Доклады МОИП №41. Секция геронтологии. М., 2008. С. 82-95.
Ключевые слова: стволовые клетки, самообновление, продление жизни.
На основе анализа последних достижений в изучении стволовых клеток (СК) и общебиологического подхода к проблеме старения рассмотрены перспективы продления жизни человека. Делается вывод о том, что СК не имеют внутренней причины старения, выполняют свою функцию по самообновлению организма до конца жизни и противодействуют старению. Под влиянием возрастного изменения микроокружения СК в стареющем организме изменяются и функции СК. Рассмотрены механизмы упаковок клеточных структур в критические периоды развития и влияние упаковок на процесс старения. Предложены некоторые способы замедления старения. Применение клеточной терапии с помощью эмбриональных СК позволяет эффективно корректировать возрастные изменения и увеличить среднюю продолжительность жизни (ПЖ) человека до индивидуального предельного срока. Дальнейшее увеличение максимальной ПЖ возможно при воздействии на старение организма, причиной которого не являются СК. Поэтому предложения некоторых исследователей о возможном достижении бессмертия человека с помощью СК или теломеразы – фермента “бессмертия”, а также клеточные гипотезы старения, оказываются несостоятельными. В ряду поколений организмов всех видов СК ответственны как за бесполое, так и половое размножение; в эволюции это обеспечивает непрерывность линий половых и СК и бессмертие жизни на Земле.
Прогресс в изучении стволовых СК связан с успехами клеточной трансплантологии при лечении большого числа заболеваний, а также с проблемами старения, омоложения и бессмертия. В последние годы в США финансируются исследования по “омоложению и бессмертию” человека в связи с успехами в изучении СК и теломеразы – фермента “бессмертия” на клеточном уровне.
Среди тысяч статей по СК лишь в отдельных работах есть попытки продлить жизнь животных, воздействуя на СК. Неудачи в этих направлениях связаны с односторонними представлениями о природе старения. Участие СК в замедлении старения, по мнению ученых, остается непонятым.
В данной работе обобщены достижения исследований по биологии СК, участии их в старении и самообновлении разных видов и с общебиологических позиций проанализированы возможности продления жизни организмов.
БИОЛОГИЯ СК
Имеется много данных о наличии в тканях млекопитающих и человека несколько сот типов СК [7,9]. Стволовыми называют клетки, самоподдерживающиеся в течение всей жизни организма и способные к дальнейшей дифференцировке в клетки разных типов. Многие из них не исчезают в онтогенезе.
СК подразделяют на несколько групп. Тотипотентными являются зигота и бластомеры, котроые могут дать развитие целого организма. Некоторые авторы не считают их СК, т.к. после деления они исчезают (однако не все), давая на стадии бластоцисты плюрипотентные эмбриональные СК (ЭСК). ЭСК имеют неограниченный пролиферативный потенциал и на стадии гаструлы генерируют все типы мультипотентных СК эмбриона и взрослого организма, в т.ч. и клетки половой линии, и только последние остаются тотипотентными СК. При симметричном делении ЭСК производят себе подобные и не имеют специализации.
При асимметричном митозе одна клетка остается СК, другая – родоначальной, прогениторной клеткой (ПК), способной быстро делиться симметрично, давая себе подобные, и имеет ограниченный пролиферативный потенциал. ПК коммитированы (детерминированы) к дифференцировке в одном или нескольких направлениях. Деления ПК заканчиваются образованием монопотентных СК - клеток- предшественников (К-П), способных к развитию только в один тип дифференцированных клеток. Некоторые авторы относят ПК и К-П к СК, чтобы подчеркнуть их отличие от дифференцированных клеток, хотя они также дифференцированы. СК, ПК, и К-П, обнаружены в большинстве тканей взрослых млекопитающих, в т.ч. в различных областях головного мозга. Их объединяет одна функция - обеспечение самообновления организма в течение всей жизни.
Монопотентными являются СК костного мозга – главный источник взрослых гемопоэтических клеток, образующих один клеточный тип: эритроциты, моноциты и т.д. Эти СК обладают ограниченным пролиферативным потенциалом и пополняются за счет предыдущих СК. Взрослый костный мозг содержит также мезенхимальные СК (МСК), которые способствуют обновлению мезенхимальных тканей, таких как кость, хрящ, мышцы, связки, строма и др.
По пролиферативной способности клеток ткани различаются на: быстрообновляющиеся (клетки крови, кишечного эпителия, эпидермиса и др.), медленно обновляющиеся (хондроциты, гепатоциты и др.) и малообновляющиеся (нейроны, миоциты, тучные клетки). У взрослых млекопитающих и человека обнаружены мульти- и монопотентные нейральные СК в разных структурах головного мозга [6,8]. Они дают начало нейронам и глии и способны поддерживать локальный нейрогенез в течение всей жизни.
ОСНОВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ СК
В настоящее время основными направлениями являются: выделение, культивирование, размножение и сохранение СК, особенно ЭСК, изучение их дифференциальных потенций in vivo и использование в трансплантационной терапии болезней [7,9,17].
