Nové směry ve výzkumu stárnutí
Jun 22, 2022
Prosím kontaktujteoscar.xiao@wecistanche.comPro více informací
Abstraktní:Biologie stárnutí je aktivní a rychle se rozvíjející oblastí biomedicínského výzkumu. Těžiště práce v této oblasti se v průběhu let postupně přesouvá od studia účinků a příznaků stárnutí k hledání mechanismů procesu stárnutí. Pokrok v této práci vedl k dalšímu posunu od hledání „mechanismu“ stárnutí a formulování odpovídajících „teorií stárnutí“ k uznání, že stárnutí představuje čistý výsledek mnoha fyziologických změn a jejich složitých interakcí. Bylo také prokázáno, že mechanismy stárnutí zahrnují signální dráhy závislé na živinách, které byly v průběhu evoluce pozoruhodně zachovány. Dalším důležitým vývojem v této oblasti je zvýšený důraz na hledání farmakologických a environmentálních intervencí, které mohou prodloužit délku zdraví nebo ovlivnit další aspekty stárnutí. Pokrok v pochopení klíčové role stárnutí jako rizikového faktoru chronických onemocnění poskytuje impuls pro tyto studie. Údaje z nedávné pandemie poskytly další důkazy o vlivu věku na odolnost. Pokrok v této oblasti byl také ovlivněn významnými analytickými a technologickými pokroky, včetně výrazně vylepšených metod pro studium genové exprese, profilů proteinů, lipidů a metabolitů, zvýšené schopnosti produkovat různé genetické modifikace a nových přístupů k hodnocení biologický věk. Pokrok ve výzkumu biologie stárnutí poskytuje důvody k optimismu ohledně šancí, že v nepříliš vzdálené budoucnosti budou vyvinuty bezpečné a široce použitelné intervence proti stárnutí s významnými přínosy pro zdraví jednotlivce i veřejnosti.
Klíčová slovaStárnutí · Geroscience · Délka života · Životnost · Intervence
Úvod
Biologie stárnutí je rychle se rozvíjející a vyvíjející se výzkumný obor a my jsme si mysleli, že by čtenáře mohl zajímat stručný přehled nového vývoje, nových konceptů, nových oblastí důrazu a nových metodologických přístupů v této oblasti zkoumání. Následuje poněkud osobní pohled na tyto změny za posledních 25 let. Před 25 lety Holly Brown-Borg oznámila pozoruhodné prodloužení délky života mutantních myší, se kterými jsme pracovali [1], a směr výzkumu v naší laboratoři se začal přesouvat od reprodukční endokrinologie k biologii stárnutí. Čtenářům, které zajímá dřívější vývoj v této oblasti a jiný pohled na novější události, doporučujeme vynikající nedávný článek Arlana Richardsona [2].
Genetika stárnutí: Geny dlouhověkosti, genové polymorfismy a profily genové exprese
Průkopnické studie Johnsona, Jazwinského, Kenyona, Guarenteho, Ruvkuna, Partridge, Tatara a dalších badatelů v 80. a 90. letech poskytly důkazy, že mutace jednotlivých genů mohou výrazně, často docela působivě, prodloužit životnost v různých organismech, včetně pekařských kvasinky (Saccharomyces cerevisiae), mikroskopická škrkavka (Caenorhabditis elegans) a ovocná muška (Drosophila melanogaster). Tyto mutace byly brzy nazvány „geny dlouhověkosti“ nebo „geny zajištění dlouhověkosti“ a jejich objev přitáhl velkou pozornost v oblasti biologie stárnutí i mimo ni, včetně populárních zpravodajských médií. Studie genů dlouhověkosti u kvasinek a bezobratlých zvířat byly brzy následovány zprávami, že mutace jednoho genu mohou také prodloužit životnost u myší (Mus musculus)[1,3], organismů taxonomicky a biologicky mnohem bližších lidem. Tyto poznatky na pokusných zvířatech vedly k obnovení zájmu o studium genetické kontroly lidského stárnutí a hledání genů dlouhověkosti u jedinců, kteří se dožili mimořádně vysokého věku (například stoleté staříky) nebo pocházeli z dlouhověkých rodin [{{ 6}}].
