Open Longevity. Как устроено старение и что с этим делать

Артем Благодатский, 2022

Книга называется Open Longevity – Открытое долголетие. Мы описали здесь несколько важных направлений в исследованиях и борьбе со старением и рассказали в конце о наших проектах. Рассказ идет о таких важных причинах старения, как возрастное воспаление, нарушения в работе митохондрий, а также про современные подходы к борьбе с ним. Эту книгу мы считаем пока просто первым томом: говорить о старении можно бесконечно долго!

Старение внеклеточного матрикса

Организм человека устроен иерархически. Он состоит из органов, органы — из тканей, ткани — из клеток, клетки — из молекул.

Таково расхожее представление об устройстве тела. На самом же деле тканей, где клетки расположены, как кирпичики, у нас совсем немного: различные эпителии, слизистые оболочки и большинство желез. В остальных же тканях между «кирпичиками» есть довольно большое расстояние. Оно заполнено тем самым межклеточным матриксом.

Матрикс есть везде, но самое большое соотношение матрикс/клетки — в соединительных тканях. В среднем такие ткани только на 20 % состоят из клеток (по объему и весу) и на 80 % — из матрикса¹. Это кожа, кости, хрящи, сухожилия, кровь и лимфа, радужная оболочка и склера глаз, а также фасции — «футляры» для мышц, органов, сосудов и нервов. Кроме того, иногда процессы, происходящие в матриксе, причастны и к выполнению основной функции органа: например, фильтрующие мембраны в почках «сделаны» именно из матрикса.

Матрикса в организме много. И если мы хотим разобраться в старении тела, необходимо также рассмотреть старение этой структуры.

Матрикс выполняет не только структурную функцию. Он постоянно контактирует с клетками через рецепторы-интегрины на их поверхности. Контакт клеток с матриксом критически важен: в случае его отсутствия клетка совершает запрограммированное самоубийство — апоптоз.

Благодаря регулярной структуре внеклеточный матрикс облегчает движение и миграцию клеток. Так, молодые и незрелые стволовые клетки при получении определенных сигналов из своего микроокружения открепляются от стволовой ниши и мигрируют к более зрелым товарищам, которых им предстоит заменить. По прибытии клетка определяет, где оказалась, и принимает решение о дифференцировке. На это влияют факторы роста — отдельные молекулы, находящиеся в сетчатой структуре матрикса. Они обеспечивают переход клетки в фазу деления, что позволяет ткани успешно регенерироваться^[2].

В дальнейшем, говоря о межклеточном матриксе, мы часто будем приводить в качестве примера кожу. Основной слой кожи — дерма — прекрасный пример соединительной ткани, содержащей большое количество внеклеточного матрикса. С другой стороны, старение кожи близко каждому. С третьей — кожа очень удобно расположена, прямо на поверхности тела, что делает ее прекрасным модельным объектом для изучения старения.

Что же такое внеклеточный матрикс?

Это сетчатая структура между клетками, которая в основном состоит из длинных долгоживущих молекул и «наполнителя» между ними. Разберем подробнее все компоненты:

• Структурные белки (гликопротеины^[3]: коллагеновые, эластические и ретикулярные волокна) — в матриксе их можно сравнить с пружинами в матрасе.

• Основное вещество (протеогликаны^[4], гиалуроновая кислота и молекулы воды, которые они задерживают) — им заполнено пространство между структурными белками.

• Адгезивные гликопротеины (ламинин, фибриллин и фибронектин) — «клей» для строительных кирпичиков матрикса и клеток.

• Факторы роста — белки, переключающие режим клетки в фазу деления для регенерации.

• Ферменты (в частности, матричные металлопротеиназы) — белки, которые ускоряют все реакции, протекающие в клетках: и синтез новых веществ, и их расщепление. С их помощью клетка разрезает компоненты матрикса, чтобы продвигаться через «заросли пружин».

Основные клетки соединительных тканей — фибробласты. Они постоянно производят и выделяют в окружающее пространство молекулы матрикса, что обеспечивает его своевременное обновление. Фибробласты — фабрики по обновлению межклеточного матрикса, это их основная функция.

Впрочем, в отдельных тканях и органах основные клетки матрикса не всегда именно фибробласты. Внеклеточный матрикс, формируемый хондроцитами, — это хрящ; остеобластами — кость. А плазма — это межклеточный матрикс крови, хоть и жидкий.

Коллагеновые волокна

Коллаген — основной структурный белок матрикса. Его очень много: 25–33 % всех белков организма², или 70–80 % белков дермы кожи.

Коллаген входит в состав хрящей, суставов, костей, волос, ногтей и даже глазных яблок. Он придает тканям эластичность и прочность. Это, как правило, длинная нитеподобная молекула, которая по-разному уложена в различных тканях: в коже коллаген образует трехмерную сеть из нитей, а вот в костях нити лежат параллельно, смещенные в шахматном порядке и плотно сжатые между собой.

Свое название коллаген получил от греческого слова κόλλα («клей»), поскольку именно для производства клея его использовали первое время, получая путем вываривания из хрящей и кожи лошадей.

В зависимости от степени минерализации, богатые коллагеном ткани могут быть очень жесткими, как кость, или более эластичными, как сухожилия. Часто ткани эластичны в начале жизни, однако постепенно минерализуются. Так, например, происходит с сердечными клапанами: коллаген в них с возрастом кальцифицируется, что приводит к снижению сердечной функции.

В настоящее время известно 28 типов коллагена. Они отличаются друг от друга аминокислотными последовательностями, степенью модификации (интенсивности гидроксилирования или гликозилирования) и тем, какого типа структуры они образуют.

Типы коллагена I, II, III, V, XI формируют длинные нити-фибриллы. Из IV типа получаются пленки, а из VII — якорные фибриллы. Остальные типы — короткие цепочки, фибриллы в форме спиралей, а также сетеобразующий и трансмембранный коллаген.

Более 90 % всего коллагена человека приходится на I, самый прочный из всех (рис. 1), II, III и IV типы^[5].

В основе структуры коллагена — аминокислоты. Они сначала собираются в нити-фибриллы (они же микрофибриллы) диаметром 1,5 нм, длиной порядка 300 нм. Фибриллы при ближайшем рассмотрении представляют собой спирали из трех нитей: двух одинаковых (альфа пептид-1) и одной немного химически отличающейся (альфа пептид-2). Фибриллы, в свою очередь, образуют пучки — это и есть волокна коллагена.

Каждый тип коллагена организуется в свой тип коллагеновых волокон.

Рисунок 1. Структура коллагена I типа. Розовая линия — коллаген I-альфа-II, две голубые — коллаген I-альфа-I³

Каждая из трех цепей коллагенового волокна изначально синтезируется отдельно, с дополнительными аминокислотами на обоих концах, обеспечивающими ее растворимость. Затем три цепи собираются в одну спираль внутри фибробласта. На этом этапе спираль называется проколлагеном и пока еще растворима.

Затем фибробласт выделяет протоколлаген. Концы протоколлагена, отвечающие за растворимость, отрезают специальные ферменты: амино — и карбокситерминальные протоколлагеновые протеиназы. Удаление протеиназами еще нескольких аминокислот с концов приводит к получению коллагена, который затем организуется в протяженные волокна, формирующие трехмерную сеть с помощью специальных ферментов — лизилоксидаз⁴.

Ретикулярные (решетчатые) волокна

Это предшественники коллагеновых волокон, их незрелая форма. Они имеют более нежную структуру и сформированы из коллагена III типа.

Сеть ретикулярных волокон называют ретикулином. Это основа для некоторых мягкотканных органов (печень, костный мозг, лимфатическая система).

Эластические волокна

Секрет эластичности одноименных волокон — в белке эластине. Он тоже фибриллярный, как и коллаген. И его основная особенность, как несложно догадаться, — эластичность, но со временем это свойство меняется⁵. Эластин нерастворим, высоко стабилен и медленно метаболизируется. Большинство протеиназ неспособны его расщеплять. С этим справляется разве что эластаза, которую бактерии и клетки синтезируют в очагах воспаления.