ЭСК человека и животных выделяют из внутренней клеточной массы бластоцисты, карцином и первичных половых клеток эмбриона. Линии ЭСК из бластоцисты человека после 100 пассажей сохраняют высокий темп делений и способность дифференцироваться в любую из 350 специализированных линий СК – производных экто-, мезо- и энтодеры [7]. Линии ЭСК – производных тератокарцином мышей и человека быстро утрачивают потентность в пассажах [7]. Линии первичных половых клеток выделяют из полового зачатка фетусов 4-5 нед развития. Полученные ЭСК хорошо сохраняются в культуре. Разработан способ получения неограниченного количества ЭСК. Соматические клетки фетуса сливали с яйцеклеткой коровы с удаленным пронуклеусом, имплантировали в матку коровы, получали гибридные бластоцисты, из которых выделяли ЭСК человека [8].
Идентифицируются ЭСК по морфологическим, иммунохимическим и биохимическим маркерам [8].
При неограниченной пролиферации (культивирование в течение 5-6 мес) ЭСК человека сохраняли плюрипотентность, нормальный кариотип и высокий уровень теломеразной активности [17]. ЭСК очень чувствительны к изменению среды. Этим пользуются для направленной их дифференцировки. При определенных условиях культивирования ЭСК могут расти клонами, а под влиянием цитокинов и ростовых факторов подвергаться направленной трансдифференцировке в различные региональные СК (РСК) тканей (СК гепатоцитов, нейрональные СК и др.). Получают РСК также из костного мозга (КМ), жировой ткани, плацентарной и пуповинной крови. СК КМ могут быть направленно дифференцированы in vitro в во множество клеточных линий (миоциты, кардиомициты, нервные и др.). СК при определенных условиях in vitro обладают неограниченной способностью к пролиферации, что позволяет получить достаточное количество клеток. Трудной задачей является наработка достаточного количества однородных ЭСК. Аутогенные ЭСК или РСК вводят в организм для поддержания пула СК при снижении обновления тканей с возрастом. При этом СК могут мигрировать в очаг поражения разных органов и превращаться именно в клетки этого органа. Изменением состава среды из ЭСК получают определенные нейральные СК в достаточном количестве, переводят их, например в ДОФА-нейроны, которые вводят в мозг паркинсоника [7,8,17].
Механизмы регуляции функции СК исследуются по двум направлениям: выявление и характеристика гуморальных факторов, регулирующих деление и дифференцировку клеток (интерлейкины, факторы роста, фактор СК, кодируемый геном c-kit и др.); анализ факторов и веществ-регуляторов микроокружения, необходимых для самоподдержания СК и дифференцировки клеток. Исследуются механизмы “пробуждения” СК к пролиферации. Установлено, что клоны СК могут увеличиваться, уменьшаться, переходить в резерв и вновь появляться после периода покоя. Т.о., 5-20 СК могут обеспечивать обновление всего клона клеток [13]. Нами изучаются механизмы упаковки клеток во время развития и старения.
КЛЕТОЧНАЯ ТРАНСПЛАНТОЛОГИЯ
В настоящее время в медицне широко используется нейротрансплантация фетальных тканей в ЦНС [6-8,17]. Применяют свежий абортивный донорский материал, культуры фетальных нервных тканей, культуры нервных, глиальных и ЭСК из эмбриона. В нашей стране в Центре репродукции человека и в клиниках США используются методы фетальной трансплантологии для лечения инсульта, рассеянного склероза, болезней Дауна, Паркинсона, диабета, импотенции, коррекции иммунодифицита, многих других болезней, сопровождающих старение, и изучаются методы омоложения. В НПО “Биомаш” отработана методика получения культуры ЭСК человека и животных и использования их для фетальной терапии [7]. В последние годы появились сообщения о создании функциональных элементов тканей: мышечные волокна (в т.ч. сердечные), дольки печени, альвеолы, нефроны и др.
Уникальные способности ЭСК к неограниченной пролиферации и дифференцировке в главные линии специализированных клеток органов используются в заместительной клеточной терапии, фармакогеномике и биологии репродукции человека [8]. Клеточная трансплантация применяется при лечении более 160 заболеваний: болезни сосудов (инсульты, инфаркт миокарда, хроническая сердечная недостаточность, вегетососудистая дистония и др.), поражения ЦНС, заболевания крови (в т.ч. анемии), печени и почек, иммунодефициты, болезни Альцгеймера и Паркинсона, рассеянный склероз, онкологические, сахарный диабет, пороки развития, сексопатологии и др. [6-8]. Нейральные СК обладают высокой способностью к миграции, встраиванию в различные области мозга, могут давать начало интегральных компонентов цитоархитектоники многих областей мозга и глобально восстанавливать дефицит нейронов [6]. Имеются данные о применении МСК при заболеваниях костных и хрящевых тканей (остеопороз, ревматоидный артрит, остеоартрит), при инфаркте, рассеянном склерозе, для стимуляции васкулогенеза и др. МСК выделяют из КМ, жировой ткани, пуповинной крови, плаценты, затем их размножают in vitro. При трансплантации аутогенных МСК в ткани они дифференцируются в клеточный фенотип именно этой ткани.
