6 курс / Медицинская реабилитация, ЛФК, Спортивная медицина / Успехи геронтологии 2011 №01. Том 24

пользованием ДНК-микрочиповой технологии, в которых было показано, что ряд пептидов, в том числе и Эпиталон, проникает внутрь клетки и, взаимодействуя с ядерными структурами, регулирует экспрессию генов [24].

Обзор данных литературы свидетельствует, что функциональная связь тимуса и эпифиза, ослабевающая у людей пожилого возраста, способна восстанавливаться при действии пептидных пептидов пинеальной железы и тимуса. Можно выделить следующие основные закономерности при действии указанных биологически активных молекул на эпифиз и тимус.

2.При старении организма биологически активные вещества эпифиза (Эпиталамин, Эпиталон, Мелатонин) в большей мере способны восстанавливать функции тимуса, тогда как пептиды тимуса (Тималин, Тимоген) оказывают менее выраженный геропротекторный эффект на инволютивные изменения пинеальной железы, хотя это может быть связано и с недостаточным количеством исследований.

3.Эпиталамин способствует восстановлению показателей иммунного и эндокринного статуса у людей пожилого, старческого возраста и долгожителей, а также у лиц с онкологическими заболеваниями. Вероятно, иммуномодулирующее действие Эпиталамина связано с его способностью активировать тимоциты и выработку биологически активных веществ тимуса, которые, в свою очередь, оказывают иммуномодулирующее действие при снижении иммунного ответа, связанного со старением.

4.Синтетический пептид эпифиза Эпиталон оказывает ингибирующее действие на эпителиальные клетки тимуса и активирует тимоциты: с одной стороны, снижает экспрессию молекул-маркеров активации ТЭК (CD54, CD69 и HLA-DR), с другой —усиливает экспрессию молекул активации тимоцитов (CD54 и HLA-DR). Вероятно, под действием Эпиталона снижается способность ТЭК при контакте с тимоцитами индуцировать их апоптоз, что способствует переходу тимоцитов на следующие стадии дифференциации, о чем свидетельствует их активация.

5.Активация синтеза интерлейкинов в эпителиальных клетках тимуса и лимфоцитах под действием Эпиталона может указывать на способ-

ность этого тетрапептида эпифиза участвовать во внутриклеточных сигнальных каскадах клеток тимуса, проникать в их ядерные структуры и ре-

гулировать транскрипцию генов, ответственных за синтез интерлейкинов.

Литература

1.Анисимов В. Н., Хавинсон В. Х., Морозов В. Г. Роль

пептидов эпифиза в регуляции гомеостаза: двадцатилет-

ний опыт исследования // Успехи соврем. биол. 1993. Т. 113.

Вып. 6. С. 752–762.

2.КветнаяТ. В., КнязькинИ. В., КветнойИ. М. Мелатонин— нейроиммуноэндокринный маркер возрастной патологии.

СПб.: Деан, 2005.

3.Кветной И. М., Ярилин А. А., Полякова В. О., Князькин И. В. Нейроиммуноэндокринология тимуса. СПб.: Деан, 2005.

4.Князькин И. В. Пинеальная железа и экстрапинеаль-

ные источники мелатонина в висцеральных органах при есте-

ственном старении человека // Успехи геронтол. 2008. Т. 21.

№1. C. 83–85.

5.Коркушко О. В., Лапин Б. А., Гончарова Н. Д. и др.

Нормализующее влияние пептидов эпифиза на суточный ритм мелатонина у старых обезьян и людей пожилого возрас-

та // Успехи геронтол. 2007. Т. 20. № 1. C. 74–85.

6.Лабунец И. Ф. Влияние мелатонина на биоритмы функционального состояния тимуса, иммунной системы и коры надпочечников у пожилых людей // Проблемы старения и долголетия. 2005. Т. 14. № 4. С. 313–322.

7.Лабунец И. Ф. Влияние биологически активных факторов тимуса на мелатонинобразующую функцию эпифиза у животных разного возраста: возможные механизмы // Успехи геронтол. 2007. Т. 20. № 1. C. 86–91.

8.Морозов В. Г., Хавинсон В. Х. Выделение из костного

мозга, лимфоцитов и тимуса полипептидов, регулирующих процессы межклеточной кооперации в системе иммунитета //

Докл. АН СССР. 1981. Т. 261. № 1. С. 235–239.

9.Пальцев М. А., Кветной И. М. Руководство по нейроиммуноэндокринологии. М.: Медицина, 2006.

10.Пирожков С. И., Сафарова Г. Л. Тенденции старения населения России и Украины: демографические аспекты // Успехи геронтол. 2000. Вып. 7. С. 14–21.

