Возраст-зависимые изменения межклеточного матрикса

Межклеточный матрикс: описание, изменения при старении, взаимосвязь с другими процессами, лежащими в основе старения

Помимо клеток, возраст-зависимое нарушение функционирования которых мы обсуждаем в разделе про сенесценцию, наши ткани состоят из межклеточного вещества, основа которого – молекулярная сеть-каркас, состоящая из белков (коллагены, эластин, фибронектин, ламинин и др.), глюкозаминогликанов (углеводы, связанные со сложными белками – протеогликанами, например, гиалуроновая кислота) и гликоконъюгатов (углеводы, ковалентно связанные с другими молекулами), или межклеточного матрикса (EMC). Компоненты EMC в основном секретируются фибробластами, но в некоторых видах тканей есть специальные клетки, строящие EMC, например, хронобласты и остеобласты в хрящевой и костной тканях соответственно. Превалирующим белком EMC является коллаген(ы). Коллаген играет важную роль в заживлении ран – он производится фибробластами, мигрирующими к месту повреждения, и закрывает рану. Несмотря на положительный эффект данного механизма, есть и обратная сторона – подавление регенерации. Например, в случае повреждения в головном мозге (скажем, в виду инсульта) формируется глиальный рубец, характеризующийся повышенной концентрацией протеогликанов, что не позволяет нейронам восстановить контакты.     

Составляющие межклеточного матрикса. Источник: Kusindarta, D. L. & Wihadmadyatami, H. The Role of Extracellular Matrix in Tissue Regeneration. in Tissue Regeneration (ed. Kaoud, H. A. H. E.-S.) (InTech, 2018).

 

Несомненно, окружение, в котором находятся клетки, влияет на их функционирование, в том числе и на их способность обмениваться сигналами друг с другом. EMC не только обеспечивает структурную поддержку ткани, но и регулирует пролиферацию, дифференциацию, миграцию и выживаемость клеток – они получают сигналы о механических свойствах EMC через рецепторы интегрины, что запускает активацию различных внутриклеточных сигнальных путей. С возрастом наблюдается накопление структурных изменений EMC, в частности увеличение количества сшитых волокон белков. Большим игроком в образовании поперечных сшивок белков во внутри- и межклеточном пространстве являются конечные продукты гликирования (AGEs) – продукты неферментативной реакции между углеводами и свободными аминогруппами белков (реакция Майяра), жиров и нуклеиновых кислот. AGEs образуются как внутри организма, так и попадают в организм с пищей и при курении – формирование некоторых из AGEs осуществляется через взаимодействие со свободными радикалами. На концентрацию AGEs в пище влияет не только источник (пища животного происхождения содержит большее количество), но и метод приготовления (для снижения количества формирующихся AGEs необходимо готовить на низкой температуре, не долго, во влажной среде и с кислотами такими как уксус или лимонная кислота). Таким образом, обжаривание мясных продуктов – один из самых верных способов получить богатый источник AGEs и, грубо говоря, состариться. AGEs не только поступают в организм экзогенно, но и формируются эндогенно, однако, экзогенные AGEs могут вмешиваться в метаболизм эндогенных AGEs. В организме существует механизм разрушения AGEs, например, с помощью их поглощения макрофагами, после чего растворимые AGEs выводятся почками. Этот механизм часто нарушается с возрастом. Помимо формирования поперечных сшивок белков внутри и вне клетки, AGEs также взаимодействуют с определенными рецепторами на поверхности клетки (RAGEs), что изменяет внутриклеточные сигналы, экспрессию генов, производство активных форм кислорода и активацию воспалительных сигнальных путей.

