Воскресное чтение. Обзор научной периодики за 6—12 декабря

Машинное обучение

1. Сверточные нейронные сети, оптимизированные по биомаркерам (biomarker-optimized convolutional neural networks, BO-CNNs), могут позволить точно определить момент гибели клетки. BO-CNN идентифицировали клеточную смерть с точностью и скоростью, превышающими человеческую, обучаясь идентифицировать субклеточную морфологию, ассоциированную с жизнеспособностью клеток. Разработанные модели также обнаружили внутриядерные морфологические сигналы, детекция которых человеком затруднена — эти маркеры ранее не связывались с клеточной гибелью, хотя они достоверно на нее указывают. В клеточных моделях нейродегенеративных заболеваний гибель нейронов часто используется в качестве фенотипа, соответствующего болезни, а ее анализ — как средство обнаружения предикторов нейродегенерации. Авторы работы выделили семейство генетически кодируемых индикаторов гибели (genetically encoded death indicators, GEDI), позволяющих точно выделить стадию, на которой гибель нейронов становится неотвратимой. Была поставлена задача детектировать гибель нейронов при помощи микроскопии, для чего использовали количественный подход, автоматически генерирующий основанные на GEDI данные для обучения нейросети без участия человека. Обученная на таких данных нейросеть оказалась способна детектировать гибель нейронов по морфологическим картинкам, исключая необходимость в дальнейшем использовании GEDI.

Биомаркеры и диагностика

2. Средний размер описываемой в литературе циркулирующей внеклеточной ДНК обычно составляет не более 500 пар оснований, в то время как существование более длинных молекул остается слабо изученным. Авторы опубликованного в журнале PNAS исследования применили одномолекулярное секвенирование в реальном времени, чтобы детектировать и проанализировать значительную часть длинных молекул внеклеточной ДНК в плазме матери. Доли длинных (более 500 п.н.) внеклеточных молекул ДНК в материнской плазме составляли 15,5%, 19,8% и 32,3% в первом, втором и третьем триместрах, соответственно. Кроме того, в новой работе было продемонстрировано уменьшение доли длинных внеклеточных ДНК и изменение профиля их концевых мотивов при преэклампсии: так, при преэклампсии снижалась доля 5'-тетрамерных концевых мотивов, заканчивающихся пуриновым основанием. Таким образом, длинные внеклеточные ДНК могут служить важным биомаркером связанных с беременностью осложнений.

Иммунология

3.  Исследование шведских ученых показало, что некоторые белки не только являются биомаркерами воспаления, но и играют защитную роль при воспалительных заболеваниях. Авторы проанализировали роль 85 белков-маркеров воспаления при 18 различных заболеваниях. В исследовании использовали данные участников Исследования здоровья популяции Северной Швеции (Northern Sweden Population Health Study, NSPHS) и данные UK Biobank. Результаты показали, что IL-12B играет защитную роль при псориазе и псориатическом артрите, TWEAK имеет протективные функции при астме, LAP-TGF-b-1 — при остеоартрите, VEGF-A — при неспецифическом язвенном колите, а LT-a — при диабете 1 типа и ревматоидном артрите. Кроме того, в ходе изучения защитной роли биомаркеров воспаления авторы показали, что IL-18R1 увеличивает риск развития аллергических реакций, сенной лихорадки и экземы.

Онкология

4. Опубликованы результаты фазы 2 клинических испытаний химиоиммунотерапии против нейробластомы у детей. В ходе клинических испытаний комбинировали индукционную химиотерапию с введением моноклонального антитела hu14.18K322A, а также колониестимулирующего фактора гранулоцитов и макрофагов (GM-CSF) и IL-2 в низких дозировках. В испытаниях приняли участие 64 педиатрических пациента, каждый из которых прошел шесть циклов индукционной химиотерапии. Частичный ответ достигался после двух циклов у 42 из 63 поддающихся оценке пациентов. Медианная максимальная концентрация hu14.18K322A в ходе первого цикла положительно коррелировала с ранним ответом на терапию. Как минимум частичный ответ достигался по окончании индукции у 60 из 62 пациентов. Таким образом, результаты фазы 2 клинических испытаний демонстрируют, что терапия антителами hu14.18K322A и индукционной химиотерапией приводит к улучшению раннего ответа на терапию, значимому снижению объема опухоли, а также улучшению статистики по бессобытийной выживаемости на протяжении трех лет.