11.Полякова В. О., Кветной И. М. Структурно-функцио-

нальное единство пинеальной железы и тимуса: роль и значение в нейроиммуноэндокринной регуляции гомеостаза //

Нейроиммунология. Т. VII. № 1. 2009. C. 85–86.

12.Сафарова Г. Л. Демография старения: современное состояние и приоритетные направления исследований //

Успехи геронтол. 2009. Т. 22. № 1. С. 49–59.

13.Хавинсон В. Х. Пептидная регуляция старения. СПб.:

Наука, 2009.

14.Хавинсон В. Х., Анисимов В. Н. Пептидные биорегуля-

торы и старение. СПб.: Наука, 2003.

15.Хавинсон В. Х., Анисимов В. Н. 35-летний опыт иссле-

дований пептидной регуляции старения // Успехи геронтол. 2009. Т. 7. № 1. С. 11–23.

16.Хавинсон В. Х., Малинин В. В. Механизмы геропротек-

торного действия пептидов // Бюл. экспер. биол. 2002. Т. 133.

№1. С. 4–10.

17.Хавинсон В. Х., Морозов В. Г. Пептиды эпифиза и ти-

муса в регуляции старения. СПб.: Фолиант, 2001.

18.Хавинсон В. Х., Кветной И. М., Южаков В. В. и др.

Пептидэргическая регуляция гомеостаза. СПб.: Наука, 2003.

19.Anisimov V. N., Khavinson V. Kh. Pineal peptides as modulators of aging // In: Aging interventions and therapies. S. I. S. Rattan (ed.) World Scientific, 2005. P. 127–146.

20.El-Sokkary G. H., Reiter R. J., Abdel-Ghaffar S. K. Melatonin supplementation restores cellular proliferation and DNA synthesis in the splenic and thymic lymphocytes of old rats // Neuroendocr.

Lett. 2003. Vol. 24. № 3–4. P. 215–223.

21.Fabris N., Vocchegiani E., Provinciali M. Plasticity of neuroendocrine-thymus interaction during aging // Exp. Geront. 1997. Vol. 32. № 4–5. P. 415–429.

22.Guerrero J. M., Reiter R. J. Melatonin-immune system relationships // Curr. Topics med. chem. 2002. Vol. 2. № 2. P. 167–179.

23.Khavinson V. Kh. Peptides and aging // Neuroendocrinol.

Lett. (Special Issue). 2002.

24.Khavinson V. Kh., Malinin V. V. Gerontological aspects of genome peptide regulation. Basel (Switzerland): Karger AG, 2005.

25.Khavinson V., Morozov V. Peptides of pineal gland and thymus prolong human life // Neuroendocrinol. Lett. 2003. Vol. 24.

№3/4. P. 233–240.

26.Tian Y. M., Li P. P., Jiang X. F. Rejuvenation of degenerative thymus by oral melatonin administration and the antagonistic action of melatonin against hydroxyl radical-induced apoptosis of cultured thymicytes in mice // J. Pineal Res. 2001. Vol. 31. № 3. P. 214–221.

Фибробласты синтезируют все компоненты внеклеточного матрикса дермы, включая коллаген, эластин, протеогликаны и минорные белки. Следовательно, изменения в численности и функциональном состоянии этих клеток могут привести к нарушению образования межклеточного вещества, что будет способствовать появлению внешних признаков старения кожи. Поэтому целью настоящей работы было изучение возрастных изменений в численности и пролиферации фибробластов в дерме человека. Работа показала, что общая численность фибробластов в дерме человека прогрессивно снижается с возрастом. Количество PCNA-позитивных фибробластов, отражающее пролиферативную активность, также достоверно снижается с возрастом. Таким образом, возрастное уменьшение количества фибробластов в дерме отчасти обусловлено снижением активности их пролиферации.

Ключевые слова: кожа, старение, фибробласты, пролиферация, PCNA

С возрастом кожа человека становится дряблой, растянутой, содержит меньше воды, то есть приобретает необратимые признаки старения. Для преодоления этой проблемы необходимо знать закономерности, лежащие в основе этих изменений. Исследования, проведенные ранее, выявили ряд механизмов, лежащих в основе возрастных изменений в коже [3, 21]. Однако окружающая нас реальность печально свидетельствует, что человек в настоящее время не может полноценно предотвратить или замедлить появление признаков старения кожи.

Было установлено, что воспаление является ключевым процессом, который приводит к старению кожи [13]. Запускает и поддерживает воспалительный процесс в коже целый спектр факторов, таких как солнечный свет, температура и влажность воздуха, компоненты пищи и косметических средств, различные заболевания и загрязнение окружающей среды [4].

Воспаление обеспечивают две группы клеток. Клетки костномозговой природы, находящиеся в коже, инициируют воспаление путем самоактива-

* Исследование поддержано грантом РФФИ (08-04-97003).