Nejzajímavějšími výsledky studií genetiky stárnutí v 90. letech a v následujících letech byla identifikace specifických buněčných procesů (signálních drah) a odpovídající epistatické vztahy mezi geny dlouhověkosti, které se podílejí na řízení dlouhověkosti. a uvědomění si, že tyto cesty byly v průběhu evoluce pozoruhodně zachovány [9-13]. Rozsáhlé homologie signální dráhy inzulinu/inzulínu podobných růstových faktorů (IIS) a mechanistického cíle dráhy rapamycinu (mTOR)[14,15] a velikost jejich dopadu na stárnutí u kvasinek, červů, hmyzu a savců, jsou zvláště nápadné, když se na ně díváme ve světle obrovských rozdílů v tělesném plánu, životní historii a fyziologickém fungování těchto druhů.
Cistanche může proti stárnutí
Dlouhověcí mutanti byli mimořádně užiteční při studiu mechanismů stárnutí, protože jejich komplexní fenotypy a prodloužená životnost lze vysledovat zpět k funkcím jednotlivých genů a zvířata predisponovaná k pomalejšímu a/nebo opožděnému stárnutí lze snadno identifikovat, když jsou mladí. , čímž se zabrání komplikacím způsobeným účinky stárnutí a kratšímu přežití normálních kontrol. Zatímco tyto studie pokračují, těžiště práce na genetice stárnutí se postupně přesouvá od hledání nových genů dlouhověkosti a jednonukleotidových polymorfismů (SNP) spojených s dlouhověkostí, rizikem různých chronických onemocnění nebo jinými fenotypy souvisejícími s věkem. charakterizující změny v genové expresi a odpovídající změny ve funkci různých tkání a orgánových systémů. Z hlediska metodologie to představuje posun od celogenomových asociačních studií (GWAS) k různým mikročipovým platformám pro analýzu ustálených hladin messengerových RNA a sekvenování RNA (RNAseq) a nyní stále více k sekvenování jednobuněčné RNA. (RNA-sekv.). Roste také zájem o modifikace chromatinu (především acetylace a methylace), které se mohou podílet na epigenetické kontrole genové exprese.
Délka zdraví vs životnost
Změny průměrné, mediánové a zejména maximální délky života jsou důležitým a ve většině případů nezpochybnitelným důkazem vlivu genetických faktorů, prostředí nebo farmakologických zásahů na proces stárnutí. Skutečné nebo domnělé možnosti prodloužení životnosti byly hledány po tisíciletí a nadále vzrušují naši představivost. Zamyšlení nad otázkami stárnutí, úmrtnosti a dlouhověkosti však vede k poznání, že jak z hlediska veřejného zdraví, tak z hlediska individuálních nadějí a aspirací, dlouhověkost sama o sobě není klíčovým parametrem ani nejdůležitějším cílem. Místo toho se zvyšuje zájem o dosažení „zdravého stárnutí“ nebo „úspěšného stárnutí“, přičemž tyto termíny představují prodloužení délky zdraví, období života bez nemocí a postižení.mikronizovaná purifikovaná flavonoidní frakce 1000 mg používáTo vyvolává otázku, zda některý z intervencí, které prodlužují dlouhověkost (jako je omezení kalorií, potlačení somatotropní signalizace nebo léčba rapamycinem), může také prodloužit absolutní nebo relativní délku zdraví. Tato otázka se zdá být velmi jednoduchá, ale není snadné na ni odpovědět. Na vývoji spolehlivých a praktických způsobů hodnocení zdravotního stavu a křehkosti u lidí a experimentálních zvířat bylo vykonáno a nadále směřováno mnoho práce [16-21].