Эластин легко разрушается под воздействием прямого солнечного излучения — этим и объясняются стремительное старение кожи и потеря ее упругости у людей, пренебрегающих солнцезащитными средствами.

Эластиновые волокна формируются аналогично коллагеновым: сначала в фибробластах собираются цепочки предшественника эластина — тропоэластина. Это пока еще растворимая молекула. Затем, уже снаружи, в матриксе, при помощи ферментов (трансглутаминаз и лизилоксидаз) образуются поперечные сшивки, стабилизирующие молекулу (здесь, правда, важна мера, ведь их избыток — один из факторов старения матрикса). После небольших модификаций (сшивок между окисленными остатками лизина в белке⁶) мы получаем прочную эластиновую сетку.

Затем аморфная сетка из эластина соединяется с фибриллином-1а^[6]. В результате образуются эластиновые волокна толщиной 1–2 мкм (они состоят из эластина примерно на 90 %). Волокна разветвляются и соединяются друг с другом, образуя сеть⁷.

Эластиновые волокна эластичны, устойчивы к действию кислот и щелочей, не набухают в воде. Они способны поддерживать свою функцию на протяжении всей жизни. Однако различные ферменты, такие как матричные металлопротеиназы и сериновые протеазы, могут их расщеплять.

Если образование фибрилл коллагена происходит в течение всей жизни, то экспрессия тропоэластина у большинства млекопитающих начинается на поздних этапах жизни плода, достигает очень высоких уровней на неонатальных стадиях и снижается после рождения, а во взрослом возрасте полностью прекращается⁸. На этом основании было выдвинуто предположение, что продолжительность жизни человека не может быть длиннее срока жизни эластина, период полураспада которого составляет около 100 лет^{9, 10}.

Основное вещество, или при чем здесь инъекции красоты?

Заполнитель матрикса — основное вещество — представляет собой большое количество небелковых молекул. Например, гликозаминогликанов (ГАГ)^[7] — крупных молекул полисахаридов, создающих механическую поддержку клеткам, связывая воду и занимая пространство между эластическими и коллагеновыми волокнами.

Всего выделяют шесть типов ГАГ: дерматансульфат, гепарансульфат, гепарин, хондроитинсульфат, кератансульфат и гиалуроновую кислоту.

Количество всех ГАГ с возрастом снижается. Многие из них входят в состав БАДов с той или иной степенью доказанности эффективности, применяются для лечения возраст-зависимых заболеваний: например, хондроитинсульфат принимают в случае остеоартрита (стоит ли это делать — отдельный разговор).

Большинство ГАГ (за исключением гиалуроновой кислоты) формируют протеогликаны. Это сложные молекулы, по форме напоминающие ершик для мытья посуды, где ось — это белок, а вокруг множество «ворсинок»-ГАГ (белковая ось занимает всего 5–10 % общей массы молекулы, остальные 90–95 % — «ворсинки»).

Ершики-протеогликаны затем крепятся на нить гиалуроновой кислоты. В результате получается многоножка с ногами-ершиками.

Протеогликаны имеют выраженный отрицательный заряд, привлекающий положительно заряженные ионы натрия и калия. Они, в свою очередь, ведут за собой диполи молекул воды. Таким образом «ершики» удерживают в матриксе необходимое количество воды и ионов, а также могут захватывать и хранить сигнальные молекулы и факторы роста.

Протеогликаны покрывают поверхность клеток, играют важную роль в ионном обмене, иммунных реакциях, дифференцировке тканей.

Гепарансульфат

Отдельного упоминания достоин гепарансульфат, так как из всех ГАГ он считается самым биологически активным. Он играет важную роль в судьбе клетки (будет ли она делиться или мигрировать), участвует в процессах формирования волокон коллагена и регенерации ран¹².

Благодаря гепарансульфату клетки, имеющие соответствующие рецепторы, могут присоединяться к белкам базальной мембраны (например, к ламинину) и к белкам внеклеточного матрикса (например, к фибронектину). Таким образом, клетки получают сигналы из своего микроокружения, которые определяют их поведение. Это особенно важно в контексте воспаления.

При облучении кожи ультрафиолетом концентрация протеогликанов, в состав которых входит гепарансульфат, повышается, что способствует более быстрому восстановлению ткани¹³.

Дерматансульфат

Дерматансульфат назван так за то, что содержится в основном в коже (от древнегреческого слова δέρμα, «кожа»); это основной ее гликан. Он выполняет все характерные для гликозаминогликанов функции. Вероятно, играет роль в коагуляции (свертывании крови), патогенезе сердечно-сосудистых заболеваний, канцерогенезе, инфекционных процессах, заживлении ран и фиброзе¹⁵.

Гиалуроновая кислота

Гиалуроновая кислота (или гиалуронан) — один из самых важных небелковых компонентов внеклеточного матрикса.

С химической точки зрения это полимер, состоящий из остатков D-глюкуроновой кислоты и D-N-ацетилглюкозамина.

Это уникальный ГАГ. Он не сульфированный и не образует протеогликанов, тем не менее обладает свойствами, характерными для остальных представителей группы.

Гиалуроновая кислота стабилизирует структуру коллагеновых волокон¹⁶, участвует во взаимодействии и миграции клеток и играет важную роль в регенерации тканей.

Самое примечательное свойство гиалуроновой кислоты — сохранение влаги: одна молекула гиалуронана способна захватить и удержать вокруг себя 500 молекул воды. В дальнейшем эта жидкость используется для увлажнения, клеточных взаимодействий или для создания объема ткани.

Именно последним свойством пользуются косметологи при инъекциях гиалуроновой кислоты, например, в губы. Гелеобразная субстанция, содержащая гиалуронан, будет «раздуваться» при любом увлажнении и поддерживать свой объем достаточно долго, чем и объясняется эффект подобных процедур.

Помимо того, что «гиалуронка» входит в состав внеклеточного матрикса, она — основной компонент слюны и синовиальной жидкости (которая служит биологической «смазкой» нашим суставам) и содержится в других биологических смазках, например между связками мышц¹⁷.

Синтезируется гиалуронан в коже преимущественно фибробластами дермы и обновляется довольно быстро — примерно треть всей гиалуроновой кислоты за день. Процесс происходит на внутренней поверхности мембраны фибробласта, в синтезе участвуют специальные ферменты — гиалуроновая синтаза трех видов (HAS-1, HAS-2 и HAS-3). После синтеза гиалуронан выбрасывается наружу¹⁸.

Гиалуроновая кислота способствует заживлению механических ран. Но при фотоповреждении возникает обратная ситуация: клетки перестают синтезировать гиалуроновую кислоту, вероятно, даже повышается синтез разрушающих ее ферментов. В итоге длинные молекулы гиалуронана разрываются, становятся более короткими и подают сигнал опасности, который стимулирует локальное воспаление, а затем и восстановление ткани¹⁹.

Любопытно, что экстремальное долгожительство и устойчивость к онкологическим заболеваниям голых землекопов — животных, которые стали популярным объектом для изучения механизмов старения, — объясняются высоким содержанием и особыми свойствами гиалуроновой кислоты в их коже. Крупные молекулы гиалуроновой кислоты голого землекопа подавляют воспаление и клеточное деление, препятствуя развитию онкологических заболеваний²⁰.

Гиалуронидаза

В связи с упоминанием о гиалуроновой кислоте расскажем об одном связанном с ней интересном факте. Как бы ни был полезен для организма гиалуронан, его избыток связан с развитием некоторых патологий, к примеру фиброза и склероза.

Для регуляции уровней содержания гиалуроновой кислоты и других веществ внеклеточного матрикса (мукополисахаридов) существует специальный разрушающий их фермент — гиалуронидаза. Она повышает проницаемость тканей, облегчая тем самым циркуляцию жидкостей в межтканевых пространствах и способствуя замедлению и предотвращению патологического роста соединительной ткани^[8].

В живой природе существует множество видов этого фермента.

