Факторы, обусловливающие старение

Старение – постепенное возрастное снижение физиологических и функциональных возможностей организма, приводящее к нарушению функционирования жизнеобеспечивающих систем и повышению риска смерти. Эти ухудшения являются основным аспектом возникновения возрастных патологий – диабета, сердечно-сосудистых, нейродегенеративных и онкологических заболеваний. Но как определить наступление старости, ведь в одном и том же возрасте внешний вид, состояние организма, физические и функциональные возможности разных людей достаточно сильно отличаются. В статье C. López-Otín «Признаки старения» [3] сформулированы основные факторы, предопределяющие старение: геномная нестабильность, нарушение регуляторных механизмов, нарушение метаболизма, старение клеток, хронические воспалительные процессы, стресс, сбой циркадных ритмов.

Геномная нестабильность. Одним из распространенных факторов старения является накопление генетических повреждений на протяжении жизни. Многочисленные заболевания, обусловливающие преждевременное старение, являются следствием аккумуляции повреждений дезоксирибонуклеиновой кислоты, или ДНК. Целостность и стабильность ДНК постоянно проверяется на прочность внешними физическими, химическими и биологическими патогенными факторами, и внутренними угрозами, включая ошибки репликации ДНК, спонтанные гидролитические реакции и свободные радикалы.

Гены управляют всеми функциями организма, определяют его развитие и жизнедеятельность. Любая клетка организма содержит две копии хромосом, которые состоят из ДНК – молекул, обеспечивающих сохранение и передачу информации о строении, развитии и функционировании организма. Накопление возрастных повреждений и мутаций этих молекул (генетическая нестабильность) может иметь серьезные последствия для здоровья.

Одним из проявлений этих процессов является укорочение специальных участков ДНК на концах хромосомы – теломер. Теломеры играют важную роль – защищают клетки от повреждающего действия ферментов, вирусов и других агентов. При каждом делении клетки они становятся короче. На укорочение теломер влияет также пагубное действие свободных радикалов. Критическое укорочение теломер обусловливает нарушение деятельности клетки, проявляющееся либо прекращением дальнейшего деления клетки, либо ее гибелью (апоптоз), либо мутацией.

Препятствует укорочению теломер в некоторых клетках (половых, стволовых, эмбриональных) специальный фермент – теломераза, который обеспечивает обратное их удлинение после каждого деления клетки. Но в большинстве клеток организма данный фермент менее активен, и на определенном этапе деление клеток останавливается. Существуют естественные способы замедлить укорочение теломер, повысив активность теломеразы. В основном это связано с естественными здоровыми привычками правильного питания и физической активности. Однако в последние годы усилия ученых в поиске препаратов, усиливающих действие теломеразы, увенчались разработкой ряда препаратов на основе экстракта астрагала:^[1] по результатам исследований с участием людей доказана способность этого вещества в составе препаратов не только замедлять, но и увеличивать длину теломерных окончаний клеток, уменьшая количество клеток с критически короткими окончаниями. Основным действующим веществом данных препаратов является циклоастрагенол.^[2]

Однако возрастные изменения происходят не только на теломерах, но и на других участках хромосом (разрывы цепочки ДНК, нуклеотидные повреждения и пр.), вызывая мутации генов и их «неправильную» работу. Рост числа мутаций повышает риск того, что клетка превратится в опухолевую. Подтверждением роли генетической нестабильности в ускорении старения организма являются врожденные мутации генов, ответственных за «ремонт» ДНК. Так, при наличии дефекта в «ремонтных» генах молодой человек может иметь внешние и внутренние признаки старения и выглядеть, как старик. Также фактором возрастной генной нестабильности является «перепрыгивание» определенных генетических элементов хромосомы с одного участка на другой (как бы неверная «сборка конструкции» с последующим нарушением функционирования генома).