Многие авторы отмечают, что после введения СК нормализуется и стимулируется обмен веществ, иммунная, нейроэндокринная системы и физиологическая регенерация тканей, восстанавливается кровоток в ишемизированных органах, замедляется атеросклероз, повышаются адаптационные возможности организма, тонус, работоспособность, половая функция, замедляются отклонения, связанные с ускоренным старением. Следует отметить, что врачи-практики указывают на значительные трудности в клеточной терапии и возможные неудачи.
ПОПЫТКИ ОМОЛОЖЕНИЯ
Последние 30 лет исследуется “омолаживающее”действие ЭСК и тканей. Сотни клиник в мире сообщают о потрясающих результатах замедления старения и омоложения людей. Создаются банки СК человека как начальный этап борьбы со старением.
Практическое применение клеточной терапии с целью омоложения известных знаменитостей предпринимались швейцарским врачом П.Нихансом. В их организм он вводил гомогенаты из эмбриональной ткани. Многие пациенты и он сам пережили 90 лет, однако они старели также, как и простые смертные. В США этот метод был запрещен как опасный.
В нашей стране эта практика применялась для омоложения крупных политиков и ученых. Многие из них также доживали до 90 лет. Одной инъекции хватало на 2 года. Оказалось, что ЭСК являются мощным фактором мобилизации и стимуляции резервных сил организма. Наблюдения над “омоложенными” людьми показывают, что они доживают до своей максимальной продолжительности жизни (ПЖ) и умирают от известных заболеваний, сопровождающих старение. В истории также известно, что многие “эксперименты по омоложению” людей и животных оканчивались неудачей. Подробный анализ этого способа показывает: периодичность (1-2 года) и выбор дозы инъекций СК зависят от возраста пациента; после введения СК происходит резкая активация резервных сил, излечение от болезней, улучшение здоровья с признаками омоложения; при частых инъекциях ускоряется обновление и старение организма, причем, у старых старение ускоряется больше, чем обновление. Ярким примером является сам основатель этого метода Броун-Секар, который прожил 5 лет после начала омоложения.
В 1990-х годах в нашей стране несколькими испытателями проводились опыты по омоложению животных (по сообщениям научно-популярных изданий). Старым мышам вводили клетки мышиных зародышей. Подопытные животные становились моложе на 2-3 мес, у них начинала расти гладкая шерсть, повышались тонус мышц, физическая подвижность и половая активность, улучшался газообмен и другие показатели. Аналогичные опыты проводились и ранее. О длительности жизни животных обычно не сообщается.
СК В СТАРЕЮЩЕМ ОРГАНИЗМЕ
Несмотря на эти успехи реально не наблюдается существенного замедления старения, омоложения и увеличения максимальной ПЖ человека. Замедление биологической регенерации тканей при старении связывают со снижением пула региональных СК. Однако обнаружено, что при уменьшении интенсивности нейрогенеза нейрональные СК сохраняются в зрелом и стареющем мозге млекопитающих и человека и нет существенных различий в свойствах СК у молодых и старых животных [8].
В последние 5 лет проявляется повышенный интерес к системе стромальных СК (ССК) [7]. Установлено, что поддержание СК невозможно без их стромального окружения, выполняющего метаболические, опорные, сигнальные и иммунопротекторные функции с помощью секретируемых цитокинов и ростовых факторов. Строма (каркас всех органов) - это комплекс тканей, состоящий из сосудистых и соединительнотканнных клеточных типов, включающих эндотелиальные, мышечные, остеогенные клетки, адипоциты и др. Строма возникает из мезенхимы – зародышевой соединительной ткани за счет клеток трех зародышевых листков и содержит мезенхимальные СК (МСК). Во взрослом организме МСК - это ССК мезенхимального происхожденияи. Они сохраняются в строме рыхлой соединительной ткани, костной, хрящевой, жировой, мышечной тканях, стенках сосудов и костном мозге (КМ), а также циркулируют в периферической крови. ССК КМ способны in vitro и in vivo к самоподдержанию и дифференцировке под влиянием различных факторов в остеобласты, миобласты, хондроциты, адипоциты, гепатоциты, ангиобласты, нейроподобные клетки и др. [7,8]. При определенных условиях in vitro ССК пролиферируют без заметного старения, а in vivo имеют ограниченный пролиферативный потенциал [7]. В ответ на повреждения органов ССК КМ попадают через кровоток в эти органы, преодолевая практически все барьеры, активно участвуют в процессах обновления тканей и самого КМ. Имеются данные о том, что число ССК у человека уменьшается с возрастом [12]. Так, в КМ при рождении содержится 1 ССК на 10 тыс СК крови (СКК), а к 70 годам – 1 ССК на 1 млн СКК. Эти данные требуют проверки, т.к. современные методы не позволяют уловить уменьшается ли число ССК, или они находятся в фазе Gо. или живые ССК замедляют деления с возрастом. Многие результаты противоречивы и этот вопрос не может считаться решенным [12].