Метаболизм AGEs. Источник: Chen, J.-H., Lin, X., Bu, C. & Zhang, X. Role of advanced glycation end products in mobility and considerations in possible dietary and nutritional intervention strategies. Nutr. Metab. 15, 72 (2018)

 

Концентрация AGEs особенно высока у больных диабетом в виду большей концентрации сахара в крови. К слову, известный маркер риска развития диабета и ССЗ, гликированный гемоглобин (HbA1c), является промежуточным продуктом реакции Майяра (продукт Амадори) и отражает уровень гликемии за последние три месяца. Повышенная концентрация AGEs, однако, наблюдается не только у больных диабетом, но и у людей с ССЗ, почечной недостаточностью, болезнью Альцгеймера (БА), и в целом является отличительной чертой старения. В виду образующихся сшивок, вызванных накапливающимися AGEs, увеличивается жесткость EMC и теряется эластичность тканей. Особенно это важно в контексте тканей богатых EMC с долгоживущими белками такими как коллаген и эластин в коже, мышцах, связках, стенках артерий, а также кристаллин в составе хрусталика глаза. Из-за отсутствия оборота белков EMC в этих тканях наблюдается нарастающая с возрастом их дисфункция (сшивок всё больше, а способов из разбивать фактически нет). Особенно ярко это выражено в случае возрастной катаракты – помутнения хрусталика глаза из-за структурных повреждений и скопления белков кристаллинов. Но, если в случае с катарактой уже есть способ решения проблемы – хирургическое удаление помутневшего хрусталика и замена его на искусственный, то в случае с жесткостью тканей, связанной с долгоживучестью коллагена и эластина в них присутствующих, решения пока нет. Вместе с тем в отличие от кристаллинов как коллаген так и эластин синтезируются и разрушаются на протяжении жизни организма. Отметим, что коллаген придает ткани твердость и присутствует в большом количестве в дерме кожи, связках и сухожилиях, в то время как эластин обеспечивает растяжимость, поэтому он в большом количестве присутствует в тканях, которым необходима эластичность, таких как стенки артерий. 

Пути образования AGEs. Источник: Roorda, M. M. Therapeutic interventions against accumulation of Advanced Glycation End products (AGEs). Toukastress.jp

Отличительной чертой AGEs является их разнообразие, поэтому для борьбы с ними необходимо разнообразие подходов/молекул. С другой стороны, как предлагает Обри де Грей, не исключено, что выделение и борьба только с несколькими (основными) из них даст положительные результаты в борьбе со старением и поможет нам выиграть ценное время для разработки лекарств, способных разрушать другие AGEs, если это понадобится. Так, глюкозепан известен как основной AGE, а его концентрация почти в 100 раз выше любого другого известного AGE, связывающегося с коллагеном. На данный момент в рамках направления GlycoSENS (подробнее здесь) ведется работа по выявлению молекул-кандидатов для расщепления глюкозепана, а также синтезу (для дальнейших экспериментов с разбивкой) других AGEs. А в апреле 2019 появились новости об успешных экспериментах по разбивке еще двух AGEs: N(e)-(карбоксиметил)лизина (CML) и N(e)-(карбоксиэтил)лизина (CEL). Интересно, что AGEs также можно использовать как маркер рисков развития осложнений, связанных с диабетом и ССЗ. Для оценки количества AGEs в организме был разработан AGE reader неинвазивно оценивающий концентрацию AGEs по уровню автофлуоресценции кожи. Однако, цена данного прибора не позволяет приобрести его для личного пользования.   

Важно, что в целом EMС является динамичной структурой, постоянно подвергающейся ремоделированию ферментами, экспрессируемыми и выбрасываемыми клетками. Среди различных семейств протеаз, участвующих в разрушении EMC, превалирующими и наиболее часто обсуждаемыми в контексте старения являются матриксные металлопротеиназы (MMPs), подробнее про них можно прочитать здесь. MMPs способны разрушать все белки ECM, поэтому для поддержания оптимального состояния EMC необходима определенно настроенная экспрессия этих ферментов. В главе про сенесценцию мы писали про её связь с изменением экспрессии генов, участвующих в построении/разрушении ECM, в частности это касается MMPs. Например, было показано, что сенесценция вызывает повышенную экспрессию MMP1, что может привести к ускоренной деградации коллагена и снижению объема межклеточного пространства. Вместе с тем важным аспектом старения также является встречный процесс – изменения в межклеточном матриксе с возрастом могут запускать сенесценцию, а, например, повышая экспрессию MMP9, можно добиться снижения сенесценции и ускоренной деградации ламининов при катаракте.       