Вместе с врожденными мутациями генов значительный вклад в процессы старения вносят эпимутации – возрастные изменения активности генов. Поломки в хромосомах, изменение ферментативной активности, снижение гормонального фона обусловливают нарушения экспрессии генов и раннее старение. Серьезную роль в данных изменениях играют особенности питания, образ жизни и влияние окружающей среды.

Нарушения регуляторных механизмов. Жизнедеятельность организма обеспечивается за счет регуляторных механизмов, опосредующих нормальное функционирование физиологических систем (сердечно-сосудистой, дыхательной, иммунной и др.). С возрастом эти механизмы теряют способность обеспечивать постоянство внутренней среды (гомеостаз), проявляясь такими патологиями, как ишемическая болезнь сердца, нейродегенеративные заболевания, диабет, артериальная гипертензия и др. Данные процессы приближают и ускоряют старение организма.

В первую очередь необходимо отметить важность нейроэндокринной регуляции функций, во многом обеспечиваемой особым отделом головного мозга – гипоталамусом. Склероз мозговых сосудов, накопление токсических отходов, систематическое действие психоэмоционального стресса и другие факторы обусловливают возникновение депрессий, ухудшение памяти, развитие болезней Альцгеймера, Паркинсона и пр.

Существенным возрастным изменением является также снижение иммунной функции. Определенные клетки крови (лимфоциты) распознают и «убивают» инфекционные агенты и снижают воспалительные процессы. С наступлением старости образование иммунных клеток становится затруднено. Это приводит к возникновению инфекционных, аутоиммунных и онкологических заболеваний.

Нарушения метаболизма. Обмен веществ в организме значительно меняется с возрастом. Это проявляется дезорганизацией водно-солевого обмена со значительным снижением концентрации натрия в плазме крови и, соответственно, появлением отеков, болезней почек и печени, понижением уровня гормонов щитовидной железы. Также происходит снижение содержания магния и кальция в организме, определяющее развитие остеопороза и ломкости костей.

Старение клеток. Необратимый процесс потери клетками способности к делению является одним из ключевых аспектов старения. Нарушение регенеративных возможностей клетки приводит к образованию в организме значительного количества воспалительных белков (цитокинов) и, как следствие, возникновению воспалительных процессов, лежащих в основе онкологических и сердечно-сосудистых заболеваний, метаболического синдрома, диабета и дряхлости.

В наступлении старости важную роль играют процессы апоптоза (гибель клеток по достижении лимита деления) и снижение количества стволовых клеток.

Хронические воспалительные процессы. Воспаление занимает одно из главных мест в развитии возрастных заболеваний за счет угнетения регенерации тканей, увеличения генерации свободных радикалов, повреждения ДНК, появления резистентности к инсулину. Воспалительные процессы в пожилом возрасте возникают по ряду причин, основная из которых – нарушение иммунной функции. В свою очередь установлено, что ряд противовоспалительных препаратов и растительных веществ значительно снижают возникновение возрастных заболеваний.

Систематический стресс. Постоянный высокий уровень гормона стресса – кортизола – является опасным фактором преждевременного старения. При хронической высокой концентрации кортизола наблюдаются нарушение сна, повышение артериального давления, увеличение жировых отложений в абдоминальной области, снижение памяти, когнитивных способностей и иммунитета.

Нарушение циркадного ритма. Биологические часы регулируют не только смену сна и бодрствования, но и нормальную работу органов и систем, выделение гормонов, активность нервных центров. Сбой в работе этих часов является одним из признаков старения организма.

Учет факторов старения может способствовать созданию основы для разработки мер по улучшению здоровья и продлению жизни человека. Существует еще много проблем в понимании этого процесса. Развитие технологий способно оказать положительное влияние на исследования старения, облегчая оценку генетических и функциональных нарушений, накапливаемых отдельными клетками в стареющем организме. Исследования на животных, молекулярный анализ взаимодействий генома и окружающей среды, модулирующих старение, помогут определить цели лекарственной терапии с целью увеличения долголетия.

