1.9. Антиоксиданты как геропротекторы

В кислородно-перекисной концепции старения заключено предположение, что замедление этого процесса может быть осуществлено различными при-родными и синтетическими антиоксидантами за счёт снижения скорости возрастных изменений и соответственно темпа накопления повреждений на молекулярном уровне. По-видимому, нет смысла перечислять здесь многие давно и хорошо известные обзоры, материалы конференций и сборники статей по геропротекторному действию различных антиоксидантов. Отметим лишь, что Харман (Harman, 1981, 1984, 1988, 1995) как основоположник свободнорадикальной теории старения сам же, естественно, и предложил способы модификации питания людей и введение в пищу определённых добавок-антиоксидантов, которые, по его мнению, могут продлить активный период их жизни на 5-10 лет. А в бывшем СССР, например, обобщённая информация по данному вопросу периодически публиковалась в «Итогах науки и техники» (серия «Общие проблемы биологии»), издававшихся ВИНИТИ. В этой стране активным приверженцем идей Хармана был академик Эмануэль. Со своими учениками он внес значительный вклад в научное обоснование и дальнейшее развитие свободнорадикальной концепции старения.

1.9.1. Антиоксиданты как теперь уже признанные и наиболее перспективные геропротекторы проявили себя положительно при испытании на плесневых грибах, дрозофилах и млекопитающих, т. е. у совершенно далёких эволюционно видах (Обухова, Эмануэль, 1984; Bains, 1995; Eleming et al., 1995; Гусев, Панченко, 1997; Анисимов, 2000; Melov, 2000). Косвенно это обстоятельство свидетельствует об универсальности механизма старения, базирующегося на принципе первичности токсического действия гипероксии, продуктов метаболизма О₂. Геропротекторная роль антиоксидантов подтверждается и материалами по изучению рациона питания людей старшего возраста. Установлено, например, что долгоживущие популяции в Абхазии, Азербайджане, западных регионах Украины (567 человек 75-90 лет) отличаются высоким уровнем пот-ребления алиментарных антиоксидантов по сравнению с короткоживущей в г. Киеве (110 человек). Этим фактом объясняются «повышение антиоксидантной защиты организма, торможение преждевременного старения и развития возрастзависимой патологии» (Синеок и др., 1997).

Судя по некоторым экспериментам, на увеличение продолжительности жизни (ПЖ) может в принципе влиять и повышение экспрессии эндогенных антиоксидантов, в частности каталазы, GPX, Cu,Zn- и Mn-SOD (Arking et al., 1996; Macieira-Coelho, 1997). Например, в опытах на мышах, хомячках и соба-ках длительное введение им депренила увеличивало ПЖ животных, причем уже в течение 2-3 нед. препарат способен был селективно повышать активность указанных антиоксидантных ферментов. Однако при слишком большой дозе депренил оказывал противоположное действие (Kitani et al., 1999). В печени и почках 3-24-месячных долгоживущих карликовых мышей активность каталазы и содержание её были выше, чем у мышей дикой линии. У 3-12-месячных же короткоживущих мышей, содержащих трансгенный гормон роста, указанная антиоксидантная выраженность в тех же органах, напротив, была пониженной (Brown-Borg, Rakoczy, 2000).

Поскольку некоторые из антиоксидантных соединений зависимы от конкретных микроэлементов, то наличие последних фактически и определяет работоспособность соответствующих антиоксидантов. Вероятно, поэтому такие микроэлементы как Se и Zn защищают от повреждений биомолекулы и замед-ляют процесс старения (Barnett, 1994), входя в состав GPX, SOD, металлотио-неинов и ещё каких-то веществ с антиоксидантными свойствами. Вообще же, исследования по влиянию различных антиоксидантов на увеличение ПЖ и улучшению качества жизни наиболее удобно проводить на животных с гене-тически запрограммированным ускоренным процессом старения, в частности на мышах линии SAM, старение которых связано с повышенной продукцией АФК в их тканях (Юнева и др., 2000).

В рассматриваемой проблеме внимание исследователей сосредоточено гла-вным образом вокруг того, как организована программа старения, если таковая имеется, и как антиоксиданты влияют на индивидуальную и видовую ПЖ, которая у разных видов различается весьма существенно, на много порядков. Точного ответа у науки пока нет, и все обсуждения носят дискуссионный характер. Тем более, что есть возражение против свободнорадикальной теории старения, основанное на факте: антиоксиданты увеличивают среднюю ПЖ, но не максимальную. И проблемым здесь оказывается уже другой вопрос – происходит ли старение по определённой программе или такой программы вообще нет. Вот несколько авторитетных высказываний на этот счёт. «Генетически запрограммировано не старение, а тип обмена веществ» (Фролькис, 1986). «Не существует генетической программы старения, так как невозможно вызвать, обратить или остановить процесс молекулярных нарушений» (Hayflick, 1985, 2001). «Весьма вероятно, что генетически запрограммирована степень надежности за-щитных систем и гомеостатических механизмов клетки, тогда как скорость ста-рения зависит от условий существования, влияющих на частоту и длительность действия повреждающих (стрессорных) факторов сверхпорогового уровня. При таком рассмотрении механизм старения можно считать прямо или косвенно запрограммированным» (Лемешко, 1992). С этими представлениями коррелирует мнение о том, что у долгоживущих видов имеется, вероятно, более совершенная защита от побочных продуктов обмена О₂ (Обухова, Эмануэль, 1984).

По гипотезе Катлера (Cutler, 1985, 1991), видовая ПЖ тем больше, чем менее активны процессы образования эндогенных повреждающих агентов (сво-бодных радикалов, перекисей и др.) и чем более развита антиоксидантная защита. Согласно же Кольтоверу (1987, 1999), ПЖ (индивидуальной и видовой) определяется конкретным генотипом, программа которого детерминирует надежность функционирования биомолекулярных конструкций, в том числе ферментов электронного транспорта и защиты клеток от свободнорадикальных повреждений. Реализация программы старения имеет стохастический характер в связи со случайными сбоями в работе указанных конструкций, особенно ми-тохондриального транспорта электронов. По оценкам этого автора, «ПЖ человека могла бы достигать 250 лет при абсолютной надежности антиоксидантной защиты клеток». Мнения о стохастичности процесса старения придерживаются сейчас многие исследователи-геронтологи. Хотя гены не определяют старение, тем не менее, термин «геронтогены» используется для обозначения запрограммированности биохимических процессов, непосредственно связанных со старением (Rattan, 2001). Механизмы, определяющие ПЖ, различаются у разных видов количественно, но не качественно, т.е. видовые различия обусловлены разной степенью экспрессии одних и тех же генов. Существенно увеличить видовую ПЖ невозможно в принципе (Михельсон, 1992).

