Биомаркеры старения. Панель Frailty. Часть 1
Структура белка Тромбоспондин-2
В конце июля этого года вышло большое исследование международной группы исследователей, посвящённое поиску эффективных биомаркеров старения в рамках концепции frailty (хрупкости, или старческой астении).
Сам термин «frailty» был введён в научный оборот J.H. Friend в далёком 1954 году, впервые прозвучав в статье Science «Alas for Human Frailties!». Само понятие frailty сегодня определяется как наличие у пожилого человека таких признаков: потеря веса (саркопения), доказанное динамометрически снижение силы кисти, выраженная слабость и повышенная утомляемость, снижение скорости передвижения, значительное снижение физической активности. Принято считать, что frailty (старческая астения) имеет место при наличии трех и более симптомов, если же симптомов один или два — то это старческая преастения.
Федеральный совет по проблемам старения (The Federal Council on Aging) Соединенных Штатов Америки ввел термин «frailty» для специальной группы пожилых людей со «значительными физическими, когнитивными и эмоциональными нарушениями, нуждающихся в дополнительном внимании». По современным оценкам, количество пожилых людей, которых можно отнести к категории frailty, составляет сегодня 12,9%, старческой преастении — 48,9%, которая при отсутствии адекватных мер лечения и реабилитации переходит в развернутую форму в течение 4–5 лет.
Авторы данного исследования определяют frailty как «основной фенотип ускоренного старения, описывающий мультиорганную дисфункцию или мультиморбидность (то есть наличие 2 хронических заболеваний и более, этиологически и патогенетически не связанных между собой) вместе с повышенной уязвимостью к дополнительным заболеваниям у пожилых людей».
В качестве основы своей работы учёные использовали базы данных экспрессии генов (http://genomics.senescence.info/genes, включая GenAge, AnAge, LongevityMap, CellAge, DrugAge, Digital Aging Atlas) для идентификации генов, регулируемых в процессе старения, долголетия и связанных с возрастом заболеваний. При этом они уделили особое внимание секретируемым факторам и молекулам, обнаруживаемым в биологических жидкостях в качестве потенциальных биомаркеров.
На первом этапе работы были идентифицированы факторы, широко выраженные и связанные с несколькими путями «отличительных признаков старения», а также уже используемые как биомаркеры при диагностике возрастных патологий. Затем этот набор биомаркеров был расширен в соответствии с опытом авторов исследования.
Поиск биомаркеров был проведён по шести направлениям, шести «признакам старения»:
1. Воспаление
2. Митохондрии и апоптоз
3. Гомеостаз кальция,
4. Фиброз
5. NMJ (нервно-мышечное соединение) и нейроны
6. Цитоскелет и гормоны.
Было проанализировано 44 потенциальных биомаркера, из которых 19 получили высокий приоритетный бал, 22 были определены как средний приоритет.
В итоге исследователи определили основную и расширенную панель биомаркеров frailty, состоящую из шести пунктов.
1. Воспаление. Общие изменения в иммунной системе, влияющие как на адаптивные, так и на врожденные иммунные ответы, стали одним из наиболее важных «признаков старения», а иммунологические факторы были среди первых маркеров, описанных для старческой астении. Процесс старения тесно связан с системным увеличением провоспалительных медиаторов различной природы. Это увеличение может быть или напрямую связано с устойчивым воздействием инфекционных агентов на протяжении всей жизни, или возрастными изменениями микробиоты кишечника.
Причиной этому может быть и метаболическая дисфункция, наблюдаемая при ожирении, а также секреция антигенов, вызванная гибелью клеток и последующим накоплением клеточного мусора. В целом, воспаление приводит к хронической стимуляции иммунных клеток, которые переходят в низкосортное и долговременное воспаление, которое влияет как на врожденные, так и на адаптивные иммунные ответы.
Кроме того, старение приводит к заметным изменениям фенотипов и функций иммунных клеток. В целом этот фенотип, называемый «иммуногенность», способствует накоплению клеточного и молекулярного повреждения в тканях старения, потенцирует многие возрастные расстройства (например, атеросклероз, диабет и нейродегенеративные заболевания) и, самое главное, уменьшает эффективный ответ на инфекции, рак и другие повреждение тканей.
В связи с воспалением были определены следующие биомаркеры:
1. CD14 антиген. Это гликопротеин, который экспрессируется в основном моноцитами и макрофагами. В составе комплекса TLR 4 — CD14 он принимает участие в иммунном ответе организма — связывании бактериальных липополисахаридов.
2. Фракталкин (CX3CL1). Фракталкин продуцируется более всего в активированных эндотелиальных клетках, гладкомышечных клетках и макрофагах. Он усиливает миграцию лейкоцитов из кровеносного русла в ткани за счет повышения селектин-опосредованного связывания, вызывая адгезию и, в конечном итоге, миграцию лейкоцитов через эндотелиальный слой. Также CX3CL1 обладает антиапоптическими свойствами.
