Open Longevity. Как устроено старение и что с этим делать

Обновление матрикса

Компоненты матрикса постоянно обновляются: старые расщепляются матриксными металлопротеиназами, а новые синтезируются специализированными клетками (например, фибробластами и хондроцитами). Интенсивнее всего такой синтез происходит после повреждений и ожогов.

Некоторые компоненты матрикса обновляются быстро, другие, например коллаген и эластин, – поразительные долгожители. Период полураспада коллагена в межпозвоночных дисках составляет целых 95 лет²¹! Логично, что он претерпевает различные химические изменения и со временем накапливает повреждения.

Остановимся на металлопротеиназах. Они разрушают белки матрикса, тем самым позволяя ему обновляться и перестраиваться. В каталитический центр этих ферментов входит металл (отсюда и название), чаще всего это цинк, реже – кобальт. Как и другие ферменты, они подразделяются на две группы: экзопептидазы (отщепляют аминокислоты от конца белка) и эндопептидазы (расщепляют белок внутри пептидной цепи).

Металлопротеиназы, к примеру, помогают разрушать матрикс, чтобы проложить сквозь него новые кровеносные сосуды, то есть участвуют в процессе ангиогенеза.

Регулирует работу матриксных металлопротеиназ белок катепсин С^[9] (относится к протеиназам)²². Он отщепляет небольшой фрагмент от протеиназ-мишеней и переводит их из неактивного состояния в активное. В частности, катепсин С выделяется клетками иммунной системы²³, и его роль значительна при развитии воспалительной реакции, поскольку необходимо активировать матриксные металлопротеиназы для устранения и обновления межклеточного вещества в воспаленной ткани.

На данный момент известно, что основную роль в процессе репарации дермы играют фибробласты. Интересны работы по стимулированию фибробластов для выработки коллагена. Они могут помочь не только в разработке препаратов для заживления ран, но и при реставрации стареющих тканей за счет синтеза новых компонентов межклеточного матрикса.

Экспериментально было показано, что фактор роста фибробластов-1 стимулирует развитие собственной ткани организма и помогает ранам эффективно закрыться (тем самым блокируя инфекцию и уменьшая образование рубцов). Использование фактора роста фибробластов – более эффективный способ заживления ткани, чем применение существующих тканевых герметиков^[10], так как в результате его применения образуется очень прочный коллаген типа I²⁵.

Общение матрикса с клеткой

Здесь важно сказать о селектинах – гликопротеинах, пронизывающих мембрану клетки и участвующих в связывании клетки с матриксом и другими клетками. По своей природе они относятся к семейству лектинов – белков, прочно и специфично связывающихся с остатками углеводов, что необходимо для узнавания клетками друг друга. Важно помнить, что селектины, как и другие лектины, участвуют не только в связывании клеток, но и во внутриклеточной сигнализации.

Они также играют роль в привлечении и миграции лейкоцитов в места воспаления. Это делает селектины незаменимыми для формирования иммунного ответа. Почему это важно, расскажем немного позднее.

Активация селектинов иногда происходит при развитии патологических процессов, например при атеросклерозе, тромбозе глубоких вен и запуске метастазирования у опухолей. Значит, в некоторых случаях искусственная блокировка селектинов может облегчить течение заболевания²⁷.

Связь старения и матрикса

Изменение матрикса с возрастом

С возрастом матрикс теряет эластичность, становится более жестким. Также жесткости способствует образование избыточных поперечных сшивок между волокнами коллагена и эластина. Вернемся к нашему любимому образцу матрикса – коже: все это хорошо заметно и проявляется в виде морщин и потери упругости.

Повышение жесткости матрикса связывают с развитием ряда возрастных заболеваний: утолщения стенок сосудов и увеличения их жесткости²⁸, изменений в тканях сердца²⁹, онкологических³⁰ и нейродегенеративных заболеваний³¹.

На молекулярном уровне жесткость нарушает общение матрикса с клетками, сбивает работу иммунной системы, способствует хроническому воспалению.

Разберем все эти процессы немного подробнее.

Потеря эластичности

Эластичность тканей очень важна для работы органов кровеносной, дыхательной и некоторых других систем. В первую очередь от эластических волокон зависит упругость стенок кровеносных сосудов и в итоге – кровяное давление во всем организме.