5. Сонодинамическая терапия — перспективный способ лечения гепатоцеллюлярной карциномы. Этот неинвазивный метод основан на формировании активных форм кислорода (АФК) в опухолевых клетках под действием ультразвука. Ограничением для данного подхода являются оксидативный стресс и антиоксидантная система раковых клеток. Новое исследование демонстрирует, что при сонодинамической терапии в клетках активируется ген NFE2L2, который впоследствии затрудняет эффективность терапии. Для решения этой проблемы было предложено использовать систему CRISPR/Cas9, нацеленную на NFE2L2. Нокаут данного гена позволяет повысить эффективность сонодинамической терапии. Предложенная авторами работы схема включала в себя доставляемую при помощи липидных наночастиц систему CRISPR/Cas9 и монометиловый эфир гематопорфирина (НММЕ), служащий для генерации АФК под действием ультразвука. Продуцируемые НММЕ активные формы кислорода участвовали в высвобождении доставляемых в клетку Cas9 и гидовых РНК, что обеспечивало преодоление антиоксидантной защиты раковых клеток.

Разработка вакцины

6. Полученные из бактерии Coxiella burnetii растворимые антигены вызывают формирование защитного иммунитета без провоцирования гиперчувствительности, утверждают авторы опубликованного в Cell Reports Medicine исследования. C. burnetii вызывают так называемую Q-лихорадку, или Q-риккетсиоз, их переносчиками являются жвачные животные (преимущественно козы и овцы). Инактивированная формалином цельноклеточная вакцина обеспечивает долговременную защиту после однократного введения, но все еще остаются опасения по поводу реактогенности вакцины. В качестве альтернативы было предложено использование очищенных антигенов, выделяемых из невирулентного штамма C. burnetii NMII. Растворимый бактериальный экстракт, названный Sol II, стимулирует выработку антител и индуцирует CD4+ Т-клеточный ответ у мышей. Также на трех животных моделях — мышах, морских свинках и обезьянах — было продемонстрировано, что Sol II защищает от легочной инфекции C. burnetii, не вызывая при этом гиперчувствительность. Кроме того, авторы работы протестировали выделенный из вирулентного штамма экстракт Sol I и показали его эффективность в формировании иммунитета против C. burnetii.

Доставка мРНК в клетки

7. Основанные на мРНК подходы к терапии различных заболеваний обладают большим потенциалом для терапии различных патологий, включая онкологические и сердечно-сосудистые заболевания. Доставляемая в клетку мРНК способна стимулировать продукцию, деградацию или модификацию целевого белка. Ключевой проблемой в применении терапевтических мРНК служит их доставка в таргетные клетки. Многообещающая стратегия — это применение липидных наночастиц. В новой работе была протестирована доставка мРНК с их помощью в различные типы клеток (первичные адипоциты человека, фибробласты и HeLa). Микроскопия сверхвысокого разрешения позволила проследить единичную липидную наночастицу в комплексе с мРНК в эндосомальных компартментах и визуализировать момент выхода мРНК из эндосом. Сравнение шести комплексов липидных наночастиц и мРНК различного состава показало, что полное поглощение не всегда является признаком эффективной доставки. Растянутое во времени поглощение наночастиц нарушало закисление эндосом и приводило к накоплению мРНК в компартментах, не способных к дальнейшей транспортировке груза, что плохо сказывается на эффективности доставки и приводит к увеличению цитотоксичности. Компартменты ранних стадий эндоцитоза, напротив, демонстрировали наибольшую вероятность успешного высвобождения мРНК.

Биотехнологии  

8. Международный коллектив ученых подобрал условия для устойчивой пролиферации плюрипотентных стволовых клеток домашнего скота. Эти клетки, полученные из эмбрионов свиней, овец и крупного рогатого скота, были выращены без сыворотки, клеток-фидеров (подкармливающих клеток) или антибиотиков. Авторы работы продемонстрировали, что комбинация активина А, фактора роста фибробластов и ингибитора Wnt ХAV939 способствует постоянной экспансии плюрипотентных стволовых клеток. Глобальный транскриптомный анализ выявил общность в экспрессии транскрипционных факторов между клеточными линиями трех видов, в то время как глобальное сравнение с эмбриональными стадиями развития свиньи выявило сходство полученных клеточных линий с клетками эпибласта. Таким образом, плюрипотентные стволовые клетки, полученные из основных сельскохозяйственных животных, соответствовали клеткам формирующегося эмбрионального диска, и такие клеточные линии эффективно стабилизировались при помощи определенного клеточного окружения. Авторы работы называют созданную ими технику получения стволовых клеток перспективной для создания искусственного мяса («мяса из пробирки»).

