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.

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

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:

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.
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.
Виментин (VIM). Белок, играющий важную роль в поддержании целостности клетки. Задействован в процессах апоптоза.

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:

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.
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.
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.

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

Подготовил: Алексей Ржешевский