только то, что было подготовлено сопровождающим для разрушения”, - говорит Куэрво. Это дает потенциальные преимущества в области безопасности по сравнению со стратегиями, предназначенными для активации менее избирательного процесса разрушения клеток, связанного с типичным путем аутофагии, утверждает она. Однако стратегия ограничена белковыми мишенями, которые взаимодействуют с CMA. Это не вариант для других белков или для содействия удалению других типов клеточного мусора, таких как целые органеллы. Для этого компании изучают способы индуцирования общей аутофагии либо неселективным способом, либо с целью устранения таких структур, как митохондрии, энергетические центры клетки. Например, ученые из Mindrank AI в Ханчжоу, Китай, использовали алгоритмы прогнозирования, основанные на машинном обучении, для идентификации молекул, способных способствовать деградации поврежденных митохондрий, процесс, известный как митофагия. Их виртуальный экран выдал список из 18 соединений. Работая с геронтологом Эвандро Фангом из Университета Осло и фармакологом Цзя-Хун Лу из Университета Макао, компания затем использовала клетки человека, червей и мышей, чтобы сократить этот список до двух кандидатов на лекарства, оба из которых нацелены на белок под названием PINK1 — важный посредник контроля качества митохондрий. В конце прошлого года исследователи показали, как препараты помогли улучшить память на моделях болезни Альцгеймера у червей и мышей. Такого рода подход начал привлекать интерес со стороны крупных фармацевтических компаний. Например, в прошлом году фармацевтический гигант AbbVie, базирующийся в Северном Чикаго, штат Иллинойс, согласился приобрести Mitokinin, небольшую биотехнологическую компанию в Сан-Франциско, штат Калифорния, которая разрабатывает препараты, нацеленные на PINK1, для лечения болезни Паркинсона. “Ускоряя митофагию, вы увеличиваете очистку дефектных митохондрий”, - объясняет Николас Герц, соучредитель и главный научный сотрудник Mitokinin, — и это, по-видимому, улучшает функцию нейронов и здоровье мозга. Когда дело доходит до лекарств с широким потенциалом, вызывающим аутофагию, несколько лекарств, которые уже широко используются, похоже, соответствуют всем требованиям. Например, метформин, распространенное средство для лечения диабета, и иммунодепрессант рапамицин, который используется для предотвращения отторжения трансплантата, запускают передачу сигналов аутофагии посредством их воздействия на mTOR, главный регулятор нескольких этапов пути аутофагии. У червей и мышей эти препараты увеличивают продолжительность жизни и общее самочувствие. Но поскольку у них много молекулярных эффектов, “вы никогда не можете быть уверены, что происходит из-за аутофагии”, - говорит Беат Найфелер, химический биолог из Института биомедицинских исследований Novartis в Базеле, Швейцария. К сожалению, молекулярная неразборчивость передачи сигналов mTOR, которая также контролирует синтез белка, и неспецифическая природа лекарств также могут привести к нежелательным побочным эффектам. “Я думаю, что для того, чтобы действительно использовать силу активации аутофагии, нужно было бы найти что-то независимое от mTOR”, - говорит Найфелер. Перепрофилировав существующий препарат, Дэвид Рубинштейн, клеточный нейробиолог из Кембриджского университета, Великобритания, определил лекарство от артериального давления, которое вызывает аутофагию другими способами. Называемый фелодипином, он блокирует кальциевые каналы, как для расслабления кровеносных сосудов — отсюда его использование для лечения гипертонии — так и для повышения аутофагической активности. На мышиных моделях болезни Паркинсона и Хантингтона Рубинштейн и его коллеги показали, что препарат способствует выведению склонных к агрегации белков из мозга, что приводит к поведенческим и функциональным улучшениям. В настоящее время планируется клиническое испытание для оценки того, может ли лечение фелодипином снизить уровни мутантного белка хантингтина в спинномозговой жидкости у людей с ранней стадией болезни Хантингтона. Другие компании, тем временем, стремятся разработать селективные агенты, активирующие аутофагию, направленные на различные терапевтические мишени. В Samsara Therapeutics ученые подошли к этой проблеме, подвергая культивируемые клетки воздействию десятков тысяч лекарственных соединений, а затем проводя анализы, предназначенные для выявления любых изменений в функции аутофагии. По словам Хэмли, эта работа привела к трем многообещающим выводам о лекарствах, которые сейчас команда пытается проверить. Некоторые компании придерживаются более целенаправленного подхода. В Caraway Therapeutics в Кембридже, штат Массачусетс, президент и главный научный сотрудник Магдалина Моран использует генетику человека для руководства открытием лекарств своей командой. Известно, что мутации в нескольких белках, связанных с лизосомами, вызывают разрушительные нейродегенеративные заболевания, поэтому Моран и ее коллеги пришли к выводу, что усиление функции тех же белков может иметь терапевтическую пользу. “Что мы действительно хотим сделать, так это расширить возможности этих существующих путей борьбы с болезнями", - говорит она. Компания Casma Therapeutics, также расположенная в Кембридже, штат Массачусетс, нацелена на несколько конкретных целей, которые могли бы активизировать аутофагию в клетках, у которых нарушена система разложения. Но компания, которую Левин помог основать вместе с Андреа Баллабио, научным директором Института генетики и медицины Телемарафона в Неаполе, Италия, и другими, продвигает технологию платформы, которая нацелена на любой проблемный клеточный компонент и отправляет нежелательный материал по пути аутофагии. Как объясняет главный научный сотрудник Casma Леон Мерфи: “По сути, мы обучаем пути аутофагии, чтобы найти цель заболевания и устранить ее из пораженной клетки”. Исследовательские группы из Университета Тохоку в Сендае, Япония, и Университета Фудань в Шанхае, Китай, впервые описали этот подход в 2019 году, каждая из которых подробно описала свой способ разработки соединений, которые сопровождают молекулы-мишени к фагофорам для разрушения.

Команда Тохоку создала деградатор, нацеленный на митохондрии, в то время как группа Фудан создала селективный деградатор мутантных белков хантингтина - стратегия, которую в настоящее время реализует PAQ Therapeutics, дочерняя компания Университета Фудан в Кембридже, штат Массачусетс. Исследователи, которые долгое время изучали аутофагию, но не проявляли особого интереса к отрасли, приветствуют внимание, которое фармацевтические компании наконец уделяют этой области. Некоторые считают, что сила аутофагии может быть использована любым количеством различных способов, в том числе с помощью креативных стратегий дозирования для максимального терапевтического эффекта. “Возможно, вы хотите использовать его периодически, а не хронически, чтобы избежать негативных последствий слишком высокой аутофагии”, - говорит Конгконг Хе, клеточный биолог из Медицинской школы Фейнберга Северо-Западного университета в Чикаго, штат Иллинойс. Мыши, использованные в знаковом исследовании Себти 2018 года, были созданы им, у которого есть неопубликованные данные, подтверждающие этот подход "меньше значит больше" к индукции аутофагии. Также может быть обеспечен синергизм между различными частями процесса. “Может быть полезно как включить сам процесс деградации, так и затем усилить доставку определенного субстрата в аутофагосому”, - говорит Скип Вирджин, научный соучредитель Casma, который в настоящее время руководит исследованиями в Vir Biotechnology, компании по иммунотерапии в Сан-Франциско, Калифорния, которая также изучает аутофагию. Это было бы все равно, что вывести на дороги больше мусоровозов и увеличить размеры мусоросжигательных заводов, чтобы обеспечить чистоту и безопасность улиц. На пути к старению клетки могут извлечь выгоду из аналогичных инвестиций в утилизацию отходов.