Молекулярные механизмы

9. Боковой амиотрофический склероз (БАС) — это нейродегенеративное заболевание, для которого в настоящий момент не существует клинически одобренной терапии. В ходе БАС гибель нейронов приводит к развитию прогрессирующего паралича. Примерно для 10% пациентов с БАС известны случаи заболевания в семье. БАС считается сложным заболеванием с наследуемостью от 40 до 50%. Опубликованные в Nature Genetics результаты исследования демонстрируют 15 генетических локусов риска развития данного заболевания. Авторами исследования был проведен полногеномный поиск ассоциаций, включающий 29 612 пациентов с БАС и 122 656 здоровых контролей. Комбинация этого метода с полногеномным секвенированием 8953 человек (из которых 6538 были больны БАС, а 2415 — нет) позволила выявить локус-специфичную генетическую архитектуру. Авторы работы приоритезировали гены с редкими вариантами, короткими тандемными повторами и регуляторной активностью. Локусы риска были во многом схожи с локусами, характерными для других нейроденегеративных заболеваний, но имели иные паттерны обогащения в разных областях мозга и типах клеток. Кроме того, авторы работы показали роль высокого уровня холестерина в развитии заболевания. В сочетании с результатами полногеномного поиска ассоциаций эти данные указывают на роль везикулярного транспорта и аутофагии в развитии БАС, и свидетельствуют об инициации заболевания в глутаматергических нейронах.

10. Секвенирование РНК единичных клеток позволило авторам опубликованной в Cell Reports работы определить клеточный состав тканей молочных желез нерожавших и рожавших самок мышей. Результаты обнаруживают экспансию γδ Т-подобных естественных киллеров (NKT), наступающую после беременности, а также возрастание количества молекул иммунного сигналинга в клетках эпителия молочной железы. Экспансия NKТ объясняется повышением уровня экспрессии участвующей в презентации антигена молекулы CD1d в клетках эпителия молочных желез. Кроме того, утрата экспрессии CD1d или дефицит активированных NKT приводит к развитию онкологии. Таким образом, при беременности индуцируется образование в молочных железах иммунной микросреды, защищающей молочную железу от формирования опухолей.

11. Дегенерация сетчатки с поздним началом — редкое аутосомно-доминантное расстройство, вызванное мутацией в гене CTRP5 (C1q/TNF-related protein). С клинической точки зрения, заболевание характеризуется атрофической или неоваскулярной патологией пигментного эпителия сетчатки. Из полученных от пациентов индуцированных плюрипотентных стволовых клеток (iPSC) были выращены клетки пигментного эпителия сетчатки, на которых авторы опубликованной в Communications Biology работы проводили исследование заболевания. Они продемонстрировали, что доминантный патогенный вариант в гене CTRP5 приводит к снижению секреции белка CTRP5. Кроме того, моделирование in silico позволяет предположить снижение связывания мутантного CTRP5 с рецептором адипонектина 1 (ADIPOR1). Сам CTRP5 был ранее охарактеризован как биомаркер ожирения и хронической обструктивной пневмонии, что указывает на его роль в качестве регулятора клеточного метаболизма жирных кислот. Внутриклеточным медиатором CTRP5 является 5'-АМФ-активируемая киназа (AMPK), участвующая в регуляции метаболизма жирных кислот. Снижение уровня CTRP5 приводит к постоянной активации AMPK, что делает последнюю нечувствительной к соотношению АМФ/АТФ в клетке. Это, в свою очередь, нарушает метаболизм липидов, снижает секрецию нейропротектина D1 (NPD1), подавляет клеточное дыхание и снижает продукцию АТФ. Такие метаболические нарушения приводят к накоплению отложений субретинального пигментного эпителия, а также делают полученные из iPSC пациентов клетки сетчатки чувствительными к дедифференцировке. Авторы работы предложили генную терапию как способ восстановления фенотипа больных клеток — введение гена CTRP5 дикого типа возвращало клеткам чувствительность к энергетическому балансу в клетке. Аналогичный эффект достигался при помощи антидиабетического препарата метформина, который способен модулировать активность АМРК и ресенситизировать его к энергетическому статусу клетки.

Старение

12. Скелетные мышцы претерпевают значительные изменения в ходе старения и при занятиях физическими упражнениями. Старение мышц ассоциировано с утратой мышечных волокон II типа. Авторы опубликованной в Science Translational Medicine работы идентифицировали длинную некодирующую РНК — CYTOR, индуцируемую физической активностью. Оверэкспрессия этой РНК в клетках-предшественниках мышц стимулировала дифференцировку мышечных клеток по пути волокон II типа. Экспрессия Cytor в скелетных мышцах мышей снижалась с возрастом, а в мышцах молодых мышей была необходима для поддержания их морфологических и функциональных характеристик. Более того, возрастные изменения мышц можно обратить вспять при помощи оверэкспрессии Cytor в клетках пожилых мышей. В человеческих мышцах отмечалась корреляция между экспрессией CYTOR и содержанием мышечных волокон II типа, а экспрессия этой РНК также снижалась в стареющих мышечных клетках. Авторы работы описывают также механизм CYTOR-ассоциированных возрастных изменений мышц: эта некодирующая РНК затрудняет доступ к хроматину в области мотивов связывания транскрипционного фактора Tead1. Сайленсинг этого транскрипционного фактора in vitro и in vivo индуцирует развитие мышечных волокон типа II; в то же время оверэкспрессия Tead1 в мышцах снижала долю этих мышечных волокон.