Обратить процесс старения

Быстро растет наше понимание основных компонентов процесса старения у человека. Определяются методы, как остановить и обратить каждый из компонентов процессов старения. Возможно, самый энергичный и прозорливый сторонник остановки процесса старения — Обри ди Грей, ученый с отделения генетики Кембриджского университета. Ди Грей описывает свою цель как «разработанное ничтожно малое старение» — способность предотвратить нашу слабость и склонность к болезням по мере взросления.

По словам ди Грея, «Все знания, необходимые нам, чтобы разработать ничтожно малое старение, у нас уже есть — просто необходимо собрать их воедино». Он считает, что мы сможем продемонстрировать «значительно омоложенных» мышей — мышей, которые функционально моложе, чем до лечения, а также с продленной жизнью в доказательство — в течение 10 лет, и указывает, что такая демонстрация сильно изменит общественное мнение. Показав, что мы можем обратить процесс старения у животных, которые на 99 процентов имеют такие же гены, как мы, мы резко изменим общепринятое понимание, что старение и смерть неизбежны. Как только это будет достигнуто у животных, радикальное омоложение у людей, скорее всего, займет еще 5–10 лет, но возникновение омоложенных мышей создаст огромное давление конкуренции, чтобы перенести эти результаты на людей.

Ранее, во время эволюции нашего вида (и предшественников нашего вида) выживание не поощрялось, несомненно, ему вредили особи, намного пережившие свой период воспитания детей. В результате гены, поддерживающие значительное продление жизни, проходили отрицательный отбор. Сейчас, в эпоху изобилия, все поколения могут способствовать все большему росту человеческих знаний. «Средняя продолжительность жизни будет в районе 5 000 лет … к 2100 году», — заявляет ди Грей. Следуя по «трем мостам», вы должны достичь 2100 года, а затем, вы сможете продлевать свою жизнь бесконечно.

Существует семь ключевых процессов, которые в настоящее время способствуют одряхлению, и есть методы, чтобы обратить каждый из них.

Вот четыре из этих методов:

Хромосомные (в ядре) мутации и «эпимутации»

Наша ДНК — почти полностью хромосомы в клеточном ядре. (Остальное — в митохондрии, к которой мы сейчас вернемся). Со временем происходят мутации, то есть последовательность ДНК повреждается. Кроме того, клетки накапливают изменения «эпигенетической» информации, которые определяют, какие гены будут экспрессированы в разных клетках. Такие изменения также важны, потому что из-за них клетки ведут себя несвойственным образом по отношению к тканям, в которых они находятся. Большинство таких изменений (любого вида) либо безвредны, либо просто заставляют клетку погибнуть и быть замещенной делением соседних клеток. Изменения, которые имеют значение, в первую очередь являются теми, которые вызывают рак. Это значит, что если мы можем излечивать рак, то мутации клеточного ядра и эпимутации должны быть в основном безвредны. Предложенный ди Греем способ лечения рака — профилактический: он подразумевает генную терапию, чтобы удалить из наших клеток все гены, которые необходимо включить раку, чтобы поддерживать свои теломеры при делении. Это не остановит вызванный мутациями рак, но заставит его ослабнуть, прежде чем он станет достаточно большим, чтобы убить нас. Методы удаления этих генов таким образом уже есть и быстро совершенствуются.

Токсичные клетки

Бывает, что клетки приходят в состояние, когда они не раковые, но для организма все равно было бы лучше, чтобы они погибли. Дряхлость клеток — такой пример, а также слишком большое количество жировых клеток. В таких случаях нам необходимо убить эти клетки (что обычно проще, чем приводить их в здоровое состояние). Были разработаны методы, как направить на эти клетки «суицидальные гены», а также заставить иммунную систему убивать их. Блокирование фермента теломеразы — один из многих методов, разрабатываемых против рака. Это помешает раковым клеткам воспроизводиться больше определенного числа раз, эффективно не давая раку распространяться. Существует много других методов, которые активно разрабатываются, чтобы преодолеть рак. Особенно перспективны вакцины от рака, разработанные, чтобы стимулировать иммунную систему нападать на раковые клетки. Эти вакцины можно использовать, чтобы предотвратить рак, как терапию первой линии или чтобы ликвидировать раковые клетки после другого лечения. Более подробно методы борьбы с раком рассмотрены в статье «Профилактика и ранняя диагностика рака».

