Как измерить старение?
В фильме 2011 года «Время» (In Time) показан мир антиутопии, где люди будущего генетически модифицировали организм так, что старение прекращается с момента достижения 25-летия, но у каждого в распоряжении ограниченный запас жизненного времени. Время, остающееся до смерти, отображалось на встроенном индикаторе на руке и служило универсальной валютой («Время — деньги»). Фитнесбраслеты и смарт-часы, которые мы носим на руках сегодня, пока не способны к судьбоносным предсказаниям, но по сути уже стали частью большого плана. Конвергенция технологий сбора и хранения больших биомедицинских данных, искусственный интеллект и массовое применение новейших сенсоров и цифровых технологий в медицине создают условия для непрерывного наблюдения за состоянием здоровья человека.
Задайте себе вопрос: когда может появиться терапия, продлевающая жизнь на 200 лет? Единственный правильный ответ — минимум через 200 лет. Именно столько времени нужно, чтобы доказать обещанный результат в прямом эксперименте. И это при условии, что экспериментальное лекарственное средство уже есть в наличии.
Цифра 200 в моем примере на самом деле не так уж существенна. Даже достижение, на первый взгляд, скромного результата в 5–10 лет жизни требует многолетних исследований. Абсурдность ситуации будет ясна еще лучше, если вспомнить, что на практике процесс достижения цели требует многочисленных итераций и улучшений.
До сих пор мы использовали, пожалуй, самое бесспорное в практическом смысле определение: старение — это экспоненциальное увеличение с возрастом риска возраст-зависимых заболеваний и смерти от всех причин. Выбор такого определения позволяет быть
https://t.me/medicina_free
предельно объективным. Диагнозы, связанные с хроническими болезнями, могут меняться, как это и происходило на протяжении последних десятилетий. Смерть, напротив, пока еще остается объективно трактуемым событием в жизни человека.
В то же время человек не может быть наполовину живым и наполовину мертвым. Поэтому такие величины, как смертность или среднее время жизни, не существуют для одного человека — это свойства популяций. На практике хотелось бы иметь возможность заранее (в идеале — задолго) до наступления смерти организма количественно оценивать прогресс или даже скорость процесса старения.
Давайте посмотрим, как возрастные изменения в организме на всех уровнях, от клеточного состава или биохимии крови до медленных изменений черт лица, могут быть использованы для определения объективного или «биологического» возраста или скорости старения. Поговорим про большие медицинские данные, искусственный интеллект и результаты больших популяционных исследований, выявляющих влияние стресса и привычек на процесс старения.
Признаки старения
Существует масса показателей организма, изменяющихся с возрастом. Каждый из них в принципе может быть использован для оценки состояния организма и определения так называемого биологического возраста. В этой ситуации трудно сделать какой-то исчерпывающий список. Самой значимой попыткой классифицировать признаки
старения, пожалуй, стала статья «Ключевые признаки старения»87, опубликованная в 2013 году в журнале Cell и набравшая с тех пор уже почти 5500 ссылок.
Авторы работы предположили, что не все признаки старения одинаково полезны. Практицизм требует сфокусироваться на тех возрастных изменениях, которые максимально связаны со временем дожития. Среди них предлагается обсуждать только те, что доступны для изменения во взрослом организме и уже продемонстрировали в экспериментах причинную связь с ожидаемой продолжительностью жизни.
https://t.me/medicina_free
Начнем, наверное, с самого «разрекламированного» признака старения. Сокращение теломер — это молекулярный механизм, позволяющий клеткам многоклеточного организма ограничить максимальное количество делений (предел Хейфлика, про который мы уже упоминали в самом начале книги). Клетки с критически короткими теломерами прекращают деление и начинают проявлять признаки так называемых сенесцентных, или, пользуясь терминологией научпопа, зомби-клеток. Мы еще поговорим об этом подробнее.
