Причины возрастного воспаления

Иногда причина хронического воспаления, годами подтачивающего организм, может быть тривиальной – это скрытая инфекция. Один из классических примеров – нарушения в составе микробиоты полости рта и кишечника: вредные микроорганизмы и продукты их жизнедеятельности проникают в окружающие ткани и систему кровообращения.

Хрестоматийный пример скрытой инфекции – случай с бактерией Helicobacter pylori. Этот одноклеточный организм живет на стенках желудочно-кишечного тракта. Некоторые его штаммы в целом безвредны. Другие же, в случае ослабления иммунитета и по ряду других причин, становятся причиной большинства патологий желудочно-кишечного тракта: гастритов, язв и, в запущенных случаях, даже рака⁵. Открытие роли Helicobacter pylori в развитии хронического воспаления органов пищеварения произвело настоящую революцию в медицине: при лечении гастритов и язв стали успешно использовать антибиотики, а авторам открытия в 2005 году даже присудили Нобелевскую премию⁶.

Однако с точки зрения старения куда больший интерес представляет так называемое «стерильное воспаление». Даже люди с самыми здоровыми зубами и пищеварительной системой все равно стареют, процессы хронического воспаления годами протекают в их тканях. Итак, пройдемся по внутренним факторам воспаления, не связанным с инфекциями.

DAMP: основная причина

Основная причина стерильного воспаления – собственный мусор организма, поврежденные компоненты и содержимое клеток и органелл. В норме ненужные клетки утилизируются организмом в процессе программируемой клеточной гибели (апоптоза). Их содержимое аккуратно упаковывается в специальные мембранные цистерны и используется для метаболизма соседних клеток.

Однако не все клетки гибнут путем апоптоза: некоторые в ходе агрессивных взаимодействий с окружающей средой (физические и химические повреждения и т. д.) подвергаются более грубому и бесконтрольному процессу – некрозу. В ходе некроза содержимое клеток попадает в межклеточное пространство и становится объектом внимания иммунной системы, которая в норме с внутренностями клеток не сталкивается. Такой клеточный мусор несет на себе уже упомянутые выше молекулярные метки DAMP – молекулярные паттерны, ассоциированные с повреждением.

DAMP распознаются иммунной системой как сигнал опасности. Это происходит при помощи различных рецепторов. Наиболее значимые из них – это Toll-подобные рецепторы, инфламмасома NLRP3 и рецепторы конечных продуктов гликирования (RAGE). Иммунитет запускает реакции, необходимые для восстановления тканей, в том числе воспалительный ответ по описанному выше механизму. Если повреждений становится много (а с годами они накапливаются), реакция иммунной системы может стать хронической.

Что именно можно найти в запускающем воспаление клеточном мусоре:

– поврежденные компоненты клеток и органелл;

– внеклеточный АТФ (маркер повреждения митохондрий);

– жирные кислоты;

– кристаллы уратов и холестерина;

– церамиды (мембранные липиды, выполняющие сигнальную функцию);

– кардиолипин (компонент внутренней мембраны митохондрий);

– амилоиды (продукты внеклеточной агрегации белков и пептидов);

– сукцинат (компонент цикла Кребса, маркер повреждения митохондрий);

– продукты перекисного окисления липидов;

– конечные продукты гликирования (маркер повреждения тканей при диабете).

Список не исчерпывающий, однако это основные компоненты DAMP.

Как видно, изрядное их количество появляется из поврежденных митохондрий. Это не случайно: митохондрии произошли от бактерий, давным-давно поселившихся в клетках наших далеких предков. По сути дела, митохондрии – это утратившие автономность бактерии⁷. Поэтому и иммунитет наш по сей день реагирует на попавшие во внеклеточное пространство компоненты митохондрий как на компоненты бактерий.

Свободные радикалы

Фактором номер два, участвующим в развитии воспаления (как стерильного, так и связанного с инфекционными агентами), можно назвать свободные радикалы. В основном это активные формы кислорода (АФК) и азота.

Их главный источник – митохондрии, особенно если они повреждены. И хотя свободнорадикальная теория старения Хармана утратила свою былую актуальность, она модифицировалась во вполне рабочую «теорию оксидативных повреждений»⁸.

Суть, впрочем, одна: кислород в активной форме – один из самых страшных ядов. Процессы окисления, а это неотъемлемая часть клеточного метаболизма, сравнимы с медленным горением. Организм, по сути, стареет, «сгорая».

