Старение и долголетие. Часть 2: почему мы умираем?

Исследования человеческого старения

Сегодня основная причина смерти в развитых странах — возрастные заболевания. Из-за своей распространённости эти болезни активно исследуются как государственными структурами, так и частным сектором [11].

При этом изучение старения пока что приносит гораздо больше результатов, чем изучание долголетия. Во-первых, это связано с тем, что старение принципиально проще исследовать: не нужны экзотические лабораторные животные, эксперименты над которыми должны длиться десятилетиями. Во-вторых, каждая возрастная болезнь — узкая тема, в которой накопленная информация, как правило, позволяет локализовать и устранять белые пятна. В то же время долголетие — обширная неизведанная область без универсальных гипотез, требующая колоссального объёма работы до получения практически значимых знаний.

Сегодня крупнейшей организацией, занимающейся проблемами старения, является Strategies for Engineered Negligible Senescence Research Foundation (SENS). SENS ведёт свою деятельность с 2000 г, был частью Methuselah Foundation до 2009. В 2011 Обри де Грей, один из основателей SENS, унаследовал от своей матери $16.5млн., $13млн. из которых он пожертвовал SENS. Это позволило увеличить годовой бюджет фонда с $2млн.до $4млн [12].

Все проекты SENS объединяет идея, что возраст неизбежно ведёт к накоплению дефектов в живой системе и эти дефекты необходимо устранять, пока они не накопятся и не приведут к поломке. Устранять дефекты предлагается при помощи регенеративной медицины и регенеративного потенциала самого организма.

Cейчас SENS ведёт исследования по семи направлениям, представленным в табл.2. В интервью 2013 года де Грей признался, что следование каждой отдельной стратегии вряд ли увеличит продолжительность даже на 5 лет: важен именно комплексный подход [13].

Табл.2 — возрастные дефекты, исследуемые SENS и технологии, призванные их устранить. Сейчас уже проводятся клинические исследования некоторых техник, разработанных в рамках стратегий: использование стволовых клеток при болезни Паркинсона и вакцинация от внеклеточных аггрегатов при Альцгеймера. Наиболее сложными считаются стратегии, полагающиеся на генную терапию — предотвращение мутаций в митохондриальном геноме и подавление теломеразной активности в рамках стратегии борьбы с раком [14].

Каждый из указанных в табл.2 дефектов приводит к какому-либо типу возрастных заболеваний. Далее следует краткое описание целей и полученных результатов каждой стратегиии.

Атрофия
Клетки нашего тела подвергаюися ежедневному прессу окружающей среды и получают урон на молекулярном уровне. В норме повреждённые клетки либо восстанавливаются, либо же уничтожаются. Потерянные клетки восстанавливаются за счёт стволовых клеток. Но с возрастом стволовые клетки делятся медленней и в итоге число клеток в организме становится меньше, что приводит к атрофиям.
Старческая слабость — следствие возрастной атрофии мышц, саркопении. Потеря мышечной массы начинается примерно в 40 лет и составляет 8% за десять лет, а после 70 лет — 15% [15]. Гибель нейронов приводит к старческому слабоумию и потере моторных навыков. Уменьшение вилочковой железы, ответственной за созревание Т-иммунных клеток, приводит к понижению иммунитета.
Теоретически, для решения проблемы утери клеток можно применять факторы роста, но побочные эффекты, включающие развитие рака, ставят крест на их использовании при старческих атрофиях.

B SENS предполагают, что бороться с атрофией следует при помощи трансплантации выращенных тканей и органов. Сегодня для трансплантации обычно нужен донор, которого, во-первых, не всегда легко найти. Во-вторых, пересаженный орган всегда отторгается (при высокой совместимости донора и реципиента этот процесс всё равно идёт, но так агрессивно), из-за чего людям, перенесшим трансплантацию крупных органов, часто требуются новые пересадки или регулярные курсы иммунодепрессантов.

Но уже сегодня имеется альтернатива — выращивать целые органы из клеток самого пациента. Это стало возможно благодаря работам японского учёного, лауреата нобелевской премии 2012 года Шиньи Яманаки, открывшего, что окончательно дифференциированные клетки можно превратить в стволовые, введя в клетки всего четыре белковых фактора [16]. Далее, используя другие факторы, можно направить дифференциацию полученных стволовых клеток в направлении любого требуемого органа.
Открытие Яманаки — одно из величайших открытий в области геронтологии, показавшее, что любая клетка обладает скрытым регенеративным потенциалом.