Митохондриальные мутации

Еще один процесс старения, идентифицированный ди Греем, — накопление мутаций в 13 генах митохондрии, фабрике по производству энергии для клеток. Митохондриальные гены подвержены большему количеству мутаций, чем гены клеточного ядра и, безусловно, важны для эффективного функционирования наших клеток. Как только мы научимся эффективно проводить терапию соматических генов, мы сможем помещать множественные копии этих 13 генов в относительную безопасность клеточного ядра, обеспечив тем самым избыток (запасные копии) жизненно важной генетической информации. Уже существует клеточный механизм, чтобы импортировать закодированные в ядрах белки в митохондрию, поэтому нет необходимости, чтобы эти белки производились в самой митохондрии. На самом деле большинство белков, необходимых для функционирования митохондрии, уже закодированы в ДНК. Уже было успешное исследование по передаче митохондриальных генов в ядра клеточных культур.

Потеря и атрофия клеток

Ткани нашего организма способны замещать изношенные клетки, но в некоторых органах такая возможность ограничена. Например, сердце не способно заменять клетки с нужной скоростью, по мере того как мы стареем. Поэтому это компенсируется увеличением выживших клеток с использованием волокнистого материала. Со временем сердце из-за этого становится менее гибким и восприимчивым. Первоочередной метод в этом случае — терапевтическое клонирование своих собственных клеток.
Геномный проект говорит о том, что в процессе старения участвуют всего несколько сотен генов. Манипулируя этими генами, уже удалось добиться радикального продления жизни у простейших животных. Например, изменяя гены, которые регулируют инсулин, и изменяя уровень половых гормонов у червя Caenorhabditis elegans, продолжительность жизни подопытных животных удалось увеличить шестикратно. Это эквивалентно 500-летней продолжительности жизни человека. Когда мы сможем понять и перепрограммировать экспрессию генов, станет возможно перепрограммировать процесс старения у людей. Мысль о том, что старение и смерть неизбежны, глубоко укоренилась, но вековая точка зрения постепенно изменится, когда генная терапия успешно проявит себя в последующие два десятилетия.

Арсенал новых методов лечения

Появляется широкий спектр гибридных биотехнологических методов лечения. Вот небольшой перечень текущих исследований:

•   Химики из Научно-исследовательского института Скриппса (The Scripps Research Institute) нашли молекулу, которую называют «реверсин» (reversine) и которая, по всей видимости, перепрограммирует стареющие клетки, чтобы вернуть им молодость. Это может стать альтернативой терапии стволовыми клетками для регенерации клеток и тканей, которые необходимо заменить.

•   Исследователи продемонстрировали метод создания высушенных стволовых клеток, которые можно оживить, просто добавив воды, обеспечивая неопределенный срок жизни клеткам, которые можно использовать, чтобы воссоздать такие ткани, как кости, кровь и органы.

•   Одна из главных задач медицины — доставить питательные вещества, добавки и лекарственные средства в кровоток без необходимости проходить через желудочно-кишечный тракт, что часто резко влияет на эффективность препаратов (а также может вызвать нарушение пищеварения). Многие лекарственные препараты, например инсулин, гормон роста человека и терапевтическую ДНК, приходится вводить с помощью ежедневных болезненных инъекций, которые негативно отражаются на качестве жизни пациента. Исследователи из университета Джона Хопкинса разработали пластичные полимерные сферы, которые охватывают маленькие дозы медикаментов и которые можно ввести с помощью ингаляции. Полимер растворяется в легких, высвобождая свою терапевтическую нагрузку в необходимом объеме. Все используемые материалы уже были утверждены FDA (Управление по контролю за пищевыми продуктами и лекарственными препаратами), поэтому, скорее всего, процесс утверждения его применения будет упрощен. В конечном итоге у нас появится возможность без затруднений направлять оптимальное количество всех питательных веществ напрямую в кровоток, без необходимости в таблетках или инъекциях.