Продолжая разговор о связи возраст-ассоциированных изменений EMC с другими процессами, лежащими в основе старения, в многочисленных исследованиях было показано, что нарушение механических свойств микроокружения приводит к нарушению функций стволовых клеток мозга, мышц и других тканей, что может вызывать истощение пула стволовых клеток – еще одной важной отличительной черты старения. Помещение же стволовых клеток  разных тканей в молодую среду поддерживает их функционирование. Стареющий матрикс также способствует метастазированию опухолей. В то же время раковые клетки способны манипулировать своим окружением с целью обеспечения своего выживания.  

В заключение хотим отметить, что жесткость ECM на данный момент является горячо обсуждаемой темой. Александр Фединцев даже выдвинул сильную ECM-гипотезу (подробнее здесь), согласно которой жесткость межклеточного матрикса, развивающаяся с возрастом – не просто отличительная черта старения, но его основной драйвер. Для проверки данной гипотезы необходима разработка мер по смягчению ECM и оценка их эффективности, чем занимается в том числе GlycoSENS. Вместе с тем полагаем, что желательно найти не только способы борьбы с жесткостью матрикса (разбивание сшивок), но и остановить уменьшение объема EMC с возрастом за счет увеличения синтеза/торможения деградации составляющих EMC таких как коллагена и эластина. 

Ниже представлены известные на данный момент подходы к борьбе с возраст-зависимыми изменениями EMC.


Методы борьбы и состояние на данный момент  

Попытки разработать вещества, способные смягчать жесткость ECM ведутся уже давно, некоторые из них даже дошли до стадии клинических исследований в начале 2000-х. Однако, они не оправдали ожиданий, и поиски новых подходов не останавливаются. В частности, одной из наиболее важных задачей на данный момент видится разработка компонентов, способных разбивать глюкозепан как самую превалирующую сшивку у людей.  

Аминогуанидин (AG) – проваленные клинические исследования с участием пациентов с диабетом I и II типа (ACTIONI и ACTIONII)

AG – маленькая молекула, ингибирующая образование AGEs за счет взаимодействия с промежуточными продуктами реакции Майяра. Успешное применение AG на животных позволило запустить клинические исследования для проверки эффективности и безопасности препарата на пациентах с диабетом. Однако, несмотря на улучшения некоторых протестированных показателей, у пациентов наблюдались серьезные побочные эффекты вплоть до отказа почек и нарушений функций печени и пищеварительного тракта. Клинические исследования были прекращены, а препарат так и не оказался на рынке.

Алагебриум (ALT-711– проваленные клинические исследования с участием пациентов с ССЗ

ALT-711 (более стабильный производный PTB (N‐phenacylthiazolium bromide), нейтрализует N(6)-карбоксиметиллизин) – препарат, способный разбивать уже сформированные сшивки. Он показал обнадеживающие результаты по омоложению артерий и сердца не только грызунов, но и собак, и обезьян. Однако, несмотря на безопасность препарата, клинические испытания на людях не показали значительного улучшения функционирования сердечно-сосудистой системы в результате применения препарата. В своей книге Ending Aging Обри де Грей предполагает, что мишенью ALT-711 являются AGEs более распространенными у грызунов, собак и обезьян, но не у людей. Поэтому так важно разбираться в метаболизме именно человека для разработки эффективных лекарств, и не принимать вещества, показавшие положительные результаты только на животных.

