רפרוגרמינג תאי חלקי

פורסם בתאריך יוני 11, 2022 על ידי tomerlan

בשנת 2016 חיפשתי מעבדה לעשות בה דוקטורט, ואחת השאלות הגדולות שעמדו בפני היתה באיזה תחום להתמקד. ביוגרונטולוגיה היא שדה מחקר רחב עם הרבה היבטים וכיווני חקירה. באותה שנה התפרסם בנייצ'ר המאמר המפורסם של יאן ואן דורסן על סילוק של תאים סנסנטיים בעכברים מזן בר [1], וגם הפרדיגמה של החלפת דם קיבלה תנופה משמעותית [2]. אבל המאמר שהכי עניין אותי התפרסם בג'ורנל Cell ועסק במה שנקרא cellular reprogramming ("תכנות מחדש" של תאים, להלן רפרוגרמינג) בתוך גוף חי (in vivo) [3]. במאמר הזה הראו חוקרים ממעבדתו של חואן קרלוס אספינוזה בלמונטה ממכון סאלק, שרפרוגרמינג לא רק מצעיר תאים בתרבית (דבר שהיה ידוע זה מכבר), אלא גם מצעיר ומאריך את משך החיים של עכברים כשהוא מתבצע בתוך גוף חי. זה היה מלהיב במיוחד כיוון שזו טכנולוגיה שאם היא עובדת אז היא ממש gamechanger, עם פוטנציאל להשיב את הנעורים לעצמות הזדקנות שלי (שאז כבר נשקו ל-30). למרות ההתלהבות הרבה לא הסתייע לי לחקור את התחום הזה בדוקטורט, אבל הטכנולוגיה הזאת נותרה התקווה הגדולה ביותר שלי לנעוריי עד. בשנה האחרונה התפרסמו עוד כמה מחקרים מבטיחים בנושא הזה, ובעקבותם כמה וכמה כתבות צהובות. בנוסף הנושא זוכה לתשומת לב הולכת וגוברת מצד משקיעים (בולט ביניהם ג'ף בזוס), כך שזה מאוד timely לכתוב על זה דווקא עכשיו.

אז מה זה רפרוגרמינג? כדי לענות על זה צריך להכיר כמה מושגים. התמיינות היא התהליך בו תא גזע מתבגר ורוחש התמחות/זהות, כלומר הוא הופך לתא מסוג מסויים כמו תא עור או תא שריר. התמיינות מתרחשת במהלך ההתפתחות העוברית אבל גם בבגרות. בתהליך ההתפתחות העוברית, הזיגוטה (תוצר ההפריה של ביצית על ידי זרע), מתחלקת שוב ושוב והעותקים שלה מתמיינים בהדרגה לסוגי תא שונים שמרכיבים את הרקמות והאיברים השונים בגוף. פוטנטיות תאית היא פוטנציאל ההתמיינות של תא גזע לתאים מסוגים שונים. תאי גזע שמתמיינים במהלך ההתפתחות מאבדים בהדרגה (תוך מעבר בשלבי ביניים) את הפוטנטיות שלהם.

תאי גזע עובריים מול תאי גזע בוגרים (סומטיים). מתוך [4].

התמיינות היא תהליך חד-כיווני בו התא "מתחייב" להחלטה שלו. תא שהתמיין לתא עור לא יוכל להתמיין לתא שריר או לתא עצם וכו'. גם פוטנציאל החלוקה של תא בוגר הוא מוגבל, כלומר הוא יכול להתחלק מספר פעמים וזהו לפני שהוא מת. תאים שמשמרים את הפוטנטיות ואת פוטנציאל החלוקה שלהם לאורך החיים נקראים תאי גזע בוגרים, ולרוב הם יכולים להתמיין למספר סוגי תאים אבל לא לכולם. פוטנטיות מלאה (טוטי-פוטנטיות), היכולת להתמיין לכל סוגי התאים, היא בלעדית לזיגוטה. תאי גזע עובריים הם בעלי פלורי-פוטנטיות, כלומר יכולים להתמיין כמעט לכל סוגי התאים. בשנת 2006 הצליחה קבוצת מחקר בראשיתו של שיניה ימאנאקה מאוניברסיטת קיוטו להשרות פלוריפוטנטיות בתא סומטי בוגר [5]. כלומר, לקחת תא שעבר התמיינות (למשל תא עור) ולהפוך אותו בעזרת מניפולציה מולקולרית לתא גזע פלוריפוטנטי בעל יכולת להתמיין לסוגי תאים רבים. לכן רפרוגרמינג נקרא גם induced pluripotency, או פלוריפוטנטיות מושרית, והתאים שמתקבלים בתהליך הזה נקראים תאי גזע עובריים מושרים.

הצוות של ימאנאקה בעצם הצליח להסיג לאחור את תהליך ההתמיינות. הגילוי של רפרוגרמינג תאי היה פורץ דרך וזיכה את ימאנאקה בפרס נובל לרפואה בשנת 2012. לא בלבד שגילוי זה פתח אופקים חדשים לרפואה רגנרטיבית (ע"י יצירת מקור הספקה בלתי נדלה של תאי גזע עמידים לדחייה חיסונית), אלא הוא גם חשף את אחד מסודות החיים. לפני שנבין מהו סוד החיים הזה ואיך זה קשור להזדקנות, נסביר בקצת יותר פרטים איך מתבצע רפרוגרמינג ואיך זה התגלה.