•   Теперь доступен геном человека в чипе. Комплексный «генный чип» позволяет исследователям точно определить, какие гены экспрессированы в больном органе по сравнению со здоровым, что намного ускорит открытие лекарств и предсказание их воздействия.

•   Сейчас мы на раннем этапе создания смоделированной биологии, что дает нам возможность изобретать и тестировать лекарственные средства и другие методы лечения с помощью компьютерного моделирования эксперимента (в чипах). Уже существуют детализированные системы, которые имитируют такие органы, как сердце, используя поклеточные модели. Управление перспективного планирования оборонных научно-исследовательских работ США (DARPA) разрабатывает программу, которая обеспечит виртуальное сообщество испытуемых объектов, чтобы автоматически проверять лекарства, процедуры, даже оружие. Цель — имитировать каждый аспект человеческого организма, включая все генетические и белковые (экспрессия белков) данные на молекулярном уровне. Одной из целей DARPA является размещение цифровой версии всего организма каждого солдата на армейском жетоне. Если этому солдату понадобится срочная медицинская помощь, врачи получат доступ к «программе виртуального солдата» на армейском жетоне и смогут немедленно принять решения для спасения жизни. Как бы то ни было, Говард Ашер, директор медико-биологических разработок в компании Sun Microsystems заявляет: «Мы думаем, что через 10 лет сможем обходиться без испытаний на животных, устранить первый и второй этап клинических исследований, так вычислительно мы сможем смоделировать лекарство или лечебный препарат на компьютере по данным генома.

Нанотехнологии и искусственный интеллект

Когда мы «разберем программу на составляющие коды» (поймем принципы функционирования своей биологии), мы применим свои технологии, чтобы нарастить и переконструировать свои тела и мозг, чтобы резко увеличить продолжительность жизни, улучшить здоровье и расширить свой интеллект и опыт. Немалая часть этих технологических разработок будет результатом исследований в области нанотехнологий, термин, изначально предложенный К. Эриком Дрекслером в 1970-е годы, чтобы описать исследование предметов, мельчайшие размеры которых составляют менее 100 нанометров (миллиардные доли метра). Нанометр примерно равен диаметру пяти атомов углерода.

Роберт А. Фрейтас Джр., теоретик в области нанотехнологий, пишет: «Всеобъемлющее знание молекулярной структуры человека, скрупулезно полученное в XX и начале XXI века, будет использовано в XXI веке, чтобы сконструировать медицинские машины микроскопических размеров. Эти машины будут использоваться в первую очередь и чаще всего не для того, чтобы просто провести исследования, вместо этого они будут выполнять миссии инспекции, восстановления и реконструкции клеток».

Фрейтас указывает, что если «идея разместить миллионы автономных нанороботов (роботов размером с клетку крови, построенных молекула за молекулой) внутри нашего организма может показаться странной, даже безумной, факт в том, что в организме уже изобилует большое количество мобильных наноприборов». Сама биология доказывает, что нанотехнологии возможны. Как сказала Рита Колвелл, директор Национального фонда науки США, «Жизнь — нанотехнология, которая работает». Макрофаги (белые клетки крови) и рибосомы (молекулярные «машины», которые создают цепи аминокислот, в соответствии с нитями РНК) — это главным образом нанороботы, сконструированные с помощью естественного отбора. Проектируя свои собственные нанороботы, чтобы реконструировать и нарастить свою биологию, мы не будем ограничены инструментарием биологии. Биология использует ограниченный набор белков для всех созданных объектов, в то время как мы можем создать структуры, которые намного сильнее, быстрее и сложнее.

