Сенесцентные клетки что это
Сенесцентные клетки-зомби — ложный след в борьбе со старением?
Корреляция еще не означает причинность. Эти фраза вдалбливается в голову всем изучающим статистику с первых занятий. При этом корреляция, конечно же, на эту самую причинность намекает — часто у двух коррелирующих параметров если и не прямая причинно-следственная связь, то хотя бы общая внешняя причина. Один из моих любимых примеров: продажи мороженого хорошо коррелируют с количеством утопленников, но при этом обе переменные друг от друга не зависят, а обусловлены третьим фактором — погодой.
В борьбе со старением постоянно возникают и быстро входят в моду новые и новые гипотезы какой-то Великой Терапии, которая поможет одержать в этой борьбе решительную победу. Не так давно это была Её Величество Теломераза, но пару лет назад её сместили с трона сенолитики — средства борьбы с сенесцентными клетками. Это такие клетки-зомби, которые мало того, что уже не выполняют свои функции и при этом отказываются умирать, но ещё и отравляют всё вокруг себя, выделяя коктейль провоспалительных веществ, называемый “senescence-associated secretory phenotype” или SASP.
Правда, как это уже часто бывало, корреляция может опять пытаться проявить своё коварство и направить нас по ложному следу: то, что в организме по мере старения становится больше сенесцентных клеток, ещё не означает, что они являются его драйвером. И очень похоже, что они таким ложным следом могут оказаться. Последние исследования Андрея Гудкова — профессора, доктора биологических наук, основателя и научного директора биотехнологической компании Cleveland BioLabs, и вообще одного из самых успешных русских биологов за рубежом — результаты по которым он представил в январе 2017 на Скриппсовской конференции по биологии старения, заставляют меня всё больше в этом уверяться. Вообще, для меня это очень интересные, я бы даже сказал революционные, данные. Вот его полная видеопрезентация, посмотрите, не пожалеете:
Экспериментальные наблюдения
Что же Андрей рассказал такого революционного? А вот что:
Гипотеза Андрея Гудкова
Какая у Андрея Гудкова гипотеза на этот счёт? Что, по его мнению, объясняет все эти загадочные наблюдения, резюмированные на слайде ниже?
Гипотеза следующая: по мере возникновения повреждений ДНК большинство клеток (не убитых тотчас же с помощью апоптоза), в которых эти повреждения организму немедленно починить не удалось, не превращается сразу в сенесцентные (как в неверной, по мнению Андрея, общепринятой сегодня гипотезе со слайда выше), а замирает в некоем состоянии, названном им DSPC (Dormant Senescent-Prone Cells, или “затаившиеся про-сенесцентные клетки”).
То есть эти клетки продолжают жить и функционировать, а сенесцентными становятся только если у них возникает необходимость делиться, но тут в дело вступает (врожденная) иммунная система, в которой отлично отлажена функция отлова и убийства сенесцентных клеток — за это в ней отвечают макрофаги и иммуноглобулины М (IgM). Схематично новая гипотеза Андрея выглядит вот так:
Правда, Андрей считает, что всё вышесказанное верно только для мезенхимальных клеток, а эпителиальные клетки после облучения идут по самому верхнему пути на слайде выше, то есть поломки ДНК в них сразу чинятся. В подтверждение того, что мезенхимальные клетки полны поломок, Андрей приводит данные, что у облученных мышей в них на порядок больше двухцепочных разрывов ДНК:
Проверял ли Андрей эпителиальные клетки на двухцепочные разрывы, чтобы протестировать свою гипотезу, что поломки в них сразу чинятся, я не знаю. Но на основании экспериментальных данных по мезенхимальным клеткам, Андрей считает, что после облучения почти 100% из них становятся такими “про-сенесцентными” (DSPC), как он пишет на этом слайде:
И именно то, что при делении они становятся сенесцентными и убиваются иммунной системой, как раз объясняет, по мнению Андрея, лучшую резистентность облученных мышей к раку — опухоль не может быстро расти, так как новые кровеносные сосуды, призванные снабжать ее кровью, растут у таких мышей гораздо медленней, поскольку клетки-предшественницы этих сосудов все являются про-сенесцентными.