Необратимое разрушение волокон со временем запускает и другие процессы старения, например воспаление. Дальше запускаются хорошо нам знакомые «порочные круги».

Разрушение эластических волокон также приводит к высвобождению биоактивных пептидов – фрагментов эластина, так называемых эластокинов, играющих активную роль в разных физиологических процессах, включая клеточную адгезию, хемотаксис, миграцию и пролиферацию клеток, активацию протеаз и апоптоз³². Выделение эластокинов – одна из основных причин запуска «порочных кругов» воспаления, генерации активных форм кислорода (АФК), чрезмерной экспрессии разрушающих матрикс протеаз и прочих патологических процессов.

Рассмотрим основные факторы снижения эластичности матрикса и основные патологические последствия старения эластических волокон (рис. 2).

Во-первых, это внешние небиологические факторы: ультрафиолет, активные формы кислорода (АФК), табак и другие^{33, 34, 35, 36, 37}.

Во-вторых, активность ферментов, отвечающих за образование поперечных сшивок волокон: когда их становится слишком много, жесткость ткани повышается, а эластичность – снижается.

Третий фактор – неферментативные повреждения, возникающие в ходе химических реакций: гликирования, окисления, кальцификации и т. д. Также к неферментативным повреждениям стоит отнести механический износ волокон и карбамилирование. Наличие старых, изношенных волокон в ткани неизбежно ведет к потере их эластичности и многочисленным патологиям кровеносной и дыхательной систем, таким как гипертоническая болезнь и эмфизема легких.

Таким образом, здоровый образ жизни не может полностью предотвратить внутренние процессы старения эластина. Они связаны с модификацией эластиновых волокон липидами, а также их кальцификацией и ферментативной деградацией. Липиды, кальций и углеводы – часть рациона человека, и эластин накапливает все больше и больше повреждений с возрастом. В итоге продолжительность жизни человека ограничена сроком сохранения эластических свойств кровеносной и дыхательной систем, что примерно составляет 100–120 лет⁹.

Рисунок 2.1. Внешние и внутренние факторы, влияющие на эластичность матрикса при старении. Патологические последствия старения эластических волокон⁵. (1) карбамилирование; (2) механическая усталость; (3) цистеиновые протеазы; (4) курение; (5) гликирование; (6) сериновые протеазы; (7) рацемизация аспарагиновой кислоты; (8) кальцификация; (9) активные формы кислорода; (10) матриксные металлопротеазы; (11) УФ-излучение; (12) загрязнение воздуха; (13) окислительное повреждение

Рисунок 2.2. Патологические последствия старения эластических волокон

Механическая связь с клеткой

Свойства матрикса сильно влияют на функционирование связанных с ним клеток, в частности на их развитие и дифференцировку. Клетки «чувствуют» степень жесткости матрикса при помощи различных механорецепторов: силы натяжения, сжатия и сдвига переводятся в биохимические сигналы. Этот процесс известен как механотрансдукция^[11].

Растущая с возрастом жесткость матрикса и изменения в его структуре влияют на работу клеток, их способность к адгезии, снижение подвижности и другие аспекты их поведения⁴¹. Более того, повышение жесткости матрикса приводит к высвобождению клетками факторов роста, стимулирующих синтез компонентов матрикса и еще сильнее ее увеличивающих⁴² (рис. 3).

Многочисленные данные подтверждают, что клетки активно перестраивают окружающий их матрикс для поддержания оптимального уровня его жесткости⁴³.

Рисунок 3. Механизмы повышения жесткости внеклеточного матрикса, силы механического натяжения и биохимические изменения, возникающие в ответ на возрастание жесткости матрикса

Поперечные сшивки матрикса, образуемые лизилоксидазой (LOX), тканевой трансглутаминазой (TG2), и конечные продукты гликирования – основные факторы, способствующие развитию патологической жесткости матрикса. Клетки детектируют повышение жесткости внеклеточного матрикса через фокальные контакты с матриксом, состоящие из интегринов и фокальных адгезионных комплексов. Сила натяжения актино-миозиновых волокон в клетках увеличивается в ответ на повышенную жесткость матрикса, усиленное натяжение волокон передается на матрикс, к которому они крепятся, и на ядра клеток. Опосредованное повышением жесткости матрикса увеличение силы натяжения актино-миозиновых волокон вызывает конформационные изменения в мультибелковом комплексе, связывающем трансформирующий фактор роста (TGF-β). Это приводит к высвобождению молекулы TGF-β, которая запускает синтез компонентов внеклеточного матрикса и повышение его жесткости.