Таким образом, теломеры — это молекулярные «устройства» для подсчета числа делений клетки, а остановка деления в момент критического укорочения теломер является эффективным способом борьбы с раком. Для неограниченного деления раковым клеткам (как и клеткам растущего организма во время эмбрионального развития) необходимо научиться увеличивать длину, то есть надстраивать теломеры при помощи специального фермента — теломеразы. Вот почему подавление активности теломеразы может быть стратегией борьбы с раком, а активация фермента в теории, наоборот, может помочь против старения.
Впервые идея о связи длины концевых участков хромосом и предела репликативного деления была высказана в начале 1970-х годов нашим соотечественником биологом-теоретиком Алексеем Оловниковым, который, увы, не получил в 2009 году Нобелевскую премию по физиологии и медицине. Престижную награду за «открытие механизмов защиты хромосом теломерами и фермента теломеразы» разделили американские ученые — Элизабет Блэкберн, Кэрол Грейдер и Джек Шостак.
Длина теломер в клетках — это один из наиболее изученных признаков старения: поиск публикаций в базе данных Pub Med выдает более 8000 работ. У новорожденных длина теломер составляет 8000– 13 000 нуклеотидных пар (букв ДНК-кода) и уменьшается в среднем на 20–40 нуклеотидных пар в год. Теломеры ожидаемо короче у пожилых людей, а у женщин обычно длиннее, чем у мужчин такого же возраста. Оба наблюдения коррелируют с разницей в ожидаемой продолжительности жизни между молодыми и старыми или между представителями обоих полов. Укорочение теломер было предиктором
https://t.me/medicina_free
смертности от всех причин в самом крупном по объему исследовании, объединяющем результаты 25 отдельных работ и данные 121 749 пациентов (в том числе 21 763 впоследствии умерших).
Длина теломер стала одним из первых и на долгое время самым обсуждаемым в научном сообществе и СМИ биомаркером старения. Существуют коммерческие тесты, позволяющие оценить длину теломер в клетках крови пациента. Однако нужно понимать, что теломеры могут укорачиваться не только в процессе старения, но и в ответ на стресс. Спойлер: это универсальное свойство всех признаков, связанных со старением человека. Именно поэтому результаты одних и тех же исследований пациента с интервалом в несколько дней или недель, могут сильно отличаться.
Исследования генетических факторов, влияющих на длину теломер в клетках крови (а именно этот вид клеточного материала проще всего добыть в достаточном количестве), указывают на влияние полиморфизмов (распространенных модификаций генетического кода) генов TERT и TERC, напрямую связанных с регулированием длины теломер. Генетическая компания 23andMe предоставляет своим клиентам информацию о состоянии гена TERC, определенный вариант которого обеспечивает в среднем сокращение длины теломер на 117 нуклеотидных пар, что эквивалентно примерно четырем годам жизни.
В 2012 году исследователи под руководством Марии Бласко из Национального центра онкологических исследований в Испании использовали аденоассоциированный вирус, генетически модифицированный для доставки мышиного гена TERT в клетки мышей. В обычных условиях мыши в лаборатории центра живут 150 недель. В результате одной интервенции годовалым мышам продолжительность их жизни увеличилась на 24%. Однократное лечение мышей в возрасте двух лет привело к существенно меньшему
эффекту — в 13%88.
Подопытные животные не просто жили дольше: у мышей увеличилась плотность костной ткани, улучшились метаболизм, моторная координации и баланс, а также когнитивные способности. Все эти изменения позволяют говорить об эффекте омоложения, причем риски онкологических заболеваний в эксперименте не увеличивались.
https://t.me/medicina_free
Изменения в последовательности ДНК под действием повреждений или в результате деления клеток — не единственные возможные геномные изменения. Клетки человеческого организма не отличаются генетически, но способны выполнять разные функции. Это достигается за счет так называемых эпигенетических, то есть ненаследуемых, модификаций ДНК.