ции. Затем их деятельность приводит к реакции сосудистого русла и привлечению новых клеток костномозговой природы в очаг воспаления, где они активируются и высвобождают вокруг себя множество высокотоксичных продуктов. Эти продукты разрушают все вокруг, включая компоненты ткани. Другая группа клеток, участвующих в воспалении, — это фибробласты. Они с помощью клеток костномозгового происхождения восстанавливают разрушенную ткань. Однако вновь образованные компоненты отличаются от первоначальных [13]. В коже воспаление приводит к повреждению внеклеточного матрикса с последующим образованием нового, в котором нарушена исходная трехмерная организация, изменено соотношение клеток и межклеточного вещества, снижено количество сосудов [4, 15]. Воспалительный процесс приводит к синтезу новых типов коллагена, эластина и минорных белков [15]. Такая измененная ткань обладает сниженной способностью к последующей физиологической регенерации [13].

Таким образом, фибробласты являются одним из компонентов воспалительного процесса, и они же синтезируют все компоненты внеклеточного матрикса дермы, включая коллаген, эластин, протеогликаны и минорные белки [9, 13]. Следовательно, изменения в численности и функциональном состоянии этих клеток могут привести к нарушению образования межклеточного вещества, что будет способствовать появлению внешних признаков старения кожи. Данные визуальной характеристики кожи человека в различные возрастные периоды указывают на снижение численности фибробластов у пожилых людей [5, 15]. Однако количественных результатов по численности фибробластов в дерме в различные возрастные периоды жизни человека нет в литературе. Изменения в популяции фибробластов зависят от их способности к самообновлению. К настоящему времени неизвестно, какая часть

фибробластов способна к делению или находится в клеточном цикле в разные возрастные промежутки времени. Поэтому целью нашей работы стало изучение возрастных изменений в численности и пролиферации фибробластов в дерме человека.

Материалы и методы

Для работы использовали вырезаемые при аутопсии кусочки кожи с нижней части передней поверхности шеи (верхний угол стандартного разреза кожи при аутопсии) у плодов человека, умерших антенатально на сроке 20–40 нед беременности, и у людей, умерших от различных причин в возрасте от 1 дня до 85 лет. Материал фиксировали

в4 % формалине, заливали в парафин и изготавливали поперечные срезы толщиной 5–7 мкм.

Подсчет численности фибробластов проводили в препаратах, окрашенных гематоксилином и эозином. Пролиферативную активность фибробластов оценивали по экспрессии PCNA. PCNA- положительные клетки выявляли непрямым иммуногистохимическим методом [7, 8]. В качестве первых антител использовали кроличьи поликлональные антитела против PCNA (AbD Serotec, Oxford, UK) в разведении 1 : 100. В качестве вторых антител использовали анти-кроличью EnVision+систему, конъюгированную с пероксидазой (DakoCytomation, Glostrup, Denmark). Выявление активности пероксидазы осуществляли с использованием 3,3-диаминобензидина (Sigma Chemical Co., США) и пероксида водорода. При данной процедуре продукт реакции окрашивается

вкоричневый цвет. Ядра клеток контрастировали помещением в гематоксилин на 5 мин. В качестве контроля специфичности иммуноцитохимического окрашивания применяли такую же процедуру обработки срезов, но вместо первых антител использовали нормальную козью сыворотку в конечной концентрации 1 %. При использовании такой схемы окрашивания ни разу не было получено специфического окрашивания.

Общую численность и количество PCNA- положительных фибробластов определяли с помощью микроскопа Olympus CX-21, цифровой камеры Olympus Camedia 4040z и программы Sigma Scan Pro 5.0. Для этого находили участки дермы без волосяных фолликулов и кровеносных сосудов, которые фотографировали при ув. об. 40 [7, 8]. Затем вычисляли площадь сфотографированных участков и подсчитывали общее количество фибробластов и численность PCNA-положительных

клеток в них. Фибробласты определяли по характерной морфологической структуре как клетки с маленьким объемом цитоплазмы и веретенообразным или вытянутым угловатым ядром. Как минимум 10 случайно выбранных участков среза кожи анализировали в каждом случае.

Для подсчета численности фибробластоподобных клеток был использован 341 кусочек кожи (133 — женщин и 208 — мужчин). Для исследования численности PCNA-положительных клеток было использовано 139 кусочков кожи (35 — женщин и 104 — мужчин). Для антенатального периода все случаи группировали в 10-недельные промежутки: 20–30 нед беременности (1-я группа), 31–40 нед (2-я группа). Для постнатального периода все случаи группировали по 10-годичным интервалам: 1–10 лет (3-я группа), 11–20 лет (4-я группа), 21–30 лет (5-я группа), 31–40 лет (6-я группа), 41–50 лет (7-я группа), 51–60 лет (8-я группа), 61–70 лет (9-я группа), 71–85 лет (10-я группа).