Обозначения: 1 – внеклеточный матрикс; 2 – LOX; 3 – КПГ; 4 – TG2; 5 – латентный комплекс; 6 – интегрин; 7 – фокальная адгезия; 8 – актин; 9 – LINC; 10 – ламина; 11 – TGF-β; 12 – TbRII; 13 – TbRI42.

В 2010-х вышло несколько работ, показавших влияние жесткости матрикса на иммунную систему⁴⁴. Есть основания полагать, что увеличение жесткости с возрастом ускоряет старение и гибель иммунных клеток, в частности тканевой популяции Т-лимфоцитов⁴⁵. Судя по всему, одна из основных причин этого – механическое повреждение ядерной ламины при движении клетки сквозь матрикс⁴⁶. Поврежденные же клетки становятся источником провоспалительных интерлейкинов, которые вызывают постоянное воспаление в тканях.

Подробнее о сшивках в матриксе

Изменения в структуре матрикса связывают в первую очередь с таким химическим процессом, как образование поперечных сшивок между его волокнами. Отметим несколько основных механизмов образования сшивок:

1. Ферментативное: с помощью трансглутаминазы⁴⁷ и лизилоксидазы⁴⁸ (рис. 2).

2. Неферментативное: 2а) гликирование белков; 2b) спонтанное расщепление по остатку аспарагина.

3. Карбамилирование.

Гликирование белков

Гликирование – неферментативное присоединение моносахаридов (глюкозы, фруктозы или их производных) к свободной аминогруппе белка с образованием химической сшивки (рис. 4). Химическое название данной реакции – реакция Майяра.

Если говорить простыми словами, это реакция «прилипания сахаров к белкам». Мы часто наблюдаем ее в быту: именно благодаря реакции Майяра при запекании получается аппетитная корочка на шашлыке или хлебе. Без дополнительного «поджаривания» реакция Майяра, впрочем, тоже протекает, просто медленнее – ровно это и происходит в нашем организме.

Вещества на корочке хлеба называются конечными продуктами гликирования (КПГ). Конечными в том смысле, что они получаются в конце реакции. И в том смысле, что назад дороги нет, корочка не превратится обратно в сырой хлеб.

Наличие КПГ в нашем теле – это на самом деле проблема, так как такие слипшиеся с моносахаридами белки перестают выполнять свои функции, а вернуться в нормальное функциональное состояние самостоятельно уже не могут. КПГ – это мусор, от которого необходимо избавиться, так как их накопление ведет к росту уровня воспаления в организме (к запуску экспрессии провоспалительных цитокинов)⁴⁹.

В целом гликирование неполезно – это своего рода химическое «изнашивание» белков. Его даже можно считать маркером времени жизни белка⁵⁰. Это случайный, стохастический процесс, происходящий в нашем теле безо всякой на то генетической программы.

Именно гликирование – виновник большинства повреждений тканей при сахарном диабете⁵¹. Кроме того, гликирование может приводить к нарушению функций митохондрий, их структуры и к окислительному стрессу⁵². Повышенное содержание КПГ обнаруживается в нервных клетках пациентов, страдающих болезнью Альцгеймера⁵³, что указывает на участие гликирования в ее патогенезе⁴¹. Оно ускоряет процесс дегенерации нейронов, наблюдаемый при болезни Паркинсона⁵⁴.

Гликирование же коллагена I типа делает его устойчивым к «перестройке» ферментами. Более того, между волокнами коллагена формируются «механические» сшивки, что увеличивает жесткость матрикса^{21, 55}.

Рисунок 4. Схематичное изображение процесса гликирования белков: неферментативное присоединение моносахаридов (1) к свободной аминогруппе белка (2). Восклицательными знаками (!) обозначены места образования сшивок

Диагностика гликирования

Сейчас КПГ уже используются в клинической практике в качестве диагностического маркера для целого ряда заболеваний^[12]56.