Эпигенетические модификации бывают разных типов, но для нашего рассказа важны химические модификации при помощи специальных белков — ферментов. Самой важной является метилирование, то есть добавление метильной группы (CH3) на
фрагменты молекулы ДНК, в результате чего затрудняется считывание генетической информации. Эпигенетические изменения дают живым системам еще один уровень гибкости, позволяя существенно менять состояние организма, не меняя генетической информации.
Уже с 1960-х годов было известно, что с возрастом происходит медленное снижение уровня метилирования ДНК. Явление получило название «эпигенетический дрейф» и приводит к ряду патологических последствий. Например, чем мы старше, тем менее четкой становится разница между клетками разного типа. Это приводит к частичной или даже полной потери их функций.
В 2011 году Стивом Хорватом из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе89 и группой под руководством Трея Айдекера и Кан
Чжана из Калифорнийского университета в Сан-Диего в 2013 году90 на основании количественной оценки метилирования отдельных фрагментов ДНК с возрастом были разработаны «эпигенетические часы», которые очень точно (с ошибкой менее пяти лет) предсказывают возраст пациента. Оказалось, что предсказанный таким образом биологический возраст повышен (по сравнению с хронологическим) у пациентов, страдающих хроническими болезнями, в том числе ВИЧ, шизофренией и синдромом Дауна. У здоровых участников исследований ускорение старения оказывалось связано с эффектами образа жизни, а также предсказывало риск развития возрастных патологий.
Если бы эпигенетические изменения, накапливаемые в течение жизни, передавались потомству, то уже в следующем или через одно поколении еще не родившийся детеныш оказался бы старше любого из своих прародителей. Ничего подобного на самом деле не происходит:
https://t.me/medicina_free
два взрослых организма в состоянии дать рождение потомству, у которого эпигенетический дрейф отсутствует.
То же самое происходит при клонировании: клон взрослого животного в момент рождения обладает той же ДНК, что и «родитель», но эпигенетически и физически молод. Из этого также следует, что и наблюдаемые признаки старения имеют не генетическую, а эпигенетическую природу. Хорошая новость состоит в том, что оба примера доказывают существование в живой природе механизмов, позволяющих осуществить полный «эпигенетический откат» (а значит, и омоложение).
В 2012 году Нобелевскую премию получил профессор Института передовых медицинских наук в Киото Синъя Яманака, которому удалось продемонстрировать, что добавление всего четырех белков во взрослую клетку может «перепрограммировать» их в состояние, неотличимое от эмбрионального. Эти белки, получившие название «факторы Яманаки», способны «стереть» все эпигенетические маркеры возраста, обеспечивая клетке новую жизнь.
Уже в 2020 году были опубликованы результаты91 превращения клеток крови 114-, 43- и 8-летних женщин и девочек в эмбриональные (плюрипотентные стволовые). Во всех случаях удалось не только «обнулить» эпигенетические маркеры, но и полностью восстановить длину теломер. С уверенностью можно сказать, что клетки женщиныдолгожительницы в результате процедуры омолодились ровно на 114 лет.
Следующим шагом было бы попробовать сделать то же самое в живом организме. Уже знакомые нам ученые из испанского Национального центра онкологических исследований создали мышей, у которых дополнительные копии генов, кодирующих факторы Яманаки, были встроены прямо в геном. К сожалению, грызуны в таких экспериментах очень быстро получали раковые опухоли. Что, в общем, было предсказуемо. Слишком сильные эпигенетические модификации, пусть как будто бы в правильном направлении, приводят к потере идентичности клеток, потере функций и, в самом тяжелом случае, к раковым опухолям.
В 2016 году профессор Хуан Бельмонте из Института биологических исследований Солка (США) генетически модифицировал страдающую прогерией и потому обреченную рано
https://t.me/medicina_free
умереть мышь так, чтобы ее клетки сами производили факторы Яманаки. В отличие от испанских коллег, в этот раз дополнительные гены включались не все время, а только если мыши получали в составе еды антибиотик — доксициклин.