Методы по увеличению продолжительности жизни

Все больше ученых и врачей приходит к мысли, что первоочередной задачей медицины является сверхранняя диагностика возрастных заболеваний и их своевременное лечение. Здравоохранение в будущем должно ставить своим приоритетом систематическую профилактическую и превентивную деятельность по предотвращению заболеваемости путем использования лекарств и генной терапии, а также индивидуально подобранных немедикаментозных средств (образ жизни, питание, уровень повседневной физической и умственной активности, борьба со стрессом). Основными инструментами радикального продления молодости должны стать регулярная оценка биологических маркеров старения, использование специальных медикаментозных средств, генетическое и клеточное лечение, лабораторное создание и трансплантация органов, клеточная инженерия и нанотехнологии.

Оценка биологических маркеров старения. Для ранней диагностики возрастзависимых заболеваний необходимо разработать научно обоснованный комплекс параметров, указывающих на наступление старения в организме, – биологические маркеры старения.

В первую очередь важна геномная диагностика, направленная на выявление неблагоприятных вариантов генов (аллелей), ответственных за развитие возрастных заболеваний. Анализ генетической предрасположенности к тому или иному заболеванию позволил бы своевременно изменить диету, подобрать определенные препараты и проводить соответствующие мероприятия по недопущению возникновения патологии и ее превентивное лечение.

Генетическая предрасположенность является фактором риска, однако значимый вклад в развитие патологий вносят особенности повседневной жизни, питание, условия труда и отдыха. Эпигенетические изменения на клеточном уровне под влиянием факторов среды могут обусловить изменения активности и экспрессии тех или иных генов, вызывая преждевременное старение. Эти изменения не являются наследственными причинами возникновения возрастных заболеваний, однако они становятся факторами риска. Таким образом, оценка эпигенома (то есть структуры, управляющей деятельностью генома) способна обеспечивать контроль возрастных изменений.

Особое внимание следует уделять изменениям экспрессии (транскрипции) генов – образованию определенных молекул (матричные РНК), при содействии которых генетическая информация переносится в белки. На определенном возрастном этапе происходит изменение этого процесса, характеризующееся нарушениями окислительно-восстановительных реакций, митохондриального дыхания, жирового обмена и т. д. Изменения обмена веществ являются надежным маркером старения. Установлено возрастное снижение скорости метаболических процессов и изменение плазменной концентрации аминокислот, глюкозы и липидов. Эти перестройки могут указать на несоответствие паспортного и биологического возрастов, а их коррекция послужит одним из геропротекторных средств.

Исследование изменений протеома (совокупность белков организма) способно показать поражения на клеточном и тканевом уровне, выявить ранние стадии патологических процессов. Мониторинг функционирования жизнеобеспечивающих систем (сердечно-сосудистой, дыхательной, пищеварительной, эндокринной и др.) должен стать нормой при систематических врачебных обследованиях.

Медикаментозные средства. Ученые-геронтологи увлечены идеей создания лекарств, способных значительно повысить планку продолжительности жизни человека. Ряд препаратов уже представлен на рынке геропротекторов. Хотя эти лекарства разрабатывались для лечения других заболеваний, выяснилось, что они обладают геропротекторным эффектом. Ведется большая исследовательская работа по выявлению геропротекторных свойств медикаментов, уже используемых во врачебной практике. Наиболее типичным примером таких препаратов является метформин, первоначальной ролью которого была борьба с диабетом 2-го типа.

Генетическое лечение. Под этим термином следует понимать внесение изменений в генетическую структуру клетки для борьбы с патологией и получение ею новых возможностей. На сегодняшний день осуществить значительное вмешательство в работу генов человека не представляется возможным. Однако в экспериментах на животных ученым удалось добиться существенных результатов в продлении жизни и лечении болезней. Современная технология генной терапии, применимой к человеку, основывается на доставке определенных генов в геном человека посредством специально сконструированных вирусоподобных факторов, способных проникать в ДНК клетки, изменять накопившиеся там «поломки» и удалять «генетический мусор».

