Starzenie się społeczeństw staje się jednym z najważniejszych wyzwań współczesnej medycyny. Obecnie ponad miliard ludzi na świecie ma więcej niż 60 lat, a prognozy wskazują, że do 2050 roku liczba ta może się ponad dwukrotnie zwiększyć. Wraz z wydłużaniem życia rośnie również częstość chorób związanych z wiekiem – takich jak cukrzyca typu 2, choroby sercowo-naczyniowe czy zaburzenia metaboliczne.
Jednym z największych problemów w badaniach nad starzeniem jest jednak czas. Procesy biologiczne prowadzące do starzenia rozwijają się przez dekady, co utrudnia szybkie testowanie nowych terapii. Naukowcy z University of California w Berkeley opracowali jednak przełomową technologię, która pozwala odtworzyć około 40 lat starzenia ludzkich tkanek w zaledwie cztery dni. Wyniki badań opublikowano w prestiżowym czasopiśmie Nature Biomedical Engineering.
Z tego artykułu dowiesz się…
- Jak działa technologia organów na chipie i w jaki sposób pozwala odtworzyć proces starzenia ludzkich tkanek.
- Dlaczego naukowcom udało się zasymulować około 40 lat starzenia się tkanek w zaledwie cztery dni dzięki wykorzystaniu ludzkiej surowicy krwi i komórek macierzystych.
- W jaki sposób system opracowany na University of California w Berkeley pozwala badać interakcję między tkanką tłuszczową a wątrobą oraz wpływ starzenia na metabolizm.
- Dlaczego technologia ta może przyspieszyć rozwój terapii przeciwstarzeniowych i nowych leków, umożliwiając testowanie ich skuteczności w krótkim czasie.
Dlaczego badania nad starzeniem są tak trudne
Rozwój terapii przeciwstarzeniowych napotyka wiele barier metodologicznych. W tradycyjnych badaniach naukowych wykorzystuje się głównie modele zwierzęce, które mogą dostarczyć cennych danych biologicznych, ale nie zawsze w pełni odzwierciedlają procesy zachodzące w ludzkim organizmie. Problem ten przekłada się także na rozwój leków. Jak podkreśla Andreas Stahl z University of California w Berkeley:
W Stanach Zjednoczonych każdego roku wydaje się ponad 130 miliardów dolarów na rozwój leków, ale ponad 90% z nich kończy się niepowodzeniem w badaniach klinicznych.
Zdaniem naukowców konieczne jest więc opracowanie nowych narzędzi badawczych, które będą lepiej odzwierciedlać biologię człowieka i pozwolą szybciej testować potencjalne terapie.
Organy na chipie – miniaturowy model ludzkiego organizmu
Rozwiązaniem może być technologia organ-on-a-chip, czyli mikroskopijne systemy laboratoryjne, które naśladują funkcjonowanie ludzkich narządów. Są to niewielkie urządzenia zawierające komórki ludzkie, w których odtwarzane są m.in.:
- architektura tkanki,
- przepływ płynów podobny do krążenia krwi,
- mechaniczne oddziaływania między komórkami.
W opisywanym badaniu naukowcy stworzyli system odwzorowujący interakcję między tkanką tłuszczową, a wątrobą, które odgrywają kluczową rolę w metabolizmie i rozwoju chorób związanych z wiekiem. Komórki tłuszczowe i komórki wątroby uzyskano z indukowanych pluripotentnych komórek macierzystych, a następnie umieszczono w oddzielnych, lecz połączonych komorach mikroprzepływowego urządzenia. System cienkich kanalików umożliwia przepływ płynu między tkankami, imitując transport substancji biologicznych w ludzkim organizmie.
Dzięki miniaturyzacji technologia wymaga bardzo małych ilości płynów biologicznych, co umożliwia przeprowadzanie wielu eksperymentów przy minimalnym zużyciu materiału.
Cztery dni zamiast czterdziestu lat
Aby sprawdzić, czy system może odtworzyć proces starzenia, naukowcy zastosowali surowicę krwi pobraną od osób starszych – w wieku 62 lat i więcej. W kontrolnych eksperymentach wykorzystano surowicę od młodych dawców w wieku od 21 do 34 lat. Efekty były zaskakujące. Tkanki wystawione na działanie „starej” surowicy zaczęły wykazywać charakterystyczne oznaki starzenia, które normalnie rozwijają się przez dekady:
- przewlekły stan zapalny,
- zaburzenia metabolizmu tłuszczów,
- pogorszoną regulację poziomu glukozy,
- starzenie komórkowe (senescencję).