Некоторые ученые связывают заболевания и старение организма с уменьшением числа ССК, старением микроокружения РСК и снижением обновления тканей. Дефицит ССК можно пополнить введением ССК. Так, ССК КМ от молодых мышей in vitro способны активировать гематопоэтические клетки старых животных [12]. Сообщается, что при введении ССК пожилым людям наблюдается оздоровление всех органов, восстановление памяти, уменьшение неврозов, депрессий и слабости, при этом ожидается увеличение ПЖ на 15-20 лет. При трансплантации мышам нескольких поколений СКК КМ от мышей разного возраста не выявлено возрастных изменений СКК, они переживали донорский организм [12]. СКК старых доноров также хорошо, как и СКК молодых мышей выполняли кроветворную и иммунную функции [12,15]. Известно, что у человека число клеток периферической крови не уменьшается до 90 лет. СКК мало подвержены половой и возрастной изменчивости, а изменения кроветворения происходят на промежуточных и окончательных стадиях дифференцировки клеток. При длительном культивировании СКК от молодых и старых мышей, а также при пересадке СК в течение трех поколений от доноров разного возраста, не выявлено различий в количестве и функциональной активности СК [15]. Установлено, что у 27-мес крыс 47% сперматогониев типа А (СК) активно делились с циклом 12,6 дней, т.е. они не очень старели [15]. Эти факты говорят о том, что сами СК не стареют, а возрастное замедление делений, изменение функций СК и их трансдифференцировка могут осуществляться под влиянием стареющего микроокружения. Так, при регенерации частично разрушенных органов обновление тканей возрастает за счет СК. У мышей с ПЖ 3 года СК делятся около 100 раз. Кожные лоскуты от этих мышей можно серийно трасплантировать до 5 раз более молодым животным, так что ПЖ лоскутов увеличивается до 5 лет. Следовательно здесь стромальная ткань каждый раз обновлялется и число делений СК значительно превышает 100. Известно, что при старении молочных желез прекращается обновление ткани. Однако при пересадке молодым животным старых молочных желез их функция восстанавливается. Во всех приведенных опытах не отмечается существенного замедляется старения организма.
Можно сделать вывод, что и причина старения организма не связана с СК.
ВОЗМОЖНОСТИ ЗАМЕДЛЕНИЯ СТАРЕНИЯ
В исследованиях по СК на млекопитающих обычно не поднимается вопрос о причине старения организма. Для преодоления максимальной ПЖ необходимо замедлять процесс старения. Одним из способов проедставляется воздействие на микроокружение СК. Этот вопрос недостаточно исследован. Нами изучаются механизмы упаковки клеточных структур во время развития и влияние их на старение и ПЖ организмов [9]. Клеточные контакты в многоклеточных организмах формируют структуры, обозначаемые как клеточные упаковки, обеспечивающие их циклическое функционирование, пролиферацию клеток, редукцию и регенерацию тканей и ряд обменных процессов. Примерами упаковок является строение стенки кишечника и кроветворных зон костного мозга. Примером циклических изменений является непрерывное ремоделирование костной ткани. Начинаясь со СК, упаковка продолжается продуктами пролиферации и дифференцировки и заканчивается терминально дифференцированными клетками. Межклеточное вещество, отложения и части клеток формируют зоны, разделяющие элементы упаковок, образуя так называемые постоянные структуры. В стационарном режиме существует равновесие между элементами упаковки. Критические состояния развития организма характеризуются перестройкой, разрушением и созданием новых упаковок. Разрушение небольшого участка упаковки стимулирует пролиферацию клеток и регенерацию ткани, а нарушение большого участка уничтожает упаковку. В природе широко распространено явление неотении – выпадение целых стадий развития организма и связанное с этим различие в ПЖ организмов одного и того же вида. При значительной толщине разделителя становится невозможной редукция тканей, обычно связанная с голоданием, охлаждением и другими абиотическими факторами.
Удачными моделями для изучения упаковок являются растения. Например, при редукции вегетативного поколения каланхоэ сохраняется постоянство строения исходного 8-летнего образца при выдерживании в течение 6 лет. Обрезание побегов роз с закладками бутонов вызывало развитие закладок следующего поколения с бутонами меньшего размера. Последовательная многократная обрезка приводит к образованиям, структурированным только на микроскопическом уровне. Предоставленные самим себе, они трансформируются в полноценно структурированные побеги. Изоляция родительского растения у томатов вызывает развивитие почки пасынков и имитирует возникновение многолетнего растения. Дихотомическое развитие верхушечной почки у фасоли вызывает нарушение баланса в упаковке и приводит к отмиранию одного или обоих побегов. Выращивание растений из клеточных культур или камбиальных клеток сопровождается каллюсными образованиями и лишь после этого происходит структурирование растения. Нарушения закладок почек и другие воздействия, разрушающие черешковую пластину, а также сезонное опадание листовой пластины, приводят к гибели растения через промежуток времени, определяемый временем жизни листовой пластины как постоянной структуры. Влияние упаковочных эффектов в опытах на растениях показывает, что при разделении постоянными тканями, например ксилемой, элементы упаковки сохраняют связь через проводящие структуры. Эти примеры указывают на ограничение ПЖ, связанное с постоянными структурами.
Нами проведен анализ роли пептидов в упаковках структур и старении организмов [3,4]. В колонии Volvox carteri соматические клетки синтезируют спектр пептидов, не изменяющихся до полового созревания колонии. Во время созревания (критическое состояние) синтез и активность этих пептидов начинают изменяться, образуются репродуктивные СК клетки, соматические стареют, нарушается матрикс и структура колонии распадается.