Клеточное лечение. Стареющие клетки способны вызывать хронические воспалительные процессы, что является одним из факторов старения. Систематическое удаление таких клеточных структур способно существенно замедлять процессы старения организма. На сегодняшний день в омолаживающей терапии и лечении ряда заболеваний широко используются стволовые клетки, обеспечивающие регенерацию тканей и увеличение способности обычных клеток к делению.

Создание и трансплантация органов. Пересадка здорового органа взамен больного – единственный способ избежать смерти для многих людей. Эта процедура связана с риском отторжения донорского материала. Медицина будущего ставит себе амбициозную задачу по выращиванию органов, имеющих полную совместимость с реципиентом. В этом направлении уже ведутся разработки, основанные на создании органов с помощью специальных 3D-принтеров и эмбриональных стволовых клеток. Существуют высокотехнологичные разработки кибернетических устройств, замещающих вышедшие из строя органы (искусственное сердце, искусственная почка, протезы рук и ног, управляемые мозгом). Однако на данный момент они имеют значительное количество недостатков, хотя в перспективе могут стать заменой живым тканям.

Клеточная инженерия. Любопытно обратить внимание на мнение Обри ди Грей, известного английского геронтолога, главного редактора научного журнала «Rejuvenation Research» (Исследования омоложения), автора таких бестселлеров, как «Mitochondrial Free Radical Theory of Aging» (Митохондриальная свободнорадикальная теория старения; 1999) и «Ending Aging» (Прекращение старения; 2007), организатора всемирно известного проекта «Strategies for Engineered Negligible Senescence» (SENS; Стратегии достижения пренебрежимого старения инженерными методами). Ди Грей считает, что человек может жить 1000 лет и более, и сейчас не нужно заострять внимание на изучении процессов старения. По мнению автора, современные медицинские технологии позволяют продлить жизнь на 20–30 лет. За это время, если следовать ускоряющимся в этом направлении темпам развития науки, будут получены новые данные, разработаны новаторские методики и средства, которые дадут возможность прожить еще 20–30 лет. Таким образом, каждый раз отсрочивая старение на N-ное количество лет, человек сможет жить бесконечно долго. На данный момент Ди Грей сформулировал 7 основных факторов старения, на борьбу с которыми направлены усилия его фонда SENS.

Клеточная регенерация. Клетки имеют способность делиться определенное количество раз, затем происходит их потеря. Предлагается активировать клеточное деление путем введения стволовых клеток.

Хромосомные раковые мутации. Раковые клетки могут делиться бесконечное число раз, а способность к делению клеток обеспечивают концевые участки хромосом – теломеры. Предлагается удалять из донорских стволовых клеток гены, обеспечивающие образование фермента, активирующего рост теломер, и вводить их в организм с целью замещения его собственных клеток. Данную процедуру надо повторять примерно 1 раз в 10 лет, и таким образом будет происходить постоянное обновление всей клеточной популяции человека, при этом раковые клетки потеряют способность к образованию.

Митохондриальные мутации. Митохондрии являются важнейшими органеллами клеток, их называют клеточным «дыхательным аппаратом» и «энергогенератором». В митохондриях образуются определенные белки, кодируемые соответствующими генами. При мутации этих генов функционирование митохондрий нарушается. Идея ученых SENS состоит в том, чтобы скопировать митохондриальные гены в ядро клетки, и тогда при мутациях генов в митохондриях эту функцию возьмут их ядерные копии.

Клеточное старение. С возрастом в организме накапливается значительное количество дисфункциональных клеток. Предлагается их удалять с помощью введения препаратов целенаправленной программируемой гибели «старых» клеток или активации иммунных клеток-киллеров, убивающих поврежденные клетки.

Перекрестные белковые связи