Некоторые мыши в эксперименте получали питьевую воду, содержащую доксициклин, постоянно. Другая группа получала антибиотик только два дня в неделю. Как только доксициклин проникал в клетки, факторы Яманаки включались и стимулировали перепрограммирование. Как только препарат исчезал из воды, «лишние» белки исчезали и действие факторов Яманаки заканчивалось.
Как и следовало ожидать, мыши, которые получали активацию факторов Яманаки все время, быстро умерли. Мыши, которые получали небольшую дозу клеточного перепрограммирования, прожили на 30% дольше контрольной группы без какого-либо дополнительного «лечения». Ученые не только не убили мышей, но и
не увеличили число опухолей и получили омоложение92.
С возрастом накапливаются и более серьезные, генетические повреждения, которые возникают в результате внешних и внутренних факторов: это могут быть солнечные и космические лучи, поражающие организм во время межконтинентальных авиаперелетов на большой высоте, и микроволновое излучение «рамок» контроля безопасности в аэропорту, а также курение или систематическое отравление тяжелыми металлами в городах. Все вместе генетические и эпигенетические повреждения, регуляторные ошибки и молекулярный мусор приводят к клеточному старению.
В экстремальном случае, когда объем повреждений в силу возраста или стресса превышает определенный предел, возникает состояние сенесцентности. Под этим подразумевают остановку клеточного цикла, которая сопровождается продукцией провоспалительных факторов, привлекающих клетки иммунной системы. Таким образом, сенесценция появилась как защитный механизм, направленный на предотвращение размножения и быстрое привлечение клеток иммунной системы к поврежденным клеткам.
Одно из самых важных последствий сенесцентности — это перегрузка и снижение возможностей иммунной системы. В результате вероятность сезонных простудных и других инфекционных
https://t.me/medicina_free
заболеваний с потенциальными тяжелыми осложнениями (обычно это пневмония) очень быстро нарастает с возрастом. Кроме борьбы с инфекциями наша иммунная система должна постоянно отслеживать поврежденные клетки, в которых в любой момент может произойти онкологическая трансформация. Раковые клетки в нашем организме возникают всегда, однако непрерывная деградация иммунной системы с возрастом приводит к тому, что вероятность «проспать» небольшую опухоль также нарастает в геометрической прогрессии.
Метилирование ДНК не только регулирует синтез необходимых молекул, но еще и играет критическую роль в борьбе с крайней формой генетических повреждений — активацией эндогенных ретровирусов, или ретроэлементов. Речь идет о способных к самостоятельному размножению простейших генетических паразитах, древнейших вирусах, заразивших наших далеких предков и оставшихся в нашем геноме, несмотря на миллионы лет эволюции.
У молодых людей генетические фрагменты, в которых закодированы белки и генетический материал таких вирусов, в норме тщательно заметилированы и потому никогда не читаются и не производят активные вирусные частицы. По мере общего снижения уровня метилирования ДНК с возрастом некоторые из мобильных элементов «просыпаются» и начинают создавать свои копии, встраиваясь обратно в ДНК в случайных местах. Зачастую в результате возникают серьезные повреждения, которые крайне сложно исправить, а потому рано или поздно «прыгающие гены» способны создать критические генетические поломки.
Тут можно остановиться и насладиться иронией: мы начали обсуждение старения с рассказа про эпидемию и вирусные заболевания. В случае с ростом числа генетических и вирусных повреждений наша аналогия становится буквальной. Ретроэлементы представляют собой простейшие вирусы. Клетки с активированными мобильными генетическими элементами ведут себя так же, как и клетки, зараженные обычными вирусами. В таких случаях, например, выделяются интерфероны — специальные химические сигналы, предупреждающие соседние клетки об опасности заражения и привлекающие клетки иммунной системы. Дестабилизация генома врожденными вирусами неотличима от инфекционного заболевания и приводит к системному воспалению.
https://t.me/medicina_free
Как часто бывает у паразитов, приспособившись к жизни в наших клетках, они утрачивают большую часть генов, необходимых для размножения. Однако есть предел любому упрощению: вставка новой вирусной копии невозможна без решения двух задач — разрезания молекулы ДНК в нужном месте и достройки молекулы ДНК по вирусной РНК. Первую функцию осуществляют белки — эндонуклеазы, а вторую — обратная транскриптаза. Несмотря на то что в человеческом геноме находятся копии десятков различных мобильных генетических элементов, обратную транскриптазу кодирует только один из них — самый распространенный транспозон LINE1. Все остальные ретроэлементы паразитируют на нем, то есть требуют активации LINE1. А раз так, то лекарство, действующее против обратной транскриптазы LINE1, способно было бы подавить активность одновременно сразу всех ретротранспозонов человека.