Применение, которое мы обсудим далее в статье о пищеварении, — отделить чувственный и приятный процесс еды от биологической цели — получить оптимальное количество питательных веществ. Миллиарды крошечных нанороботов в пищеварительном тракте и кровотоке смогут искусно извлекать ценные питательные вещества, которые нам требуются, запрашивать дополнительные питательные вещества и добавки через индивидуальную локальную беспроводную сеть нашего организма (нанороботы, которые сообщаются друг с другом) и отправлять остальную пищу, которую мы едим, своим путем на уничтожение.

BioMEMS

Если это вам кажется особенно футуристическим, имейте в виду, что интеллектуальные машины уже сегодня вводятся в кровоток. Разрабатываются десятки проектов, чтобы создать биологические микроэлектромеханические системы (bioMEMS) в кровотоке с широким спектром диагностических и терапевтических функций. Уже были четыре крупные посвященные этим проектам конференции. Приборы BioMEMS конструируются, чтобы интеллектуально разузнать о патогенах и доставить лекарство точно в место назначения.

К примеру, наноспроектированные гемоконтактные приборы, способные передавать такие гормоны, как инсулин, были продемонстрированы у животных. Подобные системы могут доставлять дофамин точно в место назначения в мозге больных болезнью Паркинсона, доставлять факторы свертывания крови у пациентов, страдающих гемофилией, и доставлять лекарства против рака напрямую в места опухолей. Одна новая конструкция обеспечивает до 20 отдельных резервуаров, которые могут выпускать разные вещества в организм в запрограммированное время и в запрограммированном месте.

Кенсалл Уайз, преподаватель по конструированию электросхем в университете Мичигана, разработал крошечный исследовательский нейрональный зонд, который обеспечивает точное отслеживание электроактивности у пациентов с неврологическими болезнями. Ожидается, что будущие разработки также смогут доставлять лекарство в точное место в мозге. Казуши Ишияма из университета в Тохоку, Япония, разработал микромашины, которые применяют вертящиеся винты, чтобы доставить лекарства непосредственно в мелкие раковые опухоли.

Особая инновационная микромашина, разработанная Сандийскими национальными лабораториями, имеет настоящие микрозубцы с захватом, который открывается и закрывается, улавливая отдельные клетки, а затем имплантирует их вместе с веществами, такими как ДНК, белки или лекарства.

Комплексные структуры на молекулярном уровне уже сконструированы. В некоторых случаях строительные блоки заимствуются у природы. На самом деле копирование или манипулирование молекулами естественного происхождения, чтобы достичь определенных целей, — краеугольный камень нанотехнологических исследований сегодняшнего дня. ДНК оказывается полезным структурным инструментом, поскольку неупорядоченные нити могут быть организованы в виде кубов, октаэдров и более сложных конструкций. Коллектив из Корнельского университета использовал части естественного фермента, аденозинтрифосфатазы, чтобы построить двигатель наноразмеров. Другой коллектив из Национального института научных исследований Франции, в Страсбурге, успешно использовал нанотрубки из углерода, чтобы доставить пептиды в ядра фибробласт. Разрабатывается множество методов для микро- и наномашин, чтобы выполнять широкий спектр заданий в организме и кровотоке.

Программируемая кровь

Всеохватывающая система, которая уже подверглась комплексной концептуальной реконструкции, — это наша кровь. В статье «Причина и профилактика болезней сердца» мы обсудим ряд замечательных концептуальных конструкций Фрейтаса по замене роботами наших эритроцитов, лейкоцитов и тромбоцитов. Детальный анализ этих конструкций показывает, что эти крошечные роботы были бы в сотни или тысячи раз эффективней, чем их биологические аналоги.

Наноэнергия

Разработка источников энергии для этих крошечных устройств уже привлекла большое внимание исследователей. Технология MEMS (микроэлектронные механические системы) применяется, чтобы создать микроскопические клетки водородного горючего для переносных энергетических приборов и, в конечном итоге, нанороботов, которые будут введены в человеческий организм. Один из методов — использовать те же источники энергии — глюкозу и АТФ, — которые питают наших естественных нанороботов, таких как макрофаги (вид лимфоцитов, созданный, чтобы уничтожать вредные бактерии и вирусы). Команда исследователей из Японии разработала «био-нано» генератор, который создает энергию из глюкозы в крови. Другая команда из техасского университета в городе Остин разработала топливную клетку, которая использует как глюкозу, так и кислород в крови человека.