מה שימאנאקה ושות' הראו הוא שביטוי של 4 גורמי שעתוק (גורמי שעתוק הם גנים ששולטים על ביטוי של הרבה גנים אחרים. הסברתי על ביטוי גנים כאן) בתוך התא מוחק את הזכרון האפיגנטי שלו והופך אותו לפלוריפוטנטי. זכרון אפיגנטי הוא כלל השינויים שחלים בחומר התורשתי בתא שאינם כרוכים בשינוי הדנא עצמו (גם על זה הסברתי כאן). הזהות של התא, כתא עור למשל, היא חלק מהזכרון האפיגנטי שלו. 4 גורמי השעתוק שאחראיים על הפעולה הזאת – Oct4 ,Sox2, Klf4, cMyc – ידועים כיום כ"גורמי ימאנאקה", או בראשי תיבות OSKM. מאז התברר שיש שילובים אחרים של גורמי שעתוק שביטויים נותן את אותה התוצאה או תוצאה דומה. בקיצור, רפרוגרמינג = מחיקת הזכרון האפיגנטי בעזרת גורמי שיעתוק.

כדי לגלות את גורמי ימאנאקה, החוקרים השתמשו בטכניקת מעבדה שנקראת העברת גרעין סומטית, שעומדת בבסיסו של תהליך השיבוט האורגניזמי. זהו התהליך בו יוצרים עותק זהה מבחינה גנטית של אורגניזם שלם. ניסוי השיבוט הראשון התבצע בתאים של צפרדע, אבל הניסוי המפורסם ביותר הוא הניסוי משנת 1996 בו שיבטו את הכבשה דולי [6], שהיתה ליונק המשובט הראשון. כדי לשבט את דולי, הוציאו את הגרעין (איפה שרוב הדנא, הוא החומר התורשתי, נמצא) מתוך תא עטין בוגר של כבשה א' והחדירו אותו במקום הגרעין של תא ביצית של כבשה ב' (לחילופין, איחו את התאים בעזר פולס חשמלי). הביצית הזאת הושתלה חזרה ברחם של כבשה ג', שהרתה כבשה (דולי) שהיא זהה מבחינה גנטית לכבשה א' (כי משם לקוח החומר התורשתי).

תהליך השיבוט על ידי העברת גרעין סומטית. מתוך [7].

הזכרון האפיגנטי של התא מקודד כולו בכרומוזומים שבתוך גרעין התא, שנלקח מכבשה א'. הכרומוזומים של כבשה א', שנשא את הזכרון האפיגנטי של תא עטין בוגר, עברו רפרוגרמינג בתוך הביצית של כבשה ב'. בעקבות ההשתלה, הכרומוזום "שכח" שהוא שייך לתא בוגר וחשב שהוא שייך לתא ביצית (מופרית). המשמעות של זה היא שבתוך הציטופלזמה של הביצית של כבשה ב' ישנם גורמים (מולקולות כלשהן) שהשרו רפרוגרמינג בכרומוזום השתול. ימאנאקה זיהה שכאן טמון המפתח להבנה של רפרוגרמינג. בתהליך מפרך של אלימינציה, הצליח הצוות שלו לבודד את ארבעת הגורמים לעיל שהם הכרחיים ומספיקים כדי להשרות רפרוגרמינג לתא גזע פלוריפוטנטי. זה עוקף את הצורך בפרוצדורה המורכבת של העברת גרעין.

ומה הקשר להזדקנות? בניגוד לשמועות שאפפו את המקרה של דולי, כבשים שמגיעות לעולם בתהליך של שיבוט גנטי אינן מראות סימנים של הזדקנות מוקדמת. אי אפשר להבדיל בינן לבין כבשים שנולדו בתהליך טבעי של הפרייה. מכאן שהגיל של הגרעין שתרמה כבשה א', שנלקח מתא סומטי בוגר, עבר איפוס. כלומר, מחיקת הזכרון האפיגנטי מחקה גם את סממני ההזדקנות!

האם הגיל של תא גזע פלוריפוטנטי מושרה מתאפס כפי שקורה עקב העברת גרעין? באחד המחקרים המוקדמים בנושא, בשנת 2011, הצליחו החוקרים להשרות רפרוגרמינג בעזרת גורמי ימאנאקה בתאי סיב שנלקחו מסנטנריאנים (אנשים שעברו את גיל 100) [8]. לאחר מכן, תאי הגזע שהתקבלו מוינו שוב לתאי סיב. החוקרים השוו תאים אלה לתאי סיב שמוינו מתאי גזע עובריים (כלומר צעירים). הם בחנו מספר סממנים של הזדקנות, כמו פרופיל ביטוי הגנים של התאים, עקת חמצון ומורפולוגיה ומטבוליזם של המיטוכונדריה. לא נמצא הבדל מבחינת סממנים של הזדקנות בין תאים שמקורם בסנטנריאנים לבין תאים ממקור עוברי. כלומר, השראת רפרוגרמינג ומיון מחדש הצעירו את התאים הזקנים, לפחות במדדים שהניסוי בחן. בהמשך, השיגו תוצאות דומות אפילו בתאים מסופר-סנטנריאנים (אנשים שעברו את גיל 110) [9].