Про-сенесцентность таких клеток Андрей доказал экспериментально — в клеточной культуре клетки облученных мышей почти сразу превращаются в сенесцентные и не растут, в отличие от клеток контрольных мышей:
Что еще, по мнению Андрея, подтверждает эту гипотезу, так это то, что на высококалорийной диете (или высокожирной, если быть точным), облученные мыши умирают ещё быстрее. Правда, в других экспериментах было показано, что жирная диета и сама по себе укорачивает жизнь мышам, и тот факт, что группа необлученного контроля на жирной диете тоже потеряла около 10% популяции одновременно с облученной группой, в моих глазах, даёт повод для некоторых сомнений. Поэтому очень хотелось бы видеть полную кривую дожития для необлученного контроля на жирной диете:
Иммунная система — санитар леса
Как Андрей показал, что именно иммунная система отвечает за контроль и ликвидацию сенесцентных клеток? Очень красиво. Он поместил сенесцентные клетки в некую конструкцию, напоминающую металлическую клетку для ныряльщиков к акулам, и вживил эти конструкции в мышь. А затем посмотрел, что за акулы к этим “клеткам” приплывают. Акулами оказались, в основном, макрофаги (с обычным антуражем других иммунных клеток — эозинофилами и пр.).
Вот на этом графике показано, что без защитных “клеток” сенесцентные клетки очень быстро исчезают (популяция снижается в 100 раз) после вживления в мышь (зеленая кривая), а когда их помещают в защитную капсулу, делая недоступными для любых других клеток, их численность практически не снижается (синяя кривая):
А вот и акулы: макрофаги. Причем, что удивительно — сами эти макрофаги начинают экспрессировать сенесцентный маркер бета-галактозидазы, который ранее считали маркером исключительно сенесцентных клеток. Почему это происходит, я пока не понял, и Андрей, по-моему, тоже.
Причем Андрей показал и в другом эксперименте, что значительная часть тех клеток, которые мы раньше считали сенесцентными, является макрофагами, которые сами по себе вряд ли являются сенесцентными (то есть не выделяют SASP — уже упомянутый коктейль провоспалительных факторов), а, скорее всего, разбросаны среди популяции настоящих сенесцентных клеток, как бойцы на поле брани:
Главный вопрос и у меня, и у Андрея — почему эти бойцы так хорошо справляются с сенесцентными клетками до наступления старости, а потом справляться резко перестают. Тут наши точки зрения расходятся. Андрей считает, что с возрастом исчерпывается некий ресурс иммунной системы, и именно поэтому она перестает с ними справляться. А у облученных мышей этот ресурс исчерпывается быстрее, потому что там сенесцентных клеток намного больше:
С гипотезой ресурса я, конечно же, не согласен. Я не могу себе представить, что 11 Гр радиации, превращающие 100% мезенхимальных клеток в про-сенесцентные, начинает исчерпывать ресурс только по прошествии года, да и то сокращая среднюю ПЖ лишь на 28%, а максимальную ПЖ на 18–20%.
При этом мне очень интересно, почему эпителиальные клетки, согласно гипотезе Андрея, избавлены от этой участи. Мне кажется важным вникнуть, что именно происходило у облученных мышей с быстроделящимися тканями и как это стыкуется с гипотезой про-сенесцентных клеток. Ведь в организме довольно много быстрообновляющихся популяций: кишечник, желудок, легкие, половая система (кровяная система не в счет, так как она формируется в основном костным мозгом, который облученным мышам был пересажен от интактных доноров):
Также мне не очень понятно как мезенхимальные клетки облученных мышей умудрялись продолжать функционировать и безошибочно синтезировать правильные белки для своей жизнедеятельности, если у них было в разы больше поломок ДНК (ведь белки строятся по ДНК). Кстати, это еще один отличный контраргумент против гипотезы “старения от накопления мутаций” (ведь есть ещё кто-то, кто в эту гипотезу верит…). Если помните, двухцепочных разрывов ДНК у облученных мышей было на порядок больше.
В любом случае мне гораздо более правдоподобной видится концепция запрограммированного снижения качества репарационных механизмов, которые в молодости даже после мега-дозы радиации не допускают возникновения сенесцентных клеток, а в старости даже у контрольных мышей вызывают схожие их количества.
При этом жирная диета — это сигнал для внутренних часов ускорять старение. А ограничение калорий — сигнал обратный, значительно продлевающий жизнь обычным мышам. Да, и сублетальные дозы радиации (в 25–50 раз выше фоновой), кстати, тоже продлевали жизнь мышам на 20%. Что, в моем понимании, плохо сочетается с любыми концепциями ресурсов. Кстати, было бы интересно посмотреть эффект ограничения калорий на облученных мышей.
Так что там с сенолитиками?