Аналогичные свойства проявляют кишечнополостные и некоторые из червей. У губок и гидр обнаружены пептидные факторы, ответственные за гаметогенез. На поздних стадиях гаметогенеза этот процесс и старение можно блокировать голоданием или охлаждением, происходит редукция тела, а затем можно восстановить бластогенез и самоообновление организма за счет СК. Развитие кишечнополостных после редукции начинается со сборки определенного количества клеток при наличии СК. Известна редукция планарий при голодании и восстановительный рост при нормальном питании.. С помощью голодания удавалось продлить жизнь планарий в 25 и более раз. Подобные данные известны из опытов по регенерации тканей животных разных систематических групп [10].
У млекопитающих эти процессы ограничены. Наличие разделителей не позволяет осуществить редукцию и регенерацию и является предельным вариантом гистерезисного накопления, создающего механизм, приводящий к гибели организма, или субстрат для такого процесса. Такие процессы связаны с коллагеном и костной тканью. Поэтому редукция и регенерация в этих структурах сталкивается с ограничениями, в отличие от упаковок кишечника и кроветворных структур костного мозга, функционирующих почти в циклическом режиме. В развитии организма возникновение таких разделителей можно представить как ряд критических состояний (остановка роста и др.). Ряд авторов коллагеновых гипотез старения считает коллаген универсальным субстратом старения [5]. Коллаген действительно изменяется с возрастом, но возможно, вся его роль сводится к изоляции СК. Более того, возрастные изменения коллагена могут быть существенными в механизме старения млекопитающих и отсутствовать у других видов, то есть это частное проявление более общего процесса ограничения самообновления тканей.
Можно предложить следующий алгоритм замедления старения. В организме выделяются структуры, содержащие упаковки клеток, допускающие редукцию упаковки и последующую регенерацию при включении функции СК. Для таких структур используется модель циклических процессов с гистерезисом. Время существования структуры зависит от степени компенсации гистерезисных явлений. Предполагается, что в структурах, где упаковки содержат разделитель клеточных элементов, он является субстратом старения и геропротекторное воздействие включается в момент ослабления разделителя до начала распада упаковки. Возможно и искусственное ослабление разделителя с помощью клеточной терапии с применением ЭСК и восстановление упаковки. При этом существует возможность включения части стволовых клеток, которые находятся в состоянии покоя. Положительные и отрицательные результаты геропротекторного действия голодания могут объясняться этим механизмом. Если в результате голодания ослабляется разделитель и происходит редукция упаковки без ее разрушения, а затем возникает регенерация на основе СК, то возможен положительный эффект. Как правило, модель упаковки применима к старению какой-либо структуры организма. Формирование упаковок по времени связаны с процессами развития, роста организмов и уровнем метаболизма. Поэтому радикальным способом замедления старения у всех видов представляется периодичесие состояние гипобиоза [11] с последующей активацией процессов организма, используя резонансные изменения собственных биоритмов.
ВОЗМОЖНОСТИ ПРОДЛЕНИЯ ЖИЗНИ ОРГАНИЗМОВ
Общебиологический подход к изучению старения позволяет объяснить место СК в этом процессе [10]. Известно, что биологическая регенерация тесно связана со способами размножения, половым и бесполым. В цикле развития многих видов беспозвоночных (губок, кишечнополостных, червей и др.) с чередованием поколений бесполые особи постоянно обновляются за счет СК и старение у них отсутствует. После деления полихет, олигохет на фрагменты происходят увеличение числа СК, их миграции и трансдифференцировки в системе СК и формируются новые особи, которые бывают всегда моложе родительских. Система СК гидроидов образуется из ЭСК, больших I-клеток, которые дают клетки- предшественники (малые i-клетки, нервные, секреторные и др.). Обновление организма осуществляется за счет активации СК нейропептидами, которые секретируются нейросекреторными клетками [3]. Кроме того, эти пептиды тормозят развитие гонад и половое созревание (ПС). Цикл бесполых поколений обычно заканчивается переходом последнего из них к ПС. При этом число I-клеток увеличивается, часть их превращается под влиянием гонадотропных нейропептидов в половые, происходит активный рост репродуктивных органов, созревание гамет, снижение способности СК участвовать в обновлении других тканей и старение. После размножения организм обычно гибнет. Однако у некоторых видов гидр, олигохет, полихет и др. под влиянием питания, температуры или концентрации СО2 в среде возможен обранный переход от полового (стареющего) состояния в бесполое с последующим обновлением организма за счет СК.
При этом блокирование СК нейропептидами снимается, а ПС подавляется. Многие виды гидроидов, червей, немертин, мшанок, асцидий и др. при сезонном похолодании и голодании редуцируются. При этом подавляется ПС и образование гамет, разрушаются старые клетки, а новые ткани образуются за счет СК. При полной редукции тела первой разрушается половая система, а последними гибнут СК. Электронно- микроскопические исследования показывают сходство в обновлении тканей у молодых и голодающих олигохет, в отличие от интактных взрослых. В опытах с голоданием планарий их ПЖ увеличивалась более, чем в 25 раз. Из приведенных фактов следуют 2 вывода: подавление ПС устраняет как старение тканей, так и факторы, блокирующие СК; при частичной редукции тела ПС и старение замедляются, разрушение тканей способствует активации СК в обновлению организма. Аналогичные процессы наблюдаются у многих пресмыкающихся, у которых несколько раз в год происходит смена рогового покрова (у змей) с последующим обновлением кожи и организма. Многие из них впадают в гипобиоз летом во время засухи и зимой. При этом происходит замедление половой функции, метаболизма, старения, редукция органов и тканей, а после гипобиоза обновление организма за счет СК, что позволяет некоторым видам доживать до 100-200 лет [11]. Так, 35-летние исследования долгоживущих пресноводных черепах (Emydidae) показали, что их ПЖ 75-125 лет коррелирует с периодом ПС [10]. Замедление развития и ПС в молодости существенно продлевало их жизнь.
