В начале пандемии COVID-19 стажеры Института неврологии Ву Цай Цзинсюнь Чен и Эмма Коста нашли необычный способ скоротать время во время карантина.

Пока одни пекли закваску, а другие учились играть на гитаре, Чен и Коста наняли свои семьи, чтобы они помогли построить автоматические кормушки для рыбы.

"Позвольте мне сказать вам, что это был такой семейный проект", - сказал Чен, постдок в исследовательской группе Анны Брюне. "Со мной была вся моя семья, которая строила кормушки. У нас были паяльные станции в разных местах нашего дома — мой папа делал одну секцию, моя мама собирала их".

Этот кустарный промысел был мотивирован амбициозным сотрудничеством между исследовательской группой Брюне и соседней лабораторией Тони Висс-Корая, где Коста является аспирантом, чтобы ответить на извечные вопросы о самой биологии старения, изучая удивительно недолговечную африканскую бирюзовую рыбу-киллифиш.

Когда здание Стэнфордских нейронаук начало вновь открываться для исследователей, сотрудники вернулись в более благоприятную инженерную среду совместной лаборатории Винсента В.К. Ву-Цай Нейро "Песочница". Завершив разработку беспрецедентной системы для изучения старения киллифиш от детеныша до могилы, команда теперь стремится раскрыть секреты продления нашей собственной здоровой жизни.

Исследование с подробным описанием проекта было опубликовано 19 декабря 2022 года в eLife.

Куда бы вы ни посмотрели, кажется, что существует новая "научно обоснованная" программа, которая поможет вам прожить более долгую и лучшую жизнь. От средиземноморской диеты с рыбой и бобовыми до скептически настроенного к завтраку "прерывистого голодания" растет убеждение, что приведение в порядок наших планов питания может стать ключом к достижению здоровой старости.

Хотя для некоторых из этих утверждений имеются частичные доказательства, их тщательная проверка затруднена. В чем причина? Люди просто живут слишком долго. Потребовались бы десятилетия, чтобы провести исследования, охватывающие всю жизнь, необходимые для выяснения взаимосвязи между продолжительностью жизни и питанием. Но это всего лишь проблема, которой сейчас занимается сотрудничество Брюне и Висс-Корэ, которое стремится решить титаническую задачу изучения того, как внешние возрастные факторы влияют на всю нашу продолжительность жизни, включая то, как мы стареем и, в конце концов, как мы умираем.

Команда обратилась к рыбе-киллифишу, которая за свою короткую продолжительность жизни от четырех до шести месяцев демонстрирует многие из тех же возрастных патологических процессов, которые наблюдаются у людей. Заменив людей этими эфемерными рыбами, группы Брюнета и Висса-Корэя могут свободно заниматься тем, что в противном случае было бы невозможным исследовательским проектом: отслеживать каждый аспект продолжительности жизни сотен киллифишей одновременно, от колыбели до могилы, в процессе получая очень сжатую версию десятилетий.- длительный процесс старения человека.

"Нам очень повезло работать с лабораторией Брюне и использовать возможности этого недолговечного исследования старения позвоночных и того, как это может повлиять на мозг", - сказал Висс-Корэй, который руководит инициативой Фила и Пенни Найт по повышению устойчивости мозга в Стэнфорде и видит в киллифиш многообещающий источник в потенциально раскрывающие "поддающиеся обработке и переводимые вмешательства в области старения".

Исследователи и раньше использовали другие модели позвоночных животных для изучения старения, но ни одна из них не была так легко масштабируема, как рыба-убийца. По мнению Брюне, именно эта масштабируемость в сочетании с генетическими инструментами, которые команда разработала впервые, включая секвенирование генома рыбы и применение редактирования генов CRISPR, делает это существо такой привлекательной моделью.

"Это захватывающее время", - сказал Брюне. "Эти особенности помогут выявить новые принципы, лежащие в основе старения позвоночных".

И вот тут-то и пригодятся кормушки для рыб

Чтобы ухаживать за сотнями киллифишей и следить за ними 24/7, потребовалась бы армия аспирантов с затуманенными глазами, которые не спали бы всю ночь, каждую ночь, в течение месяцев или лет. Чтобы сделать возможным это амбициозное начинание, лаборатория Брюне разработала автоматизированную систему ухода и наблюдения, позволяющую отслеживать влияние старения рыб на протяжении всей их жизни. В основе этой системы лежит настраиваемая система кормления, разработанная Эндрю Маккеем, бывшим аспирантом лаборатории Брюне, который сейчас работает в Genentech и является ведущим автором нового исследования команды eLife. Система позволяет исследователям автоматизировать кормление круглосуточно, одновременно контролируя и отслеживая, что именно ест рыба и когда.

Каждый аквариум killifish оснащен вращающимся диском на батарейках, который забирает корм с одного конца кормушки и распределяет его с другого. Когда пища вращается вокруг устройства подачи, она проходит между основным датчиком освещенности, состоящим из светодиода и фоторезистора. Питание блокирует попадание светодиода на фоторезистор, автоматически регистрируя один оборот подачи в базе данных команды.