Гиалуронидаза может участвовать и в патологических процессах, связанных с инфекциями. Дело в том, что бактерии взяли на вооружение главное свойство гиалуронидазы — прореживание соединительной ткани — и используют его для повышения собственной патогенности (то есть способности заражать организм).

Гиалуронидаза бактерий, которую они впрыскивают в клетки человека и животных при попадании внутрь, расщепляет гиалуроновую кислоту и другие мукополисахариды кожи, подкожной и межмышечной клетчатки. Это позволяет патогенам убирать на своем пути препятствия и проникать в глубоко лежащие ткани.

Среди бактерий, имеющих на вооружении фермент гиалуронидазу, можно перечислить: клостридий (имеют еще один расщепляющий матрикс фермент — коллагеназу, вызывают столбняк, ботулизм, злокачественный отек и многие другие болезни), стафилококков (имеют еще один расщепляющий фермент — фибринолизин), возбудителей чумы Yersinia pestis (также имеют фибринолизин), дифтерийную палочку Corynebacterium diphtheriae (имеет еще один расщепляющий фермент — нейраминидазу), стрептококков (имеют целый ряд расщепляющих ферментов — протеазы, липазы, эстеразы, дезоксирибонуклеазы) и других.

Кроме бактерий, гиалуронидазу синтезируют скорпионы и змеи в составе ядов, а также пиявки.

Обновление матрикса

Компоненты матрикса постоянно обновляются: старые расщепляются матриксными металлопротеиназами, а новые синтезируются специализированными клетками (например, фибробластами и хондроцитами). Интенсивнее всего такой синтез происходит после повреждений и ожогов.

Некоторые компоненты матрикса обновляются быстро, другие, например коллаген и эластин, — поразительные долгожители. Период полураспада коллагена в межпозвоночных дисках составляет целых 95 лет²¹! Логично, что он претерпевает различные химические изменения и со временем накапливает повреждения.

Остановимся на металлопротеиназах. Они разрушают белки матрикса, тем самым позволяя ему обновляться и перестраиваться. В каталитический центр этих ферментов входит металл (отсюда и название), чаще всего это цинк, реже — кобальт. Как и другие ферменты, они подразделяются на две группы: экзопептидазы (отщепляют аминокислоты от конца белка) и эндопептидазы (расщепляют белок внутри пептидной цепи).

Металлопротеиназы, к примеру, помогают разрушать матрикс, чтобы проложить сквозь него новые кровеносные сосуды, то есть участвуют в процессе ангиогенеза.

Регулирует работу матриксных металлопротеиназ белок катепсин С^[9] (относится к протеиназам)²². Он отщепляет небольшой фрагмент от протеиназ-мишеней и переводит их из неактивного состояния в активное. В частности, катепсин С выделяется клетками иммунной системы²³, и его роль значительна при развитии воспалительной реакции, поскольку необходимо активировать матриксные металлопротеиназы для устранения и обновления межклеточного вещества в воспаленной ткани.

На данный момент известно, что основную роль в процессе репарации дермы играют фибробласты. Интересны работы по стимулированию фибробластов для выработки коллагена. Они могут помочь не только в разработке препаратов для заживления ран, но и при реставрации стареющих тканей за счет синтеза новых компонентов межклеточного матрикса.

Экспериментально было показано, что фактор роста фибробластов-1 стимулирует развитие собственной ткани организма и помогает ранам эффективно закрыться (тем самым блокируя инфекцию и уменьшая образование рубцов). Использование фактора роста фибробластов — более эффективный способ заживления ткани, чем применение существующих тканевых герметиков^[10], так как в результате его применения образуется очень прочный коллаген типа I²⁵.

Общение матрикса с клеткой

Здесь важно сказать о селектинах — гликопротеинах, пронизывающих мембрану клетки и участвующих в связывании клетки с матриксом и другими клетками. По своей природе они относятся к семейству лектинов — белков, прочно и специфично связывающихся с остатками углеводов, что необходимо для узнавания клетками друг друга. Важно помнить, что селектины, как и другие лектины, участвуют не только в связывании клеток, но и во внутриклеточной сигнализации.

Они также играют роль в привлечении и миграции лейкоцитов в места воспаления. Это делает селектины незаменимыми для формирования иммунного ответа. Почему это важно, расскажем немного позднее.

Активация селектинов иногда происходит при развитии патологических процессов, например при атеросклерозе, тромбозе глубоких вен и запуске метастазирования у опухолей. Значит, в некоторых случаях искусственная блокировка селектинов может облегчить течение заболевания²⁷.

Связь старения и матрикса

Изменение матрикса с возрастом

С возрастом матрикс теряет эластичность, становится более жестким. Также жесткости способствует образование избыточных поперечных сшивок между волокнами коллагена и эластина. Вернемся к нашему любимому образцу матрикса — коже: все это хорошо заметно и проявляется в виде морщин и потери упругости.

Повышение жесткости матрикса связывают с развитием ряда возрастных заболеваний: утолщения стенок сосудов и увеличения их жесткости²⁸, изменений в тканях сердца²⁹, онкологических³⁰ и нейродегенеративных заболеваний³¹.

На молекулярном уровне жесткость нарушает общение матрикса с клетками, сбивает работу иммунной системы, способствует хроническому воспалению.

Разберем все эти процессы немного подробнее.

Потеря эластичности

Эластичность тканей очень важна для работы органов кровеносной, дыхательной и некоторых других систем. В первую очередь от эластических волокон зависит упругость стенок кровеносных сосудов и в итоге — кровяное давление во всем организме.

Необратимое разрушение волокон со временем запускает и другие процессы старения, например воспаление. Дальше запускаются хорошо нам знакомые «порочные круги».

Разрушение эластических волокон также приводит к высвобождению биоактивных пептидов — фрагментов эластина, так называемых эластокинов, играющих активную роль в разных физиологических процессах, включая клеточную адгезию, хемотаксис, миграцию и пролиферацию клеток, активацию протеаз и апоптоз³². Выделение эластокинов — одна из основных причин запуска «порочных кругов» воспаления, генерации активных форм кислорода (АФК), чрезмерной экспрессии разрушающих матрикс протеаз и прочих патологических процессов.

Рассмотрим основные факторы снижения эластичности матрикса и основные патологические последствия старения эластических волокон (рис. 2).

Во-первых, это внешние небиологические факторы: ультрафиолет, активные формы кислорода (АФК), табак и другие^{33, 34, 35, 36, 37}.

Во-вторых, активность ферментов, отвечающих за образование поперечных сшивок волокон: когда их становится слишком много, жесткость ткани повышается, а эластичность — снижается.

Третий фактор — неферментативные повреждения, возникающие в ходе химических реакций: гликирования, окисления, кальцификации и т. д. Также к неферментативным повреждениям стоит отнести механический износ волокон и карбамилирование. Наличие старых, изношенных волокон в ткани неизбежно ведет к потере их эластичности и многочисленным патологиям кровеносной и дыхательной систем, таким как гипертоническая болезнь и эмфизема легких.

Таким образом, здоровый образ жизни не может полностью предотвратить внутренние процессы старения эластина. Они связаны с модификацией эластиновых волокон липидами, а также их кальцификацией и ферментативной деградацией. Липиды, кальций и углеводы — часть рациона человека, и эластин накапливает все больше и больше повреждений с возрастом. В итоге продолжительность жизни человека ограничена сроком сохранения эластических свойств кровеносной и дыхательной систем, что примерно составляет 100–120 лет⁹.

Рисунок 2.1. Внешние и внутренние факторы, влияющие на эластичность матрикса при старении. Патологические последствия старения эластических волокон⁵. (1) карбамилирование; (2) механическая усталость; (3) цистеиновые протеазы; (4) курение; (5) гликирование; (6) сериновые протеазы; (7) рацемизация аспарагиновой кислоты; (8) кальцификация; (9) активные формы кислорода; (10) матриксные металлопротеазы; (11) УФ-излучение; (12) загрязнение воздуха; (13) окислительное повреждение

Рисунок 2.2. Патологические последствия старения эластических волокон

Механическая связь с клеткой

Свойства матрикса сильно влияют на функционирование связанных с ним клеток, в частности на их развитие и дифференцировку. Клетки «чувствуют» степень жесткости матрикса при помощи различных механорецепторов: силы натяжения, сжатия и сдвига переводятся в биохимические сигналы. Этот процесс известен как механотрансдукция^[11].