עכשיו אסביר למה קראתי "סוד החיים". בני אדם יכולים להעמיד צאצאים רק אחרי שהגיעו לבגרות וגם שנים רבות לאחר מכן. בנקודת זמן זאת, הם כבר הזדקנו במידה מסויימת, ואילו הצאצאים שמתפתחים מתאי הרבייה שלהם, הם צעירים לגמרי ובעלי תוחלת חיים זהה לזאת של ההורים. אם זה לא היה ככה, הרי שהשושלת שלנו כולה היתה מזדקנת וגוועת. אפשר לחלק את התאים בגוף לתאי הסומה, שמרכיבים את רוב הגוף והם בני תמותה, ולתאי שורת הנבט, תאי הרביה שמהווים שושלת בת אלמוות. כדי להמנע מהורשה של הזדקנות מדור לדור, תאי שורת הנבט חייבים בעת ההפרייה להפטר מסממני ההזדקנות שהצטברו בהם עד גיל הבגרות. הם מוכרחים לאפס את השעון הביולוגי. הראיות כעת מצביעות על כך שזה מתבצע לפחות באופן חלקי על ידי ביטוי של גורמי ימאנאקה (יתכנו גם תהליכים נוספים לא רק בעת ההפרייה אלא גם בהמשך ההתפתחות העוברית [10]), ולכן אפשר לומר שימאנאקה גילה את אחד מסודות החיים. יתכן שצורות חיים רב-תאיות פרימיטיביות יותר שהן בנות אלמוות, כמו ההידרה, מנצלות גם הן מנגנונים של תאי שורת נבט בתאים הסומטיים שלהן [32].

לסיכום (ביניים), רפרוגרמינג הוא תהליך בו תא סומטי בוגר הופך לתא גזע פלוריפוטנטי על ידי מחיקה של הזכרון האפיגנטי (היפוך של תהליך ההתמיינות). אפשר להשרות רפרוגרמינג בעזרת גורמי ימאנאקה (לא רק). ישנן ראיות לכך שתא שעובר רפרוגרמינג מאבד לא רק את הזהות שלו כתא בוגר (כמו תא עטין), אלא גם את סימני ההזדקנות שהוא צבר. כלומר הגיל של התא מוטבע אפיגנטית, ממש כמו הזהות של התא. התהליך הזה מחקה ככל הנראה את תהליך ההפריה, וזהו מנגנון שיכול להסביר איך נמנעת הורשה של הזדקנות מדור לדור.

מחקרים מאוחרים יותר בחנו את ההשפעה של רפרוגרמינג על סממנים נוספים של הזדקנות. הם הראו התחדשות של טלומרים [11], וגם שיפור של מדדים פונקציונליים בתאים שעברו רפרוגרמינג, כמו יכולת אכלוס מחדש של רקמה פגועה [12]. בנוסף, רפרוגרמינג מאפס את השעון המתילומי [13-17]. השעון המתילומי הוא מדד לגיל ביולוגי שמבוסס על דפוס מתילציית דנא. במתילציית דנא מתווספות קבוצות כימיות הנקראות מתיל למולקולת דנא (ראו כאן). בתהליך ההזדקנות, הדנא נעשה יותר ויותר ממותל. הגרסא הראשונה של השעון המתילומי פותחה על ידי סטיב הורוואת' מ-UCLA בשנת 2013 [13], וכיום הוא משמש כמדד חשוב ליעילות של טיפולים נוגדי הזדקנות. לכן הסגה לאחור של השעון היא עדות חזקה להיפוך של הגיל הביולוגי.

גם תאי הבת של התאים שעברו רפרוגרמינג שמרו על תכונות של תא צעיר. סממנים מסויימים היו עמידים יותר ונדרשו מספר מחזורים של חלוקה והתמיינות כדי למחוק אותם [18]. מוטציות בדנא הן דוגמא לסממן של הזדקנות שלא יכול להיות מושפע מרפרוגרמינג כיוון שהמידע על רצף הדנא המקורי אובד במקרה של מוטציה ולא ניתן לשחזר אותו. על החשיבות של מוטציות בתהליך ההזדקנות אני רוצה לדון בפוסט נפרד.

המשמעות העמוקה של הגילויים האלה היא שהמידע על "מה זה להיות תא צעיר וחסר זהות" שמור איכשהו לא רק בתאים של שורת הנבט אלא גם בתאים סומטיים, כמו פקטורי סטינגס של מחשב שהתקינו עליו תוכנות שונות, ותהליך הרפרוגרמינג ניגש למידע הזה ומשחזר אותו (האנלוגיה למחשב מתבקשת לאור זאת שהמילה רפרוגרמינג מושאלת מעולם המחשבים).