У Андрея есть свой сенолитик, EBS3899 (от Everon Biosciences), который отлично работал в клеточных культурах, но при трансляции в живой организм был, по словам Андрея, гораздо менее эффективен: эффект увеличения СПЖ на 13% наблюдался только у мышей мужского пола, и только если сенолитик применялся на 89-й неделе жизни (более раннее применение к увеличению ПЖ не приводило, как и его применение у самок):
Поэтому главный вывод Андрея, как я его услышал, в том, что надо искать инструменты воздействия на другие механизмы старения (разводные ключи на слайде), если мы хотим добиться гораздо большего увеличения ПЖ:
И в этом с Андреем сложно не согласиться.
Кстати, возможно, с ним согласен даже Нед Дэвид, глава Unity Biotechnology — крупнейшего стартапа по разработке сенолитиков, в который инвестировали Питер Тиль и Джефф Безос. Дэвид уже дважды встречался с Хуаном Карлосом Исписуа Бельмонте, автором так любимой мною работы, и в марте 2017 года они уже обсуждали некоторые возможные последующие шаги.
Что ж, с большим интересом будем следить за дальнейшим развитием событий.
Сенолитики – что это и как они могут помочь продлению молодости
Исследования показывают, что сегодня можно уменьшить количество «старых» клеток и, таким образом, добиться реального омоложения тканей и органов. Считается, что это также дает возможности предотвращения дегенеративных заболеваний и увеличения продолжительности жизни.
Особую роль в деле омоложения организма исследователи отводят сенолитикам – веществам, которые воздействуют как раз на сенесцентные клетки.
Проблема клеточного старения
Благодаря иммунной системе организм знает, как избавиться от этих нефункциональных клеток. Однако с возрастом иммунитет ослабевает, и телу становится все сложнее справляться с процессом клеточного старения.
У стареющих клеток есть несколько характерных признаков:
Их митохондрии не справляются и производят чрезмерное количество свободных радикалов, а это еще одна причина ускорения процессов деградации организма.
Они выделяют вещества, способствующие хроническому воспалению, которое является провокатором развития заболеваний, в том числе, связанных с возрастом.
Влияние клеточного старения на наш организм
Опыты на мышах показали, что увеличение количества стареющих клеток вызывает дегенеративные нарушения в работе организма. И, наоборот, сокращение их количества позволяет замедлить эту дегенерацию (например, при остеоартрите).
Когда сенесцентных клеток накапливается слишком много, они становятся токсичными для соседних клеток. Так они «засоряют» ткани и делают их менее функциональными. В частности, «старые» клетки вызывают воспаление, влияющее на работу всех органов.
Так, например, кожа с возрастом теряет тонус и эластичность, в основном, из-за стареющих клеток, которые в ней накапливаются.
Кроме того, выяснилось, что увеличение количества стареющих клеток коррелирует с хроническими заболеваниями, связанными со старением.
В последние годы все чаще говорят о возможностях «лечения» клеточного старения. И одна из них – применение сенолитиков. Предположительно, они способны повернуть вспять некоторые разрушительные для организма процессы.
Действие сенолитиков
Как избавиться от постаревших клеток, которые только мешают нормальному функционированию организма? Ученые нашли решение в сенолитиках. Это вещества, которые способствуют гибели сенесцентных клеток. При этом они действуют избирательно, не затрагивая здоровые.
Сегодня известны как синтетические сенолитики, так и природного происхождения.Так, природное омолаживающее вещество кверцетин содержится во многих овощах и фруктах. А, например, в лаборатории был создан сенолитик дазатиниб – это противоопухолевый препарат, который применяется, в том числе, для лечения лейкемии.
Опыты на животных подтвердили эффективность таких веществ. Исследования с участием мышей показали, что грызуны, принимавшие сенолитики, пробегают дистанцию вдвое длиннее, чем те, кто их не принимал. Кроме того, у «обработанных» животных отросла шерсть, они стали активнее в целом, а функция их почек улучшилась.
Ученые также добились в лабораторных условиях удаления стареющих клеток из организма мышей, что продлило их жизнь на 26%.
Исследователи также протестировали лечение сенолитиками, объединив кверцетин и дазатиниб. Так им удалось спровоцировать гибель стареющих клеток и снизить уровень вызванного ими воспаления. В этом случае продолжительность жизни грызунов увеличилась на 36%, а количество их заболеваний сократилось.
Методы лечения сенолитиками еще предстоит проверить на научном поле, чтобы выявить их возможные побочные эффекты для людей. Однако уже есть обнадеживающие результаты исследований на пациентах с тяжелыми заболеваниями.