По каждой группе данных рассчитывали средние арифметические величины (М) и их стандартные ошибки (m). Достоверность влияния возраста или пола на исследуемые параметры кожи оценивали с помощью однофакторного дисперсионного анализа. Взаимосвязи возраста и параметров кожи оценивали с применением непараметрического рангового корреляционного анализа Спирмена. Корреляционный анализ выполняли без разделения данных на возрастные группы. Достоверными считали отличия при р<0,05.

Результаты и обсуждение

Кожа плодов человека содержит многочисленные фибробласты и небольшое количество межклеточного вещества. Численность фибробластов в дерме постепенно и неуклонно снижается с возрастом (рис. 1, 2). В дерме пожилых людей преобладает межклеточное вещество, в котором разреженно располагаются малочисленные фибробласты (см. рис. 1, 2). Корреляционный анализ между изменениями возраста и численности фибробластов в дерме показал наличие достоверной высокой отрицательной взаимосвязи (r = –0,58; p<0,05). Однофакторный дисперсионный анализ выявил наличие достоверного влияния (p<0,001) возраста на численность фибробластов в дерме.

В коже плодов человека и людей раннего возраста выявлены многочисленные PCNA- положительные фибробласты (рис. 3, 4). Их ко-

а

б

Рис. 1. Кожа человека при сроке беременности 29 нед (а) и в 65 лет (б). Видно существенное уменьшение количества фибробластов в дерме человека 65 лет.

Окраска гематоксилином и эозином. Участок шкалы — 100 мкм

личество прогрессивно уменьшается с возрастом (см. рис. 3, 4). Так, в дерме 1-й группы было выявлено 43,8 % PCNA-положительных клеток, а в дерме 10-й группы — 17,6 %. Корреляционный анализ между изменениями возраста и численностью PCNA-позитивных клеток в дерме показал наличие высокой отрицательной достоверной взаимосвязи (r=–0,54; p<0,05). Однофакторный дисперсионный анализ выявил наличие достоверного влияния (р<0,001) возраста на изменения численности PCNA-положительных фибробластов

вдерме.

Висследовании использованы кусочки кожи, полученные от плодов мужского и женского пола, мужчин и женщин. Было интересно проверить значение пола для возрастных изменений параметров дермы. Для этого был выполнен однофакторный дисперсионный анализ, где в качестве

ǟȢȟȜȫșȥȦȖȢ ȨȜȕȤȢȕȟȔȥȦȢȖ ȠȠ ȦȞȔȡȜ

ǗȢțȤȔȥȦȡȯș ȗȤȧȣȣȯ

n — число случаев

Рис. 2. Данные по численности фибробластов в дерме людей различного возраста, М±m (объяснение в тексте)

фактора использована половая принадлежность. Результаты этого анализа не выявили достоверного (р<0,05) влияния пола на изменения и общего числа, и числа PCNA-позитивных фибробластов в дерме.

В данной работе мы идентифицировали фибробласты по характерной морфологической структуре (веретенообразное или вытянутое ядро с малым объемом цитоплазмы). Этот подход не позволяет сделать строгую идентификацию, так как для точной идентификации фибробластов необходимо выявление их специфических маркеров. Однако настоящая ситуация такова, что те маркеры, которые использовали для идентификации фибробластов несколько лет назад, в настоящее время уже не являются специфичными [9, 11]. Например, показано, что фибробласты дермы экспрессируют маркеры клеток костномозгового происхождения [1, 9, 16]. Поэтому применение морфологических критериев позволяет не менее точно провести идентификацию фибробластов.

Настоящее исследование показало, что численность фибробластов в дерме прогрессивно снижается с возрастом. Возрастное уменьшение количества этих клеток в дерме, возможно, является наиболее

а

б

Рис. 3. PCNA-позитивные клетки в коже человека

в2 года (а) и 59 лет (б).

Оспецифическом положительном окрашивании свидетельствуют ядра, окрашенные в коричневый цвет. Хорошо заметно возрастное уменьшение численности

PCNA-положительных клеток в дерме. Иммуногистохимическая реакция на PCNA. Участок шкалы — 100 мкм

существенным для появления признаков старения кожи. Фибробласты продуцируют все компоненты межклеточного вещества, включая коллагеновые и эластические волокна, аморфный компонент [11]. Уменьшение численности фибробластов, скорее всего, и приводит к нарушению обновления межклеточного вещества дермы. Хорошо известно, что именно изменения в состоянии межклеточного вещества дермы связаны с появлением признаков стареющей кожи. Причины возрастного снижения числа фибробластов в дерме к настоящему времени неизвестны.