К «надежностным» гипотезам относится и представление об износе (нако-плении дефектов) как основной причине, ограничивающей ПЖ организма (Гаврилов, Гаврилова, 1991). Как полагают эти авторы, с возрастом число функционирующих элементов, изначала избыточных в большинстве систем организма, уменьшается, что ведет к снижению надежности систем (падению динамической устойчивости к возмущающим факторам и точности выполнения операций) и увеличению вероятности смерти. Надежность же, с нашей точки зрения, определяется уровнем дисбаланса Δ (ПО – АО) в соответствующих клетках и тканях и, следовательно, состоянием антиоксидантной системы в них. А по мнению Шехтера (Schächter, 1998), ПЖ генетически запрограммирована, однако контролирующие ее гены не влияют напрямую на эту продолжительность, но изменяют риск развития у человека различных заболеваний – аутоиммунных, середечно-сосудистых и пр. Другими словами, специальных «генов продолжительности жизни» не существует, поскольку она детерминируется «вероятностью развития тех или иных заболеваний, а не наличием хронобиологи-ческого механизма, прекращающего процесс жизнедеятельности организма по мере достижения определенного для данного биологического вида возраста». Такой хронобиологический контроль признается Шехтером лишь в форме мак-симально возможного числа митотических делений клетки.

Приведенные мнения по некоторым позициям совпадают, сами по себе кажутся логичными, но не бесспорными. Не исключено, что какие-то программы старения все же существуют и они, вероятно, увязаны с максимальной ви-довой ПЖ. Этот заложенный природой «теоретический» предел в реальных условиях жизни может только уменьшаться за счет возрастания процессов окислительной модификации и деградации биологических молекул под влиянием различных факторов среды обитания (параметры атмосферного воздуха, радиация, тепловое воздействие, пищевой рацион, внутри- и межвидовая борьба, приводящая к стрессу, и др.). Интенсивность и длительность воздействия последних предопределяют концентрацию продуктов метаболизма, в том числе уровни АФК и перекисных соединений, как случайную величину, флуктуирующую во всех органах и тканях в течение всей жизни. В какие-то моменты эта величина может достигать критического значения, приводя к расстройству регуляторных ферментативных механизмов, функционирующих в норме с опре-деленной генетически запрограммированной «видовой» надежностью.

В изложенной ситуации неизбежен разброс во времени и в степени повреждения тех или иных органов и систем, включая жизненно важные, а, следовательно, и разброс ПЖ среди особей вида. При таком подходе к проблеме становится понятным, почему антиоксиданты увеличивают только среднюю ПЖ, а не максимально-видовую. Совершенствуя методику применения антиоксидантов-геропротекторов, можно лишь ассимптотически приближаться к максимальной ПЖ, при этом каждый последующий шаг по данному пути будет, очевидно, связан с решением более трудных задач, чем на предшествующих этапах борьбы за долголетие. В будущем с развитием методов и техники молекулярной биологии, прежде всего генной инженерии, возможно, удастся отодвинуть и сам предельный срок жизни человека.

В связи с тем, что ПЖ зависит от хронических неинфекционных болезней старения, закономерно возникающих в ходе реализации нормальных программ онтогенеза, то существенного увеличения срока жизни невозможно добиться вне влияния на модели развития указанных болезней. Более того, по мнению Дильмана (1989), «снижение скорости старения необходимо не столько ради увеличения продолжительности жизни, сколько для уменьшения скорости раз-вития главных болезней старения». В любом случае роль антиоксидантных препаратов неоценима, поскольку в первооснове и старения, и возрастных патологий, как это показано в п. 1.1–1.8, находятся процессы, протекающие по кислородно-перекисному механизму. Такое мнение подтверждается непрерывно многими новыми работами. Например, препарат β-катехин, содержащий экстракты зеленого чая и семян подсолнечника, аскорбиновую кислоту, природный витамин Е и некоторые другие компоненты, показал себя весьма эффективным улавливателем АФК, генерируемых в эксперименте на определен-ных модельных системах. Эти данные стали основанием для смелого заключения: β-катехин может служить универсальным антиоксидантом, предотвраща-ющим свободнорадикальный инсульт, рак и другие вызываемые АФК болезни (Kumari et al., 1996).

1.9.2. Особенно существеннен тот факт, что антиоксиданты, задерживая развитие возрастных нарушений, могут способствовать восстановлению неко-торых изменённых структур, в их числе и митохондрий. Так, в одном частном эксперименте, а именно при комплексном исследовании структурно-функцио-нальных возрастных нарушений центральной нервной системы с применением синтезированного авторами (Меринг и др., 1988) антиоксиданта, последний увеличивал число митохондрий, синапсов с большой протяжённостью актив-ной зоны, мелких отростков. Сохранялись также мембраны митохондрий и эндоплазматической сети. Этот момент, с нашей точки зрения, очень важен, поскольку сохранение или восстановление в клетках именно митохондрий как основных потребителей О₂ – наиболее эффективный при антиоксидантной тера-пии путь к предотвращению и/или снижению в них пероксидативного состоя-ния и, следовательно, процесса старения клеток, тканей, органов и систем.

В качестве дополнительного аргумента в пользу данного подхода уместно напомнить ещё раз о полученном принципиально важном факте: общее число двойных связей и индекс перекисной окисляемости жирных кислот митохон-дрий связаны с максимальной ПЖ млекопитающих обратной зависимостью (Pamplona et al., 1998). В частности, такая зависимость показана для млеко-питающих с максимальной ПЖ от 3,5 до 46 лет и общим содержанием двойных связей в фосфолипидах сердца. Сравнительно низкая степень ненасыщенности жирных кислот означает относительно меньшую интенсивность ПОЛ в сердце in vivo и, значит, бóльшую его жизнеспособность (Pamplona et al., 2000). Вообще же, уже на уровне грибов главную роль в регуляции их ПЖ играет окислительный стресс митохондрий (Osiewacz, Kimpel, 1999).