Как и большинство биологических лабораторий, лаборатория Брюне не предназначена для сложных инженерных проектов, поэтому, как только здание Стэнфордских нейронаук было вновь открыто для исследователей, Чен, Коста и третий постдок из лаборатории Висс-Кори, Ян Гулднер, решили воспользоваться преимуществами лаборатории-песочницы Wu Tsai Neuro. Лаборатория, пространство общего назначения для совместной работы в центре нейробиологии, предоставила достаточно места для разработки системы и производства автоматических фидеров, сначала для проверки концепции, а затем для дополнительных экспериментов. Лаборатория Брюне соединила эту систему кормления с комплексной системой видеомониторинга, так что исследователи смогли не только диктовать, что едят эти киллифиши, но и отслеживать, как они росли, старели и уменьшались с течением времени.

В своем новом исследовании eLife лаборатория Брюне в сотрудничестве с лабораторией Висс-Корэй использовали систему кормления, чтобы продемонстрировать влияние диеты на продолжительность жизни киллифиш. Установив кормушку таким образом, чтобы ограничить количество и время поедания рыбы-киллифа, исследователи обнаружили, что самцы рыбы-киллифа, рацион которых был ограничен, на самом деле имели тенденцию жить дольше, в то время как самки рыбы-киллифа прожили ту же продолжительность жизни независимо от приема пищи.

Конечно, диета важна не только как фактор, влияющий на старение, — это также полезный инструмент для измерения старения. Используя систему видеомониторинга для записи поведения этих рыб в ключевые моменты времени на протяжении всей их жизни, сотрудники смогли настроить ассоциативный анализ обучения, в ходе которого они обучили киллифиш ассоциировать автоматическое сбрасывание корма с красным светодиодом. Отслеживая эту способность к обучению на протяжении всей жизни киллифиша, команда стремится понять, как меняется когнитивная пригодность с возрастом.

Эти исходные данные теперь послужат ценной точкой сравнения для поиска командой вмешательств, которые могли бы помочь поддерживать когнитивную работоспособность в пожилом возрасте.

"В этом исследовании система кормления была особенно полезна, потому что мы могли запрограммировать ее так, чтобы она кормила рыбу столько раз, сколько мы хотели", - сказал Чен. По словам Чена, это значительно улучшает систему по сравнению с имеющимися в настоящее время коммерческими моделями, которые могут выдавать пищу только в заранее заданных количествах, что серьезно ограничило бы возможности лаборатории по разработке высокоточных исследований, которые она надеется провести в будущем.

Основа для понимания хода естественного старения

И это не только диета, которую лаборатория Брюнета надеется измерить. Эти системы мониторинга и подачи позволяют лаборатории разрабатывать масштабные проекты любого рода, рассчитанные на весь срок службы. Один проект, над которым работают Чен, Коста и Гулднер: атлас секвенирования РНК killifish.

Проект регистрирует данные о мРНК в тканях органов, принадлежащих killifish на разных стадиях жизни. Успешно опробованная на мышах, цель состоит в том, чтобы понять, как ключевые особенности процесса старения киллифиш — те же самые, что и у людей, — могут как отличаться, так и быть взаимосвязаны во всех органах киллифиш.

"Проверяя, как стареют разные органы у одного и того же животного, мы можем заложить основу для понимания хода естественного старения", - сказал Коста. "Это обеспечивает основу для сравнения эффективности различных методов продления продолжительности жизни".

Чен и Коста используют эту мощную платформу для исследования продолжительности жизни, чтобы задать свои собственные вопросы о биологии старения.

Со своей стороны, Чен изучает, как спаривание влияет на старение позвоночных и продолжительность их жизни. Прошлые исследования показали, что спаривание сокращает продолжительность жизни у беспозвоночных, таких как плодовые мушки, и Чен заинтересован в разработке исследований, ориентированных на киллифиш, чтобы помочь понять, как это работает.

"Я надеюсь привлечь внимание к "сексуальной истории", которая является важным компонентом истории жизни организма, который игнорируется многими исследованиями старения", - сказал Чен. "Я хочу мотивировать лучшее клиническое отслеживание сексуального анамнеза, чтобы мы могли лучше исследовать его роль в старении человека".

Коста, тем временем, интересуется влиянием самого старения, особенно на иммунную систему позвоночных.

"С возрастом люди часто менее способны вырабатывать эффективные иммунные реакции и более восприимчивы к воспалению и аутоиммунным расстройствам", - сказал Коста. Понимание того, как это работает у killifish, может помочь исследователям разработать способы сохранения эффективности иммунной системы с возрастом.

Лаборатория все еще далека от понимания того, как именно прерывистое голодание или средиземноморская диета помогают нам лучше стареть и даже почему. Но они по—прежнему жаждут ответов - и с помощью одного необычного животного и множества инженерных разработок они твердо вышли на охоту.