3&1$ ȣȢȟȢȚȜȦșȟȰȡȯș ȨȜȕȤȢȕȟȔȥȦȯ

ǗȢțȤȔȥȦȡȯș ȗȤȧȣȣȯ

n — число случаев

Рис. 4. Данные о численности PCNA-положительных фибробластов в дерме людей различного возраста, М±m (объяснение в тексте)

В полном спектре возрастных периодов настоящее исследование впервые показало уменьшение численности PCNA-положительных фибробластов в дерме. PCNA является компонентом ДНК- полимеразы-δ, которая необходима для синтеза и репарации ДНК. Этот белок присутствует в клетках, находящихся в G1-, S-, G2- и M-периодах клеточного цикла [18]. Следовательно, PCNA может рассматриваться в качестве маркера пролиферирующих клеток или клеток, находящихся в клеточном цикле, а не в G0-периоде [18]. Поэтому возрастное снижение численности фибробластов в дерме отчасти обусловлено снижением количества клеток, находящихся в клеточном цикле. С помощью метода вестерн-блоттинга и культуры фибробластов другие исследователи также показали уменьшение количества PCNA с возрастом [6]. Были также установлены возрастные изменения в экспрессии других маркеров клеточного цикла (Ki-67, p53, p21) в фибробластах дермы [6, 12]. Уменьшение численности фибробластов в дерме, наблюдаемые в возрастном аспекте, также может быть обусловлено снижением скорости обновления этой клеточной популяции или менее активным образованием новых фибробластов из малодифференцированных предшественников [17, 21]. В этом плане показа-

но возрастное уменьшение количества стволовых клеток в коже [3]. Кроме того, снижение численности фибробластов в дерме в процессе старения может быть вызвано активацией апоптоза [10, 14]. Были также описаны изменения в множестве других функциональных параметрах фибробластов с прогрессированием возраста [2, 19, 20]. Таким образом, вероятно, имеется набор возрастных изменений в коже, которые потенциально могут оказывать влияние на снижение числа фибробластов. К настоящему времени нет определенной ясности, какие факторы из этой группы являются определяющими.

Выводы

Работа показала, что общая численность фибробластов в дерме человека прогрессивно снижается с возрастом. Количество PCNA-позитивных фибробластов, отражающих пролиферативную активность, также достоверно снижается с возрастом. Следовательно, возрастное уменьшение количества фибробластов в дерме, отчасти, обусловлено снижением активности их пролиферации.

Литература

1.Fathke C., Wilson L., Hutter J. et al. Contribution of bone marrow-derived cells to skin: collagen deposition and wound repair // Stem Cells. 2004. Vol. 22. P. 812–822.

2.Fisher G. J., Varani J., Voorhees J. J. Looking older:

fibroblast collapse and therapeutic implications // Arch. Derm.

2008. Vol. 144. P. 666–672.

3.Gago N., Perez-Lopez V., Sanz-Jaka J. P. et al. Agedependent depletion of human skin-derived progenitor cells //

Stem Cells. 2009. Vol. 27. P. 1164–1172.

4.Giacomoni P. U., Rein G. Factors of skin aging share common mechanisms // Biogerontology. 2001. Vol. 2. P. 219–229.

5.Gilchrest B. A., Stoff J.S., Soter N. A. Chronologic aging alters the response to ultraviolet-induced inflammation in human skin // J. Invest. Derm. 1982. Vol. 79. P. 11–15.

6.Goukassian D., Gad F., Yaar M. et al. Mechanisms and implications of the age-associated decrease in DNA repair capacity // FASEB J. 2000. Vol. 14. P. 1325–1334.

7.Gunin A. G., Bitter A. D., Demakov A. B. et al. Effects of peroxisome proliferator activated receptors α and γ agonists on estradiol-induced proliferation and hyperplasia formation in the mouse uterus // J. Endocr. 2004. Vol. 182. P. 229–239.

8.Gunin A. G., Kapitova I. N., Suslonova N. V. Effects of histone deacetylase inhibitors on estradiol-induced proliferation and hyperplasia formation in the mouse uterus // J. Endocr. 2005. Vol. 185. P. 539–549.

9.Ishida Y., Kimura A., Takayasu T. et al. Detection of

fibrocytes in human skin wounds and its application for wound age determination // Int. J. Legal. Med. 2009. Vol. 123. P. 299–304.

10.Kim W. S., Park B. S., Park S. H. et al. Antiwrinkle effect of adipose-derived stem cell: activation of dermal fibroblast by secretory factors // J. Derm. Sci. 2009. Vol. 53. P. 96–102.

11.Lorenz K., Sicker M., Schmelzer E. et al. Multilineage differentiation potential of human dermal skin-derived fibroblasts // Exp. Derm. 2008. Vol. 17. P. 925–932.