Некоторые лекарства, такие как ламивудин и ставудин, действующие против обратной транскриптазы ВИЧ, работают и против обратной транскриптазы многих ретровирусов, в том числе и человеческого LINE1. Вот почему эти же препараты подавляют активность ретроэлементов и продлевают жизнь простейшим животным (проверено на плодовых мушках).
В 2019 году большой авторский коллектив, включающий наших соотечественников, работающих в США, — Андрея Гудкова, Веру Горбунову, Андрея Селуянова, Вадима Гладышева и бывшую
сотрудницу Gero Валерию Коган, — опубликовал результаты93 испытаний ингибиторов обратной транскриптазы в экспериментальной модели ускоренного старения: на мышах с недостатком активности гена SIRT6. Такие животные медленно растут и быстро стареют, а кроме того, в клетках этих мышей очень активны ретроэлементы. В эксперименте удалось измерить концентрацию копий вирусных частиц в клетках и уровень интерферона. В клеточной культуре ингибиторы обратной транскриптазы снижали и интерфероновый ответ, и маркеры генетических повреждений.
Возрастные изменения не ограничены накоплением генетических и эпигенетических поломок. С возрастом нарастает число поврежденных, а следовательно, и неспособных правильно выполнять свою функцию белков. Накопление неустранимых агрегатов белковых
https://t.me/medicina_free
частиц является признаком старения и связанных с возрастом заболеваний, таких как болезнь Альцгеймера.
Устранение поврежденных биомолекул или клеточного материала осуществляется при помощи аутофагии (название происходит от греческих слов, означающих «пожирать себя»). Этот процесс изучается уже многие десятки лет, и долгое время считалось, что запустить аутофагию способен только дефицит еды.
В последние годы в результате исследований на модельных организмах выяснилось, что аутофагия необходима для поддержания здоровья организма и в нормальных условиях. В 2016-м Нобелевскую премию в области физиологии и медицины присудили профессору Токийского технологического института Ёсинори Осуми за открытия молекулярных механизмов аутофагии. В ближайшие годы мы увидим разработку и введение в медицинскую практику препаратов — активаторов аутофагии для лечения нейродегенеративных и других возрастзависимых болезней.
Можно перечислить еще бесчисленное множество признаков старения, многие из которых так же оказываются и признаками хронических заболеваний. С возрастом, например, сокращается количество слов, начинающихся на одну любую букву алфавита, которые вы можете написать за несколько минут. Максимальное число сердечных сокращений в минуту, расстояние, которое вы можете пробежать без перерыва, — все эти «физиологические потенциалы», включая потенцию, тоже снижаются с возрастом.
Обратите внимание, как часто приходится упоминать Нобелевскую премию, обсуждая старение. Распространенная байка гласит, что в 1888 году изобретатель динамита Альфред Нобель, проживавший тогда в Севране под Парижем, с изумлением прочитал во французской газете свой некролог, озаглавленный «Торговец смертью мертв». На самом деле в Каннах умер брат Нобеля Людвиг, репортер «немного» ошибся, но пока живой Нобель задумался о том, кем же останется в памяти потомков. В результате он изменил свое завещание, положив
начало престижнейшей научной премии. Красивая легенда94, но вряд ли Нобелем двигали эгоистические побуждения, скорее сказалось собственное увлечение наукой и дружба с известной пацифисткой Бертой фон Зуттнер.
https://t.me/medicina_free