Из числа других структур, защищаемых антиоксидантами-геропротектора-ми, важно отметить яДНК, которая в ходе старения окисляется и частично выделяется с мочой в форме продукта 8-oxodG. Как показывают эксперименты на животных (Жижина, Блюхтерова, 1997а), отдельные природные (β-каротин, GSH) и синтетические (ионол, пробукол) антиоксиданты заметно снижают уровень окисления ДНК, витамины же С, Е, К₃ и некоторые другие антиоксиданты менее эффективны. Достоверное ингибирующее влияние на образование 8-oxodG оказывает мелатонин, участвующий в регуляции многих физиологи-ческих функций и процесса старения. Защитную роль от окислительных реакций выполняют изоформы металлотионеина, особенно в областях стареющего головного мозга, содержащих высокие концентрации Zn (Helal et al., 1997). Экзогенный Zn-металлотионеин обладает широким спектром антиоксидант-ных и специфических защитных средств, которые могут реализоваться на всех уровнях – молекулярном, субклеточном, клеточном и организменном (Коте-рова и др., 1998). Подобного рода данные к настоящему времени получены во многих исследованиях.

С вышеизложенных позиций можно рассмотреть некоторые заслуживающие внимания ситуации, ведущие к изменению пролиферативной активности и ПЖ. Представляется, например, важным осмыслить причины увеличения скорости пролиферации и жизненного тонуса первичных клеточных культур под влиянием природных или синтетических антиоксидантов. Такое знание было бы полезно для дальнейшего совершенствования методики культивирования, лучшего понимания сущности происходящих при этом физико-химических процессов, в том числе связанных с пролиферацией клеток in vitro. Очевидно, обычные гипероксические условия культивирования токсичны для большинства клеток многоклеточного организма, которые в этой непривычной для них среде находятся в состоянии подавленности и даже апоптоза или окислительного цитолиза. Введение в культуральную среду антиоксидантов, естественно, понижает угнетающее действие гипероксии и вызванный ею окислительный стресс. В этой ситуации значение дисбаланса ∆ (ПО – АО) в части клеток культуры должно снижаться с цитотоксических ∆_А2 или ∆_Ц до «пролиферативного» ∆_П, что и может приводить их в некоторое оживление, к способности вновь размножаться и удлинять срок жизни. Такой результат показан, в частности, на культуре фибробластов человека, клеточных культурах легких человека и мышей под влиянием витамина Е. Получение аналогичного эффекта в случае пребывания этих же клеток в атмосфере с 10 % О₂ лишь подтверждает ведущую роль оксидантов в старении клеток (Packer, Walton, 1977).

Другой интересный феномен состоит в уменьшении средней ПЖ летающих насекомых, в частности дрозофил, при повышении их физической активности (Обухова, 1986). Предположительно, это явление связано с тем, что у этих насекомых скорость поглощения О₂ в полете резко возрастает (до 100 раз), существенно превышая возможности его полезной утилизации. Усиленная по-дача О₂ в клетки и лимитированный расход его для нужд энергообеспечения создают значительную внутриклеточную гипероксию, т.е. объективные условия для интенсификации свободнорадикальных процессов ПОЛ и соответственно старения. Об этом же свидетельствует гораздо большая скорость накопления липофусцина у «активных» мух, чем у «пассивных». Рассмотренная ситуация в принципе может возникать не только у летающих насекомых, но и менее выражено у многих видов «бегающих» животных, вынужденных по разным причинам часто проявлять физическую активность в форме бега. Прямую противоположность в этом смысле представляют, по-видимому, сухопутные черепахи, отличающиеся в животном мире крайне низкой двигательной активностью и соответственно долгожительством. Эти и другие подобные примеры не противоречат известной закономерности: скорость ПОЛ и ПЖ вида находятся в обратном соотношении, т.е. у короткоживущих видов и короткоживущих линий одного вида продукты окисления накапливаются быстрее (Обухова, 1988; Perez-Campo et al., 1998).

По излагаемой логике, у долгоживущих видов (у тех же черепах), не приспособленных к интенсивным движению и внешнему дыханию, скорость ПОЛ и возрастное накопление продуктов пероксидации должны быть незначительными. Косвенно о такой зависимости ПЖ от уровня пероксигеназного стресса свидетельствует и следующий факт. В норме в состояниях 3 и 4 комплексы I и III в митохондриях из сердца и головного мозга млекопитающих и птиц образуют кислородные радикалы. Однако у животных с большой ПЖ скорость образования этих радикалов митохондриями невысока независимо от показа-телей основного обмена (Barja, 1999).

Интересной и, казалось бы, парадоксальной представляется прямо про-тивоположная вышеуказанной ситуация, когда окислительный стресс и, оче-видно, не высокая ПЖ обусловлены также слабой двигательной активностью организма. К примеру, длительная гиподинамия (30 сут.) приводила к индукции ПОЛ, накоплению MDA, снижению активности ферментов антиоксидантной системы в головном мозге и лёгких кроликов (Гераськина, Барнашова, 2000; Гераськина, 2001). Скулачев (1998) по этому поводу сказал, что «не только повышенная активность, но и безделие вредно для здоровья, поскольку чревато накоплением ядовитых производных О₂». Данный эффект он обосновывает су-ществованием некоего критического уровня электрического мембранного потенциала ∆ψ в митохондриальной системе производства полезной энергии. В случае увеличения этого потенциала сверх указанного порогового уровня резко возрастает продукция АФК дыхательной цепью, что, как считает он, и происходит в состоянии покоя при минимальном расходе АТР. В нашем же понимании здесь, скорее всего, задействована естественная в условиях гиподинамии последовательность событий: снижение интенсивности окислительного фосфорилирования (при нормальном функционировании внешнего дыхания) – внутриклеточная гипероксия – повышение содержания АФК преимущественно за счет неферментативных свободнорадикальных реакций.