Особенно интересно, что АФК участвуют во всех этапах воспалительного ответа. В частности, они – активаторы такого важного для воспаления сигнального пути, как NF-kB.

NF-κB и FOXO – регуляторы воспаления

Как уже было сказано выше, для развития воспалительной реакции клетки должны секретировать медиаторы воспаления. Те же, в свою очередь, синтезируются благодаря активации провоспалительных генов. За работу этих генов отвечают ключевые сигнальные пути.

NF-kB – одна из основных молекул иммунной системы, регулирующая в том числе и воспаление (рис. 3). Главные участники этого сигнального пути – факторы транскрипции семейства NF-kB. Попадая в ядро, они запускают работу генов, связанных с воспалением.

Но для того, чтобы фактор транскрипции попал в ядро, ему необходимо отсоединиться от белка-ингибитора, который ему мешает. За отсоединение ингибитора отвечает ряд специальных ферментов – регуляторных киназ (NEMO, IKKa, IKKb). Их работу активируют рецепторы на клеточной мембране. Или же активные формы кислорода, если таковые образуются в цитоплазме напрямую, минуя рецептор.

Ловушка хронического воспаления, связанного с NF-kB, заключается в том, что работа ряда генов, запускаемых этим сигнальным каскадом, приводит к образованию активных форм кислорода, в свою очередь, активирующих NF-kB. Образуется порочный круг.

Рисунок 3. Упрощенная схема работы сигнального пути NF-kB

Внешний фактор (например, PAMP или DAMP) связывается с рецептором и активирует его (1). Рецептор, в свою очередь, активирует регуляторные киназы (NEMO, IKKa, IKKb). Они также могут быть активированы избытком АФК в цитоплазме (2). Регуляторные киназы фосфорилируют белок-ингибитор (Ikb), связанный с факторами транскрипции (3). После фосфорилирования ингибитор подвергается деградации, а факторы транскрипции (P50, P65) проникают в ядро (4), активируя экспрессию генов-мишеней (медиаторов воспаления) (5) и дополнительно усиливая активацию киназ за счет накопления АФК (6)⁹.

Другие «стрелочники», регулирующие работу механизмов хронического стерильного воспаления, – транскрипционные факторы семейства FOXO. Эти белки, попадая в ядро, запускают экспрессию генов-антиоксидантов – таких как каталаза и марганцевая супероксиддисмутаза, – устраняющих АФК из цитоплазмы. Таким образом, действие FOXO, в противоположность NF-kB, противовоспалительное. В разных тканях могут быть преимущественно задействованы разные белки семейства.

Активность самих FOXO регулируется инсулиновым рецептором: инсулин приводит к фосфорилированию и деактивации FOXO при помощи очередной регуляторной киназы.

Интересна взаимосвязь воспаления с диетой. Опыты на крысах показали, что уровень инсулина повышается с возрастом при бесконтрольном потреблении пищи, снижаясь при ограничении калорий¹⁰. Повышение уровня инсулина с возрастом приводит к деактивации FOXO и накоплению АФК, которые, как рассмотрено выше, запускают порочный круг хронического воспаления через путь NF-kB, направленность действия которого противоположна пути FOXO¹¹.

Рисунок 4. Взаимосвязь работы инсулина и накопления АФК. Инсулин при помощи регуляторных киназ (PIK3, AKT) фосфорилирует белки семейства FOXO, подавляя их активность в ядре. Это приводит к снижению экспрессии генов-антиоксидантов (ферментов каталазы (САТ)) и марганцевой супероксид дисмутазы (MnSOD), что, в свою очередь, вызывает накопление АФК и активацию хронического воспаления по NF-kB пути. Ограничение калорий способно снизить уровень инсулина и замедлить процесс.

1 – инсулин, связываясь с рецептором, фосфорилирует PIK3; 2 – запуск каскада реакций; 3 – фосфорилирование АКТ; 4 – фосфорилированн АКТ фосфорилирует FOXO, подготавливая его к протеолизу; 5 – протеолиз FOXO; 6 – в отсутствие FOXO происходит накопление АФК; (А) FOXO инициирует транскрипцию РНК, кодирующих каталазу (В) и MnSOD (С); (D) каталаза и MnSOD инактивируют АФК¹¹.