עד כאן זה נשמע מאוד מבטיח. מצאנו דרך להצעיר תאים. הגוף שלנו מורכב מתאים. אז בוא נצעיר את התאים כמו שלמדנו ופתרנו את הבעיה! ובכן, יש שני מכשולים שצריך להתגבר עליהם. המכשול הראשון הוא עקרוני יותר. ההזדקנות של הרקמה היא יותר מורכבת מאשר רק ההזדקנות של התאים שמרכיבים אותה, כיוון שהיא כרוכה גם בשינויים בהרכב התאים (כלומר כמה תאים יש מסוג א' וכמה מסוג ב'), ובשינויים מבניים (איפה נמצא כל תא, וגם שינויי של התווך שבו התאים נמצאים). האורגניזם מורכב מרקמות רבות ולכן ההזדקנות שלו אפילו יותר מורכבת. אז צריך לבדוק ולראות אם הצערה של התאים אכן גוררת הצערה של הרקמה. יתכן שבשלבים מתקדמים של זקנה, אחרי שהרקמה עברה שינויים מבניים משמעותיים, הצערה של התאים בלבד לא תציל אותה, וידרשו התערבויות נוספות.

המכשול השני הוא מעשי יותר – לגרום לתאים לעבור רפרוגרמינג ולהתמיין חזרה לסוג התא הנכון בתוך הגוף. תדמיינו שכדי להצעיר לכם את הלב הופכים את התאים שלו לתאי גזע (אתגר משמעותי בפני עצמו כשמדובר במיליארדי תאים במבנה של רקמה, אבל לצורך הפשטות נתעלם מזה), ולאחר מכן הם מתמיינים, במקום לתאי שריר, לתאי עצם, עין וכו'. זה בהחלט לא התוצאה שקיווינו לה, אבל מסתבר שזה בדיוק מה שקורה. ניסויים בעכברים, שהונדסו גנטית כך שאפשר יהיה להשרות רפרוגרמינג בתאים שלהם בעזרת דוקסיציקלין, פיתחו סרטן וטרטומות [19, 20]. טרטומות הם גידולים שמורכבים מסוגי תאים שונים. זה מגעיל כמו שזה נשמע. כמובן שעכברים אלה לא שרדו לאורך זמן. האם אפשר לבצע רפרוגרמינג בתוך גוף חי בצורה בטיחותית?

טרטומות שנוצרו בגוף של עכבר בעקבות רפרוגרמינג. מתוך [20].

זה מחזיר אותי למאמר שציינתי בפתיח [3]. בלמונטה והתלמיד שלו אלחנדרו אוקמפו ביצעו ניסוי בו הם השרו רפרוגרמינג חלקי בתוך גוף חי, על ידי מתן מחזורי של דוקסיציקלין – יומיים כן חמישה ימים לא – החל מגיל 8 שבועות ועד סוף החיים. במינון הזה, העכברים לא פיתחו סרטן או טרטומות. במקום זאת, תוחלת החיים החציונית שלהם גדלה ב-30% ותוחלת החיים המקסימלית ב-20% (בעכברים פרוגרואידים עם מוטציה ב LmnaG608G), והם הראו שיפור ביכולת חידוש רקמות (בעכברים מזן בר). זה היווה הוכחת היתכנות לרפרוגרמינג כטיפול רג'ובנטיבי, וגם הוליד את הקונספט של רפרוגרמינג חלקי/חולף/חלש, שמאז הפך לתחום מחקר חם בפני עצמו. מחקר אחר הראה שמחזור אחד בלבד של רפרוגרמינג מסב לאחור סממנים של הזדקנות בלבלב, כבד, טחול ודם [21]. מחקרים נוספים ממעבדתו של בלמונטה הראה שרפרוגרמינג חלקי עם OSKM של תאים הפטוציטיים של הכבד [22], או של תאי שריר [23], משפרים את יכולת הרגנרציה הטבעית של איברים אלה. כמו כן, הם הראו שטיפול ארוך טווח ברפרוגרמינג חלקי הינו עדיף על טיפול קצר טווח, והוא גם בטיחותי [33].

איור של תוצאות הניסוי הראשון ממעבדתו של בלמונטה [3].

מחקר נוסף [24] בעל פרופיל גבוה יצא ממעבדתו של דייויד סינקלייר באוניברסיטת הרווארד. במחקר זה השתמשו באדנו אסושייטד וירוס (AAV) כדי להחדיר מקטע גנים שיבטא 3 גורמי ימאנאקה (OSK) בתאי גנגליון (תאי עצב של הרשתית) של עכבר. הפרוצדורה הזאת הצליחה לשקם את העצב האופטי של עכברים מפציעה. בנוסף, היא השיבה את כושר הראיה לעכברים זקנים ועכברים שהתעוורו כתוצאה מגלאוקומה, והסבה לאחור את פרופיל ביטוי הגנים שלהם ואת השעון המתילומי.

איור של תוצאות הניסוי ממעבדתו של סינקלייר [24].

רפרוגרמינג חלקי נועד להסיר את הצימוד בין מחיקת זהות התא למחיקת גיל התא, שבא לידי ביטוי ברפרוגרמינג מלא. אם לחזור לאנלוגיה למחשב, רפרוגרמינג מלא משול לפרמוט בכך שהוא משחזר את המצב התחילי של התא (הפקטורי סטינגס של מחשב), בעוד שרפרוגרמינג חלקי משול ללמחוק את הוירוסים ותוכנות הזבל מבלי למחוק את התוכנות החשובות. הכונן באנלוגיה הזאת הוא הכרומוזומים, שהמידע מקודד בהם בצורה של סימנים אפיגנטיים (כמו מתילציה).

