Перспективы продления жизни

Перспективы продления жизни Состояние проблемы и научные достижения Валерия Прайд

Почему мы умираем?

Основные причины смерти населения России (2005 г.) Источник: CNA по данным Росстата, 2005

Профилактика заболеваний • Отказ от курения, злоупотребления алкоголем и т. д.

• Правильное (полноценное!) питание • Подвижный образ жизни • Интеллектуально и эмоционально насыщенная жизнь • Дети, внуки • Персонализованная профилактика

Неправильное питание, типичное для России • •

•

•

•

Избыточное употребление насыщенных жиров и трансжиров, дефицит моно- и полиненасыщенных жирных кислот Дефицит витаминов: – аскорбиновой кислоты (С), – рибофлавина (В2) – тиамина (В1) – пиридоксина (В6) – фолиевой кислоты – ретинола (А), бета-каротина и др. каротиноидов – токоферола (Е) и др. Дефицит или избыток минеральных веществ: – кальция – железа Дефицит микроэлементов: – селена – йода – цинка Дефицит пищевых волокон

Процент лиц с недостаточной обеспеченностью (по результатам изучения фактического питания более, чем 63 тысяч человек)

Дефицит аскорбиновой кислоты 70-100% (витамина С) Дефицит витаминов В1,В2,В6 и фолиевой кислоты

40-80%

Дефицит витамина А и бета-каротина

40-60%

Дефицит селена

80-95%

Процент лиц с недостаточной обеспеченностью селеном Область/регион

%

Область/регион

%

Карелия

100

Башкортостан

97.0

г. Норильск

100

Мурманская

94.7

Рязанская

100

Свердловская

87.3

г. Москва

100

Челябинская

86.7

Алтайский край

100

Пермская

84.5

Хабаровский край

100

Мари-Эл

76.0

Архангельская

98.5 …

…

Вологодская

98.0 Сахалинская

48.0

В 1994 году Министерство здравоохранения РФ приняло решение об устранении дефицита селена у жителей России

Основные методы замены органов • • • • •

Трансплантация органов протезирование, регенерация органов, клеточная трансплантация и выращивание искусственных органов

Трансплантация органов Достоинства: • Хорошо отработанный метод Недостатки: • Острая нехватка донорских органов • Сложность доставки органа • Сложность и экстренный характер операции • Реакция отторжения • болезнь «трансплантат против хозяина» • Возможность занесения инфекции Ксенотрансплантация (пересадка человеку органов животных) не вышла пока за рамки единичных экспериментов Перспективы: • Хорошие в случае создания банков донорских органов

Протезирование Наиболее древний из способов замены повреждённых и потерянных органов. Протезирование конечностей было известно ещё в Древней Греции и Древнем Египте (скорее всего – ещё раньше). Примерно тогда же появились протезы зубов, косметические протезы глаз и других частей тела. Механизированные протезы конечностей известны как минимум с XIV века. Современные протезы конечностей позволяют выполнять точные манипуляции (протезы рук), бегать и плавать (протезы ног), частично восстанавливать слух (кохлеарные импланты) и зрение (протезы сетчатки), заменять – по крайней мере, временно сердце и почки.

Протезы ног

↑ Оскар Писториус, член олимпийской команды ЮАР (с сайта http://blogga.ru/) ↑ Австралийка Nadya Vessey, потерявшая обе ноги, в костюмепротезе компании Weta Workshop (Новая Зеландия ).

Искусственную руку "научили" осязанию Проект Smart Hand («Умная рука") – это разработка исследователей из Университета Лунда в Швеции и Института прогрессивных исследований св. Анны в Италии. Благодаря роботизированному протезу Робину Экенстаму теперь доступно чувство осязания для обеих рук.

Smart Hand – довольно сложное устройство, включающее четыре мотора и сорок сенсоров. Это первый протез, который посылает сигналы обратно в мозг, позволяя ощущать искусственные пальцы и руку.

Протез глаза

51-летний Питер Лэйн, страдающий дегенеративной генетической болезнью сетчатки глаза из-за чего он был слепым уже два десятилетия, получил бионический глазной имплант в больнице Royal Eye Hospital в Манчестере. Теперь он может видеть контуры и очертания мебели, автомобилей, дверные проемы, читать слова, написанные на экране большими буквами.

Роботизированные протезы с подключением к нервной системе DARPA объявила о программе по разработке протезов, которые полностью заменят ампутированные конечности в плане подвижности, чувствительности и долговечности. Предполагается подключать такие протезы напрямую к нервной системе пациента, что полностью возвратит все функциональные возможности и "ощущение руки". Протез сможет точно интерпретировать сигналы о температуре, давлении, напряжении "мышц" конечности, выверять точные движения и прилагаемую силу. Он должен иметь количество отказов на уровне менее 0,1% и срок службы около 70 лет. В настоящее время оборонное агентство создало научно-­‐исследовательский центр, который занимается изучением перспективы использования в новых протезах волоконно-­‐оптических интерфейсов, которые могут вмещать тысячи датчиков в одной тонкой нити.