12.Ma W., Hommel C., Brenneisen P. et al. Long-term growth

arrest of PUVA-treated fibroblasts in G2/M in the absence of p16(INK4a) p21(CIP1) or p53 // Exp. Derm. 2003. Vol. 12. P. 629– 637.

13.Makrantonaki E., Zouboulis C. C. Molecular mechanisms of skin aging: state of the art // Ann. N. Y. Acad. Sci. 2007. Vol. 1119.

P. 40–50.

14.Mammone T., Gan D., Foyouzi-Youssefi R. Apoptotic cell death increases with senescence in normal human dermal fibroblast cultures // Cell. Biol. Int. 2006. Vol. 30. P. 903–909.

15.Montagna W., Carlisle K. Structural changes in aging skin //

Brit. J. Derm. 1990. Vol. 122. Suppl 35. P. 61–70.

16.Mori L., Bellini A., Stacey M. A. et al. Fibrocytes contribute to the myofibroblast population in wounded skin and originate from the bone marrow // Exp. Cell. Res. 2005. Vol. 304. P. 81–90.

17.Naru E., Ohta T., Inomata K. et al. Donor age-dependent acceleration of cellular aging by repeated ultraviolet A irradiation of human dermal fibroblasts derived from a single donor // Hum. Cell.

2009. Vol. 22. P. 31–37.

18.Prives C., Gottifredi V. The p21 and PCNA partnership: a new twist for an old plot // Cell Cycle. 2008. Vol. 7. P. 3840–3846.

19.Simpson R. M., Wells A., Thomas D. et al. Aging fibroblasts resist phenotypic maturation because of impaired hyaluronandependent CD44/epidermal growth factor receptor signaling // Amer. J. Path. 2010. Vol. 176. P. 1215–1228.

20.Varani J., Dame M. K., Rittie L. et al. Decreased collagen production in chronologically aged skin: roles of age-dependent alteration in fibroblast function and defective mechanical stimulation // Amer. J. Path. 2006. Vol. 168. P. 1861–1868.

21.Zouboulis C. C., Adjaye J., Akamatsu H. et al. Human skin stem cells and the aging process // Exp. Geront. 2008. Vol. 43.

P. 986–997.

Recently we have evaluated the role of glucocorticoids (GC) and other stress hormones in the pathogeny of agerelated diseases. In order to perform this evaluation, we considered the DOHaD paradigm discussing long-term effects of adverse perinatal factors. In the present work, a part of the data collected previously was used for analyzing the role of GC in aging, as well as in age-related pharmacotherapy. The data were gathered in various databases, preferably in English, during the last 25–30 years. Although some authors suggest that GC can be considered as hormones of aging, the majority of investigators are quite careful in this respect. Nevertheless, it appears that the role of GC in various stages of ontogeny and transitions between them is well established. Besides, there are a lot of data that confirm a contribution of GC to the phenomena of perinatal programming / imprinting of adult diseases. What for the relationship between GC and aging, some studies confirm its existence, at least partially. Having analyzed the dynamics of morbidity and mortality of age-related diseases, we concluded on the absence of evidence in favor of unique general scheme of aging, where GC could play a role. However, in a rather paradoxal mode it was demonstrated that GC participate, at least indirectly, in the mechanisms of action of various drugs used for the treatment of cardiometabolic disorders (beta-blockers, angiotensin antagonists, some oral hypoglycemic agents) and neuropsychiatric diseases (antidepressants, antipsychotic agents, benzodiazepines and some anticonvulsive medicines), as well as in the effects of toxic agents (for example, drugs of abuse, including caffeine). Using the concept of hormesis, we discuss a reason for frequent utilization of these drugs, and not GC or their antagonists, in age-related pharmacotherapy. The caution is suggested in considering the essential function of GC in aging. Nevertheless, due to existence of theory that connects GC with aging via the mechanisms of allostasis, we are planning to elaborate a more detailed model that might include, besides GC, also some other hormones, cytokines, etc., as well as their interactions. It is stressed that the interactions of GC with other bioregulators should be reevaluated in a chronobiological mode, in order to strengthen the bases of chronopharmacotherapy. One of the principal challenges is the prevention of adverse effects of pharmacotherapy in long term. In this sense, DOHaD paradigm has opened the discussion of possibility for pharmacotoxicologic programming / imprinting, an important question attracting the attention of researchers.