Логичной представляется также связь старения и ПЖ с интенсивностью, частотой (скоростью) пролиферации клеток организма. Наиболее значимую роль при этом играет, по нашему мнению, повышенный уровень дисбаланса ∆ (ПО – АО), который, с одной стороны, признается как необходимое условие окислительного стресса, но, с другой, – является «движущей силой» процесса старения клеток. Чем чаще происходит пролиферация, тем интенсивнее суммарное воздействие ПО-составляющей дисбаланса ∆_П (ПО – АО) на процесс старения и, следовательно, меньше ПЖ клеток и всего многоклеточного организма. В этом аспекте серьезную поддержку мы находим в работе Прохорова (1999). Как оказалось, ПЖ культур трансформированных клеток китайского хомячка «прямо пропорциональна длительности их роста и количеству удвоений клеток в культуре за время от посева до момента достижения насыщающей плотности, но обратно пропорциональна скорости удвоения клеточной популяции за тот же период». Им показано также, что «максимальная продолжите-льность жизни млекопитающих прямо пропорциональна числу удвоений сос-тавляющих организм клеток и обратно пропорциональна скорости удвоения этих клеток в эмбриональный период и за все время роста от зиготы до завершения формирования организма».

Обнаруженные закономерности подтверждены увеличением ПЖ культур путем замедления скорости пролиферации в период роста. Более же всего поражает, конечно, аналогия этих закономерностей для культур и млекопитающих. Подробнее результаты теоретических и экспериментальных исследова-ний по данной тематике изложены в депонированной статье Прохорова (2000). Центральным в ней является утверждение: уменьшение средней скорости пролиферации и общего метаболизма ведет к замедлению развития целого организма и «растягиванию» периодов онтогенеза, что отодвигает нечало старения, а само оно также «растягивается», приводя к увеличению ПЖ. Одновременно замедляются все происходящие при старении негативные процессы.

К обсуждаемому здесь кругу вопросов имеет отношение и стресс, который тоже причастен к старению и обусловленным им заболеваниям. Так, долговременный стресс вызывает те же изменения возрастных параметров различных функциональных систем человека, что и при старении, и такой стресс может считаться фактором, ускоряющим старение (Polukhov, Grebelnik, 2000). «Стрессорное» старение связывают обычно с нейроэндокринными перестройками в организме (Selye, Tuchweber, 1976; Фролькис, 1991 и др.), однако тонкости механизма на субклеточном и молекулярном уровнях здесь пока не раскрыты. Как оказалось, стресс и реакция организма на него также могут быть рассмотрены в рамках кислородно-перекисной модели. Например, пролонгированный иммобилизационный стресс активирует ПОЛ, вызывает ишемическое повреждение миокарда и способствует развитию некоторых проявлений атеросклероза у кроликов. Введение им в/б 1 мг/кг веса цитохрома с в течение 30 суток им-мобилизации ограничивает активацию ПОЛ, оказывает кардио- и эндотелиопротекторное действие (Зорькина и др., 1997). В данном случае цитохром с выступает, очевидно, в роли активатора митохондриального дыхания, т.е. фактора, снижающего внутриклеточные уровни рО₂ и ПОЛ.

А вот как несколько раньше аргументировали индукцию стрессовыми фак-торами антиоксидантной недостаточности и состояния пероксидации (см. Воскресенский и др., 1982). При стрессе ответная готовность организма значительно превышает реально необходимый уровень, что биологически оправдано, но имеет и негативную сторону. По мнению авторов, «Возникает несоответствие между высокой активацией физиологических систем (усиление газообмена и кровообращения) и относительно меньшей – на биохимическом уровне (усиление ферментативного окисления четко адекватно реальному расходу энергии). Такое несоответствие приводит к избыточности поступления в ткани кислорода и субстратов окисления и после локального исчерпания антиоксидантной системы – к «сбросу» субстрата на свободнорадикальный путь окисления». Из сказанного следует, что антистрессорный эффект дадут, прежде всего, различные антиоксидантные средства и, естественно, стремление избежать по возможности частого попадания в стрессовые ситуации.

Изложенное выше не относится к мягкому стрессу (гермезису). Последний, наоборот, вызывает положительный эффект, так как сопровождается выработкой белков теплового шока, в частности hsp70 (Le Bourg, 2001; Lithgow, 2001) – антиоксистрессового и антиапоптозного фактора (Creagh et al., 2000). Вообще же, гермезис вовлекает в биологический процесс многие гены, связь которых со старением пока не ясна. Считают, что изучение изменений генной продукции, вызванных гермезисом, может быть инструментом познания механизмов старения (Lithgow, 2001). В поздней стадии жизни мягкий стресс по своему воздействию на организм приравнивается к сильному стрессу (Rattan, 2001). Это означает, что старый организм более чувствителен к гермезису, поскольку, с нашей точки зрения, его клетки и ткани уже находятся в состоянии повышенного «кислородно-перекисного» напряжения.

1.9.3. Интенсивность перекисного окисления в живом организме может возрастать и при повышении температуры окружающей среды. Это показано, в частности, в эксперименте с взрослыми особями домашней мухи при изменении температуры с 20 до 28 ^оС. При этом антиоксидантная защита (концентрация GSH, активность каталазы) оказывается ослабленной, а средняя и макси-мальная ПЖ мух – сокращённой, что согласуется с гипотезой об активации перекисного окисления как причине укорочения жизни при повышении темпе-ратуры среды (Farmer, Sohal, 1987). Введение этим существам витамина Е или других антиоксидантов могло бы компенсировать отрицательное влияние по-вышенной температуры. Напротив, продление жизни при гипотермии объясняется тем, что снижение температуры резко понижает скорость, прежде всего, неферментативных перекисных реакций и в меньшей степени – более «полезных» ферментативных, поскольку энергия активации последних ниже таковой для большинства неферментативных биохимических реакций. Поэтому при гипотермии увеличивается отношение «сигнал/шум», т. е. вклад управляемых процессов в организме (Гаврилов, Гаврилова, 1991), но, главное, ослабляется уровень негативно действующей пероксидации.

Показательны также данные об участии окислительного стресса в температуро-индуцируемом укорочении жизни на клеточном уровне. Так, мутантные клетки дрожжей, дефицитные по антиоксидантным генам каталазы, SOD и цитохромоксидазы, были более чувствительны к летальному влиянию температуры, чем неизменённые клеточные линии дикого типа. Напротив, суперэкспрессия генов каталазы и SOD повышала термоустойчивость. Последняя возрастала в 500-2000 раз и в анаэробных условиях, но немедленно устранялась при инкубации с О₂ (Davidson et al., 1996). Среди других фактов температурозависимого повреждения и старения клеток описаны, в частности, эксперимен-ты с тромбоцитами. Из них следовало, что относительное снижение старения тромбоцитов при 22 ^оС по сравнению с таковым при 37 ^оС соответствует падению скорости метаболизма при этих условиях (Holme, Heaton, 1995).