Изучайте тонкости антивозрастной медицины из любой точки мира. Для удобства врачей мы создали обучающую онлайн-платформу Anti-Age Expert: Здесь последовательно выкладываются лекции наших образовательных программ, к которым открыт доступ 24/7. Врачи могут изучать материалы необходимое количество раз, задавать вопросы и обсуждать интересные клинические случаи с коллегами в специальных чатах
Как сенолитики могут помочь продлению молодости?
Результаты первых оптимистичных результатов исследований с участием людей было опубликованы в 2019 году.
Ученые из клиники Майо и партнерских больниц проводили терапию сенолитиками пациентам с заболеванием легких, идиопатическим легочным фиброзом. В частности, они использовали сочетание кверцетина и дазатиниба.
Для этой болезни характерны прогрессирующие изменения в легочной ткани, которые мешают получать необходимое количество кислорода. Это вызывает проблемы с дыханием, серьезное ухудшение самочувствия и даже может привести к смерти пациента. Считается, что один из ключевых факторов возникновения легочного фиброза – клеточное старение.
Испытуемым в течение трех недель давали определенные дозировки кверцетина и дазатиниба. И хотя терапия не была длительной, ученые зафиксировали у пациентов улучшение их физических возможностей.
Так, проверочная прогулка показала, что они прошли расстояние на 5% больше, чем раньше, а скорость их ходьбы увеличилась на 9%.
И хотя это исследование нельзя назвать масштабным, это, в любом случае, серьезный шаг в изучении сенолитиков и их влияния на здоровье человека.
Натуральные сенолитики
На сегодняшний день не только кверцетин известен как природное вещество, способное разрушать нефункциональные стареющие клетки.
Перечень сенолитиков, которые доказали свою ценность:
Физетин. Исследователи из университета Миннесоты и клиники Майо обнаружили, что молекула растения, содержащаяся во многих продуктах (включая клубнику и некоторые водоросли), может улучшить продолжительность жизни, помогая организму избавляться от старых и поврежденных клеток. Это физетин из семейства флавонолов (антиоксидантов), который содержится во фруктах и овощах.
Кверцетин. Это флавоноидный антиоксидант, также полученный из растений (яблока, лука). Он известен как пищевая добавка. Считается, что его суточная доза 50 мг/кг веса для человека воспроизводит те же концентрации в тканях с сенолитическим эффектом, что и полученные в исследовании на мышах. Также известно, что кверцетин защищает от некоторых сердечно-сосудистых заболеваний (цереброваскулярные нарушения, сердечные приступы и т. д.). Его действие может быть усилено ресвератролом, антивозрастные свойства которого тоже известны.
Пиперлонгумин. Эта молекула, полученная из длинного перца, пиппали, тоже имеет сенолитическую активность. Она способствует апоптозу (гибели постаревших клеток) и легко усваивается в процессе пищеварения.
Ашитаба. Это японская трава, которая традиционно используется при гипертонии и расстройствах пищеварения. Считается, что и она обладает свойствами сенолитиков.
ЭТО ИНТЕРЕСНО: Согласно данным недавнего исследования, аналогичным эффектом обладает гидроксибутират, который вырабатывается организмом во время голодания или во время состояния кетоза, достигнутого в результате ограничения углеводов в рационе.
Кроме того, известно, что физические упражнения тоже, по сути, действуют как сенолитики.
Иммунитет – главная защита от старости?
Эту мысль подтверждает исследование Научного института Вейцмана. Когда накапливаются сенесцентные клетки, это ослабляет иммунитет, и в результате увеличивается количество возрастных заболеваний. Ученые института Вейцмана вводили мышам сенолитический препарат и наблюдали заметное улучшение их физического состояния и работоспособности.
Исследование показало, что иммунная система играет определяющую роль в устранении стареющих клеток и что ее деградация может привести к развитию возрастных патологий. А как известно, наш иммунитет ослабевает с возрастом, особенно после 60 лет.
Таким образом, поддержание хорошего иммунитета – один из главных способов увеличения продолжительности жизни и сокращения проявлений возрастных заболеваний.
Получайте знания, основанные на доказательной медицине из первых уст ведущих мировых специалистов. В рамках Модульной Школы Anti-Age Expert каждый месяц проходят очные двухдневные семинары, где раскрываются тонкости anti-age медицины для врачей более 25 специальностей
Краткие выводы
С возрастом в нашем организме накапливаются сенесцентные, «состарившиеся» клетки, которые не разрушаются и мешают нормальному функционированию всего организма.