Раковые клетки
Выше было написано, что рак может вызываться теломеразной активностью. В связи с этим в SENS проводятся исследования ингибиторов теломераз. Но сами учёные признают, что такие вещества не могут дать 100% защиты от рака, поскольку опухолевые клетки постоянно мутируют и могут развить устойчиваость к лекарству

Иной подход более радикален и предлагает удалить ген теломеразы из клеток всего тела. Тем не менее современная наука пока не располагает технологиями, которые бы позволили это сделать.
К тому же теломераза необходима не только раковым клеткам. Удаление гена теломеразы из здоровых стволовых клеток приведёт к ускорению атрофии тканей. Разработчики этого подхода к лечению рака заявляют, что длина человеческих теломер достаточна, чтобы стволовые клетки человека делились десять лет после удаления гена теломеразы. По истечению этого срока пациенту можно трансплантировать новые стволовые клетки с восстановленными теломерами.

Стоит при этом помнить, что устранение теломераз позволит остановить бесконтрольное деление раковых клеток, но никак не повлияет на накопление повреждений в генном материале клетки. Вредные мутации продолжат копиться, и возможно, приведут к возникновению рака, не требующего теломераз для разрастания опухоли. Усечённые теломеры приводят к объединению и зацикливанию хромосом [17]. А в 2008 был описан механизм, из-за которого усечение теломер в дрожжах приводит к возникновению стабильно делящихся клеток [18].

Так что шансы, что описанная стратегия позволит победить рак, не столь велики. Зато очень вероятно, что при удачном решении поставленных проблем рак «постареет» и будет проявляться у людей на десятилетия позже, чем сейчас.

Мутации митохондриальной ДНК
В митохондриях клеток происходит дыхание, побочным продуктом которого являются активные формы кислорода (АФК), окисляющие клеточные белки, липиды и ДНК. В отличие от других органелл, в митохондриях есть своя собственная ДНК (мтДНК), кодирующая 13 митохондрильных белков.

МтДНК повреждается АФК чаще, чем ядерная, поскольку находится в эпицентре их образовния. Повреждение мтДНК грозит снижением энергоэффективности клетки и большей генерацией АФК, что создаёт замкнутый круг. Высокие уровни АФК могут внести мутации в ядерную ДНК, запустить программу апоптоза и вызвать локальное воспаление.

Удаление мутаций из мтДНК пока технически невозможно, поэтому вместо борьбы с ними в SENS было предложено создать в ядре копии всех 13 митохондриальных генов. Основные проблемы этой стратегии: во-первых, она требует методов редакции генома на организменном уровне, которые пока слабо развиты, а во-вторых, могут возникнуть проблемы с импортом белков в митохондрии. Белки, кодируемые в ядре, синтезируются вне митохондрий и импортируются в них через специальные поры, которые могут оказаться непригодными для прохождения какого-либо из 13 белков [19].

Сейчас эффективность этого подхода уже частично доказана. Так, в рамках SENS была оптимизирована методика вноса генетических конструкции в клетки живого организма. Эта методика позволила в лабораторных условиях восстановить зрение у мышей, страдающих от слепоты, вызванной мутацией в мтДНК (нейропатия Лебера) [20]. Статья 2008 года, в которой были опубликованы эти результаты, не стала первой публикацией, в которой говорилось о переносе митохондриальных генов в ядро. Тем не менее она доказала медицинскую значимость этого метода. Что интересно, в 2003 в статье другого коллектива было сказано, что внесение в ядро гена ND4 вызывает дисфункцию митохондрий и смерть клеток, когда именно этот ген и использовался в работе 2008 года [21].

Дряхлые клетки
Повреждённые клетки в ряде случаев подвергаются апоптозу. Апоптоз — это программируемая гибель клетки через деградацию собственных белков, завершающаяся распадом на пузырьки, которые поглащают иммунные клетки.

