Как музыка лечит и при чем здесь стволовые клетки?

На кафедре экспериментальной медицины CIRM под руководством проф. Юрия Захарова разработаны и применяются в клинической практике многие методы реабилитации основанные на физических принципах. Использование модулированного сигнала в терапии болезни Альцгеймера, эпилепсии, заболеваний сердечно-сосудистой системы доказано многочисленными исследованиями, но звук влияет не только через органы чувств и мозг, воздействие на клетки осуществляется напрямую. Так, воздействие определенных электромагнитных волн слышимого частотного диапазона стимулирует образование стволовых клеток мобилизованных из адипоцитов (клеток жировой ткани) за счет кустической модуляция механочувствительных генов и дифференцировки адипоцитов.

Звук воспринимается не только ушами и мозгом — на него реагируют даже отдельные клетки организма. Звук представляет собой механические волны, которые распространяются в воздухе. Он способен передавать важную информацию об окружающем мире и вызывать различные физиологические реакции. Однако только сейчас ученые начали осознавать, что акустическое давление может оказывать непосредственное воздействие на клетки человеческого тела. С помощью РНК-секвенирования, микроскопии и других методов ученые проанализировали поведение клеток под воздействием звука в пределах слышимого диапазона. Результаты оказались поразительными: клетки действительно реагируют на звук. Особенно заметным оказался эффект подавления дифференцировки адипоцитов — процесса превращения предшественников жировых клеток в зрелые жировые клетки. Это открывает возможность использовать звук как безопасный, неинвазивный метод для управления состоянием тканей. Более того, исследователи выявили около 190 генов, чувствительных к звуку, зафиксировали изменения в их активности и изучили внутриклеточные механизмы передачи звукового сигнала. www.nature.com/articles/s42003-025-07969-1

ПОТЕРЯ ЭПИГЕНЕТИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ КАК ПРИЧИНА СТАРЕНИЯ

Все живые существа испытывают энтропию, проявляющуюся в потере унаследованной генетической и эпигенетической информации с течением времени. В дрожжах эпигенетические изменения приводят к потере идентичности клеток и стерильности, что является признаком старения дрожжей.

У млекопитающих эпигенетическая информация также теряется со временем, но неизвестно, что вызывает ее потерю и является ли это причиной или следствием старения. Используя систему трансгенных мышей под названием «ICE» (для индуцируемых изменений эпигенома), показано, что процесс восстановления немутагенных разрывов ДНК ускоряет связанные с возрастом физиологические, когнитивные и молекулярные изменения, включая эрозию эпигенетического ландшафта, потеря клеточной идентичности, клеточное старение и продвижение эпигенетических часов. Эпигенетическое репрограммирование посредством эктопической экспрессии Oct4, Sox2 и Klf4 (OSK) восстанавливает паттерны экспрессии генов в молодости.

Эти данные подтверждают модель, в которой потеря эпигенетической информации является причиной старения млекопитающих.

papers.ssrn.com/sol3/papers.cfm?abstract_id=3951490

Клеточные реакции на двухцепочечные разрывы ДНК разрушают эпигенетический ландшафт.

Эта потеря эпигенетической информации ускоряет признаки старения.

Эти изменения обратимы путем эпигенетического перепрограммирования.

Управляя эпигеномом, старение можно двигать вперед и назад

Мы способны обратить процесс вспять: система не повреждена, где-то существует резервная копия, и «программное обеспечение» можно перезагрузить. Этот метод принципиально отличается от подхода, основанного на использовании стволовых клеток: он не возвращает клетки в плюрипотентное состояние, не стирает заложенную в них эпигенетическую информацию, а только обновляет ее.

Эпигенетические процессы реализуются на нескольких уровнях. Метилирование действует на уровне отдельных нуклеотидов. Следующий уровень — это модификация гистонов, белков, участвующих в упаковке нитей ДНК. От этой упаковки также зависят процессы транскрипции и репликации ДНК. Отдельная научная ветвь — РНК-эпигенетика — изучает эпигенетические процессы, связанные с РНК, в том числе метилирование информационной РНК. www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(22)01570-7

Мы (CIRM) пошли другим путем — «перезагрузка» осуществляется путем репрограммирования физическими методами с помощью специального технического устройства использующего лазеры и звук акустичесого диапазона. Это открывает принципиально новые возможности терапии.

Эукариотические и прокариотические клетки оснащены различными механосенсорными системами, обычно включающими механически управляемые каналы, мембранно-связанные сигнальные системы и молекулярные сенсоры, ассоциированные с цитоскелетом. Силы в диапазоне от нескольких пиконьютонов до наноньютонов напрямую воспринимаются этим молекулярным механизмом, чтобы вызвать адаптивные клеточные реакции. Исследования, сфокусированные на реакциях на клеточном уровне на контактное давление, осмотическое давление, напряжение сдвига, силы растяжения и сжатия и эластичность субстрата, выявили клеточные стратегии, которые используют механические стимулы в качестве жизненно важной внешней информации для оптимизации их внутренней деятельности.

Звук, одна из самых распространенных физических сил в природе, представляет собой компрессионную механическую волну, которая передает осциллирующее и флуктуирующее давление через вещества. В стандартной физиологической среде слышимый диапазон, имеющий частотный диапазон приблизительно от 20 Гц до 20 кГц, передает несколько паскалей (Па) давления в воздухе и несколько кПа в воде. Помимо звука, проводимого по воздуху, воспринимаемого слуховой системой, два основных типа передачи звука (звук, проводимый по костям и мягким тканям) образуют сложную акустическую среду внутри тела. Вместо классически сообщаемой статической силы в 5 Н, которая является порогом для активации костной проводимости, недавно было показано, что мягкотканная проводимость работает при силе приложения 0 Н без прямого физического контакта между источником звука и телом.

Учеными разработана система звуковой эмиссии с использованием обычного громкоговорителя, который передает несколько мПа акустического давления, изменяя механочувствительные гены — систему прямой звуковой эмиссии с использованием вибрационного преобразователя для генерации акустических волн непосредственно в культуральной среде.

Используя эту систему, можно напрямую передавать различные акустические волны в культивируемые клетки с максимальной интенсивностью приблизительно 100 Па, без передачи тепла от преобразователя, что находится в пределах физиологического диапазона звукового давления в живых тканях. Генерация акустических волн в воде неизбежно сопровождает движение жидкости. Хотя невозможно экспериментально оценить только эффект продольных волн без сдвигового напряжения, вызванного течением, сравнение клеточных реакций на звуковые волны 440 Гц и 14 кГц убедительно свидетельствует о том, что многие клеточные реакции, наблюдаемые в этом исследовании, были вызваны продольными волнами. При сравнении акустических волн одинаковой интенсивности амплитуда смещения частиц синусоидальной волны обратно пропорциональна частоте звука. Таким образом, при том же выходном давлении 100 Па звуковая волна 440 Гц будет иметь в 32 раза большую амплитуду смещения частиц, чем звуковая волна 14 кГц, и генерировать гораздо большее сдвиговое напряжение для клеток. Следовательно, ожидается, что клеточные реакции, вызванные общим напряжением, будут намного выше на частоте 440 Гц, чем на частоте 14 кГц.