Иммунная система, которая регулирует естественный процесс избавления от них, с возрастом хуже справляется с этой задачей.
Согласно научным данным, сенесцентные клетки провоцируют дегенеративные процессы в организме и ускоряют старение.
Особые вещества, сенолитики, избирательно уничтожают “старые” клетки, не затрагивая “хорошие”, функциональные.
Сенолитики содержатся в некоторых растениях, а также синтезированы в лабораториях.
Опыты на животных показали, что применение сенолитиков улучшает состояние здоровья и продлевает жизнь.
Исследования с участием людей также были успешными, но требуется дополнительное изучение сенолитиков и возможных побочных эффектов от их применения.
При этом укрепление иммунитета естественными методами помогает лучше справляться с выведением “состарившихся” клеток.
Список использованной литературы
Хондроджианни Н., Капета С., Чиноу И., Вассилату К., Папассидери И., Гонос Е.С. Антивозрастное и омолаживающее действие кверцетина. Exp Gerontol. Октябрь 2010.
Сенесцентные клетки что это
Сенесцентными (старыми) сегодня принято называть клетки, у которых под воздействием различных факторов (стрессовых или исчерпани я ресурса деления) остановлен клеточный цикл, в результате чего такие клетки не делятся и не обновляются.
На прошедшей в Кембриджском университете конференции «Cell Senescence in Cancer and Ageing» было дано такое определение клеточного старения:
«Клеточным старением называется устойчивая остановка пролиферации, вызванная различными молекулярными триггерами, включающими активацию онкогенов, а также избыточное количество клеточных делений. Кроме того, сенесцентные клетки характеризуются секрецией целого ряда стромальных регуляторов и регуляторов воспаления (так называемым «ассоциированным со старением сереторным фенотипом»), влияющих на функционирование соседних клеток, включая иммунокомпетентные. Целый ряд убедительных фактов свидетельствует о том, что клеточное старение представляет собой эффективный механизм подавления опухолевого роста. В тоже время, клеточное старение возможно вносит свой вклад в старение тканей и всего организма».
Самым первым в начале 60-х годов прошлого века было обнаружено клеточное репликативное старение.
В ставшей уже знаменитой работе американские геронтологи Л. Хейфлик и П. Мурхед в экспериментах с культивируемыми человеческими фибробластами установили, что клетки не делятся бесконечно и есть предел клеточному делению (названный впоследствии пределом, или лимитом Хейфлика) [1]. Спустя 10 лет советский биолог Алексей Оловников дал логическое объяснение этому феномену, связав лимит клеточных делений с постепенным укорочением концевых участков ДНК, теломер. Связано это с тем, что фермент теломераза, способный наращивать теломеры после их укорочения, не активен в большинстве соматических клеток. После того, как теломеры укорачиваются до критического уровня, возникает ответ на повреждение ДНК (DNA damage response, DDR), в результате чего происходит остановка клеточного цикла и клетка переходит в разряд сенесцентных.
Известно, что внешние факторы, которые отрицательно влияют на здоровье и долголетие (ожирение, отсутствие физических упражнений, стресс), также оказывают негативное влияние и на укорочение теломер [2]. Также ускорение сокращения длины теломер наблюдается у пациентов с нейродегенеративными заболеваниями, такими как болезнь Альцгеймера [3].
Считается, что для большинства клеток лимит Хейфлика составляет около 50 делений, после чего клетка перестаёт делиться. Чтобы отличать старение организма в целом от клеточного старения, Хейфлик и Мурхед ввели в научный оборот специальный термин, обозначающий старение клеток — senescence (в отличии от старения организма — aging).
Активация онкогенов, таких как RAS и RAF, вызывает клеточное старение, названное онкоген-индуцированным клеточным старением (oncogene-induced senescence, OIS). Эта форма клеточного старения связана с подавлением опухоли.
Геномные сравнительные исследования клеток с репликативным и OIS старением показывают, что, хотя существуют некоторые общие изменения экспрессии генов между этими двумя видами, по сравнению с пролиферирующими клетками, имеются и существенные различия [4].
Известно, что в механизмах OIS-старения большую роль играют повреждения ДНК, связанные с активными формами кислорода (АФК). Также в возникновении OIS активно участвует ERK-киназа, стимулируя деградацию белков, необходимых для прогрессирования клеточного цикла.