Význam tohoto problému je téměř nemožné přeceňovat. Nejlépe to asi ilustruje spojení působivého zvýšení průměrné délky lidského života v důsledku očkování a dalších opatření v oblasti veřejného zdraví a pokroku medicíny se zvýšeným počtem lidí žijících s Alzheimerovou chorobou a jinými demencemi. Na druhou stranu lidé, kteří dosáhli výjimečné dlouhověkosti, obecně prožívali období vážných zdravotních problémů a závislosti spíše zkrácené než prodloužené[22-27].ztracená říše cistancheKromě toho přibývá důkazů, že intervence proti stárnutí mohou prodloužit zdravotní stav experimentálních zvířat [3,28-31]. Tato zjištění poskytují realistickou naději, že nutriční, farmakologické nebo environmentální intervence mohou „srovnat křivku přežití“, která prodlouží zdravý život a zkrátí období křehkosti, nemocnosti, slabosti a závislosti[32]. Překlad výsledků výzkumu z pokusných zvířat na lidi;
Intervence proti stárnutí jako preventivní medicína
Účinky různých režimů dietních restrikcí hlášené před desítkami let poskytly jasný důkaz, že snížení kalorického příjmu nebo omezení příjmu bílkovin nebo esenciálních aminokyselin může prodloužit dlouhověkost a oddálit nástup a také výskyt onemocnění souvisejících s věkem u mnoha organismů. Je překvapivé, že až donedávna se obrovskému potenciálu intervencí proti stárnutí jako bona fide preventivní medicíny dostávalo jen málo pozornosti ze strany lékařské profese nebo veřejného zdravotnictví. Relativně nedávný nárůst zájmu o toto téma vedl k formulaci konceptu „geroscience“ [33], který představuje uznání biologického procesu stárnutí jako ovlivnitelného rizikového faktoru chronických onemocnění. Chronologický věk je dobře zdokumentován jako klíčový rizikový faktor pro kardiovaskulární onemocnění, Alzheimerovu chorobu a další demence, artritidu, cukrovku a rakovinu. Neúměrný dopad pandemie Covid-19 na seniory zaměřil pozornost na roli stárnutí při náchylnosti k infekcím a schopnosti zotavit se z nemoci.
Obnovené uznání vztahů mezi stárnutím a nemocí podporuje hledání intervencí, které by bylo možné doporučit zdravým jedincům ve snaze prodloužit jejich zdraví. Léky, které jsou již dobře charakterizovány a schváleny pro humánní použití, a sloučeniny prodávané bez lékařského předpisu jsou v tomto ohledu zjevně zajímavé. Metformin je lék široce používaný k léčbě diabetu a má velmi silné záznamy o bezpečnosti a účinnosti. Již bylo hlášeno, že poskytuje léčeným pacientům významnou úroveň ochrany před rakovinou, KVO a demencí [34-36] a v některých (i když ne ve všech) studiích se ukázalo, že prodlužuje životnost myší[{{1 }}]. Barzilai a jeho kolegové vedli hledání potenciálních zdravotních přínosů metforminu u jedinců, kteří nemají diabetes, a právě probíhá studie nazvaná „TAME“ (Targeting Aging with Metformin) [43].
Rapamycin inhibuje translaci RNA a syntézu proteinů a podporuje autofagii potlačením aktivity komplexu mTOR I a používá se klinicky k prevenci rejekce transplantovaných orgánů [44]. Prodlužuje dlouhověkost u myší a jednodušších organismů ([45-51] a bylo hlášeno, že zabraňuje rakovině [52]. Kromě toho bylo hlášeno, že blízce příbuzná sloučenina zlepšuje reakce lidí středního věku na vakcínu proti chřipce [ 53]. Vliv rapamycinu na stárnutí, se zvláštním zřetelem na rozsah zdraví, je testován v probíhajících studiích na domácích psech [54] a subhumánních primátech [55].
Další relativně nová oblast biogerontologických studií se zabývá úlohou senescentních buněk. Dlouho se věřilo, že stárnutí buněk představuje přirozenou obranu proti rakovině odstraněním buněk z dělící se (mitotické) populace [56]. Později se však zjistilo, že akumulace senescentních buněk vede paradoxně k degradaci tkáňového prostředí, včetně zvýšeného rizika vzniku rakoviny [57]. Studie Kirklanda, van Deursena, Campisiho, Niedernhofera, Robbinse a dalších poskytly důkazy, že léky schopné snížit akumulaci senescentních buněk mohou prodloužit životnost, zmírnit četné účinky stárnutí a zabránit onemocněním souvisejícím s věkem u myší [{{3} }]. Probíhá řada klinických studií o účincích těchto léků (nazývaných „analytika“) v různých skupinách lidí a dosud získané výsledky jsou povzbudivé [63-65].