Постоянное отслеживание

Основанные на нанопроводах сенсоры продемонстрировали потенциал практически немедленно выявлять болезнь. С помощью любой жидкости организма, например мочи, слюны или крови, болезни, включая рак, могут быть выявлены на самой ранней стадии. По словам руководителя исследования, Чарльза М. Либера, преподавателя химии в Гарвардском университете, эта технология даст вам возможность «уколов палец, получить каплю крови и за несколько минут узнать, есть ли у вас определенный вирус, генетическая болезнь, риск различных заболеваний или лекарственного взаимодействия». Этот подход также можно использовать, чтобы выявить угрозы биотерроризма.

В течение нескольких лет у нас будут средства, чтобы постоянно отслеживать состояние своего организма и подстраивать свои программы по сохранению здоровья, а также получать предупреждения на раннем этапе об экстренных случаях, например инфарктах. Авторы работают над системой такого типа совместно с биохимической компанией United Therapeutics, используя миниатюризированные сенсоры, компьютеры и беспроводную связь. Исследователи из университета Эдинбурга разрабатывают распыляемые нанокомпьютеры для отслеживания состояния здоровья. Их цель: прибор размером с песчинку, в котором сочетаются компьютер, система беспроводной связи и сенсоры, способные определять температуру, давление, свет, магнитные поля и электротоки. В еще одной разработке коллектив исследователей под руководством Гарта Эрлиха из аллегенского научно-исследовательского института в Питсбурге разрабатывает сенсорные роботы на основе микроэлектронных механических систем, которые можно имплантировать в организм, чтобы найти инфекцию, определить патоген и затем распределить соответствующий антибиотик из внутренних контейнеров прибора.

Одно из применений, которое они рассматривают, — предотвратить бактериальную инфекцию, одну из главных причин неудачной замены тазобедренного сустава. Эрлих указывает, что сегодня «единственное средство помочь таким пациентам — травмоопасное удаление имплантата, что приводит к потере костной массы, обширному повреждению мягких тканей, месяцам вынужденного постельного режима с внутривенным введением антибиотиков и существенному снижению качества жизни из-за полной потери подвижности».

Нанохирургия

Нанороботы создадут величайших хирургов. Группы из миллионов нанороботов смогут восстанавливать кости и мышцы, поклеточно уничтожать нежелательные образования, например опухоли, и прочищать артерии, перестраивая их вне здоровой ткани. Нанороботы будут в тысячи раз точнее, чем самые совершенные хирургические инструменты сегодня, не будут оставлять рубцов, а также смогут обеспечить постоянное наблюдение после некоторых хирургических процедур. Хирурги-нанороботы смогут даже делать хирургические операции на структурах между клетками, например исправление ДНК в ядре. Таким нанороботам потребуются распределенные средства искусственного интеллекта. Как у муравьев в колонии муравьев их действия должны быть точно скоординированы, и вся «колония» нанороботов должна будет проявлять гибкий интеллект. Распределенные системы, которые выполняют координацию интеллекта, — одна из ключевых целей исследований искусственного интеллекта — разработки компьютеров, имитирующих человеческий интеллект.

Одна из самых передовых концептуальных разработок Фрейтаса — робот, исправляющий ДНК. Миллиарды или даже триллионы таких роботов смогут проникнуть внутрь всех ваших клеток и восстановить, а также улучшить ДНК в генах. Фрейтас указывает, что, возможно, будет более эффективно просто заменить ДНК в гене на новую исправленную копию, чем пытаться изменить отдельные нуклеотиды.