Роль ответа на повреждение ДНК (DDR) в этом виде клеточного старения не донца выяснена. Известно, что мутантные онкогены, такие как H-Ras G12V, обладают потенциалом для активации молекулярных путей клеточного старения, связанных с киназой р38 MAPK и транскрипционным фактором NF-кВ, независимо от повреждения ДНК. Онкогенный ген Ras также может способствовать повышению регуляции р53 через p19ARF и клеточному старению независимо от повреждения ДНК [5]. Поэтому не исключается стимуляция клеточного OIS старения даже в отсутствие повреждения ДНК.
Третьим видом клеточного старения, также не зависящим от длины теломер, является стресс-индуцированное преждевременное клеточное старение (stress-induced premature senescence, SIPS). Оно возникает в ответ на стрессовые факторы различной природы: ионизирующее и ультрафиолетовое излучение, увеличение уровня АФК, химиотерапевтические препараты.
В отличии от OIS-старения возникновение SIPS полностью зависит от ответа на повреждение ДНК (DDR). Фенотипически SIPS и репликативное клеточное старение во многом сходны, но могут различаться на уровне экспрессии белка.
Роль SIPS в общем старении организма остаётся не до конца ясной — повышенная экспрессия антиоксидантов и подавление АФК, основных факторов возникновения SIPS, не приводило к увеличению срока жизни [6].
Молекулярные механизмы остановки клеточного цикла в сенесцентных клетках сегодня активно изучаются. Известно, что степень повреждения ДНК по-разному влияет на клеточный цикл. Так, умеренное повреждение ДНК может индуцировать временную остановку роста, обширное повреждение ДНК вызывает запрограммированную гибель клеток, стойкое повреждение ДНК вызывает старение клеток. Молекулярные детерминанты (основные факторы), которые регулируют переход от временной приостановки роста к необратимому аресту цикла, сложны и еще не полностью описаны.
Известно, что повреждения ДНК первоначально активируют путь р53-р21, который останавливает клеточный цикл. Затем, если повреждения ДНК не репарируются, клетка или уходит в апопотоз, или становится сенесцентной.
Во втором случае ключевую роль играет белок p16 INK4a, который регулирует долгосрочное сохранение остановки клеточного цикла через сигнальный путь рRb-E2F (белок ретинобластомы, рRb-транскрипционный фактор E2F) и изменения структуры хроматина [7].
Рисунок 1
Стимулы, вызывающие клеточное старение, и основные эффекторные пути
Разнообразные внутриклеточные и внешние стрессы могут активировать программу клеточного старения. Эти стрессоры захватывают различные клеточные сигнальные каскады, и в итоге активируют p53 и p16 INK4a. Типы стресса, которые активируют передачу сигналов p53 через DDR, обозначены серым текстом и стрелками (ROS (АФК) вызывают ответ на повреждение ДНК (DDR), нарушая транскрипцию гена и репликацию ДНК, а также сокращая теломеры). Активированный p53 индуцирует p21, который вызывает временную остановку клеточного цикла путем ингибирования циклина E-Cdk2. p16 INK4a также ингибирует прогрессирование клеточного цикла, но делает это, нацеливаясь на комплексы циклин D-Cdk4 и циклин D-Cdk6. Оба p21 и p16 INK4a действуют, предотвращая инактивацию Rb, что приводит к продолжению репрессии генов-мишеней E2F, необходимых для начала S-фазы. При сильном стрессе (красные стрелки) временно блокированные клетки переходят в стадию ареста клеточного цикла. Клетки, подверженные незначительному повреждению, могут быть успешно восстановлены и возобновить нормальный цикл. Таким образом, путь p53-p21 может либо антагонизировать, либо синергизировать своё действие с p16 INK4a в пожилом возрасте в зависимости от типа и уровня стресса. BRAF (V600E) связан со старением через метаболический эффекторный путь. BRAF (V600E) активирует PDH, индуцируя PDP2 и ингибируя экспрессию PDK1, способствуя сдвигу от гликолиза к окислительному фосфорилированию, которое создает вызывающий старение окислительно-восстановительный стресс. Клетки, подвергающиеся старению, индуцируют воспалительный транскриптом независимо от связанного со старением индуцирующего стресса (цветные точки представляют различные факторы SASP). Красные и зеленые стрелки, соответственно, указывают на активность, способствующую старению и «предотвращению старения». Штриховая зеленая стрелка обозначает механизм «смены старения».
Известно, что сенесцентные клетки активно влияют на своё микроокружение (окружающие их ткани), секретируя целый ряд активных молекул: провоспалительные цитокины, хемокины факторы роста, протеазы (всего около 40 различных видов молекул). Эти вещества были сведены в единую группу — ассоциированный с клеточным старением секреторный фенотип (senescence associated secretory phenotype, SASP).