Новым направлением в действиях антиоксидантных и некоторых других геропротекторных агентов, обозначенным теорией теломерного старения кле-ток, является потенциальная способность этих веществ замедлять процессы концевой недорепликации и недорепарации ДНК, которые могут происходить с участием АФК (см. п. 1.4.4). Как полагает Оловников (1996), указанные агенты «при прочих равных условиях способны влиять на продолжительность жизни человека и животных именно потому, что они позволяют более экономно расходовать длину теломер», т. е. участков в составе теломер, оценивающих ход биологического времени в онтогенезе. В подтверждение этого представления получены уже конкретные факты. Недавно, например, был описан интересный эксперимент. В негативные по теломеразе нормальные клетки пигментного эпителия сетчатки и в фибробласты крайней плоти человека вводили трансген теломеразы. В результате увеличивались длина теломер, интенсивность клеточной пролиферации и ПЖ клеток. Число делений последних возрастало по сравнению с исходными клетками на 20 и более (Bodnar et al., 1998).

Обобщение изложенных выше материалов позволяет придти к принци-пиально важному выводу: общей фундаментальной причиной старения всех живых организмов на Земле является повышенное «кислородно-перекисное» состояние (напряжение), возникающее на клеточном и последующих уровнях в результате постоянного давления на биосистемы главным образом гипероксической воздушной среды, т. е. неживого фактора. Единственным практически универсальным средством замедления, но не преодоления процесса старения и связанных с ним возрастных болезней могут быть различные пути снижения указанного пероксидантного стресса, главный из которых – антиоксидантный. Уменьшить же влияние избыточного значения дисбаланса ∆ (ПО – АО) можно лишь регулярным введением в организм комплекса антиоксидантов или повышением активности генов, кодирующих антиоксидантные соединения (фер-менты, гормоны и др.). Возможно также применение гипокситерапии, которая более пригодна для лечения возрастных патологий, в частности, больных распространённым атеросклерозом (Мякотных, Боровкова, 1998), чем в качестве способа замедления самого процесса старения.

В связи с указанным выше обратим внимание на феноменальные возможности, приписываемые пептиду карнозину. Как утверждают (Hipkins, 1998), содержание этого соединения (β-аланин-L-гистидин) в тканях, в частности мышечных и нервных, коррелирует с максимальной ПЖ млекопитающих. Карнозин, являясь антиоксидантом и скавенджером свободных радикалов, защищает белки от окислительного повреждения, предохраняет их от гликозилирования и образования поперечных сшивок друг с другом и с ДНК; увеличивает предел Хейфлика для фибробластов человека в культуре; возвращает старым клеткам ювенильный фенотип (Ванг и др., 2000). По данным исследования морфологических и физиологических характеристик, карнозин, добавляемый к питьевой воде (ежедневной диете), задерживал развитие старения и повышал ПЖ мышей с генетической программой ускоренного старения (Boldyrev et al., 1999; Галлант и др., 2000) Неудивительно, что карнозин рассматривается как потенциальный геропротектор и лекарственный агент в отношении неоплазм, атеросклероза, БА, катаракты, заболеваний воспалительной природы, периферических нейропатий и ряда других болезней пожилого возраста (Hipkins, 1998; Ванг и др., 2000).

Перспективными считают результаты применения мелатонина и эпиталамина (пептидного экстракта эпифиза) в клинической практике для профилак-тики преждевременного старения и развития возрастной патологии человека (Хавинсон и др., 1998). Эти данные опираются на способность указанных сое-динений угнетать свободнорадикальные процессы, т.е. объясняются их антиоксидантными свойствами, обнаруженными для мелатонина в 1993 г. (Reiter, 1997) и для эпиталамина в 1995 г. (Анисимов, 1997а). Несколько раньше было показано, что мелатонин и эпиталамин наряду с увеличением ПЖ животных могут предупреждать развитие как спонтанных, так и индуцированных хими-ческими канцерогенами и радиацией неоплазм (Anisimov et al., 1994). Правда, результаты одной из недавних работ оказались другими: кормление 18-месяч-ных мышей C57/BL мелатонином, витамином Е или глутатионом не влияло на их ПЖ (Meydani, 1999).

Существенно, что эффективность мелатонина как антиоксиданта ещё бо-лее возрастает в связи с данными о его способности стимулировать некоторые антиоксидантные энзимы, в частности SOD, GPX и глутатионредуктазу (Review, 2000). Люпобытным и одновременно неожиданным кажется сообщение о том, что мелатонин обнаружен и количественно определён в свежезаморо-женных вишнях сортов Montmorency и Balaton. Оба сорта содержат высокие количества мелатонина, сравнимые с его содержанием в крови млекопитающих (Burkhardt et al., 2001). Найден, похоже, важный источник образуемого не эндогенно мелатонина.

Интересно, что эффективность синтетического тетрапептида эпифиза (эпи-талона), как геропротектора, применительно к D. melanogaster оказалась очень высокой. Доза эпиталона, приводившая к замедлению старения мух и активации их антиоксидантной системы, была в 1000 раз меньше дозы вызывающего аналогичный эффект эпиталамина (Мыльников, Любимова, 2000). Существенные результаты получены и при воздействии эпиталона на мышей линии СВА. Препарат угнетал свободнорадикальные процессы и развитие спонтанных новообразований, увеличивал ПЖ животных. Хроническое применение эпиталона оказалось безопасным, и реальным теперь может стать использование его в клинике в качестве геропротектора и средства предупреждения возрастных патологий (Анисимов и др., 2001). Привлекает внимание также патент на спо-соб подавления образования свободных радикалов у млекопитающих с помо-щью пирувата (Stanko, 1996). Введение его больным в количестве 5-10 % от общего потребления углеводов ингибирует избыточное образование свободных радикалов при таких патологических состояниях как инфаркт миокарда, диабет и некоторых других. Указанное свойство пирувата могло бы найти применение и в качестве геропротектора.