Растущая с возрастом жесткость матрикса и изменения в его структуре влияют на работу клеток, их способность к адгезии, снижение подвижности и другие аспекты их поведения⁴¹. Более того, повышение жесткости матрикса приводит к высвобождению клетками факторов роста, стимулирующих синтез компонентов матрикса и еще сильнее ее увеличивающих⁴² (рис. 3).

Многочисленные данные подтверждают, что клетки активно перестраивают окружающий их матрикс для поддержания оптимального уровня его жесткости⁴³.

Рисунок 3. Механизмы повышения жесткости внеклеточного матрикса, силы механического натяжения и биохимические изменения, возникающие в ответ на возрастание жесткости матрикса

Поперечные сшивки матрикса, образуемые лизилоксидазой (LOX), тканевой трансглутаминазой (TG2), и конечные продукты гликирования — основные факторы, способствующие развитию патологической жесткости матрикса. Клетки детектируют повышение жесткости внеклеточного матрикса через фокальные контакты с матриксом, состоящие из интегринов и фокальных адгезионных комплексов. Сила натяжения актино-миозиновых волокон в клетках увеличивается в ответ на повышенную жесткость матрикса, усиленное натяжение волокон передается на матрикс, к которому они крепятся, и на ядра клеток. Опосредованное повышением жесткости матрикса увеличение силы натяжения актино-миозиновых волокон вызывает конформационные изменения в мультибелковом комплексе, связывающем трансформирующий фактор роста (TGF-β). Это приводит к высвобождению молекулы TGF-β, которая запускает синтез компонентов внеклеточного матрикса и повышение его жесткости.

Обозначения: 1 — внеклеточный матрикс; 2 — LOX; 3 — КПГ; 4 — TG2; 5 — латентный комплекс; 6 — интегрин; 7 — фокальная адгезия; 8 — актин; 9 — LINC; 10 — ламина; 11 — TGF-β; 12 — TbRII; 13 — TbRI42.

В 2010-х вышло несколько работ, показавших влияние жесткости матрикса на иммунную систему⁴⁴. Есть основания полагать, что увеличение жесткости с возрастом ускоряет старение и гибель иммунных клеток, в частности тканевой популяции Т-лимфоцитов⁴⁵. Судя по всему, одна из основных причин этого — механическое повреждение ядерной ламины при движении клетки сквозь матрикс⁴⁶. Поврежденные же клетки становятся источником провоспалительных интерлейкинов, которые вызывают постоянное воспаление в тканях.

Подробнее о сшивках в матриксе

Изменения в структуре матрикса связывают в первую очередь с таким химическим процессом, как образование поперечных сшивок между его волокнами. Отметим несколько основных механизмов образования сшивок:

1. Ферментативное: с помощью трансглутаминазы⁴⁷ и лизилоксидазы⁴⁸ (рис. 2).

2. Неферментативное: 2а) гликирование белков; 2b) спонтанное расщепление по остатку аспарагина.

3. Карбамилирование.

Гликирование белков

Гликирование — неферментативное присоединение моносахаридов (глюкозы, фруктозы или их производных) к свободной аминогруппе белка с образованием химической сшивки (рис. 4). Химическое название данной реакции — реакция Майяра.

Если говорить простыми словами, это реакция «прилипания сахаров к белкам». Мы часто наблюдаем ее в быту: именно благодаря реакции Майяра при запекании получается аппетитная корочка на шашлыке или хлебе. Без дополнительного «поджаривания» реакция Майяра, впрочем, тоже протекает, просто медленнее — ровно это и происходит в нашем организме.

Вещества на корочке хлеба называются конечными продуктами гликирования (КПГ). Конечными в том смысле, что они получаются в конце реакции. И в том смысле, что назад дороги нет, корочка не превратится обратно в сырой хлеб.

Наличие КПГ в нашем теле — это на самом деле проблема, так как такие слипшиеся с моносахаридами белки перестают выполнять свои функции, а вернуться в нормальное функциональное состояние самостоятельно уже не могут. КПГ — это мусор, от которого необходимо избавиться, так как их накопление ведет к росту уровня воспаления в организме (к запуску экспрессии провоспалительных цитокинов)⁴⁹.

В целом гликирование неполезно — это своего рода химическое «изнашивание» белков. Его даже можно считать маркером времени жизни белка⁵⁰. Это случайный, стохастический процесс, происходящий в нашем теле безо всякой на то генетической программы.

Именно гликирование — виновник большинства повреждений тканей при сахарном диабете⁵¹. Кроме того, гликирование может приводить к нарушению функций митохондрий, их структуры и к окислительному стрессу⁵². Повышенное содержание КПГ обнаруживается в нервных клетках пациентов, страдающих болезнью Альцгеймера⁵³, что указывает на участие гликирования в ее патогенезе⁴¹. Оно ускоряет процесс дегенерации нейронов, наблюдаемый при болезни Паркинсона⁵⁴.

Гликирование же коллагена I типа делает его устойчивым к «перестройке» ферментами. Более того, между волокнами коллагена формируются «механические» сшивки, что увеличивает жесткость матрикса^{21, 55}.

Рисунок 4. Схематичное изображение процесса гликирования белков: неферментативное присоединение моносахаридов (1) к свободной аминогруппе белка (2). Восклицательными знаками (!) обозначены места образования сшивок

Диагностика гликирования

Сейчас КПГ уже используются в клинической практике в качестве диагностического маркера для целого ряда заболеваний^[12]56.

В частности, проводят анализ уровня гликирования белков в тканях, что важно для отслеживания изменений в долгосрочной перспективе. Это актуально и для коллагена, период полураспада которого — несколько лет, а уровень гликирования у здоровых людей в возрасте от 20 до 80 лет растет, хоть и незначительно, со временем⁶¹.

Обычно для кожи, как самой богатой коллагеном ткани, определяют уровень содержания глюкозепана (одного из КПГ). В ряде работ показана взаимосвязь роста количества глюкозепановых сшивок с сердечно-сосудистыми заболеваниями^{62, 63} и заболеваниями нервной системы⁶². Увеличение скорости гликирования коллагена говорит о развивающихся нарушениях, таких как кальцификация коронарных артерий, ретинопатия, нейропатия или нефропатия⁶⁴.

В целом же наиболее перспективное направление развития предсказательной диагностики гликирования белков — комбинирование большого количества различных анализов в сочетании с приемами машинного обучения. Уже сейчас такие подходы⁶⁵ показывают первые результаты в диагностике аутизма.

Еще один механизм образования сшивок

Он был открыт совсем недавно и включает в себя первоначальное спонтанное расщепление по остатку аспарагина в белке со ступенчатым расщеплением С-концевого сукцинимида, что в конечном счете приводит к образованию ангидрида. Нуклеофильная «атака» на этот ангидрид боковой аминогруппой лизина приводит к образованию ковалентной изопептидной связи.

Любой остаток аспарагина в белке, по-видимому, является потенциальным сайтом такого ковалентного сшивания⁶⁶ (рис. 5).

Рисунок 5. Один из механизмов образования сшивок в матриксе⁶⁶

Первоначально остаток аспарагина (1) в белке подвергается спонтанному расщеплению, что приводит к формированию С-концевого сукцинимида (2), ступенчатое расщепление которого в конечном счете приводит к образованию ангидрида (3). Нуклеофильная «атака» на этот ангидрид боковой аминогруппой лизина (4) приводит к образованию ковалентной изопептидной связи (5). Любой остаток аспарагина в белке, по-видимому, — потенциальный сайт такого ковалентного сшивания.

