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.
Сенесценция
Tasdemir, N. & Lowe, S. W. Senescent cells spread the word: non-cell autonomous propagation of cellular senescence. The EMBO journal 32, 1975–1976 (2013).
Определение, маркеры, взаимосвязь с другими процессами, лежащими в основе старения
Сенесценция определяется как репликативное старение клеток, то есть состояние клетки, при котором она не может больше делиться. Было выделено несколько причин сенесценции, в том числе повреждение ДНК, укорочение теломер, оксидативный стресс, дисфункция митохондрий, активация некоторых онкогенов, прием определенных препаратов. Подобные стрессоры могут привести к различному ответу клетки от попыток починить вызванные повреждения до активации апоптоза, т.е. гибели. Клетки в состоянии сенесценции же не способны справиться со стрессорами, но и не готовы самоуничтожиться. Однако, в отличие от клеток в G0-фазе, также известной как фаза покоя, при которой клетки перестают делиться в виду, например, отсутствия нутриентов, но способны продолжить деление при улучшения условий, сенесцентные клетки перестают делиться терминально. Вместе с тем, несмотря на отсутствие репликативной активности, сенесцентные клетки влияют на клеток-соседей, активируют клетки иммунной системы, вызывают хроническое воспаление и запускают другие процессы за счет секретирования определенных факторов, известных как SASP (атлас секретома сенесцентных клеток можно найти здесь), и внеклеточных везикул.
Компоненты SASP включают в себя различные факторы роста (IGFBPs, EGF и др.), цитокины (IL-6, IL-1β и др.), хемокины (IL-8, MCP-2 и др.), протеазы (MMPs и др.) и компоненты внеклеточного матрикса (коллагены, фибронектин, ламинин). Некоторые из этих молекул являются постоянными составляющими SASP, несмотря на разнородность сенесцентных клеток, и используются в качестве маркеров сенесценции, например, IL-6 и IL-8. Было показано, что SASP ответствен за 1. феномен, получивший название пассивной сенесценции (bystander senescence) – сенесценция нормальных клеток, вызванная секретируемыми сенесцентными клетками факторами. 2. активацию иммунной системы для очистки ткани от сенесцентных клеток 3. хроническое воспаление 4. промитогенную стимуляцию, т.е. деление клеток, что является противоположным явлению 1 и обуславливает регенеративную составляющую сенесценции, а также говорит о контекстной зависимости сенесценции и её последствий (2 вида воздействия сенесценции: противопролиферативная и пропролиферативная).
Интересным составляющим SASP являются внеклеточные везикулы, секретируемые сенесцентными клетками, которые содержат молекулы, способные вызывать сенесценцию, и подавление биосинтеза которых может оказаться успешной стратегией для предотвращения распространения пассивной сенесценции. Одним из таких компонентов является, например, IFITM3 (составляющий противовирусного механизма) – один из белков, присутствующих в большом количестве в везикулах, выбрасываемых сенесцентными клетками.
К маркерам сенесценции также относятся β-галактозидаза (активация лизосомального пути), р16, р21 и р53 (арест клеточного цикла), и измененная морфология клеток (увеличение размера). Вместе с тем, в виду разнородности сенесцентных клеток разных тканей и в зависимости от причины сенесценции, ученые ищут универсальный маркер сенесценции. Так, в результате транскриптомного анализа было показано, что одним из самых высоко и систематично экспрессируемых в сенесцентных клетках транскриптов оказалась длинная некодирующая РНК (lncRNA) PURPL – регулятор уровня р53, сам регулируемый p53. Отметим, что выявление надежных маркеров сенесценции важно для оценки успешности применения тех или иных сенолитических терапий.
С возрастом число сенесцентных клеток увеличивается, хотя даже в глубокой старости их количество относительно мало. Не стоит, однако, недооценивать их роль в старении и развитии ВЗЗ. На данный момент сложно сказать, что их накопление является основным драйвером старения или же того или иного ВЗЗ, но их удаление оказывает положительный эффект, как было показано в многочисленных исследованиях на модельных организмах различных ВЗЗ. Успешность таких исследований привела к тестированию веществ, либо вызывающих гибель сенесцентных клеток, сенолитиков, либо на подавление SASP, сеностатиков, для применения на людях. Сенолитики, на данный момент являются одним из самых перспективных подходов в борьбе со старением и, возможно, станут первыми анти-эйджинговыми препаратами, доступными на рынке. В 2018 году сенолитики даже были включены в список “Подрывных инноваций”, кардинально меняющих рынок в ближайшем будущем. А в ноябре 2019 было опубликовано заявление исследователей, призывающих ВОЗ, правительства государств и представителей медицины внедрить систему классификации стадий старения органов основанную на сенесценции для решения целого числа проблем, связанных с лечением старения.