В частности, проводят анализ уровня гликирования белков в тканях, что важно для отслеживания изменений в долгосрочной перспективе. Это актуально и для коллагена, период полураспада которого – несколько лет, а уровень гликирования у здоровых людей в возрасте от 20 до 80 лет растет, хоть и незначительно, со временем⁶¹.

Обычно для кожи, как самой богатой коллагеном ткани, определяют уровень содержания глюкозепана (одного из КПГ). В ряде работ показана взаимосвязь роста количества глюкозепановых сшивок с сердечно-сосудистыми заболеваниями^{62, 63} и заболеваниями нервной системы⁶². Увеличение скорости гликирования коллагена говорит о развивающихся нарушениях, таких как кальцификация коронарных артерий, ретинопатия, нейропатия или нефропатия⁶⁴.

В целом же наиболее перспективное направление развития предсказательной диагностики гликирования белков – комбинирование большого количества различных анализов в сочетании с приемами машинного обучения. Уже сейчас такие подходы⁶⁵ показывают первые результаты в диагностике аутизма.

Еще один механизм образования сшивок

Он был открыт совсем недавно и включает в себя первоначальное спонтанное расщепление по остатку аспарагина в белке со ступенчатым расщеплением С-концевого сукцинимида, что в конечном счете приводит к образованию ангидрида. Нуклеофильная «атака» на этот ангидрид боковой аминогруппой лизина приводит к образованию ковалентной изопептидной связи.

Любой остаток аспарагина в белке, по-видимому, является потенциальным сайтом такого ковалентного сшивания⁶⁶ (рис. 5).

Рисунок 5. Один из механизмов образования сшивок в матриксе⁶⁶

Первоначально остаток аспарагина (1) в белке подвергается спонтанному расщеплению, что приводит к формированию С-концевого сукцинимида (2), ступенчатое расщепление которого в конечном счете приводит к образованию ангидрида (3). Нуклеофильная «атака» на этот ангидрид боковой аминогруппой лизина (4) приводит к образованию ковалентной изопептидной связи (5). Любой остаток аспарагина в белке, по-видимому, – потенциальный сайт такого ковалентного сшивания.

Карбамилирование

Гликирование – не единственный тип химических реакций, ускоряющих старение матрикса. Группа французских исследователей показала⁶⁷, что важным маркером старения является также карбамилирование – присоединение к аминогруппам белков остатков изоциановой кислоты, одного из продуктов распада мочевины (рис. 6).

При карбамилировании остатков лизина в долгоживущих белках матрикса накапливается гомоцитруллин. Его содержание напрямую коррелирует с продолжительностью жизни мышей, коров и людей.

Наличие гомоцитруллиновых остатков в молекулах коллагена приводит к дестабилизации его трехспиральной структуры и, как следствие, к снижению его устойчивости к температуре, действию металлопротеиназ и другим факторам деградации.

В итоге формально мы получаем тоже как бы сшивки. Но, в отличие от сшивок, возникших в результате процесса гликирования, они не делают волокна коллагена жестче. Напротив, коллаген становится более хрупким. Общее здесь одно – от такой сшивки организму тоже очень сложно избавиться самостоятельно.

Рисунок 6. Химическая реакция карбамилирования лизина с образованием гомоцитруллина⁶⁷

Ультрафиолет

Хроническое повреждение тканей происходит и при постоянном воздействии на них солнечного света. Основное действие ультрафиолета, по понятным причинам, приходится на ткани кожного покрова. В итоге кожа теряет упругость, появляются морщины.

Исследования показали⁶⁸, что на молекулярном уровне фотостарение – это ровно то же самое старение, но в ускоренном виде. Воздействие ультрафиолета способствует появлению АФК в клетке. Это, в свою очередь, повышает уровень синтеза матриксных металлопротеиназ. А они уже фрагментируют коллагеновые волокна.

Фибробласты, закрепленные на волокнах коллагена, чувствуют снижение механического натяжения, а это – сигнал к дальнейшему синтезу металлопротеиназ и замедлению синтеза коллагена⁶⁹. Механизм действия подобен порочному кругу: в результате старения ткани (в данном случае кожных покровов) в клетках повышается уровень АФК, что, в свою очередь, приводит к снижению механического натяжения – и снова повышает уровень АФК в клетках.

Также происходит замедление работы тирозиновых фосфатаз, в норме замедляющих развитие воспалительных реакций⁷⁰.