Эпигенетика

Что еще общего в старении различных клеток и органов? Падает активность геропротекторных генов (сиртуинов, синтазы оксида азота, антиоксидантов, митохондриальных белков и др.), растет активность генов, ускоряющих старение (связанных с воспалением, активацией ренин-ангиотензин-альдостероновой системы, повышением уровня фибронектина, накоплением коллагена и других). Все это происходит за счет эпигенетических изменений: тех, что не затрагивают генетический код, однако влияют на считывание информации с генов.

Эпигенетические модификации – небольшие молекулярные метки, обычно метильные или ацетильные группы на нуклеотидах ДНК (у человека на остатках цитидина) и на гистонах.

Эпигенетические профили (суммарное расположение всех эпигенетических модификаций) различны для всех тканей и типов клеток и изменяются с возрастом. Возрастные изменения эпигенома настолько явно коррелируют с количеством прожитых лет, что современные биологи оперируют таким понятием, как «эпигенетические часы» – расположение маркерных эпигенетических модификаций в наборе ключевых генов. По ним можно весьма точно определить биологический возраст организма, будь то лабораторная мышь или человек.

Наличие или отсутствие эпигенетических модификаций в конкретных генах напрямую влияет на их экспрессию. Как уже было упомянуто, провоспалительный фактор NF-κB повышает свою активность с возрастом, а факторы FOXO, антиоксидантные и противовоспалительные, напротив, снижают¹⁰. Одна из причин – эпигенетическое изменение регуляции соответствующих генов.

Гипоталамус и порочный круг возрастного воспаления

Интересно, что подобные изменения (активация фактора NF-κB) в наибольшей мере затрагивают гипоталамус. Это область в промежуточном мозге, центральный регулятор нейроэндокринной функции мозга и гомеостаза нашего организма¹².

Именно его нейроны воспринимают, обрабатывают и реагируют на сигналы от жировой ткани (через лептин), поджелудочной железы (через инсулин) и прочие гормональные стимулы (через грелин, холецистокинин, панкреатический полипептид и другие гормоны), обеспечивая метаболическое и энергетическое равновесие. Он регулирует аппетит и расход энергии, циркадные ритмы, а еще деятельность желез внутренней секреции организма при помощи гипофиза.

Неспроста гипоталамус занимает одно из основных мест в исследованиях, связанных с процессами старения. Знаменитый геронтолог, доктор медицинских наук В. М. Дильман считал «большими биологическими часами» организма именно гипоталамус, о чем подробно рассказал в своем классическом труде 1981 года¹³. Однако молекулярные механизмы связи гипоталамуса со старением в то время оставались неясны. Связать воедино воспаление, старение и гипоталамус удалось только в 2013 году. И снова ключевую роль сыграл иммунитет: оказалось, что наиболее значимый вклад в развитие воспаления в стареющем мозге вносят клетки микроглии¹².

Микроглия – «аварийно-спасательная бригада» мозга. Ее клетки, специальные макрофаги, отвечают за «уборку мусора» в мозге, запуск иммунных реакций, переключение связи между нейронами. Выяснилось, что старение сопровождается активацией уже знакомого нам фактора NF-κB в клетках микроглии. Мы помним о том, что это провоспалительный фактор. Поэтому неудивительно, что этот процесс, в свою очередь, приводит к секреции провоспалительного цитокина – фактора некроза опухолей (ФНО-а). ФНО-а запускает воспаление в нейронах гипоталамуса, приводя в действие тот же сигнальный путь NF-κB. Так запускается знакомый нам порочный круг: воспаление, возникшее в одних клетках, запускает воспаление в других, приводя к постепенному росту его интенсивности.

Нарастающее воспаление влияет на основную функцию гипоталамуса – нейроэндокринную. Каким образом? Факторы воспаления регулируют активность ряда генов, работающих в гипоталамусе (опять эпигенетическое воздействие). В результате снижается выработка одного из гормонов гипоталамуса – гонадолиберина (гонадотропин-рилизинг-гормона, ГнРГ, GnRH). Этот гормон, действуя через гипофиз, стимулирует выработку половых гормонов. Поэтому воспаление в гипоталамусе приводит к снижению уровня половых гормонов. Это, в свою очередь, способствует развитию множественных системных признаков старения уже на уровне всего организма¹².