Карбамилирование

Гликирование — не единственный тип химических реакций, ускоряющих старение матрикса. Группа французских исследователей показала⁶⁷, что важным маркером старения является также карбамилирование — присоединение к аминогруппам белков остатков изоциановой кислоты, одного из продуктов распада мочевины (рис. 6).

При карбамилировании остатков лизина в долгоживущих белках матрикса накапливается гомоцитруллин. Его содержание напрямую коррелирует с продолжительностью жизни мышей, коров и людей.

Наличие гомоцитруллиновых остатков в молекулах коллагена приводит к дестабилизации его трехспиральной структуры и, как следствие, к снижению его устойчивости к температуре, действию металлопротеиназ и другим факторам деградации.

В итоге формально мы получаем тоже как бы сшивки. Но, в отличие от сшивок, возникших в результате процесса гликирования, они не делают волокна коллагена жестче. Напротив, коллаген становится более хрупким. Общее здесь одно — от такой сшивки организму тоже очень сложно избавиться самостоятельно.

Рисунок 6. Химическая реакция карбамилирования лизина с образованием гомоцитруллина⁶⁷

Ультрафиолет

Хроническое повреждение тканей происходит и при постоянном воздействии на них солнечного света. Основное действие ультрафиолета, по понятным причинам, приходится на ткани кожного покрова. В итоге кожа теряет упругость, появляются морщины.

Исследования показали⁶⁸, что на молекулярном уровне фотостарение — это ровно то же самое старение, но в ускоренном виде. Воздействие ультрафиолета способствует появлению АФК в клетке. Это, в свою очередь, повышает уровень синтеза матриксных металлопротеиназ. А они уже фрагментируют коллагеновые волокна.

Фибробласты, закрепленные на волокнах коллагена, чувствуют снижение механического натяжения, а это — сигнал к дальнейшему синтезу металлопротеиназ и замедлению синтеза коллагена⁶⁹. Механизм действия подобен порочному кругу: в результате старения ткани (в данном случае кожных покровов) в клетках повышается уровень АФК, что, в свою очередь, приводит к снижению механического натяжения — и снова повышает уровень АФК в клетках.

Также происходит замедление работы тирозиновых фосфатаз, в норме замедляющих развитие воспалительных реакций⁷⁰.

В результате образуется положительная обратная связь, действие которой приводит к перманентному воспалению и ускоренному старению тканей кожного покрова. Опять «порочный круг».

Возрастное воспаление

О возрастном воспалении мы уже поговорили в первой главе. Это хроническое воспаление в пожилом возрасте. Оно усугубляет течение атеросклероза, диабета 2-го типа, болезни Альцгеймера и некоторых других заболеваний⁷¹.

КПГ активно привлекают макрофаги, которые принимают активное участие в воспалительных процессах. В результате концентрация макрофагов в ткани увеличивается и в ней развивается повышенный уровень воспаления⁷².

Ренин-ангиотензин-альдостероновая система

Известно, что с изменением структуры матрикса также связана активность РААС^[13] — ренин-ангиотензин-альдостероновой системы (рис. 7). РААС отвечает за регуляцию кровяного давления и распределения крови в организме человека. В ее работе задействованы почки, печень, сердечно-сосудистая система.

Рисунок 7. Схема работы ренин-ангиотензин-альдостероновой системы:

1 — секреция ренина почками в ответ на снижение внутрипочечного давления; 2 — секреция ангиотензиногена печенью; 3 — отщепление ренином декапептида от ангиотензиногена, высвобождение ангиотензина I; 4 — ангиотензин I; 5 — синтез ангиотензинпревращающего фермента (АПФ) в легких и почках; 6 — преобразование ангиотензина I в ангиотензин II под воздействием АПФ, который отщепляет от него две последние аминокислоты; 7 — ангиотензин II; 8 — сосудосуживающая активность ангиотензина II, за счет которой растет центральное давление; 9 — стимуляция гипофиза ангиотензином II, в результате чего происходит секреция антидиуретического гормона (АДГ); 10 — АДГ; 11 — стимуляция АДГ выброса альдостерона надпочечниками; 12 — альдостерон. 13 — альдостерон задерживает воду и повышает проницаемость мембран клеток, за счет чего увеличивается объем циркулирующей крови и растет кровяное давление

Избыточный синтез одного из участников цепочки РААС в печени (ангиотензиногена), к примеру, приводит к повышенной жесткости тканей сердца — в результате чрезмерного синтеза белков матрикса фибробластами. В итоге работа сердца сильно страдает^{73, 74, 75, 76, 77}. Это происходит следующим образом: активация рецептора к ангиотензину II AT1, который представлен на поверхности клеток многих тканей (сердце, почки, нервная система и др.), вызывает избыточные ответы в кардиомиоцитах и синтез белка внеклеточного матрикса фибробластами сердца.

В фибробластах сердца ангиотензин II повышает синтез коллагена, фибронектина, ламинина и остеопонтина. Гладкомышечные клетки сосудов, стимулированные ангиотензином II, демонстрируют увеличение количества мРНК коллагена, фибронектина, ламинина и тенасцина.

Решение вышеописанных проблем уже проглядывается: опыты на животных показали, что фармакологическое ингибирование компонентов РААС приостанавливает разрастание компонентов матрикса, приводящее к фиброзу, а значит, и патологические процессы в тканях сердца⁷⁸.

В почках ангиотензин II стимулирует синтез коллагенов, фибронектина и ламинина мезангиальными клетками^{78, 79}.

Способность ангиотензина II стимулировать продукцию TGF-β^[14], одного из главных профиброзных факторов, связывают с развитием возрастной сосудистой гипертрофии.

Постоянная активация рецепторов TGF-β приводит к аномальному накоплению соединительной ткани в почках и сосудах, ведущему к фиброзным патологиям^{80, 81, 82}.

Кроме того, продукция TGF-β может индуцироваться при увеличении количества рецепторов RAGE^[15]83. Повышение экспрессии этого цитокина может быть прямым следствием процессов гликирования. Возможно, если получится изобрести препарат, «отменяющий» гликирование, вред от избытка TGF-β тоже снизится^{84, 85, 86}.

Таким образом, жесткость почки (за счет синтеза коллагена) растет как напрямую от воздействия ангиотензина II, так и в результате продукции TGF-β. Также запускается очередной порочный круг (на этот раз не только в почках, но и в сосудах): от роста количества КПГ (которые для матрикса и есть сшивки) растет уровень TGF-β, который еще сильнее ускоряет разрастание соединительной ткани.

Митохондрии и матрикс — продолжение истории

Митохондрии находятся внутри клетки, матрикс — снаружи. Поэтому работа митохондрий и матрикса тесно связана друг с другом посредством цитоскелета.

Для обновления белков основных структур цитоскелета (микрофиламенты, промежуточные филаменты, микротрубочки) требуется энергия аденозинтрифосфата (АТФ). Поэтому митохондрии в клетке постоянно двигаются, собираясь в местах, где высока потребность в АТФ⁹⁴. В свою очередь, правильная организация скелета клетки важна для нормального функционирования митохондрий — они тесно взаимодействуют с ним, чтобы поддерживать свою морфологию. Ангиотензин II, о котором мы говорили выше, нарушает нормальную организацию цитоскелетных филаментов, что негативно сказывается на работе митохондрий⁹⁴.

Как же взаимосвязаны изменение матрикса, нарушение работы цитоскелета и митохондрии?

Ангиотензин II вызывает изменения в процессе синтеза компонентов межклеточного матрикса, что влияет и на цитоскелет клетки. Известно, что если эндотелиальные клетки окружены более жестким матриксом, то их микротрубочки образуются дольше, правда, получаются в итоге более прочными. Клетки, находящиеся на менее жестком матриксе, образуют не такие прочные микротрубочки, но и растут они быстрее⁹⁵. Микротрубочки, в свою очередь, очень важны для функционирования митохондрий: при их «разборке» митохондрии теряют свою подвижность. Взаимодействие митохондрий с более прочными трубочками ухудшает их структуру и нарушает энергетическую систему в клетке⁹⁶.