3. Пентраксин (PTX3). Пентраксин действует как компонент гуморального врожденного иммунитета и индуцируется различными воспалительными цитокинами в лейкоцитах периферической крови и миелоидными дендритными клетками.
Пентраксин также секретируется эндотелиальными клетками, сосудистыми гладкомышечными клетками, фибробластами и адипоцитами, способствуя дифференциации фиброцитов и играя роль в ангиогенезе и ремоделировании тканей.
4. Молекулы адгезии sVCAM/sICAM (молекула межклеточной адгезии 1-го типа, молекула адгезии сосудистого эндотелия 1-го типа). Относятся к суперсемейству иммуноголобулинов. ICAM-1 экспрессируется на эпителиальных и дендритных клетках, фибробластах, тканевых макрофагах, а VCAM-1 — на тканевых макрофагах, дендритных клетках, фибробластах костной ткани, миобластах и мышечных волокнах.
5. Интерлейкин 6 (IL-6). Является одним из важнейших медиаторов острой фазы воспаления. Экспрессируется в различных тканях, включая скелетную мышцу, мочевой пузырь, желчный пузырь, аппендикс, пищевод, костный мозг, легкие, надпочечники, простату и жировые ткани. IL-6 в основном продуцируется на участках воспаления и индуцирует транскрипционный воспалительный ответ через IL-6RA (рецептор IL-6 — альфа).
6. Интерферон γ индуцибельный белок (IP-10), другое обозначение — CXCL10 C-X-C motif chemokine 10. Представляет собой IFN-индуцируемый хемокин подсемейства CXC и лиганд для рецептора CXCR3, который в основном экспрессируется активированными Т-лимфоцитами и фибробластами.
Связывание CXCL10 с CXCR3 приводит к миграции Т-клеток, к стимуляции моноцитов и NK-клеток, а также к модуляции экспрессии молекулы адгезии и индукции апоптоза
2. Митохондрии и апоптоз. Митохондрии играют центральную роль в производстве АТФ, а также в снижении базальной скорости метаболизма и физической работоспособности. Зависимые от возраста нарушения функции митохондрий включает снижение скорости передачи электронов, повышенную проницаемость по отношению к H+ внутренней мембраны, и нарушение синтеза АТФ.
Кроме того, митохондриальные мутации ДНК накапливаются в процессе старения. Все клетки, особенно нейроны и мышечные клетки, очень чувствительны к митохондриальной дисфункции, связанной с окислительным повреждением, так как большие количества АТФ необходимы для поддержания нейрональных процессов и сократительной функции.
В связи с митоходриальной дисфункцией были выделены следующие биомаркеры:
1. Фактор дифференциации роста-15 (growth differentiation factor 15, GDF15). Плейотропный цитокин, белок из суперсемейства трансформирующего ростового фактора-бета. Задействован в воспалительном ответе и регуляции апоптоза при повреждении и во время различных патологических процессов.
2. Иризин (fibronectin type III domain containing 5, FNDC5). Мембранный белок, являющийся предшественником пептидного гормона иризина. Позитивно регулирует дифференцировку бурого жира, способствует митохондриальному биогенезу, сохраняет функцию митохондрий в условиях гипоксии, защищает от апоптоза и имеет противовоспалительную активность.
3. Виментин (VIM). Белок, играющий важную роль в поддержании целостности клетки. Задействован в процессах апоптоза.
3. Гомеостаз кальция. Кальций играет важную роль во многих физиологических и патофизиологических процессах, внеклеточно и внутриклеточно. Физиологические уровни кальция имеют довольно узкие границы, и даже небольшие изменения могут привести к огромным дисфункции.
Кальций всасывается в кишечнике, выводится из организма через почки и его уровни в основном регулируются паратиреоидными гормонами. Кальций в основном находится в мышцах, сердце и кости. В пределах клетки, эндоплазматический ретикулум (ЭР) и митохондрии являются основным хранения и при гомеостатических условиях относительно низкие концентрации кальция присутствуют в цитоплазме.
Жизнеспособность клеток и активность большого количества ферментов зависят кальций. Таким образом, не удивительно, что нарушения гомеостаза кальция связано с дисфункциями органов, старостью и со многими болезнями.
Здесь были выделены следующие биомаркеры:
1. S100 кальций-связывающий белок B (S100 calcium binding protein B, S100B). Принадлежит к группе кальций-связывающих белков S100, производится в глиальных клетках, преимущественно астроцитах, а также в адипоцитах. Участвует во внутриклеточных и внеклеточных передачах сигналов кальция. S100B участвует в регуляции ряда клеточных процессов, таких как прогрессия клеточного цикла и дифференцировка.