Nové metody, nové pojmy a nová slovní zásoba
Rychlý pokrok v oblasti molekulární a buněčné biologie pokračuje stále se zrychlujícím tempem a vytváří nové příležitosti pro studium stárnutí. Výsledné posuny v důrazu zahrnují rostoucí zájem o RNA-Seq a siRNA-seq (jak bylo zmíněno dříve v tomto článku) spolu se studiemi následných důsledků změn v genové expresi, které zahrnují analýzu proteinů, metabolitů, lipidů a zánětlivých markerů. proteomika, meta bar-komiks, lipidomika atd.).
Dalším důležitým nedávným vývojem byla demonstrace, že různá měření metylace DNA korelují s chronologickým věkem s velkou (často ohromující) přesností, a tak poskytují „hodiny stárnutí“. Zdá se, že věkem podmíněné modifikace DNA a histonů mohou poskytnout dlouhou hledali biomarkery stárnutí.oteflavonoidDůležité je, že přibývá důkazů o tom, že věk hodnocený těmito hodinami je ovlivněn faktory, o kterých je známo nebo se předpokládá, že ovlivňují rychlost stárnutí, jako je stres, nemoci, intervence proti stárnutí a mutace prodlužující život [66-70]. To naznačuje, že hodiny stárnutí mohou poskytnout smysluplné hodnocení biologického věku. To se pravděpodobně ukáže jako velmi užitečné při screeningu potenciálních intervencí proti stárnutí a předpovídání rizika chronických onemocnění a úmrtí.
Kromě působivého metodologického pokroku ve studiích biologie stárnutí dochází také k důležitému vývoji v interpretaci dat a koncepčních implikacích hromadících se informací. Stále více si tedy uvědomujeme, že stárnutí nelze vysvětlit pomocí jedné definovatelné příčiny (jak navrhují různé „teorie stárnutí“, které byly v průběhu let navrženy), protože odráží složitou síť interakcí mezi různými mechanismy působícími více nebo méně souběžně. Oblíbeným znázorněním tohoto koncepčního pokroku je grafický obraz souboru charakteristických znaků nebo pilířů stárnutí a jejich vzájemných souvislostí [71,72]. Ačkoli přísné spoléhání se na tento model mechanismu (mechanismů) stárnutí bylo nedávno zpochybněno [73], jistě poskytuje velmi užitečný důraz na složitost základních fyziologických interakcí a obtíže při odhalování jeho specifických prvků.
Další méně často diskutovaná obtížnost identifikace mechanismů stárnutí se týká rozlišování mechanismů od účinků stárnutí. To je dále komplikováno mnoha změnami souvisejícími s věkem, které představují účinky stárnutí (jako je progresivní pokles citlivosti na inzulín nebo termogenní aktivita hnědé tukové tkáně), které, jak se zdá, také kauzálně souvisí s procesem stárnutí [74-77].
Nové mechanismy a vyhlídky pro nové intervence
S překvapivou frekvencí jsou identifikovány nové, často netušené mechanismy, regulační smyčky a způsoby přeslechů mezi různými tkáněmi, které mohou ovlivnit dlouhověkost. Relativně nedávné uznání úlohy stárnutí buněk při stárnutí organismu následované identifikací sloučenin, které stárnoucí buňky vyčerpávají, bylo zmíněno dříve v tomto článku.
Počátkem tohoto roku bylo popsáno pozoruhodné prodloužení dlouhověkosti u myší, u kterých experimentálně vyvolané zvýšení vaskulárního endoteliálního růstového faktoru (VEGF) vyvolalo zjevné vaskulární omlazení [78]. Tato vzrušující zjištění naznačují existenci ještě dalšího potenciálně "drogového" mechanismu zapojeného do kontroly stárnutí.