Key words: aging, development, drugs, glucocorticoids, programming

Recently we have evaluated the role of stress hormones (principally, glucocorticoids — GC and catecholamines — CA) in the pathogeny of age-related

diseases. This evaluation has shown important contribution of GC and CA to etiopathogenic mechanisms of various disorders that compose three groups: cardiometabolic diseases ( hypertension, diabetes mellitus, atherosclerosis and its consequences), neuropsychiatric diseases (depression, schizophrenia, neurodegenerative illness), as well as various cancer types [19]. Besides, our evaluation has allowed to suggest that at least some drugs used for treatment of such diseases could have a contribution of GC and CA in the mechanisms of their action. However, previously we have analyzed the dynamics of morbidity and mortality provoked by these groups of disorders, and this analysis has shown the absence of evidence in favor of unique general scheme of aging [17]. Although the discussion of relationship between stress, disease and aging may be quite complex, there exists an opinion about successful aging, i.e., healthy aging, practically without serious diseases [38]. Some authors suggest that such type of aging is characteristic for 36 % of cases [29]. But it means that at least two thirds of human population have non-healthy aging that involves age-related diseases. Nevertheless, we have decided to evaluate the contribution of GC as principal stress hormones, to aging and ontogeny as a whole, as well as to the mechanisms of action of drugs used for treatment of at least the groups of cardiometabolic and neuropsychiatric disorders.

Materials and methods

The data concerning GC and aging were gathered in various databases (Academic Search Premier, Science Direct, etc.) and in the Public Domain of Internet by means of Scholar Google, preferably in English, during the period of the last 25–30 years. Special attention was payed for the area of DOHaD, the abbreviation that means Developmental Origins of Health and Disease. What for the data on phar-

macotherapy, our corresponding bibliographic study was rather atypical. Really, the participation of stress hormones in the mechanisms of drug action is not obvious, and it began to appear in the world literature only several years ago. Therefore, information search occurred secondarily, i.e., already in the papers that were retrieved on other reasons (basically, as related to pathogeny of age-related diseases). This search was completed later on by retrieval of data especially on hormesis and chronobiology.

Results and discussion

Circulating levels of glucocorticoids in aging

Despite the decades of studies, this aspect cannot be considered as well understood. In fact, some authors suggest that circulating levels of GC do not change in aging [14], whereas other researchers affirm that in general, the levels of GC in circulation augment in senescence [28]. There exists a third group of investigators that perform more detailed analysis and conclude that principally, due to less efficacious negative feedback of GC, the levels of these hormones in the nadir phase of circadian rhythm are increased (and therefore, the rhythm is flattened), and the response of circulating GC levels to stress is prolonged [12, 45].

The role of glucocorticoids and stress in aging

There are several theories on this theme. According to Sapolsky [41], neurotoxic action in the hippocampus is the principal mechanism, by which GC diminish their own negative feedback in aging. In accord to McEwen and his colleagues [34, 46], the cumulative exposure to GC in excess results in so called allostatic load in the life course, inducing greater risk of age-related pathologies and mortality as a whole. According to Minois [36], in 1970 Hans Selye formulated that aging reflects a sum of all stresses during an individual life.

A number of researchers affirm that stress and aging interact in such a way that chronic and intense stress (e.g. in persons taking care of patients with dementia) can provoke premature or accelerated aging, principally via GC [21]. In accord to Hawkley et al. [23], already in 1960 Strehler and Mildvan suggested that the death comes when the magnitude of stress is greater than the capacity of physiologic compensation (resilience). Later on, Parsons [39] proposed that longevity is associated with high resistance to stress.

Considering that dehydroepiandrosterone (DHEA) can be a functional antagonist of GC, the diminution of circulating levels of DHEA and its sulphated form (DHEAS) and the corresponding increase in the relation DHEA(S) / cortisol is especially harmful for several organs, including immune system [3]. It is suggested that in the case of DHEA, the aging is propagated from cellular level (attenuation of adrenocortical stem cells) to the level of organ (loss of zona reticularis) and to the whole body level (diminution of DHEA and DHEAS concentrations) [10].

Nevertheless, due to our epidemiologic data already mentioned earlier [17], we propose a caution in considering GC as hormones of principal importance in aging. In our opinion, this is even more valid, if to remember that peer-reviewed journals and Public Domain of Internet contain some publications that simply present GC as hormones of aging [43] and even «death hormones», together with «mortal» function of their receptors [8]. These ideas are discussed already since the studies on the role of GC in premature aging of some animal species, like salmon [13, 33]. Let’s concern now what especially, besides our epidemiologic data, is alarming in relation to these bibliographic data.