TRC4149, С36 и другие структурные аналоги – исследования на животных

С36 (3‐benzyloxycarbonylmethyl‐4‐methyl‐thiazol‐3‐ium bromide) – вещество, принцип действия разбивания сшивок которого тот же, что и у ALT-711. Показал успех при применении на модели диабета у грызунов – улучшение функции сердечно-сосудистой системы. TRC414  – еще один пример успешного синтезированного соединения для разбивания AGEs и показавшего успех на модели крыс с диабетом. Однако, по-видимому, ввиду провала применения ALT-711 на людях, клинические исследования ни TRC414 ни С36 запущены не были. 

Ферменты, разбивающие сшивки – исследования in vitro

  • фермент MnmC и его варианты, разбивающие N(e)-(карбоксиметил)лизина (CML) и N(e)-(карбоксиэтил)лизина (CEL)
  • ферменты, разбивающие глюкозепан – группа Дэвида Шпигеля объявила о найденных ферментах, хотя полноценной публикации с результатами пока нет
  • спиолигомеры (spioligomers) – энзимо-подобные катализаторы маленького размера для размягчения различных сшивок коллагена разрабатываются группой Христиана Шафмейстера.

Ингибиторы матриксных металлопротеиназ: доксициклин – доступен на рынке

Доксициклин – антибиотик широко применяемый в клинике, который также является неспецифиченым ингибитором MMPs. Был показан успех применения доксициклина у пациентов с аневризмой аорты (выпячивание стенки артерии в результате её ослабления). Это заболевание характеризуется повышенной экспрессией MMPs, в частности MMP2 и MMP9. Однако, несмотря на доступность данного препарата, не показана его эффективность у условно здоровых пожилых людей. Не стоит забывать также, что доксициклин – неспецифичный ингибитор MPPs, а мы не хотим ингибировать все MMPs для борьбы со старением, мы хотим настроить их определенным образом, пусть пока и непонятно как именно. 

Физические упражнения –  исследования на людях

В нескольких исследованиях было показано, что у людей, занимающихся бегом и тренировками на выносливость со средней нагрузкой, наблюдается пониженная  концентрация AGEs по сравнению с нетренированными испытуемыми.

Диета с низкой концентрацией AGEs – исследования по оценке AGE нагрузки различных продуктов питания

Как мы уже упомянули ранее, количество поступающих в организм с пищей AGEs можно сократить употребляя меньше продуктов животного происхождения и подвергая их меньшей температурной обработке, а также сократив количество потребляемых быстрых углеводов. Подробнее здесь.

Нутрицевтики – исследования in vitro, на животных и клинические исследования

В виду мощных антиоксидантных свойств некоторых компонентов растительного происхождения, они способны замедлять образование продуктов Амадори, а, значит, и снизить формирование AGEs в целом. К таким веществам относятся такие уже известные нам своей способностью подавлять сенесценцию полифенолы как куркумин и кверцетин, а также, рутин (содержится в гречке, цитрусовых фруктах, чае), ресвератрол (содержится в кожуре винограда и других фруктах, красном вине) и галлат эпигаллокатехина (EGCG, содержится в чае). 

Витамины B1 (тиамин и бенфотиамин) и B6 (пиридоксин и пиридоксамин) также являются ингибиторами формирования AGEs и показали эффективность применения у больных с диабетом. В частности, пиридоксамин показал более высокую эффективность подавления образования AGEs чем многим известный препарат от диабета метформин.

Еще одним микронутриентом, показавшим успех в ингибировании формирования AGEs является цинк. Этот минерал обладает противогликирующими, антиоксидантными и противоапоптозными свойствами. Нехватка цинка может стимулировать образование AGEs, а дополнитеьный прием цинка наоборот подавлять его. Однако, масштабных испытаний по оценке эффективности приема цинка для ингибирования AGEs на людях проведено не было.