רפרוגרמינג חלקי מסב לאחור את ההזדקנות מבלי לגרור אובדן של זהות התא כשמתבצע בתרבית (שמאל) או ליצירה של טרטומות כשמתבצע בתוך גוף חי (ימין). מתוך [31].

מחקרים בתרביות תאים הראו שבעזרת רפרוגרמינג חלקי אכן אפשר להשיג איפוס של הגיל האפיגנטי מבלי למחוק את זהות התא. מעקב אחרי גיל המתילציה של תאי סיב שעברו רפרוגרמינג מצא כי איפוס הגיל קורה בשלב מוקדם של הרפרוגרמינג, לפני איפוס הזהות של התא [25]. המדידות הראו שהגיל המתילומי פוחת בצורה לינארית עד ליום 20 של הטיפול בגורמי ימאנאקה, שבו הוא מתאפס. ההתאפסות של הגיל האפיגנטי מקדימה את התייצבותם של סממני אובדן זהות – עליה ברמות הביטוי של גנים עובריים וירידה בגנים שמאפיינים תאי סיב. מחקר נוסף הראה ירידה של 30 שנים בגיל המתילומי של תאי סיב בעקבות רפרוגרמינג חלקי [26]. המשמעות של זה היא שהשראת רפרוגרמינג ראשית מריצה לאחור את ההזדקנות ורק אז את ההתפתחות. זה מספק תמיכה לא צפויה לתיאוריה הפחות מקובלת שרואה בהזדקנות המשך של תהליך ההתפתחות [27].

ירידה של הגיל האפיגנטי (מתילומי) כפונקציה של משך הרפרוגרמינג, לעומת עליה של גנים עובריים וירידה של גנים פיברובלסטיים. מתוך [25].

כיום נחקרים גם שילובים שונים של גורמי שיעתוק. מחקר אחד הראה היפוך של הגיל האפיגנטי בתאי סחוס וגם שיפור ביכולת הרגנרציה של תאי שריר אנושיים בעקבות רפרוגרמינג חלקי בעזרת 6 גורמי שעתוק (OSKM + LIN28 + NANOG) [28]. מחקר מעניין במיוחד ממכון Calico שבבעלות אלפאבית הראה שתתי קבוצות של גורמי ימאנאקה (שילובים של שנים או שלושה מתוכם) משפיעים בצורה שונה על איפוס הגיל ומחיקת זהות התא [29]. למשל, אם משתמשים ב-OS בלבד מקבלים איפוס גיל דומה לזה שמתקבל מ-OSKM, אבל מחיקת זהות חלקית (54% לפי המדד במאמר). זה מרמז שאולי אפשר להסיר את הצימוד בין מחיקת זהות התא לאיפוס גיל בעזרת שילוב שטרם נודע של גורמי שיעתוק (לא מתוך הסט של ימאנאקה) ללא קשר למינון או עיתוי. סט אלטרנטיבי כזה של גורמי שיעתוק שישיג איפוס של הגיל בלבד הוא הגביע הקדוש של התחום.

אפשר לסכם את השאלות הפתוחות בתחום כך: 1. האם ישנם סממני הזדקנות תאיים שהם עמידים לרפרוגרמינג. 2. האם בעזרת רפרוגרמינג ניתן להסב לאחור את הגיל של הרקמה כולה ולא רק תאים. 3. מהו המינון והעיתוי שבו יש לתת את גורמי הרפרוגרמינג בתוך גוף חי. 4. מהם הסיכונים הכרוכים ברפרוגרמינג בתוך גוף חי ואיך עוקפים אותם. 5. כיצד להחדיר את גורמי השעתוק אל תוך התאים בצורה בטוחה ויעילה. 6. האם קיימים גורמי שיעתוק שהפעלתם מאפסת את הגיל הביולוגי מבלי למחוק את זהות התא. התחום הזה באמת עדיין צעיר, והתשובות לשאלות האלה יכריעו את עתידו.

לסיום, אני רוצה לדון בהשפעה של הגילויים האלה על תעשיית הביוטק. התגליות נערמות בקצב מסחרר ולכן רבים אינם מתמהמהים וממהרים לקפוץ על עגלת הרפרוגרמינג למרות השאלות הרבות שנותרו עדיין ברמת המדע הבסיסי. לאחרונה דווח כי לא פחות משלושה מיליארד דולר הושקעו ב-Altos Labs, חברה מסחרית בעלת פאנל מרשים של מומחים שמתכוונת ליישם שיטות של רפרוגרמינג כטיפול רג'ובנטיבי. אלטוס היא אחת מלפחות 10 חברות, שרובן ממוקמות בקליפורניה, שזו המטרה המוצהרת שלהן [30]. יתכן שגם קאליקו הולכת בכיוון הזה, והראיה לכך היא המאמר שלהם שציינתי קודם. אפשר לומר שהתחום די מתפוצץ. נראה שהפרדיגמה של רפרוגרמינג דוחקת הצידה את המתחרות, קרי סנוליטיקה ועירוי דם צעיר. השיטה הותיקה ביותר לנגוד את תהליך ההזדקנות, הגבלה קלורית, והתכשירים השונים שמחקים הגבלה קלורית, נראים עכשיו פחות אטרקטיביים מפני שהם רק יעכבו את תהליך ההזדקנות ולא יסבו אותו לאחור. אפשר להבין את זה, הרי עיכוב ההזדקנות כבר לא יעזור לרוב המיליארדרים של עמק הסיליקון. מצד שני, תכשירים מדמי הגבלה קלורית כמו מטפורמין כבר קרובים יותר למדף, וקשה להאמין שנדלג על השלב הזה ונקפוץ ישר לרפרוגרמינג.