Значительные успехи в увеличении ПЖ достигнуты при изучении нематоды C.elegans [18]. Цикл ее развития, около 9 сут, состоит из 4-х личиночных (3-5 дней) и репродуктивной стадий. При неблагоприятных условиях (голодание и др.) на 3-ей стадии образуется Dauer larva – продленная личинка в состоянии диапаузы с резко замедленным метаболизмом и развитием. Длительность этой фазы - до 20 сут - не влияет на предстоящую ПЖ. Установлены гены daf-1, daf-2, daf-16, age-1, ответственные за замедление развития, метаболизма и увеличение ПЖ D.larva. Известно более 50 мутантов C.elegans с увеличенной ПЖ. Однако у многих из них наблюдаются аномалии развития. Влияние генов на ПЖ остается непонятым и нет доказательств, что старение нематод определяется генетически. Согласно нашим общебиологическим представлениям [10], в стадиях личинок, в т.ч. и D.larva, старение отсутствует, а проявляется в репродуктивной (половозрелой) фазе нематод и после размножения они отмирают. В отличие от D.larva, у других беспозвоночных (насекомых и др.) и у многих млекопитающих, в состоянии гипобиоза именно в репродуктивной стадии резко замедляются метаболизм и старение, происходит редукция тканей тела, а после гипобиоза наблюдается самообновление организма за счет СК [10,11].
У C.elegans образуется 959 соматических и около 2000 половых клеток (ПК). Удаление у них зрелых ПК или гонад не влияет на старение и ПЖ. Однако при удалении родоначальных ПК, т.е. СК, установлено 2-кратное увеличение ПЖ [18]. Объясняют это тем, что половая линия является источником рост- подавляющего сигнала, аналогичного инсулин-подобному фактору 1 (IGF-1) у млекопитающих. Исключение этого фактора, как считают, способствует замедлению развития, старения и увеличению ПЖ. При этом рост взрослой особи продолжается до гигантских размеров. У других видов нематод увеличения ПЖ и/или гигантизма не обнаружено. Известно, что у некоторых видов млекопитающих гонадэктомия в молодости вызывает гигантизм (об увеличении ПЖ данные недостоверны). В опытах на карликовых мышах создавали дефицит IGF-1 с помощью введения гормона роста (СТГ). Животные жили значительно дольше, при этом наблюдались многочисленные эндокринные нарушения и аномалии развития. Введение малых доз СТГ взрослым людям способствует замедлению возрастных изменений, а полугодовая СТГ-терапия 60-80-летних людей вызывает эффекты омоложения и уменьшение биологического возраста на 15-20 лет. Известно, что мужчины, кастрированные в детстве (китайские и турецкие придворные евнухи), и современные гипогонадальные пациенты часто вырастали необычайно высокими и были моложавыми. Рост у них продолжался после 20-летнего возраста.
Имеются сообщения, что кастрированные мужчины живут на 15% дольше. Следует отметить, что у млекопитающих ПК появляются в стадии гаструлы и более позднее их удаление может не повлиять на старение и ПЖ. Разделение СК и удаление ПК на этой стадии связано с значительными техническими трудностями (в т.ч. этическими у человека). Известны способы удаления т.н. зародышевой плазмы из цитоплазмы зиготы, при этом ПК не образуются [10]. Однако удаление половой линии не ликвидирует старение, а описанное выше явление замедления старения можно объяснить изменением полового (в частности гипогонадизм) и соматического (рост) развития организма при отсутствии ПК. При этом непрерывный рост улучшает функцию СК в обновлении тканей.
У млекопитающих закрытие ростовых пластинок и остановка роста происходит вскоре после ПС, наблюдается корреляция между времени закрытия ростовых пластинок и периодом ПС у мышей, кроликов, собак, кошек, приматов и человека. Однако у крыс рост кости замедляется, но продолжается в течение их жизни, что выражается в замедленном старении. Это наблюдается также у некоторых рыб и китообразных. Например, карп Cyprinus carpa живет 125 лет. Из кишки этого карпа выделен пептид, названный лонгевит, который значительно продлевал жизнь мышей. Подобные пептиды исследуются для продления жизни человека. Видимо, этот пептид вызывает снижение обмена веществ у карпа и у некоторых млекопитающих. Многие виды рыб и млекопитающих живут на севере дольше, чем на юге. Известно много лекарственных средств, существенно замедляющих метаболизм у животных с лабильным обменом (грызуны, гетеротермные зимоспящие и незимоспящие) и продлевающих их жизнь [11]. Известно, что при гипофункции гипофиза млекопитающих ПС замедляется. Показано, что мутантные мыши с дефицитом функции гипофиза стареют медленнее и живут дольше [14]. Удаление гипофиза у крыс и введение тироксина замедляло старение и вызывало эффекты омоложения животных: улучшалась функция сердечно-сосудистой и иммунной систем, усиливался рост шерсти, крысы выглядели моложе, данные биохимических и физиологических обследований соответствовали значительно более молодым. По-видимому, замедление старения здесь связано с одновременным снижением уровня гонадотропных и половых гормонов. Такой способ планировался для продления жизни человека до 400 лет [14], но не был осуществлен.