Procesy te pojawiły się w ciągu zaledwie czterech dni. Andreas Stahl wspomina moment obserwacji wyników:
Mój doktorant pokazał mi ten chip i można było to zobaczyć gołym okiem.
Starzenie się tkanek może rozprzestrzeniać się między narządami
Badanie ujawniło również istotny mechanizm biologiczny. Gdy naukowcy połączyli starzejącą się tkankę tłuszczową z młodą tkanką wątroby, komórki wątroby zaczęły wykazywać oznaki starzenia. Jak wyjaśnia Irina Conboy:
Te chipy zostały zaprojektowane z mikroprzepływowym połączeniem między różnymi komorami, podobnie jak nasze narządy są połączone poprzez krążenie krwi.
Oznacza to, że proces starzenia w jednym narządzie może wpływać na inne części organizmu – co odpowiada obserwacjom klinicznym u ludzi.
Sztuczna inteligencja potwierdza biologiczny wiek tkanek
Aby potwierdzić wiarygodność modelu, badacze wykorzystali algorytmy uczenia maszynowego analizujące ekspresję genów. Model został wytrenowany na setkach publicznych próbek tkanek ludzkich. Algorytm był w stanie określić wiek biologiczny próbek z dokładnością od 90 do 97%.
Tkanki hodowane z młodą surowicą odpowiadały profilowi osób około 30-letnich, natomiast tkanki wystawione na działanie starej surowicy przypominały profil osób około 50-letnich.
Platforma do testowania terapii długowieczności
Technologia organów na chipie może stać się nowym narzędziem w badaniach nad terapiami przeciwstarzeniowymi. W eksperymentach przetestowano kilka potencjalnych interwencji, w tym:
- senolityki,
- rapamycynę,
- oksytocynę,
- inhibitory sygnalizacji TGF-beta.
Najbardziej obiecujące wyniki uzyskano w przypadku oksytocyny, która zmniejszała stan zapalny i poprawiała metabolizm komórek. Rapamycyna – mimo popularności w środowisku biohakerów – nie wykazała istotnego działania odmładzającego w tym modelu.
Nowe biomarkery starzenia
Badanie doprowadziło również do identyfikacji 11 nowych biomarkerów starzenia, które mogą stać się potencjalnymi celami dla przyszłych terapii. Co więcej, naukowcy po raz pierwszy pokazali, że w systemie organ-on-a-chip można manipulować ekspresją genów w czasie rzeczywistym, obserwując wpływ poszczególnych genów na proces starzenia.
Znaczenie dla przyszłości medycyny
Technologia opracowana przez zespół z Berkeley może znacząco przyspieszyć rozwój leków związanych z długowiecznością. Zamiast czekać lata na wyniki badań klinicznych, naukowcy mogą testować hipotezy biologiczne w ciągu kilku dni. Irina Conboy podkreśla znaczenie tego podejścia:
Nasza współpraca z grupą laboratoryjną Andreasa wzmocniła naszą wiedzę, że starzenie się to nie tylko upływ czasu.
Główne wnioski
- Badanie opublikowane w Nature Biomedical Engineering pokazuje, że technologia organ-on-a-chip pozwala odtworzyć około 40 lat starzenia ludzkich tkanek w ciągu czterech dni.
- System opracowany przez naukowców z University of California w Berkeley wykorzystuje komórki tłuszczowe i wątrobowe pochodzące z indukowanych pluripotentnych komórek macierzystych, połączone mikroprzepływowym układem imitującym krążenie krwi.
- Ekspozycja tkanek na surowicę krwi od starszych dawców wywołała charakterystyczne oznaki starzenia, m.in. stan zapalny, zaburzenia metabolizmu oraz starzenie komórkowe.
- Platforma może znacząco przyspieszyć testowanie terapii długowieczności i nowych leków, umożliwiając analizę procesów starzenia oraz identyfikację nowych biomarkerów biologicznych.
Źródło:
- University of California – Berkeley
- https://www.nature.com/articles/s41551-026-01618-6