Протезирование органов Достоинства: • Гибкость • Хорошо отработанный метод Недостатки: • Пока протезы как правило уступают естественным органам Перспективы: • Очень хорошие, но не в ближайшие 10 лет.

Регенерация В нескольких случаях у человека отмечена регенерация кончиков пальцев. В двух таких случаях использовалась лечебная субстанция MatriStem фирмы ACell, представляющая собой порошок межклеточного матрикса из внутренней части мочевого пузыря свиньи . Эта субстанция с успехом используется для заживления ран и ожогов, однако случаев регенерации кончиков пальцев зафиксировано только два – не исключено, что они связаны с какими-­‐то генетическими особенностями пострадавших.

69-летний Ли Спивак потерял сегмент пальца длиной около 1.5 см

После применения MatriStem палец восстановился, включая ноготь и папиллярные линии

Фотографии с сайта bbc.co.uk

Регенерации более сложных структур у человека пока не отмечено.

Клеточная трансплантация Достоинства: • Относительная простота • Высокая эффективность в ряде случаев

Поражение сердечной мышци при инфаркте миокарда: зоны • некроза • частичной гибели • ишемии

Недостатки: • Собственный орган должен быть в достаточной сохранности • Не очень высокая повторяемость результатов • Этические проблемы при использовании эмбриональных и фетальных клеток Перспективы развития: • Очень хорошие – при условии сохранности собственного органа.

Индуцированные плюрипотентные стволовые клетки (iPSC) – главное открытие 2008 г.

Выращивание искусственных органов • Имитация естественного органогенеза • 3D-литография • Выращивание органов на искусственном матриксе • Выращивание органов на донорском матриксе • Ксеногенное выращивание органов

Новый зуб из стволовых клеток

Новый зуб японские исследователи выращивали из небольшой группы клеток, полученной в результате сложных манипуляций со стволовыми клетками мыши. Соединив внутри капли специального геля два разных вида стволовых клеток и подвергнув их дополнительной обработке, ученые сначала получили зародыш будущего зуба. Далее смесь из клеток двух типов была помещена в лунку, оставшуюся у мыши на месте ранее удаленного под наркозом резца.

Из iPSC выращен сегмент кишечника Эта «кишка» демонстрировала способность к спонтанным сокращением и высококоординированную перистальтическую активность, благодаря которой происходило продвижение ее содержимого. «Кишка» имеет широкий просвет, окруженный тремя слоями ткани – эпителием, соединительной тканью и мускулатурой. Иммунологически были выявлены характерные маркеры интерстициальных клеток, которые формировали плотную сеть во внутренней стенке. Также были выявлены нейрофиламенты, образующие крупные ганглионарные структуры и плотную нейрональную сеть. Таким образом, «кишка» была сформирована клетками всех трех зародышевых листков — эндодермы (кишечный эпителий), мезодермы (гладкая мускулатура и соединительная ткань) и эктодермы (кишечные нейроны).

Ueda T, et al. Generation of functional gut-like organ from mouse induced pluripotent stem cells. Biochem Biophys Res Commun. 2009 Nov 4. [Epub ahead of print]

Выращивание тканей головного мозга

Ткань мозга из стволовых клеток Эмбриональные клетки самоорганизовались в четырёхслойную нейронную сеть (~7-8 неделя развития эмбриона), в планах – 6 слоёв (кора взрослого человека) Y. Sasai и др., Япония

Биопринтер для печати кожи поверх ожога Исследователи Института регенеративной медицины Уэйк-­‐ Форестского университета, создали "принтер" для лечения повреждений кожных покровов. Печатающая головка принтера состоит из двух отсеков, один из которых обеспечивает нанесение на зону повреждения смеси клеток кожи, фибриногена (одного из компонентов свертывающей системы крови) и коллагена I типа (основного компонента формирующей рубцы соединительной ткани), а второй – тромбина (еще одного компонента системы свертывания). На получающуюся при этом структуру наносят, также с помощью принтера, слой поверхностных клеток кожи -­‐ кератиноцитов. Эксперименты на мышах продемонстрировали, что применение нового метода ускоряет заживление.

Сборка органов «из кубиков» Али Кадемхоссейни (Ali Khademhosseini) и его коллеги из отделения медицинских наук и технологий Массачусетса-Гарварда (HST) разработали технологию «микрокладки» (micromasonry ). Клетки инкапсулируются в гель на основе полиэтиленгликоля. Из гелевых кубиков по шаблону собирается трёх-мерная конструкция, которая скрепляется тем же гелем, загустевающим на свету. Размер кубиков – от 0.1 до 0.5 мм.