В результате образуется положительная обратная связь, действие которой приводит к перманентному воспалению и ускоренному старению тканей кожного покрова. Опять «порочный круг».

Возрастное воспаление

О возрастном воспалении мы уже поговорили в первой главе. Это хроническое воспаление в пожилом возрасте. Оно усугубляет течение атеросклероза, диабета 2-го типа, болезни Альцгеймера и некоторых других заболеваний⁷¹.

КПГ активно привлекают макрофаги, которые принимают активное участие в воспалительных процессах. В результате концентрация макрофагов в ткани увеличивается и в ней развивается повышенный уровень воспаления⁷².

Ренин-ангиотензин-альдостероновая система

Известно, что с изменением структуры матрикса также связана активность РААС^[13] – ренин-ангиотензин-альдостероновой системы (рис. 7). РААС отвечает за регуляцию кровяного давления и распределения крови в организме человека. В ее работе задействованы почки, печень, сердечно-сосудистая система.

Рисунок 7. Схема работы ренин-ангиотензин-альдостероновой системы:

1 – секреция ренина почками в ответ на снижение внутрипочечного давления; 2 – секреция ангиотензиногена печенью; 3 – отщепление ренином декапептида от ангиотензиногена, высвобождение ангиотензина I; 4 – ангиотензин I; 5 – синтез ангиотензинпревращающего фермента (АПФ) в легких и почках; 6 – преобразование ангиотензина I в ангиотензин II под воздействием АПФ, который отщепляет от него две последние аминокислоты; 7 – ангиотензин II; 8 – сосудосуживающая активность ангиотензина II, за счет которой растет центральное давление; 9 – стимуляция гипофиза ангиотензином II, в результате чего происходит секреция антидиуретического гормона (АДГ); 10 – АДГ; 11 – стимуляция АДГ выброса альдостерона надпочечниками; 12 – альдостерон. 13 – альдостерон задерживает воду и повышает проницаемость мембран клеток, за счет чего увеличивается объем циркулирующей крови и растет кровяное давление

Избыточный синтез одного из участников цепочки РААС в печени (ангиотензиногена), к примеру, приводит к повышенной жесткости тканей сердца – в результате чрезмерного синтеза белков матрикса фибробластами. В итоге работа сердца сильно страдает^{73, 74, 75, 76, 77}. Это происходит следующим образом: активация рецептора к ангиотензину II AT1, который представлен на поверхности клеток многих тканей (сердце, почки, нервная система и др.), вызывает избыточные ответы в кардиомиоцитах и синтез белка внеклеточного матрикса фибробластами сердца.

В фибробластах сердца ангиотензин II повышает синтез коллагена, фибронектина, ламинина и остеопонтина. Гладкомышечные клетки сосудов, стимулированные ангиотензином II, демонстрируют увеличение количества мРНК коллагена, фибронектина, ламинина и тенасцина.

Решение вышеописанных проблем уже проглядывается: опыты на животных показали, что фармакологическое ингибирование компонентов РААС приостанавливает разрастание компонентов матрикса, приводящее к фиброзу, а значит, и патологические процессы в тканях сердца⁷⁸.

В почках ангиотензин II стимулирует синтез коллагенов, фибронектина и ламинина мезангиальными клетками^{78, 79}.

Способность ангиотензина II стимулировать продукцию TGF-β^[14], одного из главных профиброзных факторов, связывают с развитием возрастной сосудистой гипертрофии.

Постоянная активация рецепторов TGF-β приводит к аномальному накоплению соединительной ткани в почках и сосудах, ведущему к фиброзным патологиям^{80, 81, 82}.

Кроме того, продукция TGF-β может индуцироваться при увеличении количества рецепторов RAGE^[15]83. Повышение экспрессии этого цитокина может быть прямым следствием процессов гликирования. Возможно, если получится изобрести препарат, «отменяющий» гликирование, вред от избытка TGF-β тоже снизится^{84, 85, 86}.

Таким образом, жесткость почки (за счет синтеза коллагена) растет как напрямую от воздействия ангиотензина II, так и в результате продукции TGF-β. Также запускается очередной порочный круг (на этот раз не только в почках, но и в сосудах): от роста количества КПГ (которые для матрикса и есть сшивки) растет уровень TGF-β, который еще сильнее ускоряет разрастание соединительной ткани.