מקורות

האם אפשר יהיה להסיג לאחור את ההזדקנות או רק לעכב אותה?

פורסם בתאריך מאי 30, 2021 על ידי tomerlan

אלה שיהנו במיוחד מתכשיר מעכב הזדקנות הם אלה שטרם הזדקנו. אנשים, כל אחד לפי גילו, לא מאחלים לעצמם זקנה ארוכה. בני 20 מאחלים למות בגיל 60, "לפני שהם יהיו זקנים". בני 30 בגיל 70, ובני 40 בגיל 80. סבתי בת 91 אמרה לי רק לפני כמה ימים שהיא "תשמח לעוד כמה שנים". ככל הנראה זו שאלה של פרספקטיבה. בהנתן הלך הרוח הזה אפשר להבין למה אנשים צעירים לא מוצאים הבטחה גדולה בתכשירים מעכבי הזדקנות, שבהערכה אופטימית יגיעו רק בעוד עשרות שנים כאשר הם כבר זקנים מכדי להנות מהם, לתפיסתם. כאמור, אפשר לפקפק בתפיסה זו כי רוב הזקנים לא מבקשים למות, אבל ברור שהערך של תכשיר שלא רק מעכב או עוצר את ההזדקנות אלא מסיג אותה לאחור הוא גדול לאין ערוך. מבחינה טכנולוגית זה נשמע הרבה יותר שאפתני. מילא משהו שגורם לך להזדקן לאט יותר, הרי צבים עושים את זה, אבל ללכת לישון זקן ולהתעורר צעיר? זה כבר נשמע ממש כמו מדע בדיוני. האם יש תימוכין להיתכנות של דבר כזה?

בפוסט קודם עסקתי בשאלה אם באופן עקרוני אפשר להסיג לאחור את ההזדקנות, בהנתן שמדובר בהצטברות של נזק מולקולרי, ועניתי עליה בחיוב. אבל עכשיו אני שואל האם זה מעשי. מעשי – תכשיר רפואי שמבוסס על כמה מולקולות; לא מעשי – ננובוטים שמתרוצצים בגוף שלנו ומתקנים כל תא בעזרת ננו-פטיש וננו-מסמר. ובכן, מסתבר שלאופציה המעשית יש היתכנות. כמה וכמה מחקרים בתרביות תאים ובעכברים הראו שזקנה, או לפחות אספקטים מסויימים שלה, היא עניין פלסטי. כלומר, הם לא הסתפקו בלהאריך את משך החיים של העכבר, דבר שיכול להעיד על עיכוב תהליך ההזדקנות, אלא הם לקחו עכבר זקן או תא זקן והראו שהטיפול עושה אותו צעיר יותר, מבחינות מסויימות. להלן ליקטתי את הדוגמאות הכי משכנעות.

קבוצת חוקרים מאוניברסיטת ארסמוס ברוטרדם השיגו תוצאות ממש מרשימות באמצעות סוג של סנותרפיה, היינו סילוק של תאים סנסנטיים [1]. מי שרוצה להבין בדיוק במה מדובר מוזמן לקרוא את הפוסט על סנותרפיה. בקצרה, תאים סנסנטיים הם תאים שחלוקתם נעצרה כתגובה לנזק. עם הגיל, תאים כאלה מצטברים ומביאים לירידה בתפקוד הרקמות, ולמעשה להזדקנות. החוקרים מצאו דרך להשרות אפופטוזה (מוות תאי מתוכנת) בתאים סנסנטיים באמצעות פפטיד (פפטיד הוא חלבון קצר. כשאתה רוצה לחדור לתא עוזר להיות קצר) שמפריע לאינטראקציה של שני גנים חשובים בתאים סנסנטיים – FOXO4 ו-p53. התוצאה היתה רסטורציה של צפיפות שיער, תפקות כליות ועוד כמה דברים נחמדים:

עכבר שטופל בחומר סנוליטי — עכבר פרוגרואידי (XpdTTD/TTD) לפני ואחרי הטיפול בפפטיד. מתוך [1].