Повышенный интерес представили для нас исследования по геропротекторному действию общей магнитотерапии, целесообразность которой установлена на примере пожилых больных с сочетанной сердечно-сосудистой пато-логией (Абрамович и др., 1999). Как известно, магнитное поле, в частности постоянное, способно влиять на парамагнитные молекулы О₂ и свободные радикалы, на биохимические превращения, изменяя поведение электронных спинов реагирующих частиц и открывая тем самым новые пути к управлению соответствующими процессами. В этой связи в наших работах (см. Лю, Шайхутдинов, 1991) было постулировано, что при соблюдении определённых условий магнитное поле может устойчиво тормозить окислительные процессы с участием АФК. С точки зрения кислородно-перекисной концепции старения и возрастных патологий, такое действие магнитного поля и должно быть геропротекторным и направленным против развития возрастных болезней, в том числе онкологических.

Внедряя антиоксидантную терапию, следует иметь в виду, что снижение значения ∆ (ПО – АО) ниже некоторого критического уровня недопустимо, опасно для жизни, так как при этом могут быть подавлены и «нормальные» свободнорадикальные процессы окисления. Последние в составе различных локальных систем метаболизма адаптированы к выполнению обязательных в норме конкретных частных функций на всех уровнях организации живого, прежде всего, на клеточном.

Таким образом, из всего сказанного в качестве очевидных рекомендаций для человека вытекают: 1) никогда не допускать хронической полиантиоксидантной недостаточности, при которой биохимические и морфологические проявления сходны с общими проявлениями старения у млекопитающих (Воскресенский и др., 1983); 2) проводить антиоксидантную терапию для замедления происходящего по кислородно-перекисному механизму старения вообще, компенсации падающей с возрастом эффективности антиоксидантных систем в частности, и соответственно для снижения вероятности возникновения и раз-вития болезней старения.

Важно подчеркнуть здесь, что лечебно-профилактическое действие антиоксидантной терапии носит глобальный характер, т. е. повышает резистентность к старению и возрастным болезням, а также надёжность одновременно всех органов, тканей, систем и организма в целом, хотя исходно они и различаются по степени готовности к старению, интенсивности его протекания и вероятности появления в них возрастных патологий. При этом ПЖ организма возрастает за счёт одновременного снижения вероятности смерти от самых разных болезней старения. Такой эффект антиоксидантной терапии объясняется, отметим ещё раз, воздействием её на единый в принципе кислородно-перекисный механизм старения и связанных с ним болезней. Вообще же, возможность существования единых механизмов возникновения многих болезней впервые показана, по-видимому, в работах Дильмана, где разработаны также общие подходы к устранению целых групп «эндогенных» заболеваний, что составляет основу новой, интегральной медицины (Гаврилов, Гаврилова, 1991).

Наконец, любопытно, что изложенные нами кислородно-перекисная (митохондриально-энергетическая) концепция старения (см. п. 1.3) и связанная с ней проблема долголетия, похоже, согласуются в энергетическом аспекте с другим интересным обобщением (Sacher, 1978 – цит. по Войтенко и Полюхову, 1986). Как оказалось, продолжительность жизни 85 видов млекопитающих является функцией двух независимых переменных:

L = 67,3 K ^0,6 M ^–0,5,

где L – продолжительность жизни, K – коэффициент цефализации, отражающий «интеллектуальность» вида (специфическую характеристику высокоразвитых организмов), а M – скорость метаболизма при 37 ^оС, т. е. связанные с энергетической основой жизнедеятельности определённые «физические» качества животных систем. Полагают, что все другие видовые признаки влияют на L через их сопряжение с двумя основными параметрами K и M. Простое пре-образование указанного выше соотношения приводит его к форме:

M L ² = 5430 K ^1,2.

Левая часть этого уравнения, представленная произведением размерностей энергии и времени, имеет физическую размерность действия – одной из важнейших характеристик механических систем.

* * *

В настоящее время, несмотря на большие усилия мирового сообщества геронтологов, первопричина процесса старения остаётся пока невыясненной. Многие из современных концепции старения вскрывают частные механизмы возрастных изменений на разных уровнях – клеточном, тканевом, органном и организменном, однако единой общепризнанной теории онтогенеза до сих пор нет. Из необозримой практически литературы, посвящённой проблеме старения, стала всё явственнее выявляться значимость исследований, которые установили важную роль процессов пероксигенации, в частности липидной, в геронтогенезе и в патогенезе возрастных заболеваний.

Действительно, изложенные в данной главе материалы убеждают в реша-ющей роли процессов ПОЛ в старении. Как биологическое явление оно обусловлено появлением и постепенным возрастанием в земной атмосфере свободного О₂, который представляется первичным и главным причинным фактором старения. Гипероксические условия среды привели к постепенному также формированию систем адаптации к ним, и на определённых этапах эволюции складывались свои дискретные пределы значений дисбаланса ∆ (ПО – АО) между про- и антиоксидантными составляющими в клетке, которые стали заметно влиять на ход и направленность многих метаболических процессов, в том числе фундаментальных. По нашим представлениям, индивидуально для каждого типа клеток устоялась как минимум последовательность «специализированных» диапазонов дисбалансов ∆_И < ∆_П < ∆_А1 < ∆_К < ∆_А2 < ∆_Ц, в пределах которых реализуются свои сугубо специфические нормальные и патологические функции, в том числе апоптозы А1 и А2 (подробнее о них см. главу 7) Системы адаптации существенно ослабляют, но не устраняют полностью условия для протекания токсико-деструктивных пероксидативных процессов. Постепенно деградирует и антиоксидантная система клетки, прежде всего её главная антикислородная линия защиты – митохондриальное дыхание. Более того, «митохондриальное старение» рассматривается как первичное событие, вообще запускающее кислородно-перекисный механизм старения клеток, органов и систем в живом организме. Изначальная недостаточность антиоксидантной активности тканей предрасполагает клетки к старению, а истощение антиоксидантной защиты в ходе старения способствует интенсификации возрастных изменений.