Известно, что факторы SASP активно участвуют в ремоделировании тканей в эмбриональном развитии. Причём под их воздействием перестраивается как организм матери, так и эмбриона. Предполагается, что эволюционная природа SASP связана с рядом защитных механизмов: подавления опухолей, восстановления после травм и регенерацией тканей.
Упрощённо физиологическое действие SASP можно описать следующим образом. Секретируемые провоспалительные молекулы формируют вокруг подлежащих удалению сенесцентных клеток очаг воспаления, что привлекает в данное место клетки иммунной системы для элиминации стареющих клеток. Входящие в SASP матриксные металлопротеазы (ММР-1, ММР-10, ММР-3) и сериновые протеазы ремоделируют внеклеточный матрикс, чтобы облегчить проникновение клеток иммунной системы к стареющим клеткам. И, наконец, секретируемые ростовые факторы стимулируют размножение соседних клеток для замещения удалённых сенесцентных.
Это описано так, как механизм SASP должен работать в норме, в молодом и здоровом организме. Но с возрастом и при отклонениях его эффективность может существенно снижаться, что вызывает накопление сенесцентных клеток в тканях и, как следствие — к продолжительной секреции провоспалительных факторов SASP, что сопровождается возникновением очагов хронического воспаления.
Кроме этого, известно, что продолжительная активность SASP действует как инфекция на нормальные клетки. Секретируемые сенесцентными клетками активные молекулы попадают во внеклеточное пространство и, воздействуя на соседние нормальные клетки, инициируют арест клеточного цикла и остановку пролиферации, что в значительной степени ускоряет развитие клеточного старения в тканях.
Кроме этого, длительная секреция стареющими клетками факторов SASP связана с развитием возрастных патологий.
Так, повышенная секреция матриксных металлопротеаз сенесцентными клетками стимулирует развитие ишемической болезни сердца, остеопороза и остеоартрита. Сенесцентные гладкомышечные клетки участвуют в развитии атеросклероза, посредством секреции большого количества провоспалительных цитокинов. Продолжительная секреция провоспалительного фактора TNF-α сенесцентными Т-клетками участвует в процессах, связанных с дисфункцией костной ткани. Кроме этого известно, что повышение уровня провоспалительного IL-6 связано с резистентностью к инсулину, диабетом, атеросклерозом и болезнями печени.
Для обозначения всех этих процессов, связанных с системным хроническим воспалением и старением, в которых ключевую роль играют факторы SASP, был введён термин — inflammaging. Кроме этого, была описана двойная роль SASP в канцерогенезе — его опухолесупрессорная и опухолепромотирующая активности [8].
В связи с описанной выше двойной ролью клеточного старения в молодом и пожилом возрасте некоторые учёные рассматривают клеточное старение как пример эволюционной антагонистической плейотропии, которую ещё шутливо формулируют фразой «пользуйся сейчас — заплатишь потом». Согласно этой теории, процессы, которые закрепились в эволюции для повышения выживаемости молодых организмов, могут иметь накапливающиеся вредные эффекты у более старых особей. Так, механизмы, связанные с сенесцентными клетками в молодом возрасте задействованы при беременности, восстановлении после травм, защите от опухолей. В более же пожилом возрасте те же самые механизмы вызывают системное воспаление, дегенерацию тканей и развитие патологий [9].
Авторы концепции SENS среди пула стареющих клеток организма особо выделяют два вида, связанных с жировой тканью: преадипоциты и клетки висцеральной жировой ткани. И это не случайно, так как сегодня известно, что висцеральный жир является метаболически активным и высвобождает целый ряд активных молекул — адипокинов, которые, в свою очередь, связаны с развитием целого ряда возрастных патологий (резистентностью к инсулину, диабетом, сердечно-сосудистыми болезнями). Также авторы SENS акцентируют внимание на возрастном ухудшении работы иммунной системы. По их мнению, это связано с перегрузкой организма стареющими клетками и, как ответ — к перепроизводству уничтожающих сенесцентные клетки Т-киллеров в ущерб другим видам иммунных клеток, что делает стареющий организм уязвимым со стороны различных инфекций.
Решение проблемы накопления сенесцентных клеток авторы SENS видят в двух направлениях. Первое — разработка препаратов, токсичных для старых клеток, или вызывающих их апоптоз, но при этом безвредных для здоровых, нормальных клеток. И второе направление — поиск стимуляторов иммунной системы, чтобы выборочно искать и убивать стареющие клетки-мишени.