Ещё один способ выращивания зубов

Исследователи медицинского центра Колумбийского университета, работающие под руководством профессора Джереми Мао (Jeremy Mao), предлагают принципиально новый метод восстановления утраченных зубов, который в будущем позволит в достаточно короткие сроки выращивать новые зубы анатомически правильной формы непосредственно во рту пациента. В челюстную кость имплантируют каркас, полученный методом трехмерной печати из биосовместимых полимеров, внутренние каналы которого содержат специфические факторы роста клеток. Эти факторы привлекают в каркас собственные стволовые клетки организма и направляют их дифференцировку в нужном направлении. Портал «Вечная молодость» по материалам Columbia University College of Dental Medicine.

Мышь с человеческим ухом на спине

Ухо выращено из хрящевых клеток на искусственном матриксе

Крысиные сердца На каркас, состоящий из коллагена нанесли стволовые клетки другого животного и поместили будущий орган в инкубатор, пропуская через него кровь с питательными веществами и создавая на каждый его участок давление, имитирующее условия в грудной клетки. По мнению руководителя исследования Дорис Тэйлор (Doris Taylor) из Университета Миннесоты в Миннеаполисе, дифференциацию клеток направляли также факторы роста, оставшиеся "вмонтированными" в соединительнотканный каркас. Помимо сердца, в лаборатории ведутся аналогичные эксперименты по созданию гибридных почек, печени, легких, поджелудочной железы, желчного пузыря и скелетных мышц, а также органов более крупных животных и человека.

Крысам успешно пересадили выращенную печень… Работу провела группа специалистов Массачусетской больницы (Massachusetts General Hospital) под руководством Коркута Югуна (Korkut Uygun). Кровеносные сосуды в искусственной крысиной печени не отличаются от обычной. Изображение с сайта NewScientist.com

Исследователи удалили печень у пяти лабораторных крыс. После этого органы обработали детергентом, очистившим их от клеток хозяина. Таким образом были получены каркасы органов

Каждый из пяти полученных каркасов исследователи заполнили примерно 50 миллионами клеток печени, взятых у крыс-реципиентов. В течение двух недель на каждом из заселенных клетками каркасов сформировалась полностью функционирующая печень. После чего выращенные в лаборатории органы были успешно пересажены пяти крысам.

…и (не так успешно) лёгкие Отчет об исследовании группы специалистов под руководством Лауры Никласон (Laura Niklason) из Йельского университета (Yale University) опубликован в Science Express.

Биореактор для выращивания лёгкого крысы

Каркас из внеклеточного матрикса был заполнен клетками эпителия легких и внутренней оболочки кровеносных сосудов, взятых у других особей. С помощью культивации в биореакторе исследователям удалось вырастить на каркасе новые легкие.

Выращенные легкие пересадили нескольким крысам. Орган нормально функционировал у разных особей от 45 минут до двух часов после трансплантации. Однако после этого в сосудах легких начали образовываться тромбы. Кроме того, исследователи зафиксировали утечку небольшого количества крови в просвет органа. По словам Никласон, указанные процессы начались из-за дефектов в каркасе легких, а также из-за неполного зарастания матрикса клетками. .

Выращена миниатюрная человеческая печень Исследователи Уэйк-­‐Форестского университета впервые создали в лабораторных условия функционирующую человеческую печень, пока, правда, миниатюрную. Печень выращена из человеческих незрелых клеток печени и эндотелиоцитов (клеток выстилки кровеносных сосудов). Следующим этапом работы будет имплантация таких органов животным с целью тестирования их функций в условиях живого организма. После этого основной задачей будет выращивание печени, размер которой позволит трансплантировать ее человеку.

Операции П. Маккиарини

Первая в России уникальная операция по трансплантации трахеи, выращенной из стволовых клеток пациентки прямо в ее теле прошла в декабре в Российском научном центре хирургии имени академика Б.В. Петровского РАМН (г. Москва).

Ксеногенное выращивание органов В ходе экспериментов группы T. Kobayashi из Университета Токио удалось вырастить химерные организмы, состоящие как из клеток мыши, так и крысы. В частности, удалось вырастить мышей с нормально функционирующей поджелудочной железой, состоящей из крысиных клеток.

Схема эксперимента (из жрн. Cell)

Полученные данные подтверждают принципиальную возможность нормального развития межвидовой бластоцисты и выращивания в ксеногенном окружении in vivo органа, состоящего из донорских клеток. Подобным методом, например, можно будет выращивать человеческую поджелудочную железу в свиньях или других животных подходящего размера.

Персонализованная медицина: дешёвое и быстрое секвенирование ДНК Уже множество фирм вступили в гонку за достижение полного секвенирования индивидуального генома с себестоимостью ~$1000: • Complete Genomics (Mountain View, California) - $4,400 в 2009 г.