Указанные положения подтверждаются многочисленными примерами окис-лительной модификации внутриклеточных структур, нарушения соответственно функций клеток и тканей, а также сформированных из них органов и систем организма. Проблема старения при системном подходе к её рассмотрению не представляется почти неразрешимой, и недавно с позиций кислородно-пере-кисного механизма, как наиболее обоснованного на сегодня, мы попытались уже это показать (Лю, 2002). Желание не просто подчеркнуть основной, «стартовый» объект поражения, с которого начинается процесс старения клетки, привело нас к мнению: вместо термина «митохондриальная концепция старения» использовать другой – «патоэнергетическая, или кислородно-перекисная концепция старения». Данное название отражает не только первичный внут-риклеточный объект старения, но и его патологию и возникающие при этом повреждающие факторы.

Зависимость «мощности» активно функционирующих митохондрий от со-держания О₂ в клетке объясняет и другие адаптивные процессы: возрастание количества и качества этих органелл при постепенном и медленном повышении уровня рО₂ в среде обитания и, напротив, снижение их числа в условиях гипоксии. В любом случае, эти приспособительные акты направлены на уменьшение токсического действия гипероксии и поддержание внутри клеток оптимальных значений рО₂ и ∆ (ПО – АО). Данные адаптивные изменения помогают понять некоторые «парадоксальные» феномены при старении и ряд других эффектов, возникающих в клетках организма в определённых природных условиях и при воздействии различных экзогенных факторов (высокогорье, радиация, тепловой фактор и др.). В связи со сказанным следует особо отметить, что применительно к митохондриям стареющей клетки полностью оправдывается следующее давнее положение: «Три основные обстоятельства – разрушительность, неравномерность, приспособляемость – предопределяют перестройку энергетики клетки при старении целостного организма» (Разумович, 1972).

Согласно развиваемой нами концепции старения, возрастные изменения протекают одновременно в клетках всех органов и тканей, затрагивают все системы организма, но скорость этих изменений, естественно, различна и за-висит от уровня дисбаланса ∆ (ПО – АО) в них. В этом отношении имеется полное согласие с мнением Хейфлика (Hayflick, 1985) о том, что «теории, делающие упор на изменения одного органа или системы, неверны, так как первичные изменения происходят во всех клетках организма». Действительно, данные о многоочаговости процесса старения, следствием которой являются множественность проявления старения и нарушения функций на всех уровнях, сейчас неоспоримы (Фролькис, 1986).

Широко известная теломерная теория старения соматических клеток, основанная на явлении неполной репликации концов хромосом, также не исключает участия АФК, в том числе прямого, в укорочении теломер. При уменьшении длины последних до некоторой критической величины ДНК теряет способность прикрепляться к ядерным матриксу и оболочке – условию, обязательному для репликативного синтеза яДНК. В этом случае клетка не сможет делиться даже при наличии необходимого для окислительного митогенеза «пролиферативного» уровня дисбаланса ∆_П (ПО – АО).

Кислородно-перекисная концепция проясняет сущность не только ведущих к старению первичных процессов, но и в значительной мере возрастных болезней. Появление свойственных старости деструктивных и дисгармоничных явлений, обусловленных развитием пероксидативного стресса и образованием избыточного количества продуктов ПОЛ, составляет «материальную базу» для развития на её основе возрастных патологий. При болезнях старения показа-тели указанного стресса усиливаются и проявляются в виде конкретных уже более глубоких возрастных изменений в различных тканях, органах и системах организма, образуя весь спектр патологических процессов, связанных со старением. Среди них и такие как атеросклероз, инсулинонезависимый сахарный диабет, болезнь Альцгеймера. При этих недугах в крови обнаруживается высокое содержание липидов и липопротеидов, патологическое действие которых связано с их окислительной модификацией.

Существенна здесь и следующая аргументация. Постепенно нарастающий избыточный уровень дисбаланса ∆ (ПО – АО) в нормальных стареющих клетках должен, казалось бы, направлять их на путь апоптоза. Однако определённая часть таких клеток оказывается по неясным пока причинам резистентной к апоптозу, и с возрастом они накапливаются в тканях, являясь источником заро-ждения возрастных патлогий, в том числе нейродегенеративных, неопластических и др. (Wang E., 1995). Вероятно, в этих клетках дефекты, возникающие в каких-то исполнительных звеньях механизма апоптоза, не позволяют реализоваться ему, и при дальнейшем возрастании дисбаланса ∆ (ПО – АО) последний может достигать «патологических», т.е. детерминирующих болезни старения уровней и, в частности, значений ∆_К (ПО – АО), индуцирующих канцерогенез.

По изложенным выше причинам воздействие канцерогена в старом воз-расте приводит к более быстрому проявлению или более частому развитию опухолей, чем воздействие в молодом возрасте. Действительно, изучение зави-симости «доза – эффект» при однократном внутривенном введении молодым и старым самцам крыс канцерогена прямого действия (нитрозометилмочевины) показало, что число стадий, необходимых для трансформации клеток-мишеней и развития опухолей, с возрастом снижается, причём при развитии доброкачественной опухоли их число меньше, чем при развитии злокачественной (Анисимов, 1988). Показателем же дополнительного усиления ПОЛ при раке в старом организме служат данные о высоком содержании MDA в крови. В частности, при изучении влияния возраста и антиоксидантов на прогрессирование рака молочной железы установлено, что у пожилых лиц (возраст более 70 лет) уровень указанного продукта ПОЛ в крови выше, чем у молодых (возраст менее 47 лет) больных этим недугом (Segala et al., 1995).

В общности рассмотренных в данной главе первичных механизмов старения и возникающих на этой основе возрастных патологий, включая канцерогенез, заключен ответ и на не простой, казалось бы, вопрос: «почему факторы, вызывающие бессмертие (т. е. ведущие к развитию новообразований), уско-ряют процесс старения?» (Anisimov, 1998). Развитие этих событий в такой «обратной» постановке вопроса (в отличие от обычно рассматриваемого в теории и практике) в принципе безразлично для них, поскольку при каждом из указанных процессов создаётся избыточное «пероксигеназное» состояние, и тот из них, который индуцирован первым, будет способствовать более быстрому протеканию другого. Иными словами, процессы «кислородно-перекисного» старения облегчают появление и развитие со временем раковых опухолей и, наоборот, факторы, индуцирующие «кислородно-перекисный» канцерогенез, ускоряют процесс старения. Нам представляется также, что более высокие, чем просто в стареющих клетках, уровни рО₂, АФК и ПОЛ могут быть непосредственно или через действие зависимых от них внутриклеточных факторов причастны к реактивации теломеразного гена в опухолевых клетках и поддержанию последних в состоянии иммортализации. В целом, исключительно важная, по сути, центральная роль окислительного стресса в процессах старения, воспаления, канцерогенеза и в патогенезе многих возрастных заболеваний находит сейчас понимание у всё большего числа исследователей (Benzi, Maretti, 1995; Knight, 1995; Wachsman, 1996; De la Fuente, 2000; Mojzisova, Kuchta, 2001; см. также главу 2).