Трудности замедления ПС и старения у млекопитающих, а тем более их остановка, а также омоложение, связаны с тем, что начало половой дифференцировки организма, его органов и систем, в т.ч. половой дифференцировки мозга, начинается в раннем эмбриональном периоде с отделения половых клеток от соматических, сопровождается глубокой дифференцировкой клеточных линий и созданием сложной системы СК, трансдифференцировка которых ограничена в небольшом интервале. Поэтому попытки замедлить ПС воздействием на систему СК может привести к серьезным нарушениям в организме и сокращению ПЖ. Система СК некоторых видов беспозвоночных позволяет преодолеть указанные трудности, исключить ПС, остановить старение и возобнавить самообновление организма. У многих видов, в т.ч. и млекопитающих, только в состоянии гипобиоза происходит резкое замедление ПС, метаболизма и старения, редукция органов с последующим самообновлением организма [11].
Этот способ более эффективен для беспозвоночных животных с чередованием бесполого и полового размножения, чем для млекопитающих.
Бесполый способ размножения, возникнув ранее в эволюции, проявляется у млекопитающих при рождении однояйцевых близнецов и в виде образования опухолей, например тератом. Участие здесь СК имеет полную аналогию с бесполым размножением у беспозвоночных. Т.е. появление опухоли – это древний путь к возрождению организма, противодействия старению, но для млекопитающих он оказался в этом смысле тупиковым. Частично его можно возродить. Сейчас известно, что СК in vitro трансформируются в опухолевые при изменении условий культивирования [2,6]. У млекопитающих после ПС и при старении изменяется внутренняя среда, поэтому вероятность образования трансформированных клеток из СК увеличивается.
Установлено, что трансформированные клетки можно репрограммировать опять в СК. М.Г.Барамия предложил метод запуска программы “эмбрионального развития” трансформированных клеток [1]. Опухолевые клетки рассматриваются им как нормальные, но лишенные нормального развития. Их подвергают редифференцировке в СК и они начинают функционировать в ткани, осуществлять программу самообновления организма и торможения процесса старения. Нормализация опухолевых клеток происходит в условиях изоляции их от иммунного надзора и они приобретают способность проявлять нормальные морфогенетические свойства исходной ткани. У 90% больных с дефектами иммунной защиты опухоли не развиваются [1].
Для создания иммунологической толерантности автор предлагает вести поиски агентов среди: стадиеспецифических (дифференцировочных) антигенов, эмбриональных тканей в качестве толерогенной вакцины, использовании незрелых (диплоидных) половых клеток, опухолевых тканей, пуповинную кровь и др.
В результате, по мнению этого автора, достигается бессмертие. Экспериментального подтверждения этого или похожего метода для млекопитающих нет, хотя, как показано выше, у многих беспозвоночных (гидр, полихет, олигохет и др.) в природе и в эксперименте при определенных условиях возможен переход организма от бесполого (нестареющего) состояния в половое, при этом часть СК превращается в гаметы и организм стареет, а при переходе от полового ( стареющего) состояния в бесполое гаметы лизируются и организм полностью самообновляется за счет СК. Таким способом действительно удавалость продлить жизнь указанным видам в десятки раз. Метод М.Г.Барамия заслуживает внимания с т.з. замедления образования опухолей с возрастом и как новый способ клеточной терапии, однако он не решает проблемы, так как при наличии старения больше СК будет трансформироваться и вероятность опухолей будет постоянно возрастать. С т.з. продления жизни человека можно ожидать такого же эффекта, как и в случае клеточной терапии с помощью ЭСК.
В последние годы некоторые ведущие ученые предлагают решение проблемы бессмертия, основанное на теломеразной гипотезе старения, предложенной в 1971 г А.М.Оловниковым. Известно, что дифференцированные клетки имеют ограниченный пролиферативный потенциал. С т.з. гипотезы, это объясняется потерей в клетках теломеразной активности, что приводит к недорепликации на концах ДНК, замедлению деления клеток и их старению. Это действительно экспериментально подтверждается многими авторами. Сушествуют способы поддержания уровня активности теломеразы в клетках. При этом клетки в культуре и одноклеточные организмы (Tetrahymena) совершают больше делений. Однако нет данных по продлению жизни многоклеточных организмов подобным способом. Анализ исследований по теломеразе показывает, что высокая теломеразная активность наблюдается у всех одноклеточных организмов, а у многоклеточных - в СК, половых, опухолевых клетках и в клетках быстрообновляющихся тканей, однако в дифференцированных клетках она снижается в процессе делений и отсутствует в терминальной стадии. Есть основания считать, что в дифференцированных клетках теломерный механизм является надежным счетчиком числа делений для поддержания постоянства клеток в органах. СК компенсируют гибель дифференцированных клеток, хотя скорость пролиферации последних с возрастом уменьшается, но продолжается до конца жизни, т.е. теломерный механизм продолжает действовать, но менее эффетивно.