2. Регукальцин (Regucalcin, RGN). Известен также как маркер старения protein-30 (senescence marker protein-30, SMP30). Преимущественно экспрессируется в печени и почках. Играет важную роль в гомеостазе кальция, задействован в индуцированном кальцием окислительном стрессе.
3. Кальретикулин (Calreticulin, CALR). Многофункциональный белок, который связывает ионы Ca 2+. Действует в митохондриях, на поверхности проапоптотических клеток и в эндоплазматическом ретикулуме, где он связывается с неправильно свернутыми белками для предотвращения их экспорта. Имеет ряд функций в апоптозе и в иммунном ответе.
4. Фиброз. Фиброз — процесс формирования фиброзной ткани, который может быть частью нормального процесса при заживлениях ран после травмы. Вместе с этим, фиброзная ткань может также заменять на постоянной основе функциональные ткани в результате старения.
В результате фиброзные ткани накапливаются в таких органах, как сердце, легкие, почки, печень и препятствуют нормальной функции органов. Это приводит к гиперпролиферации и усиленному воспаления в связи с наличием различных воспалительных клеток (нейтрофилов и макрофагов).
Кроме того, неконтролируемая активность протеазы мешает нормальным механизмы репарации, и это может привести к увеличению фиброзной ткани. Многие цитокины, такие как IL-13 (интерлейкин 13), IL-21 (интерлейкин-21), TGF-beta, и хемокины, такие как МСР-1 и MIP-1 & beta, вовлечены в фиброз.
Кроме того, ангиогенные факторы (например, VEGF (сосудистый эндотелиальный фактор роста)), факторы роста (например, PDGF (тромбоцитарный фактор роста)) и компоненты системы ренин-ангиотензин-альдостерон были идентифицированы в качестве важных регуляторов фиброза и исследуются в качестве потенциальных мишеней анти-фиброзных препаратов.
В связи с фиброзом были выделены следующие биомаркеры:
1. Трансформирующий ростовой фактор бета (TGF-beta). Белок, контролирующий пролиферацию, клеточную дифференцировку и другие функции в большинстве клеток. Представитель цитокинов, участвует в иммунном ответе, раке, сердечно-сосудистых заболеваниях, сахарном диабете и многих других патологиях.
2. Ингибитор активатора плазминогена 1 (PAI-1 или Serpine E1). Ингибирует работу тканевого активатора плазминогена и урокиназы, которые в свою очередь активируют переход плазминогена в плазмин, расщепляющий фибрин тромбов. Таким образом, PAI-1 негативно воздействует на фибринолиз и препятствует растворению тромбов, что повышает риск сосудистых осложнений, различных тромбоэмболий.
3. Урокиназный активатор плазминогена (urokinase plasminogen activator, uPA). Представляет собой секретируемую серин-протеазу, которая превращает плазминоген в плазмин. Функционально связан с описанным выше ингибитором активатора плазминогена 1. Активация плазмина вызывает протеолитический каскад, который, в зависимости от физиологической среды, участвует в тромболизе или деградации внеклеточного матрикса. Этот каскад вовлечен в сосудистые заболевания и прогрессирование рака.
4. Матрилизин, матриксная металлопротеиназа-7 (MMP-7). MMP-7 экспрессируется в различных органах и тканях, в том числе в печени, легких, сердце, молочной железе, селезенке, головном мозге, спинном мозге и гипофизе.
Функции ММР-7 тесно связаны с такими процессами, как морфогенез, ангиогенез и восстановление тканей. Дисрегуляция его действия связана с фиброзом, производством воспалительных цитокинов и эндокринными дисбалансами. Задействован в ряде патологий, таких, как цирроз печени, ревматоидный артрит и рак.
5. Трансглютаминаза 2 (TGM2). Является наиболее широко распространенным член семейства трансглютаминаз и экспрессируется в разной степени в почти всех типах клеток. Играет модулирующую роль в развитии нервной системы, а также регуляторное влияние на гибель нейрональных клеток. Вовлечен в различные патофизиологические процессы, такие как заживление ран, рост и выживаемость клеток, апоптоз и аутофагия.
6. Тромбоспондин-2 (THBS2). Часть семейства белков-тромбоспондинов, присутствует в различных тканях, таких, как эпителий и эндотелий, соединительная ткань. Он активирует латентный TGF-beta и играет важную роль в регуляции клеточной пролиферации, апоптоза и ангиогенеза.
7. Ангиотензиноген (angiotensinogen, AGT). Предшественник ангиотензина, производится в печени и превращается в ангиотензин I под действием ренина. Уровни ангиотензиногена повышаются под действием плазменных кортикостероидов, эстрогена, тиреоидного гормона и ангиотензина II. Играет ключевую роль в регуляции системного артериального давления, сужения сосудов, потребления воды и удержания натрия, в провоспалительных, протромботических и профиброзных процессах.
Ангиотензин I и II