Еще один из механизмов нарушения цитоскелета клетки, помимо действия ангиотензина II, — регуляция уже упомянутым цитокином TGF-β^[16] реорганизации актиновых филаментов. Вызывая перегруппировки актиновых филаментов, он влияет на рост и дифференцировку клеток, так как в ядре запускается действие определенных транскрипционных факторов^{84, 85, 86} (рис. 8).

Рисунок 8. Транспорт TGF-β рецепторов. Комплексы рецепторов TGF-β (1) в областях мембран, образующих окаймленные ямки, интернализуются вдоль микротрубочек и локализуются в эндосомах (2). Фосфорилирование R-Smad стимулируется в эндосомах с помощью эндоцитарного белка SARA (3, 4), что приводит к активации транскрипции (5). Эндосомальные рецепторы могут попадать обратно в плазматическую мембрану (6–8) или переходить в лизосомы, где лиганд-рецепторный комплекс разрушается (9). Комплексы рецепторов TGF-β, находящиеся в области мембраны, называются липидными рафтами (10). Они связываются с Smad7 и Smurf убиквитин-лигазами и оказываются в кавеолах (11). Затем эти комплексы рецепторов переходят в лизосомы для последующей деградации.

Аиша Мелуан и ее коллеги показали, что белок SPARC^[17] влияет одновременно и на изменения состава внеклеточного матрикса, и на функцию митохондрий в мышечных клетках¹⁰⁰.

В мышцах SPARC синтезируется при строительстве или заживлении мышечной ткани. Еще он обладает способностью связываться с коллагенами разных типов, за счет чего влияет на перестройку и формирование внеклеточного матрикса¹⁰².

Что касается митохондрий, то этот белок влияет на их развитие путем взаимодействия с индуктором биогенеза митохондрий — белком AMPK (Adenosine Monophosphate-activated Protein Kinase, «протеинкиназой, активируемой аденозинмонофосфатом»)¹⁰³. Таким образом, SPARC, как и ангиотензин II, и TGF-β, может выступать связующим звеном между работой митохондрий и процессами, протекающими в межклеточном матриксе.

Та же группа ученых представила еще один механизм взаимодействия митохондрий с матриксом при помощи SPARC¹⁰⁴. Схема их непростых взаимодействий представлена на рисунке 9.

Рисунок 9. Влияние белка SPARC на экспрессию внеклеточного матрикса и на репликацию и транскрипцию митохондриальной ДНК. Физические упражнения вызывают активацию AMPK за счет увеличения соотношения аденозинмонофосфата к аденозинтрифосфату (AMФ/ATФ). Это, в свою очередь, индуцирует биогенез митохондрий посредством активации гамма-рецептора, активируемого пролифератором пероксисом коактиватора-1-альфа (PGC1-α), и повышает уровень экспрессии белка SPARC, что активирует интегрин-связанную киназу (ILK). Последняя фосфорилирует и инактивирует киназу гликогенсинтазы-3-бета (GSK-3ß), что приводит к стабилизации β-катенина и выработке белков мышечного внеклеточного матрикса. Инактивация GSK-3β также стимулирует активацию передачи сигналов PGC-1-α и размножение митохондрий. Белок SPARC может способствовать усилению размножения митохондрий в мышцах посредством взаимодействия SPARC с AMPK, а сигнальная взаимосвязь митохондрий и внеклеточного матрикса может служить терапевтической мишенью для лечения патологий, вызванных дисфункцией митохондрий и внеклеточного матрикса, таких как саркопения¹⁰⁴.

В других недавних работах описана взаимосвязь нарушения функций митохондрий и вызванного им избытка кальция с нарушением структуры внеклеточного матрикса в мышцах^{104, 105}. Общая цепь событий в данном случае может быть представлена таким образом: повышенная продукция ангиотензина II в организме вызывает дисфункцию митохондрий и окислительный стресс, что приводит к нарушению гомеостаза кальция. Это, в свою очередь, ведет к нарушению структуры внеклеточного матрикса и дистрофии мышц, а следовательно, к саркопении.

Перекисное окисление липидов

Перекисное окисление липидов (ПОЛ) происходит в первую очередь во внутренней мембране митохондрий, которая находится в активном контакте со свободными радикалами, а также в клеточной мембране нейронов. Этот процесс изменяет физические свойства мембран, их текучесть и работу электрон-транспортной цепи митохондрий. Продукты ПОЛ токсичны и повреждают некоторые важнейшие долгоживущие молекулы: гистоны, белки ядерных пор, структурные белки и ДНК¹⁰⁶.

По своей сути ПОЛ — это повреждение полиненасыщенных жирных кислот свободными радикалами, которое происходит в митохондриальных и клеточных мембранах. Двойные связи полиненасыщенных жирных кислот особенно чувствительны к воздействию свободных радикалов, так как легко «разрываются», присоединяя их. В результате этого образуются диальдегиды, пероксиды и другие продукты окисления. Все это запускает цепную реакцию окисления липидов.

Ряд исследований указывает на количественную связь между процессом ПОЛ и образованием поперечных сшивок белков матрикса¹⁰⁷. Так, например, один из продуктов ПОЛ, малондиальдегид, образует такое же количество сшивок с белками, как и глюкоза, что было показано в экспериментах in vitro¹⁰⁷. Из всего этого следует, что процесс окисления жирных кислот отрицательно влияет на состояние внеклеточного матрикса, что, как мы уже знаем, приводит к неприятным последствиям: старению тканей, их фиброзу и нарушению их функций.

В клетках долгоживущих видов животных меньше полиненасыщенных жирных кислот^{108, 109, 110}. В связи с этим можно предположить, что они не только меньше страдают от ПОЛ, но и процесс изменения белков внеклеточного матрикса у них идет медленнее за счет снижения реакционной способности жирных кислот¹¹⁰.

Существуют способы замедлить скорость перекисного окисления жирных кислот. Так, уже более десяти лет коллектив российского исследователя Михаила Щепинова разрабатывает подход для продления жизни и лечения ряда заболеваний, вызванных избыточным синтезом свободных радикалов. Они используют модифицированные жирные кислоты. Водород в них заменен на дейтерий (изотоп, имеющий больший атомный вес и более прочную связь с атомом углерода). Измененные жирные кислоты более устойчивы к окислению и предотвращают разрушение клеточной мембраны^{111, 112, 113, 114}.

Как же быть?

Теперь поговорим о том, что же можно сделать, чтобы замедлить процесс старения внеклеточного матрикса и решить проблемы, с ним связанные.

Посмотрим на то, как ученые ищут пути решения одной из самых актуальных проблем, связанных с возрастным ремоделированием матрикса, — проблемы гликирования. Уже идет разработка веществ, которые могли бы ингибировать этот процесс или поворачивать его вспять. Рассмотрим некоторые из них.

Растворимая форма RAGE

Известно, что в ответ на стимуляцию рецепторов RAGE конечными продуктами гликирования и возникающий вследствие этого воспалительный стресс клетки нашего организма вырабатывают растворимую форму RAGE. Она служит биомаркером индуцированного КПГ воспаления^{115, 116}.

Также она способна конкурировать за связывание КПГ с рецептором RAGE на поверхностях мембран и таким образом замедлять процесс воспаления. Конечно, природная форма растворимого рецептора RAGE плохо подходит для применения в качестве лекарства из-за ее короткого периода полураспада, большой молекулярной массы и других недостатков, свойственных природным белкам.

Японские исследователи разработали гибридные белковые «ловушки»¹¹⁷ для КПГ, состоящие из участка рецептора RAGE, связывающего КПГ, и эластиноподобного белка, формирующего устойчивые коацерваты. У подобных продуктов белковой инженерии уже есть будущее в качестве противовоспалительных, ранозаживляющих и геропротекторных лекарств.

С той же целью можно использовать и небелковые агенты с меньшей молекулярной массой. Например, ДНК-аптамеры — олигонуклеотиды, нацеленные на блокаду рецепторов RAGE, связывающихся с КПГ белков матрикса. Их планируют использовать для восстановления поврежденных из-за гликирования тканей органов¹¹⁸.