At first, we can hardly imagine that GC separately are able to regulate the aging process. It is much more probable that GC perform this control together with other hormones and bioregulators, such as insulin, cytokines, etc. [19]. In the second place, modern methods indicate some problems in the theories formulated in the past. In fact, using microarray technique, Landfield et al. [27] arrived at conclusion about great difference in the patterns of gene expression in the hippocampus between aging and exposure to GC. Besides, caloric restriction, one of a few techniques that consistently augment longevity, is accompanied in a paradoxal manner with the increase in circulating levels of GC [40]. Finally, mild stress of short duration is capable to function as anti-aging agent, corrersponding to the phenomenon called hormesis [1, 36]. Obviously, all this does not mean that the theories formulated in the past are completely erroneous. On the contrary, support of scientific community in the last years continues to carry the discussion to the side favourable for important contribution of GC to aging and pathogeny of age-related diseases [19, 38]. On our opinion, in order to resolve this problem, it is necessary to amplify our vision of aging to ontogeny as a whole, including also the period of development and approaching in this way the area of DOHaD.

The importance of glucocorticoids in ontogeny

Since the pioneering works of Liggins [30], GC are considered as principal regulators of fetal growth [26] and parturition [52]. Moreover, together with thyroid hormones, GC exert the function of important regulators of perinatal development and tissue maturation (including that of central nervous system), via the action on cellular differentiation and proliferation [1, 24, 49], as well as the agents of energy resource allocation [55].

Recently the essential role of GC was stressed in the processes of perinatal programming / imprinting of adult disease [26, 44]. Nevertheless, it is not so easy to study the link between development and aging, including the area of DOHaD. In fact, this is possible in humans, principally, in retrospective investigations. On the other hand, in experimental models in vivo using laboratory animals, the shortage of grants and prolonged duration (up to several years) impede the progress of these studies. By the way, we have found only few publications that discuss aging in relation to phenomena of programming / imprinting [42, 51]. Previously we have suggested that GC could participate in this connection [16], but it is still necessary to organize experimental works up to the senescence, at least in mice.

Pharmacotherapy of cardiometabolic diseases

Since GC participate in pathogeny of hypertension and insulin resistance [19], the data were retrieved on their contribution to the action of drugs used for treatment of metabolic syndrome and its components. In this sense, it is well established that GC potentialize vasoactive responses to CA and angiotensin II [53, 56], what justifies the use of sympatholytic agents (e. g., beta-blockers) and angiotensin II antagonists (inhibitors of angiotensin-converting enzyme and antagonists of AT1 receptors) in the treatment of hypertension. On the other hand, tiazolidinediones («glitazones»), the hypoglycemic agents used to treat diabetes mellitus type 2, are able to inhibit the enzyme 11beta-hydroxysteroid — dehydrogenase type 1 that converts inactive cortisone to cortisol, improving in this mode the sensitivity to insulin [47, 54].

By the way, some benzodiazepines (BZD, e.g., alprazolam) can affect favourably the treatment of diabetes mellitus type 2, since they improve the tolerance to glucose, probably in relation to their capacity for diminution of circulating levels of GC [48].

Pharmacotherapy of neuropsychiatric diseases

In this case there already exists a literature on the participation of GC in pathogeny of depression, schizophrenia and neurodegenerative diseases (see [19]). Without doubt, major progress has occurred in revelation of the role of GC in mechanisms of action of antidepressants (AD). For example, according to Juruena et al. [25], the function of glucocorticoid receptors (GR) is attenuated in depression, whereas AD prevent this alteration. Partially, this effect of AD can be related to their capacity for augmenting GR translocation from cytoplasm to cellular nucleus, as well as to inhibition of P-glycoprotein that transports GC out of cells.

On the other hand, some AD (e.g., tianeptin), anticonvulsive agents (phenytoin) and BZD (alprazolam) can prevent neuronal atrophy in the hippocampus, provoked by GC or stress, what justifies the utilization of these drugs in the treatment of neurodegenerative disorders [4, 35].

Finally, antipsychotic drugs, both conventional and atypical ones, are able to diminish circulating levels of GC in patients with schizophrenia [50].

Pharmacotoxicology of drugs of abuse

Previously, we have identified the important role of GC and CA in the mechanisms of action of practically all drugs of abuse [18]. In this sense, of great interest are the data that confirm the capacity of proteinkinase A activators (such as derivatives of cyclic AMP) to augment GR function [2, 37], what may explain the interaction of GC with phosphodiesterase inhibitors, including caffeine. By the way, this suggests the possibility of interactions of drugs that have a participation of GC in their mechanisms of action with some products containing caffeine.

The question of hormesis

Logically a question emerges: if GC are so important in pathogeny of age-related diseases and in mechanisms of action of drugs used for their treatment, then, why GC or their antagonists are not so much utilized for the same aim? Exactly here the aspect of hormesis enters. This term was proposed for description of a capacity of various bioregulators and toxic substances to create biphasic dose-response curves, i.e. of «U» shape, inverted or not [5]. In fact, both the total absence of GC (via adrenalectomy) and their excess are harmful for the memory, principally, on the level of hippocampus. In the case of GC this capacity is explained by their binding to the two types