Карнозин также является эффективным ингибитором образования сшивок белков за счет своей противооксидантной активности. Применение производного карнозина, N-ацетилкарнозина, в виде капель у больных с катарактой улучшило зрение испытуемых причем не только в экспериментальной, но и в контрольной группе. А применение L-карнозина в таблетках улучшило состояние кожи испытуемых, принимающих препарат на протяжении 3 месяцев. 

На культуре клеток и на примере аорты крыс было показано, что сульфорафан (мощный антиоксидант, которым особенно богата капуста брокколи) способен ингибировать формирование AGEs и вызванное ими воспаление, снижает экспрессию RAGE (рецепторов AGEs) и оксидативный стресс. 

На культуре клеток также было показано, что кофеиновая кислота подавляет образование AGEs, снижает экспрессию воспалительных маркеров и оксидативный стресс.

Таким образом, в дополнение к снижению сенесценции диета богатая вышеперечисленными веществами поможет замедлить накопление AGEs и ужесточение EMC.

Растягивание коллагена и прием коллагеназ, в том числе коллагеназ других видов – теоретические подходы


Влияние на причины смерти

Учитывая накопленные данные о пагубном воздействии жесткого EMC в целом и AGEs в частности, предполагаем, что смягчение EMC (особенно совместно со снижением сенесценции) поможет бороться почти со всеми известными болезнями, ассоциированными со старением, тем самым снижая вероятность умереть от:

  • Диабета (повышенная концентрация AGEs при диабете связана с развитием ССЗ, нейропатии, катаракты и др.)
  • Сердечно-сосудистых заболеваний (так, атеросклероз ассоциирован с образованием сшивок белков EMC стенок сосудов, вызванных накоплением AGEs, последние также нарушают релаксацию эндотелия клеток, вызванную NO). 
  • Нейродегенеративные заболевания (ассоциированы с жесткостью окружения стволовых клеток и истощением пула стволовых клеток ей вызванном; также стоит отметить, что миелин (основная составляющая миелиновой оболочки нейронов) является еще одним долгоживущим белком, страдающим от постоянно образующихся сшивок)  
  • Онкозаболевания (межклеточный матрикс способствует метастазированию)
  • Саркопения  (истощение пула стволовых клеток мышц; поперечные сшивки в мышечной ткани ускоряют процесс потери мышечной массы с возрастом)
  • Остеопороз (накопление AGEs в матриксе костной ткани нарушает процесс формирования костей)
  • Артрит (оксидативный стресс, усугубленный AGEs приводит к еще большему воспалению хрящевой ткани при артрите; остеоартрит характеризуется повышенной деградацией EMC) 

Источники

https://www.nature.com/articles/s41586-019-1484-9

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/cbdv.201900174

https://www.intechopen.com/books/tissue-regeneration/the-role-of-extracellular-matrix-in-tissue-regeneration

https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC3570024/

https://www.aging-us.com/article/101943/text

https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4316204/

https://iubmb.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/biof.1512

https://www.aging-us.com/article/101943/text

https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC6070816/

https://dmm.biologists.org/content/4/2/165

https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC5501308/

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0142961214001252

https://nutritionandmetabolism.biomedcentral.com/articles/10.1186/s12986-018-0306-7

https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/17965740

https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/18952522

https://patents.google.com/patent/US9622469B2/en

https://biomolecula.ru/articles/chto-takoe-vnekletochnyi-matriks-i-pochemu-ego-vse-izuchaiut

https://biomolecula.ru/articles/kto-rubit-kollagenovyi-les

https://sudonull.com/posts/3810-SENS-Diagnosis-Protein-glycation-biomarkers

https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/20189193

https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/18632241

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S074152140301022X

https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/20497781

https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC6106845/

http://www.eurekaselect.com/146590/article

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S102194981630179X

https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/14502106

https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC3762829/

https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC6106845/

https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/27212619

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/pdf/10.1111/1440-1681.12904


Автор обзора: Лариса Шелоухова

Перепечатка разрешается при сохранении ссылок на источник публикации

Добавить комментарий