Способность блокировать RAGE-рецепторы обнаружена у некоторых искусственно созданных аминокислот¹¹⁹, а также у дейтерированных полиненасыщенных жирных кислот¹²⁰, хебуловой кислоты¹²¹, кверцетина¹²² и молекулы GLY-230¹²³.

Главный недостаток этого подхода в том, что в низких концентрациях блокаторы КПГ неэффективны, а в высоких — токсичны. Систему, однако, можно изменять, подбирая комбинации компонентов. В результате успешного подбора блокаторы будут действовать так же эффективно, но из-за более низких концентраций окажутся менее ядовиты.

Глюкозепан

Один из наиболее частых КПГ белков — глюкозепан — продукт реакции Майяра между остатками лизина и аргинина¹²⁴. Глюкоза образует поперечные сшивки, которые, как мы помним, — одна из основных причин повышения жесткости матрикса с возрастом.

Их высокое содержание глюкозепановых сшивок, возможно, причина того, что искусственно созданные вещества для блокирования рецепторов КПГ не работают. Они в основном направлены на предотвращение образования не-глюкозепановых сшивок.

Глюкозепановые сшивки были открыты на рубеже веков, в 1999 году¹²⁵. Их обнаружение вызвало всплеск оптимизма: ведь структура глюкозепана достаточно уникальна для того, чтобы найти метод его выборочного разрушения. Однако пока что эффективное средство для расщепления глюкозепана в живых тканях не найдено. Хотя определенные успехи все же есть.

Некоторые химические вещества обладают способностью снижать количество глюкозепановых сшивок в тканях лабораторных крыс, блокируя их формирование или удаляя уже сформированные^{126, 127, 128}. В лаборатории Дэвида Шпигеля из Йельского университета в США активно ищут ферменты, которые могут избирательно расщеплять сшивки, образованные КПГ¹²⁹. На этом пути ученые уже достигли некоторых результатов¹³⁰. Они выделили из бактерий фермент, участвующий в модификации тРНК, — он оказался способен расщеплять такие КПГ, как карбоксиэтил — и карбоксиметил-лизин.

Еще один пример похожей стратегии — генетическая модификация фибробластов таким образом, чтобы те могли секретировать амадориазу. Это фермент, способный дегликировать белки, отщепляя от них остатки углеводов^{41, 131}.

В природе амадориазы встречаются у грибов и бактерий¹³². Они обращают вспять перегруппировку Амадори — одну из стадий реакции Майяра. На данный момент выделено и охарактеризовано более десятка амадориаз, однако их субстратная специфичность в основном позволяет отщеплять КПГ от отдельных аминокислот и коротких пептидов. Поэтому необходимы также исследования в области белковой инженерии этих ферментов, чтобы повысить их специфичность в отношении гликированных белков матрикса¹³³.

C реакцией Амадори и ее вредоносными продуктами можно бороться и другими методами. Как было сказано выше, это лишь одна из стадий химического процесса гликирования. Ключевая, но не окончательная.

Группа исследователей из США предлагает блокировать гликирование сразу после стадии реакции Амадори, что может предотвратить образование КПГ. Ими уже описана¹³⁴ группа низкомолекулярных соединений, названных амадоринами: например, пиридоксамин и аминогуанидин. Ими же выполнен рациональный дизайн амадоринов второго поколения с улучшенной активностью, например молекулы с кодовым названием BST-4997¹³⁵, которую они позиционируют в качестве кандидата для лекарства, целенаправленно блокирующего процесс гликирования.

Приходят на помощь и природные соединения. Лекарственные растения испокон веков служили человеку для борьбы с различными недугами, а современная фармакология позволяет эффективно выделять из таких растений действующие вещества, чтобы затем применять их в качестве индивидуальных препаратов.

Оказалось, что выделяемые из растений соединения, содержащие О-ацетильную группу, способны эффективно блокировать реакцию гликирования «в пробирке», а значит, имеют потенциал для испытания на клеточных и животных моделях и превращения в лекарства. Среди них — флавоноиды из золотой камелии¹³⁶, кумарины из полыни¹³⁷ и разнообразные соединения из платикодона (разновидности колокольчика)¹³⁸.

Другой многообещающий подход — использование антител к глюкозепану. Этот метод был описан совсем недавно и должен значительно облегчить ученым их исследования¹³⁹.

Хелатирование

Еще одна стратегия борьбы с гликированием — использование хелатирующих агентов¹⁴⁰.

Хелатирование — способность ряда органических соединений, в частности этилендиаминтетрауксусной кислоты (ЭДТА), нековалентно связывать ионы металлов, сжимая их, словно клешней.

Оказывается, инициаторами гликирования часто бывают реакции окисления, катализируемые ионами металлов. Хелатирующие агенты удаляют эти ионы из реакционной среды, тем самым замедляя процесс образования поперечных сшивок матрикса.

ЭДТА уже давно используют¹⁴¹ в качестве терапевтического средства для борьбы с диабетическим поражением сосудов, состояние которых, как мы помним, во многом определяется состоянием внеклеточного матрикса.

Компания Alteon (ныне объединена с компанией Synvista Therapeutics, США) создала первое лекарство против различных сшивок в межклеточном матриксе — Алагебриум. Оно способно разрезать сшивки, образованные с участием α-дикетона. Однако лекарство не имело большого успеха, потому что таких сшивок в матриксе оказалось немного. И основная проблема повышения жесткости матрикса не была решена.

Кое-что еще

Совсем недавно появилась статья, в которой предлагается использовать 4-фенилбутират натрия в качестве агента против гликирования¹⁴².

Механизм его действия точно неизвестен. Предполагается, что он может связываться с альбумином и предотвращать его взаимодействие с глюкозой, а это и есть начальный этап гликирования.

Так, 4-фенилбутират натрия становится потенциальным участником борьбы с нейродегенеративными заболеваниями, атеросклерозом, диабетом, гиперлипидемией и другими возраст-зависимыми заболеваниями.

Убираем лишний матрикс

Вторая очень актуальная проблема — накопление соединительной ткани и внеклеточного матрикса там, где должна быть другая функциональная ткань. Например, изменение с возрастом состава и структуры мышечной ткани. Это происходит из-за снижения активности металлопротеиназ, необходимых для ремоделирования межклеточного матрикса. В конечном счете разрастание и утолщение межклеточной массы приводит к снижению упругости и развиваемой силы мышц.

Хорошая новость в том, что в организме существуют механизмы, позволяющие обратить этот процесс вспять. С возрастом меняется не только состояние мышечной ткани, но и характер ее ответа на повреждения. В ряде экспериментов на грызунах было показано, что у старых мышей в ответ на повреждения мышц активнее, чем у молодых, возрастает концентрация металлопротеиназ, в результате чего значительно снижается количество коллагеновых отложений в поврежденной мышце¹⁴³.

Кроме того, было показано, что этот эффект наблюдается вследствие выработки мышечными клетками в ответ на повреждения трансформирующего ростового фактора TGF-β. Есть все основания полагать, что в будущем этот механизм удастся использовать для воздействия на мышцы пожилых людей, повышая их силу и упругость.

Подведем итоги

Внеклеточный матрикс — динамический внеклеточный компонент организма, который постоянно изменяется в ответ на различные стимулы. Он подвержен существенным трансформациям в ходе старения организма. Его компоненты регулируют различные процессы, включая пролиферацию, выживание, дифференцировку и миграцию клеток.

Внеклеточный матрикс состоит из множества белков. Самые распространенные из них — коллаген и эластин. Они долгоживущие и, как следствие, особенно чувствительны к накоплению неферментативных модификаций и разрушению в результате ферментативного расщепления.

По современным представлениям, большинство продуктов посттрансляционных модификаций матричных белков в итоге превращаются в КПГ. Но остается еще много неясного о самом характере изменений, происходящих в матриксе. Например, продукт карбамилирования белков матрикса, гомоцитруллин, также часто встречается в стареющем матриксе и вносит свой вклад в изменение его функций⁶⁷. По мнению некоторых ученых, этот процесс может быть таким же весомым, как и гликирование⁶⁷.