Наиболее вероятным способом выборочной атаки на эти аномальные клетки, по мнению разработчиков SENS, было бы использование отличительных молекул, которые встречаются на их поверхностях. Действительно, разные типы клеток имеют различия своих поверхностей. Поэтому первым шагом стоит вопрос идентификации и ориентации маркеров поверхности клеток, которые являются специфическими для подлежащих удалению сенесцентных клеток.
Эта стратегия не абстрактна, а уже является основой некоторых методов лечения рака, которые блокируют рост клеток и привлекают иммунные клетки для их уничтожения [10].
Проведённые исследования показали, что сенесцентные клетки, действительно, накапливаются с возрастом в различных тканях [11].
Также было описано, что устранение стареющих клеток, которые накапливаются в модели ускоренно стареющих мышей, предотвращает появление трех основных фенотипов старения: катаракта, саркопения, потеря подкожного жира) [12].
В связи с этим, вполне очевидно возникает необходимость в идентификации надёжных и эффективных биомаркеров клеточного старения, которые необходимы, в первую очередь, для отслеживания действия потенциальных препаратов-сенолитиков.
Наиболее часто в качестве биомаркера сенесцентных клеток используется ассоциированная с клеточным старением β-галактозидаза (senescence-associated beta-galactosidase, SA-β-Gal). Фермент β-галактозидаза — это лизосомная гидролаза, которая расщепляет концевую бета-галактозу из содержащих ее соединений (лактозы, кератинсульфатов, сфинголипидов и др.).
Ещё в 1995 году было описано, что экспрессия SA-β-Gal значительно возрастает в сенесцентных клетках. Для определения её содержания в стареющих тканях используется иммуногистохимический метод. В качестве альтернативного метода определения активности SA-β-gal в клетках применяется проточная цитометрия с использованием 5-додеканоиламинофлуоресцеина ди-β-D-галактопиранозида в качестве субстрата.
Однако применение SA-β-Gal в качестве биомаркера клеточного старения имеет свои ограничения, так как этот фермент может давать ложные срабатывания, повышая экспрессию не только в стареющих клетках, но и в «молодых», у которых по разным причинам происходит ограничение пролиферации. Поэтому сегодня считается целесообразным использовать SA-β-Gal вместе с другими маркерами клеточного старения.
В 2017 году израильские цитологии разработали новую, более эффективную технологию на основе проточной цитометрии, с использованием цитометра ImageStreamX. Этот метод позволял обнаруживать SA-β-Gal в тканях с эффективностью более 80%. Для повышения эффективности анализа учёные вместе с SA-β-Gal определяли ещё несколько биомаркеров клеточного старения: белки HMGB1 и γH2AX.
HMGB1 — белок из группы ядерных негистоновых белков HMG, в сенесцентных клетках он покидает ядро и перемещается во внеклеточное пространство. γH2AX — фосфорилированная форма гистона H2AX, является признанным маркером раннего повреждения ДНК и клеточного старения.
Кроме этого, новый метод израильских учёных позволял определять стареющие клетки по их увеличенным размерам. По мнению исследователей, их технология может быть использована для быстрого и определения эффективности новых фармацевтических соединений, которые будут специально разработаны для устранения стареющих клеток из тканей [13].
Ещё одним биомаркером старения могут выступать ассоциированные с клеточным старением гетерохроматиновые фокусы (SAHF). SAHF — это особые гетерохроматиновые структуры, которые образуются в ядрах стареющих клеток. Их образование связано с необратимой геторохроматинизацией, связанной с инактивацией расположенных на этом участке генов, участвующих в клеточном цикле (MCM3, PCNA, Cyclin A).
SAHF можно увидеть под микроскопом после их окрашивания специальным красителем DAPI.
Кроме этого, описана повышенная экспрессия промиелоцитарного лейкозного белка (PML) в сенесцентных клетках, который также может быть дополнительным маркером клеточного старения [14].
Американские исследователи описали в качестве биомаркера клеточного старения белок p16 INK4a из Т-клеток периферической крови человека. p16 INK4a как уже было описано выше, принимает самое активное участие в остановке клеточного цикла сенесцентных клеток.
Экспрессия p16 INK4a повышается в сенесцентных клетках и, как оказалось, была значительно связана с курением и физической неактивностью. Кроме того, экспрессияp16 INK4a была связана с концентрацией плазменного IL-6, маркером возрастного воспаления.
По мнению учёных, экспрессия p16 INK4a представляет собой легко измеряемый биомаркер периферической крови для определения клеточного старения [15].