В рассмотренной нами концепции старения заключено предположение о возможности и необходимости замедления этого процесса различными природными и синтетическими антиоксидантами за счёт снижения скорости возрастных изменений и темпа накопления повреждений на молекулярном уровне. Это стратегическое геропротекторное мероприятие исходит из твёрдо установленной закономерности: интенсивность свободнорадикальных процессов ПОЛ в организме человека и животных и продолжительность их жизни связаны обратной зависимостью. Судя по известным экспериментальным исследова-ниям, антиоксиданты увеличивают в основном среднюю продолжительность жизни, но не максимальную. Последняя же определяется генетически запрог-раммированным типом обмена веществ и надёжностью антиоксидантных защи-тных систем. Максимальная видовая продолжительность жизни представляется как заданный природой «теоретический» предел, который в реальных условиях жизни может только сокращаться вследствие возрастания процессов окислительной модификации и деградации биомолекул. При антиоксидантной терапии эти негативные процессы в какой-то степени затормаживаются, а продолжительность жизни может увеличиваться, несколько приблизившись к максимальной для соответствующего вида.

В целом состояние на сегодня в области геронтологии и геронтологической медицины не представляется обнадёживающим. Комментируя недавно последние исследования по данным направлениям, Хейфлик (Hayflick, 2000) отметил, что до настощего времени не существует каких-либо подходов к приостановке процессов старения и что вся существующая практика способна снизить смертность от различных возраст-ассоциированных заболеваний и тем самым повысить лишь среднюю популяционную ПЖ. В такой ситуации для увеличения в будущем максимальной ПЖ кажется неизбежным использование методов генной инженерии. Они тем более будут востребованы, если обнаружится, хотя это и маловероятно, «ген старения». Наиболее же реальным в проблеме увеличения ПЖ нам видится разработка способов повышения АО-составляющей дисбаланса ∆ (ПО – АО) в клетках уже взрослого организма путём усиления экспрессии генов антиоксидантных ферментов и (или) повышения активности последних.

Г л а в а 2

ОБЩАЯ КИСЛОРОДНО – ПЕРЕКИСНАЯ

КОНЦЕПЦИЯ КАНЦЕРОГЕНЕЗА

Перестройка энергетики остаётся одним из универсальных изменений об-мена опухолей разного гистогенеза и этиологии. Согласно известной кон-цепции (Warburg, 1930, 1957), ослабление клеточного дыхания, разобщение окислительного фосфорилирования признаются первым этапом возникновения неоплазм. В тот далёкий период это положение не было использовано автором для развития более глубоких представлений о процессе канцерогенеза. Концепция Варбурга, не бесспорная по некоторым позициям, тем не менее периодически привлекает внимание исследователей (Зюсс и др., 1977; Игнатова, 1984; Seeger, 1985; Гилберт, 1996 и др.). Однако механизмы возникновения и устойчивого воспроизводства в опухолевых клетках особенностей их дыхательного процесса, участия деформированной биоэнергетики в становлении других специфических свойств этих клеток всё ещё остаются неясными.

В данной главе исходя из факта нарушения биоэнергетики злокачественных клеток и анализа многих известных экспериментальных материалов продол-жено развитие выдвинутых ранее представлений о кислородно-перекисном механизме канцерогенеза (Лю, Ефимов, 1976; Лю, Саприн, 1980), впоследствии в обобщённом виде изложенного в монографии (Лю, Шайхутдинов, 1991). Эта концепция постулирует необходимость создания внутри клеток гипероксичес-ких условий как для их малигнизации, так и для поддержания трансформиро-ванного состояния клеток активно растущих участков опухоли – периферийных и прилежащих к нормально функционирующим кровеносным сосудам. При обсуждении указанной модели канцерогенеза имеются в виду только такие клетки, вне зависимости от их типа. Устанавливающиеся в них повышенные уровни ПОЛ представляют характерную и типичную патогенетическую сос-тавляющую злокачественного перерождения клеток и их роста. Известная роль О₂ в развитии реакций ПОЛ существенно определяется его способностью в высоких концентрациях растворяться в гидрофобных участках биомембран в непосредственной близости от полиненасыщенных жирных кислот фосфолипидов. Действительно, в неполярной среде, какой в клетке является только мембрана, кислород растворяется почти на порядок лучше, чем в полярной, поэ-тому именно в мембране чаще всего наблюдается окислительное повреждение указанных кислот.

Устойчивое прооксидантное состояние и избыточный уровень ПОЛ создают в клетке «канцерогенную» ситуацию, ведущую к нарушению в ней структуры и (или) функции ключевых ферментов, мембран и органелл. Образованию такой ситуации способствует, как видно из материалов главы 1, процесс нормального старения, при котором дисбаланс ∆_j(ПО – АО) в клетках j-ой ткани постепенно увеличивается с риском в определённых случаях закрепиться в опасном «канцерогенном» диапазоне (∆_К)_j. По этой логике более «подготовленными» к возникновению злокачественных опухолей должны быть органы и ткани с обновляющимся клеточным составом и достаточно высоким уровнем пролиферации, так как при повышенных «пролиферативных» значениях (∆_П)_j вероятность их перехода из состояния нормального окислительного митогенеза в соседний диапазон (∆_К)_j существенно возрастает (см. рис. 7). С этим положе-нием согласуются давние сведения о том, что у человека 80-90 % опухолей возникает в органах кроветворной системы, желудочно-кишечного тракта, трахеобронхиальной и урогенитальной систем, в покровном эпителии кожи, которые как раз и характеризуются указанными признаками (Cairns, 1975). Чувствительным для малигнизации объектом являются также недифферен-цированные клетки стволовых подразделений ткани, обладающие высоким пролиферативным потенциалом. В органах же с низким числом пролифериру-ющих клеток развитию неоплазм способствуют предшествующие гиперплазии ткани при регенераторных и воспалительных процессах (Урываева, 1990).