Апоптоз призван устранять потенциально опасные и необратимо повреждённые клетки. Сбой программы апоптоза означает, что клетка больше не готова пожертвовать собой ради блага всего организма. Такие клетки чаще всего просто продолжают жить со своими повреждениями и не делятся. Такие клетки называют дряхлыми. Дряхлые клетки выделяют в окружающую ткань провоспалительные вещества, что не так заметно в молодости, но с возрастом такие клетки накапливаются и к старости их суммарное воздействие приводит к хроническому воспалению [22]. Дряхление иммунных клеток — одна из причин низкой устойчивости старых людей к инфекциям [23].

Белки на поверхности дряхлых клеток отличаются от белков нормальных клеток, и благодаря этому теоретически возможно создать терапию, уничтожающую исключительно дряхлые клетки. В 2010 впервые была совершена фильтрация мышиной крови от дряхлых иммунных клеток CD8, что позволило снизить их количество в кровотоке старых мышей в 7 раз. Для фильтрации использовались слитые с магнитными наночастицами антитела, которые связывали специфические для дряхлых CD8 клеток поверхностные белки и оседали в магнитном поле [24].
Сейчас основная задача данной стратегии — найти маркеры, позволяющие опознать дряхлые клетки в разных тканях. Только после этого в SENS планируют начать разработку средств их уничтожения.

Снижение гибкости межклеточного матрикса
Разные клетки объединяются в ткани через межклеточный матрикс, основную часть которого составляют структурные белки (коллаген, эластин, фибрин). Оборот структурных белков происходит очень медленно и даже в старости наши кости и связки состоят из тех же самых молекул белка, что и в юности.

На протяжении всей жизни углеводы вступают в реацию Майяра с аминокислотами белка и образуют так называемы AGE-продукты, снижаюющие прочность межклеточного матрикса. Скорость этой реакции очень низкая, но она идёт на протяжении всей жизни, из-за чего у старых людей более хрупкие кости и менее гибкие сосуды, что повышает риск переломов и ишемических болезней.

К сожалению, пока неясно, как справиться с AGE-продуктами. Лекарства, которые могли бы их расщеплять наверняка будут иметь много побочных эффектов и требуют точной адресации. Возможно, для этих целей будет лучше сконструировать фермент, расщепляющий AGE-продукты, и поместить его во все клетки нашего орагнизма, но такое решение требует значительного прогресса современной биологии.
Сейчас на рынке нет лекарств, направленных на уничтожение AGE-продуктов. Клинические испытания единственного кандидата (к слову, весьма успешные [25]) были остановлены в 2009 году в связи с нехваткой средств у компании-разработчика [26].

Внеклеточные аггрегаты
По одной из теорий болезнь Альцгеймера (БА) вызывается внеклеточными отложениями белка бета-амилоида в нервной ткани.
Подобные отложения образуются не только в мозгу, но и во всех прочих тканях организма. Для борьбы с амилоидными бляшками можно использовать обычную вакцинацию, которая бы способствовала выработке в организме соответствующих антител. Но такой подход непригоден для лечения БА, поскольку из-за гемато-энцефалического барьера антитела не могут попасть в мозг.

Тем не менеее сегодня активно ведутся поиск и оптимизация антител, которые бы могли бы удалять амилоид из мозга. Crenezumab — антитела к бета-амилоиду, которые показали малозначимый эффект при лечении лёгкой и средней форм БА. В 2018 закончатся испытания кренезумаба в качестве профилактического средства на более чем 300 колумбийцах с редкой наследственной формой БА, симпотомы которой проявляются уже в 45 лет. Если испытания будут успешными, то выход кренезумаба на рынок не заставит себя ждать [27].

Внутриклеточные включения
В ходе жизнедеятельности в клетке образуются сложноразлагающиеся ненужные макромолекулы, которые попадают в лизосомы. В лизосомах постоянно поддерживается кислая среда и работает ряд ферментов, направленных на утилизацию внутриклеточного мусора. Но часть этого мусора настолько стабильна, что не разлагается, а накапливается в лизосомах, что приводит к их поломке.

Клетки с неработающими лизосомами перестают нормально функционировать и могут приводить к проблемам со здоровьем. Чтобы этого избежать можно снабжать клетки ферментами, способными разлагать стабильный клеточный мусор. Такие ферменты часто можно найти у почвенных бактерий, которые в конечном счёте разлагают любые биоорганические вещества. Описанный подход называет «фермент-заместительной терапией» и уже применяется при лечении врождённых лизоосомных заболевани, как например болезнь Гоше [28].