Вот изначальная идея: заменить весь генетический механизм (клеточное ядро, рибосомы и относящиеся структуры) маленьким компьютерным роботом. В компьютере будет храниться генетический код, который составляет всего 800 мегабайт информации, или около 30 мегабайт при сжатии данных. Замещающая ядро компьютерная система затем будет выполнять функцию рибосом, непосредственно собирая цепочки аминокислот в соответствии с компьютерной генетической информацией. Все эти компьютеры будут в беспроводной местной сети, так что улучшения генетического кода можно будет быстро скачать из Интернета. Компьютеру будет необязательно заменять каждое клеточное ядро, чтобы иметь полную копию генетического кода, поскольку компьютеры смогут обмениваться информацией. Одно из главных преимуществ этого метода в том, что нежелательную репликацию, например репликацию патологических вирусов или раковых клеток, можно быстро остановить.

Обуздать солнечный жар

Эксперименты команды из Гарварда под руководством физика Эрика Мазура продемонстрировали, что возможно использовать точно направленный лазерный свет, чтобы проводить хирургические процедуры, направленные извне пациента, включая уничтожение небольших структур внутри клеток, никак иначе на них не воздействуя. «Это метод по типу микроскопического Джеймса Бонда, — по словам ассистента проекта и специалиста по клеточной биологии из Гарварда Дональда Ингбера. — Это порождает жару солнца, но только на нониллионые доли секунды и на очень небольшой площади». Команда уже продемонстрировала способность выполнять лазерные нанохирургические вмешательства, направленные извне животного, и успешно манипулировала чувством обоняния червя Caenorhabditis elegans.

Интеллектуальные клетки

Гибридное развитие, включающее и биотехнологии, и нанотехнологии предусматривает превращение биологических клеток в компьютеры. Эти усовершенствованные «интеллектуальные» клетки затем могли бы выявлять и уничтожать раковые клетки и патогены или даже вновь вырастить части тела, такие как органы или конечности. Биохимик из Принстона Рон Вейс модифицировал клетки, чтобы они включали ряд логических функций, которые используются при базовых вычислениях. Тимоти Гарднер из Бостонского университета разработал клеточный логический переключатель, еще один базовый строительный блок для превращения клеток в компьютеры. А ученые из междисциплинарной лаборатории Массачусетского технологического института разработали способы использовать беспроводную коммуникацию, чтобы отправлять сообщения, включая сложные последовательности указаний, в компьютеры внутри модифицированных клеток. Присоединяя к ДНК золотые кристаллы, в которых менее 100 атомов, они смогли использовать золото как антенну-щупальце и избирательно заставить двухспиральную ДНК расстегнуться, не затрагивая соседние молекулы. В конечном итоге можно использовать эту технику, чтобы контролировать экспрессию гена с помощью удаленного контроля. Вейс указывает, что «как только вы сможете программировать клетки, вы не будете ограничены тем, что клетки уже умеют делать. Вы можете запрограммировать их делать новое, по новым схемам».

Также мы делаем экспоненциальный прогресс в понимании принципов работы головного мозга человека. Наши средства исследования мозга ускоряют свое развитие в соотношении цена-качество, а также способности видеть мелкие детали и быстрые процессы. Новое поколение устройств для сканирования мозга в первый раз дает возможность отслеживать индивидуальные межнейронные связи в реальном времени в скоплениях в десятки тысяч нейронов. У нас уже есть детализированные модели и имитации нескольких десятков областей мозга человека, и мы считаем, что это консервативная проекция, чтобы можно было ожидать выполнения обратной разработки нескольких сотен областей мозга в следующие два десятилетия. Такое развитие даст ключевое понимание, как мозг человека выполняет распознавание образов и когнитивные функции. Такое понимание, в свою очередь, значительно ускорит разработку искусственного интеллекта в небиологических системах, таких как нанороботы. С мерой интеллекта циркулирующие в нашей крови нанороботы, органы тела и мозг смогут преодолеть практически любое препятствие нашему здоровью. В конечном итоге мы объединим свое мышление естественного происхождения с прогрессивным искусственным интеллектом, чтобы значительно расширить свои способности мыслить, творить и чувствовать.