Важно, что сенесценция, несомненно, связана с другими пагубными изменениями, сопровождающими старение. Соответственно, снижая уровень сенесценции, возможно будет благотворно повлиять и на другие аспекты старения. Например, всё больше накапливается данных об изменение экспрессии генов, участвующих в построении/разрушении межклеточного матрикса (ECM), вызванном сенесценцией, и улучшение состояния ECM за счет подавления SASP. В то же время как уже было упомянуто, сенесцентные клетки активируют клетки иммунной системы, которые, в свою очередь, распознают и удаляют сенесцентные клетки. Однако, с возрастом функционирование иммунных клеток нарушается, в том числе из-за сенесценции их самих (иммуносенесценция), что приводит к неспособности иммунной системы очищать ткань от клеток-зомби, как назвал их известный Обри де Грей. Сенесценция также является одной из причин воспалительного старения (inflammaging) за счет выбрасываемых сенесцентными клетками провоспалительных цитокинов. Вместе с тем такие отличительные черты старения как сокращение теломер, оксидативный стресс, дисфункция митохондрий, жесткость межклеточного матрикса способны вызвать и усугубить сенесценцию. О существующих и разрабатываемых методах борьбы с ними мы расскажем в соответствующих разделах.
Методы борьбы и состояние на данный момент: сенолитики и сеностатики
UBX0101 – II фаза клинических исследований
Вероятно, самым первым сенолитиком доступным на рынке станет препарат UBX0101 (ингибитор взаимодействия p53, регулятора клеточного цикла, с MDM2, убеквитин-лигазой, регулирующей уровень р53) компании Unity Biotechnolоgy. В конце октября 2019 Unity Biotechnolоgy объявила о начале второй фазы клинического исследования UBX0101 для лечения остеоартрита колена. В июне 2019 были опубликованы успешные результаты тестирования препарата в рамках первой фазы клинического исследования (подробнее здесь). Во второй фазе примут участие 180 пациентов, а результаты 12-месячного рандомизированного, двойного слепого, плацебо-контролируемого исследования ожидаются во второй половине 2020 года. В рамках исследования будут опробованы 3 дозы: 0,5 мг, 2 мг и 4 мг, вводимые путем инъекции в коленный сустав. Отметим, что Unity Biotechnolоgy также разрабатывает сенолитики для лечения других возраст-зависимых заболеваний. Так, препараты UBX1967 и UBX1325 для лечения офтальмологических нарушений (глаукома, диабетическая ретинопатия и др.) нацелены на ингибирование определенных белков Bcl-2 – регуляторов апоптоза необходимых для выживания сенесцентных клеток. Однако, подача документов на заявку для одобрения экспериментальных препаратов (Investigational New Drug (IND) Application), что предшествует началу клинических испытаний, запланирована только на начало 2020 года.
Комбинация из дазатиниба и кверцетина (QD) – I фаза клинических исследований
Комбинация из дазатиниба (противоопухолевого препарата) и кверцетина (полифенола растительного происхождения), известная под аббривиатурой QD, является первой сенолитической терапией, уже показавшей успех в нескольких исследованиях на животных. В связи с достаточным количеством накопленных данных, ученые перешли к испытанию данных препаратов на людях. В феврале 2019 были опубликованы результаты первого пилотного исследования с применением QD у пациентов с идиопатическим фиброзом легких. В результате терапии были отмечены улучшения функционального статуса пациентов. А в сентябре 2019 появились результаты I фазы клинического исследования по применению QD на протяжении 3 дней пациентами с диабетическим поражением почек, согласно которым было подтверждено, что данная терапия действительно приводит к удалению сенесцентных клеток и снижению циркулирующих факторов SASP. Далее ожидается запуск II фазы клинических исследований QD, однако, информации о начале еще не поступало.
Физетин – II фаза клинических исследований
Еще одним многообещающим сенолитиком является физетин – полифенол растительного происхождения, содержащийся в некоторых фруктах, ягодах и овощах, а также доступный в виде добавки. Физетин и его синтетические производные (CMS121 и CAD31) успешно борются с сенесцентными клетками, как было показано на животных моделях. Для оценки успешности применения физетина на людях было запущено клиническое исследование II фазы с участием пожилых женщин в период постменопаузы. В результате будут оценены уровень маркеров воспаления, дряблости, инсулиновой резистентности и атрофии кости. Завершение исследование планируется на вторую половину 2020 года. Эффективность физетина будет также оценена по результатам еще одного клинического исследования II фазы у пациентов с хроническим заболеванием почек в возрасте от 40 до 80 лет, завершение которого назначено на 2025 год.