דוגמא נוספת: דנא מיטוכונדריאלי (דנא שנמצא במיטוכונדריה, האברון בתא בו מופקת אנרגיה), להבדיל מדנא גרעיני (דנא שנמצא בגרעין התא), מהווה חלק קטן מכלל הדנא בתא. במהלך ההזדקנות חלה ירידה טבעית בכמות הדנא המיטוכונדריאלי. חוקרים מאוניברסיטת אלבמה שבבירמינגהם הנדסו גנטית עכבר (זו פרקטיקה סטנדרטית במחקר ביולוגי, לא איזה מעשה פרנקנשטיין) שאפשר להשרות בו הרקה (כלומר הוצאת תוכן) של הדנא המיטוכונדריאלי בכל התאים בגוף. הרקה זו במשך חודשיים הובילה לפנוטיפ דמוי-זקנה (פרוגרואידי), שכלל בין השאר נשירת שיער והתקמטות של העור [2]. למרבה הפלא, לאחר חודש אחד של נרמול רמות הדנא המיטוכונדריאלי (ע"י הפסקת השראת ההרקה) העור והשיער השתקמו, באופן שניכר בעין בלתי מזויינת וגם מתחת למיקרוסקופ (מספר זקיקי השיער עלה וסימני הדלקתיות פחתו):

a. עכבר מזן בר (i) מול עכבר שעבר השראה (ii) ואותו עכבר לאחר גמילה (iii). b. חתך של רקמת עור, לפי אותו סדר. c. הכחול מסמן תאי פיטום, תאי דם לבנים שמעידים על דלקתיות בעור. מתוך [2].

אוטופאגיה (אוטו = עצמי, פאגיה = אכילה) הוא המנגנון הטבעי שגורם להרס ופירוק של מרכיבים תאיים לא מתפקדים או לא נחוצים. אוטופאגיה מהווה חלק חשוב מתהליך חילוף החומרים ובקרת האיכות של התא. בהזדקנות חלה ירידה באוטופאגיה. חוקרים מקיימברידג' הראו בעזרת מודל עכברי גנטי שדיכוי אוטופאגיה משרה סימפטומים של הזדקנות [3]. בעכברים שהם הנדסו אפשר לכבות את הביטוי של הגן Atg5 ששולט בתהליך האוטופאגיה בעזרת doxycycline (או dox בקיצור. זו סוג של אנטיביוטיקה, שמשמשת כאן כרגולטור ללא קשר לסגולות האנטיביוטיות שלה). דיכוי האוטופאגיה למשך 4 חודשים גרר שינויים פיזיים גלויים כמו גבנון והאפרת שיער, והמשך הדיכוי קיצר את תוחלת החיים:

עקומת ההשרדות של העכברים המהונדסים (אדום) שמקבלים dox לעומת עכברים מזן בר (כחול). מתוך [3].

כדי לראות אם מדובר באפקט הפיך החוקרים גמלו קבוצה של עכברים מה-dox ואפשרו לאוטופאגיה לחזור לרמות המקוריות שלה. לאחר 4 חודשים של גמילה חלה נסיגה חלקית של סממני ההזדקנות, כפי שבא לידי ביטוי באינדקס השבריריות (Frailty):

כל נקודה בגרף מייצגת עכבר. משמאל, קבוצת הבקרה (בכחול, עכברים ללא מוטציה כך שהם לא מושפעים מהטיפול) מול קבוצת הניסוי (באדום, עכברים מוטנטים) לאחר 4 חודשי דיכוי אוטופאגיה; במרכז, כמו משמאל כעבור חודשיים נוספים; מימין, לאחר 4 חודשים של דיכוי ו4 חודשים של גמילה. 4 חודשים אחרי הגמילה המצב טוב יותר מאשר לפניה. מתוך [3].

אינדקס השבריריות הוא מדד שמשקלל את אוסף של פנוטיפים של הזדקנות, ביניהם אובדן שיער, אובדן צבע שיער, אובדן שפם, ירידה באיכות פרווה, נוכחות גידולים, גבנון, כוח אחיזה, אובדן ראיה ועוד. בנוסף תוחלת החיים כמעט התנרמלה:

עקומות התמותה של קבוצת הבקרה (כחול, 22 עכברים) והניסוי (אדום, 22 עכברים), כשמפסיקים את הDOX אחרי 4 חודשים. מתוך [3].

החוקרים הדגישו שההסגה לאחור של סממני ההזדקנות בעקבות הגמילה היתה חלקית בלבד. למשל, הצבע לא חזר לשיער והגבנון השתקם בצורה חלקית ביותר (לא סופקו תמונות).

אולי טיפול ההצערה המבטיח ביותר מבוסס על מה שנקרא cellular reprogramming או induced pluripotency. הנושא הזה ראוי לפוסט משל עצמו, ולכן בפוסט הזה רק אסביר את העקרון ואציין את התוצאות העיקריות. בקצרה, מדובר בטכניקה למחוק את השינויים האפיגנטיים שחלים בתאים במהלך ההתפתחות. כך נמחקת הזהות הנרכשות של תאים, היינו אם הם תאי עור או שריר, והם הופכים לתאי גזע פלוריפוטנטיים, שהם תאים בעלי פוטנציאל התמיינות לסוגי תא שונים (בניגוד לתאים בוגרים, שיכולים להתחלק לשני תאים זהים אבל לא להפוך לתא מסוג אחר). מספר מחקרים טענו שיחד עם התכונות האלה נמחקים גם סממני ההזדקנות של התאים [4]. כלומר, אם לוקחים תאי עור מנסיין זקן, מבצעים בהם reprogramming (להלן רפרוגרמינג) בתוך תרבית (במהלכה הם חוזרים להיות תאי גזע), ואז ממיינים אותם שוב לתאי עור (מיון = הקניית זהות לתא באמצעות גירויים ספציפיים), מתקבלים תאי עור צעירים. צעירים לפי איזה מדד? כמה מדדים חשובים ביניהם אורך הטלומרים (קצוות הכרומוזומים שנשחקים עם הגיל), תפקוד המיטוכונדריה, והגיל האפיגנטי, שנמדד בעזרת "השעון האפיגנטי" (עוד חוב שיש לי לבלוג. מדובר במדידה של סמנים אפיגנטיים שיכולה לחזות כמה זמן נשאר לנו לחיות יותר טוב מהגיל הכרונולוגי שלנו).