Наверное, вообще не надо будет умирать…
Старение — сложный биологический процесс, который затрагивает не все живые системы. Понимаение причин, по которым одни животные живут гораздо дольше чем другие — сложная, но очень важная задача на пути продления человеческой жизни.

В то же время существует и другой подход, заключающийся в борьбе не с фундаментальной причиной старения, а с вполне конкретными возрастными изменениями в организме, которые в итоге и приводят к дряхлению. Сейчас уже чётко определён круг проблем, которые необходимо решить, чтобы избавить человека от сопутсвующих старению слабости и хрупкости, болезненности, раковых и нейродегенеративных заболеваний.

Исследования в рамках обозначенных SENS стратегий способны значительно повысить продолжительность и качество жизни. И уровень современной биотехнологии позволяет сказать, что сегодня мы находимся на пороге прорыва в геронтологии.

Вполне вероятно, что человек, который проживёт 150 лет уже рождён

1. Diversity of ageing across the tree of life
   DOI: 10.1038/nature12789
2. The Naked Mole-Rat: A New Long-Living Model for Human Aging Research
   DOI: 10.1093/gerona/60.11.1369
3. Protein stability and resistance to oxidative stress are determinants of longevity in the longest-living rodent, the naked mole-rat
   DOI: 10.1073/pnas.0809620106
4. High-molecular-mass hyaluronan mediates the cancer resistance of the naked mole rat
   DOI: 10.1038/nature12234
5. Don’t Listen to the Buzz: Lobsters Aren’t Actually Immortal
6. AnAge entry for Homarus americanus
7. Longevity of lobsters is linked to ubiquitous telomerase expression
   DOI: 10.1016/S0014–5793(98)01357-X
8. AnAge entry for Salvelinus namaycush
9. Telomerase activity in `immortal’ fish
   DOI: 10.1016/S0014–5793(98)01020–5
10. Extreme lifespan of the human fish (Proteus anguinus): a challenge for ageing mechanisms
    DOI: 10.1098/rsbl.2010.0539
11. The 10 leading causes of death by country income group (2012), WHO
12. Aubrey de Grey donates $13 million of his own wealth to SENS life extension
13. A Reimagined Research Strategy for Aging
14. [13]
15. Sarcopenia: Definition, Epidemiology, and Pathophysiology
    DOI: 10.11005/jbm.2013.20.1.1
16. Induction of Pluripotent Stem Cells from Mouse Embryonic and Adult Fibroblast Cultures by Defined Factors
    DOI: 10.1016/j.cell.2006.07.024
17. Telomeres and chromosome instability
    DOI: 10.1016/j.dnarep.2006.05.030
18. Chromosome Fusions following Telomere Loss Are Mediated by Single-Strand Annealing
    DOI: 10.1016/j.molcel.2008.05.028
19. MitoSENS: Preventing damage from mitochondrial mutations
20. Optimized allotopic expression of the human mitochondrial ND4 prevents blindness in a rat model of mitochondrial dysfunction
    DOI: 10.1016/j.ajhg.2008.08.013
21. Limitations of allotopic expression of mitochondrial genes in mammalian cells.
    PMCID: PMC1462783
22. Senescent cells: SASPected drivers of age-related pathologies
    DOI: 10.1007/s10522–014–9529–9
23. T CELL REPLICATIVE SENESCENCE IN HUMAN AGING
    DOI: 10.2174/1381612811319090016
24. Whole-Animal Senescent Cytotoxic T Cell Removal Using Antibodies Linked to Magnetic Nanoparticles
    DOI: 10.1089/rej.2009.0964
25. Advanced glycation endproduct crosslink breaker (alagebrium) improves endothelial function in patients with isolated systolic hypertension.
    DOI: 10.1097/HJH.0b013e328013e7dd
26. Synvista Therapeutics Announces Termination of Clinical Trials of Alagebrium and SYI-2074 and Provides Business Update
27. DOI: 10.1523/JNEUROSCI.4742–11.2012
    http://www.alzforum.org/therapeutics/crenezumab-0
28. DOI:10.1159/000440865