Studie různých tříd nekódující RNA [79-84], NLRP3 inflammasom [85-89] a jaterní produkce sirovodíku [90-92] poskytují další příklady poměrně nedávného vývoje ve vyhledávání pro mechanismy stárnutí a intervence proti stárnutí. Zvýšený důraz na důležitost genetického pozadí experimentálních zvířat při generování dat potenciálně převoditelných na člověka a na rozdíly mezi pohlavími v reakcích na intervence proti stárnutí
Mezi výhody použití inbredních (tedy geneticky téměř identických) experimentálních zvířat v biomedicínském výzkumu patří množství informací z dřívějších studií, více komerčních zdrojů, dostupnost geneticky modifikovaných zvířat se stejným genetickým pozadím a poněkud pochybné očekávání snížené variability.sistancheTo v kombinaci s pochopitelnou tendencí používat stejný typ zvířat, jaké byly použity v publikovaných studiích, vedlo k popularitě myší C57BL6 ve výzkumu stárnutí. Zvýšený důraz na důležitost „přeložitelnosti“ dat z výzkumu na zvířatech do lidských aplikací však vedl k zájmu o použití zvířat s genetickou architekturou připomínající normální lidské populace, neinbrední a vysoce variabilní. K uspokojení této potřeby Miller navrhl použít zvířata odvozená z křížení čtyř relativně geneticky nepříbuzných inbredních kmenů, myší UMHET3. Pozoruhodné je, že myši UMHET3 se v současné době používají v programu testování intervencí (ITP) Národního institutu stárnutí. Tento program testuje sloučeniny podezřelé z anti-aging aktivity na dlouhověkost myší na třech různých místech (v Michiganu, Texasu a Massachusetts) a uvádí pozitivní i negativní zjištění v recenzované literatuře [93] (https:/www. nia.nih.gov/research/dab/interventions-testing-program-itp/publications-nia-interventions-testing-program). Je zajímavé, že výsledky ITP poskytly nový důkaz o vlivu místních faktorů životního prostředí na výsledky studií dlouhověkosti. Dlouhá životnost myší UMHET3 není na těchto třech výzkumných pracovištích stejná, a to i přes mimořádné úsilí o kontrolu uniformity stravy, podmínek ustájení, okolní teploty atd. [94]. Další typ geneticky heterogenních (Diversity Outbred; DO) myší pro studie stárnutí byl vyvinut v Jackson Laboratory v Maine (https://www.jax.org/strain/009376). Diversity Outbred myši byly vyvinuty náhodným křížením 160 rekombinantních inbredních myších linií Collaborative Cross a kolonie je udržována pokračujícím náhodným pářením, které zabraňuje křížení mezi sourozenci. Tato strategie udržování kolonií zachovává nejširší možnou genetickou diverzitu u každé DO myši.puritans vitamín CDO rodičovské linie, Collaborative Cross kmeny, byly vyvinuty křížením osmi inbredních myších kmenů, následovaným následným inbreedingem za vzniku nových a jedinečných rekombinantních začínajících inbredních linií [95]. Vzhledem k obavám, že ženské reprodukční cykly mohou představovat další zdroj individuální variability, většina starších studií publikovaných v této oblasti využívala pouze muže. V souladu s pokyny Národního institutu zdraví a zásadami mnoha biomedicínských časopisů novější práce často využívají obě pohlaví. To vedlo k prokázání, že výsledky získané u mužů a žen jsou zřídka totožné a často nápadně odlišné. Například studie ITP identifikovaly řadu intervencí, které prodlužují dlouhověkost pouze u jednoho pohlaví (17aEstradiol a kyselina nordihydroguaiaretová) nebo mají mnohem větší účinek u žen (rapamycin) nebo mužů (aspirin, akarbóza a Protandim⑧)[96-98 ].
Závěry
Těžiště studií biologie stárnutí se postupně přesunulo od popisu mnohočetných účinků stárnutí k hledání genetických a buněčných mechanismů stárnutí. To vedlo k identifikaci mnohočetných mutací a delecí, které ovlivňují stárnutí, jednonukleotidových polymorfismů, které sledují dlouhověkost, a několika buněčných signálních drah s pozoruhodně konzervovanou rolí ve stárnutí u evolučně velmi vzdálených organismů.
Velká část probíhajících prací je zaměřena na hledání intervencí, které by mohly mít příznivý dopad na lidské stárnutí, se zvláštním důrazem na prodloužení zdravotního rozpětí. Existuje velká naděje, že se nutriční, životní styl a farmakologické intervence proti stárnutí objeví jako klíčové metody preventivní medicíny s potenciálně obrovským dopadem na individuální blaho a veřejné zdraví.
Tento článek je převzat z Stem Cell Reviews and Reports (2022)18:1227-1233 https://doi.org/10.1007/s12015-021-10305-9