Снижение теломеразной активности в дифференцированных клетках можно объяснить старением их в стареющем организме, и это старение не связано с теломерным механизмом, а изменение функции СК при старении организма объясняется микроокружением их стареющими клетками. Так, в фибробластах, выделенных из кожи 100-летних людей, теломеры долго продолжали укорачиваться в культуре []16. Анализ обзорных работ по данной проблеме показывает, что соотношение длины теломер и скорости их укорочения не являются фактором, определяющим пролиферативный потенциал клеток и не огрпничивает ПЖ многоклеточных организмов, а определяет число клеток в органах [2, 16]. Из этого следует, что, если у млекопитающих повышать уровень теломеразной активности и увеличивать длину теломер в дифференцированных клетках, то ткани и органы будут увеличиваться в объемах, пропорциональных разной степени (скорости) обновления каждой ткани, что приведет к быстрой гибели организма.
Выводы. СК не имеют внутренней причины старения, выполняют свою функцию по самообновлению организма до конца жизни и противодействуют старению. Под влиянием возрастного изменения микроокружения СК в стареющем организме изменяются и функции СК. Использование последних достижений в изучении СК позволяет эффективно корректировать возрастные изменения организма с помощью клеточной терапии и увеличить среднюю ПЖ человека до индивидуального предельного срока. Дальнейшее увеличение максимальной ПЖ возможно при воздействии на старение организма, причиной которого не являются СК. В ряду поколений организмов СК ответственны как за бесполое, так и половое размножение, т.е. в филогенезе наблюдается непрерывность линий половых и СК, что обеспечивает бессмертие жизни на Земле. Для продления жизни млекопитающих и человека необходимо замедлять старение. В настоящее время единственным способом замедления старения и продления жизни человека представляется создание периодического замедления обмена веществ, гипобиоза, с помощью комплекса специальных тренировок [11].
ЛИТЕРАТУРА
1. Барамия М.Г. Канцерогенез, старение и продолжительность жизни. //Успехи совр. биол. 1988. Т.118, вып.4. С.421-440.
2. Голубев А.Г. Естественная история теломер //Успехи геронтол. 2001. Вып.7. С.95-104.
3. Заярный А.Н., Чернилевский В.Е. Возможная роль пептидов в процессах старения и самообновления //Докл. МОИП. Общая биология. 1997. МОИП. М. 1998. Деп. Винити, № 3960-В98. С.33-36.
4. Королева С.В. Ашмарин И.П. Путь функциональной классификации регуляторных пептидов. //Журнал эвол. биохимии и физиол. 2000. Т.36, №2. С.154-159.
5. Корочкин Л.И. Дифференцировка и старение вегетативного нейрона. М. Л. : Наука. 1965. 188 с.
6. Лосева Е.В. Нейротрансплантация фетальных тканей и компенсаторно-восстановительные процессы в ЦНС реципиентов //Успехи физиол.наук. 2001. Том 2, №1. С.19-37.
7. Репин В.С. Эмбриональная стволовая клетка //Успехи физиол.наук. 2001. Т.32, №1. С.3-18.
8. Сухих Г.Т., Малайцев В.В. Нейральная стволовая клетка: биология и перспективы нейротрансплантации // Бюллетень эксп. биол.и мед. 2001. Т.131, №3. С.244-255.
9. Чернилевский В.Е. Роль стволовых клеток и упаковок клеточных структур в самообновлении и старении организмов //Докл. МОИП. Общая биол. 2001. МОИП. М., 2002. Деп. ВИНИТИ, № 1206-В2002. С.35-43.
10. Чернилевский В.Е. Общебиологический подход к изучению причины старения //Биологические проблемы старения и увеличения продолжительности жизни. М. :Наука. 1985. С.21-32.
11. Чернилевский В.Е. Искусственный гипобиоз как способ продления жизни //Профилактика старения. Ежегодник НГЦ. 2001. Вып. 4. С.34-48.
12. Чертков И.Л., Фриденштейн А.Я. Клеточные основы кроветворения. М. :Медицина. 1977. 274 с.
13. Capel B. Clonal contributions of small numbers of retrovirally varked hematopoietic stem cells // Proc. natl. Acad. Sci. USA. 1989. Vol.86. Р.4564-4568.
14. Dencla W.D. Interactions between age and the neuroendocrine and immune systems //Fed. Proc. 1978. Vol.37. P.1263-1267.
15. Harrison D.E. Do hemopoietic stem cells age? // Cell.ageing. Basel. 1984. P.21-41.
16. Krupp G. Klapper W. Parwaresch R. Cellproliferation, carcinogenesis and diverse mechanisms of telomerase regulation // Cell. Mol. Life sci. 2000. Vol.57. P.464-486.
17. Odorico J.S. Multilineage differerntiation from human embryonic stem cells lines //Stem cells. 2001. Vol.19, №3. P.193-204.
18. Riddle D.L. Caenorhabditis. elegans. N-Y. :Cold spring Harbor laboratory Press. 1997. 1222 р.