רוב המחקרים ברפרוגרמינג נעשו בתרביות תאים ולא על אורגניזם שלם, כיוון שהם התמקדו בתהליכים שחלים בתאים עצמם. כשהתהליך הזה מיושם בתוך גוף חי (מה שנקרא in vivo) התוצאה היא היווצרות של טרטומות, גידולים שמכילים תערובת של רקמות שונות (אפשר למצוא שם למשל שיער ושיניים. איכס), והתפתחות של סרטן [5]. ב-2016 הראו שעל ידי השראה מבוקרת (לסירוגין) של רפרוגרמינג אפשר להמנע מהיווצרות של טרטומות ולהאריך את משך החיים של עכברים פרוגרואידים [6]. בשנת 2020 קבוצת חוקרים מהמחלקה לגנטיקה בהרווארד הראו שרפרוגרמינג של תאי גנגליון, תאי עצב ברשתית העין, מקדם רגנרציה של עצב הראיה אחרי פציעה, וגם משיב את הראיה לעכברים עם גלאוקומה ועכברים זקנים [7].

כל נקודה מייצגת עכבר. חדות הראיה של עכברים צעירים (שמאל) וזקנים (ימין), לפני (OSK-, אדום) ואחרי (OSK+, כחול) טיפול. P מייצג את מובהקות השינוי. מתוך [7].

כיום נעשים נסיונות להפריד את ההיבט של ההצערה מההיבט של מחיקת זהות התא על ידי השראה קצובה של רפרוגרמינג. רפרוגרמינג זה תהליך רב-שלבי. על ידי השראתה עד לשלב הבשלות (Maturation phase) בלבד, חוקרים הצליחו לגלח ~30 שנים מהגיל האפיגנטי של תאי סיב (תאים שיוצרים את סיבי הקולגן שמרכיבים את העור, משמשים כמודל בהרבה מחקרים) מתורמים אנושיים זקנים, תוך שמירה על הזהות של התא כתא סיב [8].

הגיל האפיגנטי של תאי סיב כפונקציה של משך השראת הרפרוגרמינג. המחקר הזה הציע לעצור את ההשראה בMP כדי לקבל תוצאה מיטבית. מתוך [8].

בשורה התחתונה, קיים גוף ראיות משמעותי שמראה שהזדקנות היא תהליך הפיך, לפחות חלקית, ולפחות בעכברים ובתרביות תאים. במאמר [9] של אן ברונט ושות' מסטנפורד נכללו יותר מ-50 מחקרים שמראים הסגה לאחור של אספקטים שונים של הזדקנות (אם כי ממעבר על המקורות שלהן לא השתכנעתי שכולם מראים הפיכות ולא רק עיכוב). יחד עם זאת, חסרות עדויות לכך שניתן להסיג לאחור שינויים מבניים משמעותיים כמו גיבנת. בנוסף אני בספק שטיפול שמסיג לאחור את ההזדקנות יוכל גם למחוק צלקות או לגרום לרגנרציה של איברים שנגדעו. מצד שני, תינוקות בני יומם יכולים להצמיח מחדש את קצות האצבעות שלהם אם קוטעים אותן (תנסו!), אז לכו תדעו. הפוטנציאל הכי גדול טמון לדעתי בפרדיגמת הרפרוגרמינג. לא מן הנמנע שהצערת התאים (ובמיוחד תאי גזע בוגרים שנמצאים בכמויות קטנות ברקמות שונות) לאורך זמן תוביל לשיקום מבני ורב-מערכתי.

עוד נקודה למחשבה היא שגם טיפולים קונבנציונאליים בסרטן ומחלות אחרות של זקנה מהווים מעיין הסגה לאחור של תהליך ההזדקנות, כיוון שהמחלות האלה הן ביטויים של הזדקנות.

אף אחד מהטיפולים שסקרתי לא ממש מזיז לאחור את המחוג של שעון ההזדקנות. אם יכולנו להזיז את המחוג לאחור אפילו בשניה אחת, יכולנו להזיז אותו גם לנקודת זמן מוקדמת יותר, או לכל הפחות לעצור אותו, על ידי יישום חוזר ונשנה של הטיפול. כל התערבות משפיעה על קומפוננטה מסויימת של ההזדקנות. הטיפול האולטימטיבי יהיה כנראה מורכב מקומבינציה של תכשירים שמשפיעים על קומפוננטות שונות.

גַּ֚ם מֵעֵ֣ץ הַֽחַיִּ֔ים

למה מזדקנים | איך אולי נעצור את זה | האם זה כדאי

תגית: להסיג לאחור

רפרוגרמינג תאי חלקי

מקורות

האם אפשר יהיה להסיג לאחור את ההזדקנות או רק לעכב אותה?

מקורות