Куркумин – I фаза клинических исследований
Наряду с физетином куркумин относится к полифенолам, обладающим сенолитическими свойствами. Было показано, что аналог куркумина EF24 селективно удаляет сенесцентные клетки в различных тканях, а его синтетические производные обладают нейропротекторными свойствами. В связи с этим было запущено клиническое исследование I фазы синтетического производного куркумина J147 для оценки безопасности препарата с последующим применением для лечения болезни Альцгеймера.
Сероводород (H2S) и навитоклакс – исследования на животных
Навитоклакс – сенолитик, действующий путем ингибирования белков группы Bcl-2. На модели старых мышей с инфарктом миокарда было показано, что навитоклакс снижает экспрессию маркеров сенесценции и улучшает функциональность сердца.
В нескольких исследованиях на культуре клеток и мышах были продемонстрированы сенолитические свойства H2S, а применение экзогенного источника сероводорода рассматривается как потенциально эффективное средство борьбы с атеросклерозом или нейродегенерацией. В то же время, повышение уровня H2S путем сокращения потребляемого с пищей метионина может оказаться легкодоступной стратегией снижения уровня сенесценции.
Нутрицевтики, обладающие противосенесцентными и антиоксидантными свойствами – исследования на животных
Продолжая разговор о способности правильно подобранной диеты снижать уровень сенесценции, важно отметить известные компоненты известные своими противосенесцентными свойствами, некоторые из которых уже были протестированы на животных, например, глюкорафанин, содержащийся в брокколи и кудрявой капусте. К полифенолам, обладающим либо сенолитическими либо сеностатическими свойствами, также относятся токотриенолы (представители группы витаминов Е), содержащиеся в овсе, маисе, ржи;; пиперлонгумин (PL) – компонент длинного перца; нарингенин, содержащийся в грейпфруте; кемпферол, содержащийся в каперсах; резвератрол, содержащийся в красном вине и клюкве; витамины B3, содержащийся в белом мясе, арахисе и грибах; флюроглюцин, содержащийся в разнообразных водорослях; гинзенозиды, содержащийся в женшени; олеуропеин, содержащийся в оливковом и органном масле; спермидин, содержащийся в печени курицы, зеленом горошке, кукурузе. Несмотря на то, что данные компоненты по-отдельности не были протестированы в клинических исследованиях для оценки их эффективности борьбы с сенесценцией, люди, придерживающиеся диеты, богатой этими веществами, отличаются высокой ПЖ.
Подходы, протестированные на культуре клеток
– Антибиотики (Азитромицин и Рокситромицин)
– Внеклеточные везикулы стволовых клеток
– Фибраты (фенофибрат – агонист рецептора PPARα, играющего важную роль в метаболизме жиров)
– b-HB (эндогенный сенолитик клеток сердечно-сосудистой системы) и подобные ему компоненты
Влияние на причины смерти
Ввиду того, что были получены положительные результаты не только экспериментов по применению сенолитических терапий на животных моделях различных ВЗЗ, но и предварительные обнадеживающие результаты исследований на людях, предполагаем, что снижение уровня сенесценции поможет бороться почти со всеми известными болезнями, ассоциированными со старением, тем самым снижая вероятность умереть от:
– Сердечно-сосудистых заболеваний
– Артрита
– Нейродегенерации
– Остеопороза
– Диабета
– Онкозаболеваний
– Инфекций за счет снижения уровня хронического воспаления и улучшения функционирования иммунной системы.
Оценить уровень влияния на продолжительность жизни в настоящее время количественным образом не представляется возможным.
Источники
https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4166495/
https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC3715860/
https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/18555777
https://academic.oup.com/nar/article/47/14/7294/5525056
https://www.cell.com/cell-reports/pdf/S2211-1247(19)30734-X.pdf
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0092867419311213
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S221112471930734X
https://science.sciencemag.org/content/366/6465/576
https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fnmol.2019.00194/full
https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC6366974/
https://www.cell.com/trends/pharmacological-sciences/fulltext/S0165-6147(18)30178-0
https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC6429134/
https://www.aging-us.com/article/101943/text
https://iubmb.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/biof.1512
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0047637419301290
https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/31164038
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.jafc.9b02725
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1568163718300199
https://www.aging-us.com/article/101633/text
https://stemcellsjournals.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/stem.2996
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S235239641930430X
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1111/acel.12945
https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/30197300
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1111/acel.13052
Автор обзора: Лариса Шелоухова.
Перепечатка разрешается при сохранении ссылок на источник публикации.