• Halcyon Molecular – обещают достичь $100 за 10 мин.

• Pacific BioSciences (Menlo Park, California) • Sequenom (San Diego, California) • Illumina (San Diego, California) • Life Technologies (Invitrogen Corp. + Applied Biosystems Inc.) • Intelligent Bio-Systems • 454 Life Sciences (Branford, Connecticut ) • Genome Corp.

• Helicos Bioscience • ION Torrent Systems • VisiGen Biotechnologies, Inc. • … Для сравнения: проект «Геном человека» занял 13 лет и обошёлся в $3 млрд.

Борьба со старением

Что такое старение? Старение: нарастающее с возрастом снижение функциональных возможностей систем организма, ведущее к ухудшению качества жизни, росту заболеваемости, инвалидизации и смертности.

• Старение это болезнь?

• (кстати, а что такое болезнь?)

Старость наша есть болезнь, которую нужно лечить, как всякую другую. И. И. Мечников «Этюды о природе человека», 1903 г.

Первичные механизмы старения • Накопление мутаций и эпимутаций в ДНК (ядерной и митохондриальной) • Окисление макромолекул свободными радикалами • Исчерпание ресурса деления клеток • Накопление внутри- и внеклеточного «мусора» • Разбалансировка регуляции на системном уровне • …

Старение и смертность

Обязательно ли старение?

Алеутский окунь - Sebastes aleutianus (англ. Rougheye rockfish) Зарегистрированный возраст: 205 лет

Можно ли бороться со старением?

• Нематода C. elegans – ПЖ увеличена в 7-10 раз • Мышь Mus musculus – ПЖ увеличена на 50%

Пластичность продолжительности жизни • Германия: всего через 10 лет после объединения ГДР и ФРГ ОПЖ на Востоке Германии практически сравнялась с таковой на Западе, от которой ранее значительно отставала1.

• Финляндия: после введения селена в пищевой рацион населения, количество сердечнососудистых патологий уменьшилось в 2,5 раза, число онкозаболеваний сократилось в 1,8 раза, болезней эндокринной системы - на 77%. ОПЖ значительно возрасла.

1

Вестник Геронтологического общества РАН, №2 (101), февраль 2007 г.

Динамика ОПЖ в России и некоторых других странах

Динамика количества сверхдолгожителей

Biodemography of human ageing James W. Vaupel Nature 464, 536-542(25 March 2010)

ЗОЖ, питание БАД

Загрузка и т. д.

Киборгизация

Классификация по "радикальности"

Терапевтическое клонирование, крионика

Медикаменты

Биоинженерия, СК Наномедицина

Backup? (несколько слов о крионике)

Исходное предположение: • Личность человека представляет из себя некоторый объём информации, материальным носителем которой является головной мозг.

Основная идея: • Впереди у человечества неограничено много времени для прогресса. Рано или поздно будет достигнуто всё, что в принципе возможно.

• На сегодняшний день мы не знаем фундаментального принципа, который запрещал бы восстановление личности по сохранённой конфигурации нейронных сетей.

• Отсюда задача: сохранить эту конфигурацию до времён, когда такое восстановление станет возможно – или будет доказано, что это невозможно.

Последние достижения в крионике • Восстановление сокращений сердца крысы после замораживания in situ (В. И.Тельпухов, П. В. Щербаков) • Витрификация эмбриона человека (G. Fahy) • Обратимая криоконсервация почки кролика (G. Fahy) • Выживание более 90% клеток головного мозга крысы в экспериментах, имитирующих крионическое сохранение (Ю. Пичугин) • Замораживание с обратной пересадкой фрагментов яичника человека • Замораживание с обратной пересадкой яичника овцы, сердца крысы, печени свиньи (A. Arav)

Девочка, рождённая из витрифицированного эмбриона

Обратимая витрификация почки кролика

Продемонстрировано обратимое криосохранение целой печени Израильские учёные разработали методику, позволяющую целиком обратимо замораживать крупные органы со сложной внутренней структурой. Технология была проверена на крысиной и свиной печени. После разморозки органы сохраняли более 80% жизнеспособности. Ранее эта же группа продемонстрировала обратимое сохранение овечьего яичника, крысиных сердца и печени.

Новость года!

Три ключевых вопроса: 1.

2.

3.

Возможно ли в принципе обратимо и надолго заморозить человека (или другое крупное млекопитающее)?

- Вероятно … Возможно ли сделать это сейчас так, чтобы реанимировать его с помощью технологий обозримого будущего?

- Не исключено … Возможно ли будет реанимировать человека, замороженного с применением реальных сегодняшних процедур?

- Есть надежда!

Спасибо за внимание! Вопросы?