Изменения белков матрикса в процессе старения очень сильно влияют на его функции, воздействуя на другие биологически активные молекулы. Так, активация сигнальных каскадов после взаимодействия КПГ с рецепторами RAGE приводит к многочисленным нарушениям функционирования клеток, в том числе к воспалительным и окислительным процессам с формированием порочных кругов.

Все эти изменения в старом внеклеточном матриксе могут напрямую влиять на его механическую и структурную роль. Запускаются такие процессы, как истощение пула стволовых клеток, клеточное старение, нарушение межклеточной коммуникации, возникают геномная нестабильность и дисфункция митохондрий.

Кроме того, возрастная дисфункция матрикса напрямую связана с такими патологиями, как нарушение целостности кишечного и гематоэнцефалического барьеров, фиброз, сердечно-сосудистые и нейродегенеративные заболевания. Предполагается, что старение внеклеточного матрикса может быть даже более важным, чем старение самих клеток, так как внутри клетки, в отличие от матрикса, существуют более эффективные механизмы восстановления и удаления поврежденных белков и органелл.

Состояние внеклеточного матрикса можно считать биомаркером старения. Образование в нем сшивок и КПГ — признак того, что возраст наступает на пятки. Хотя на данный момент маркеры старения широко не используются, КПГ (глюкозепан и др.) довольно перспективны с точки зрения оценки возрастного состояния организма. Созданное недавно командой Дэвида Шпигеля (David Spiegel) антитело, связывающееся с глюкозепаном, представляет собой еще один инструмент идентификации в организме КПГ¹³⁹.

Какие пути противодействия негативным последствиям старения матрикса предлагают ученые? На сегодняшний день их несколько. Это, например, разработка комбинации ингибиторов⁴¹ КПГ, которые синергетически работают на разных стадиях их образования. Сюда могут входить:

— соединения с трансгликирующей активностью — амадорины¹³⁴ и амадориазы¹³¹;

— хелаторы^{140, 141} (препараты по связыванию избытка ионов металлов);

— соединения, содержащие О-ацетильную группу для защиты белков от гликирования^{136, 137, 138}.

Также необходимо сфокусироваться на разработке разрушителей основного КПГ в внеклеточном матриксе — глюкозепана. Идеально было бы синтезировать небольшую молекулу или фермент, способные проникать между фибриллами коллагена и достигать своей цели — сшивок КПГ.

Конец ознакомительного фрагмента.

Примечания

2

Регенерация нарушается при развитии злокачественного новообразования. Опухолевые клетки гораздо менее зависимы от наличия факторов роста или работы внеклеточного матрикса. Нередко у них мутируют гены, обеспечивающие гибель клетки, оказавшейся в абсолютно нетипичных условиях: например, когда она не получает сигнал от матрикса. При этом эти клетки могут активно выделять ферменты, разрушающие упорядоченные структуры матрикса, что помогает им распространяться по организму.

Из-за нарушения организации внеклеточных структур нарушается организация и опухолевых клеток. Они начинают расти кучками и сдавливать ткани вокруг. При таком давлении здоровые клетки нередко уходят в апоптоз, поскольку матрикс в таких условиях не способен обеспечивать благоприятные условия для их жизнедеятельности.

3

Коллаген и эластин — гликопротеины. Однако есть еще и протеогликаны. Отличаются они тем, что имеют разное соотношение «углеводы/белки» в своем составе.

В гликопротеинах углеводов не больше 20 %. Углеводные цепи короткие, нерегулярные и не содержат уроновых кислот. Углеводы могут быть представлены моносахаридами, дисахаридами, олигосахаридами или полисахаридами.

4

Протеогликаны, наоборот, состоят в основном из углеводов: 90–95 % молекул протеогликанов составляют длинные полисахариды регулярного строения (гликозаминогликаны), содержащие аминосахара, часто — уроновые кислоты. Это обычно очень крупные молекулы, задерживающие на себе воду и другие вещества.

5

Если учесть, что белок составляет примерно 20 % массы тела и что 30 % или более общего белка — это коллаген, и если предполагается, что коллаген типа I составляет по меньшей мере 90 % от общего количества коллагена, можно рассчитать, что взрослый человек весом 70 кг может содержать почти 4 кг коллагеновых мономеров I типа.

6

Фибриллин-1а — гликопротеин, который тоже синтезируется в фибробластах и отвечает за стабильность эластинового волокна. Фибриллин относят к адгезивным молекулам, «клею».

7

Гликозаминогликаны (ГАГ) — достаточно крупные молекулы полисахаридов, цепочки из повторяющихся звеньев: аминосахаров и уроновых кислот. Раньше этот класс веществ называли мукополисахариды — от лат. mucus — слизь.

Гепарин противодействует свертыванию крови, поэтому находится в межклеточном матриксе печени, легких, сердца, в стенках артерий.

Кератансульфат присутствует в матриксе всех тканей, но в роговице глаза и скелетных тканях его в разы больше, чем в остальных. В коже взрослого человека он находится в незначительном количестве, хотя может накапливаться в составе белка аггрекана при образовании шрама¹¹.

Хондроитинсульфат характерен для хрящевых тканей. При разрушении он сигнализирует клеткам об опасности, привлекает иммунные клетки, которые нейтрализуют опасность и восстанавливают ткань.

8

В организме человека гиалуронидаза, кроме прореживания соединительной ткани, играет важную роль в репродукции. Во время оплодотворения сперматозоиды выделяют гиалуронидазу, которая расщепляет гиалуроновую кислоту, скрепляющую фолликулярные клетки вокруг яйцеклетки, после чего становится возможным проникновение сперматозоида внутрь.

9

Нарушения в работе катепсина С приводят²⁴ к развитию синдрома Папильона — Лефевра, выражающегося в кератозе — патологическом ороговении и разрастании кожных покровов. Это происходит вследствие сниженной активности расщепляющих матрикс протеиназ.

10

Своеобразный «клей», который используется для заживления кожи, сосудов и других органов. Например, герметик MeTro, который был разработан в 2017 году²⁶.

11

В ходе механотрансдукции механическая нагрузка на матрикс приводит к образованию так называемых фокальных контактов — участков, при помощи которых клетка цепляется за матрикс. Они инициируют сборку мономерного актина в актиновые стресс-фибриллы — натянутые нити, которые передают механическое напряжение внутрь клетки и запускают разнообразные сигнальные каскады³⁸.

Соединяясь через фокальные контакты с матриксом с одной стороны, с другой стресс-фибриллы прикрепляются к оболочке клеточных ядер. Их натяжение вносит значимый вклад в создание сил напряжения внутри и снаружи клеток³⁹. Таким образом, жесткость внеклеточного матрикса влияет на клеточные ядра. В частности, от нее зависит уровень компактизации ядерного хроматина и, как следствие, экспрессия генов⁴⁰.

12

К примеру, гликированный гемоглобин (HbА1c) применяют в качестве маркера диабета 1-го и 2-го типов⁵⁷. Однако из-за относительно большого времени полураспада (порядка 120 дней⁵⁸) этот показатель плохо характеризует недавние изменения в тканях. По этой причине параллельно измеряют уровень гликирования альбумина в сыворотке крови, период полураспада которого значительно меньше (порядка 20 дней⁵⁹). Эти анализы используют при диагностике гипертонии, ожирения и острых воспалительных заболеваний.

Гликированные липопротеины высокой и низкой плотности позволяют с высокой точностью предсказывать развитие ишемической болезни сердца, а также появление симптомов атеросклероза⁶⁰.

13

Механизм действия РААС таков: фермент ренин (из почек) отщепляет от ангиотензиногена (из печени) кусочек, после чего образуется неактивный гормон ангиотензин I. В клетках эндотелия легочных капилляров ангиотензин I гидролизуется ангиотензинпревращающим ферментом (АПФ), который отщепляет от него еще кусочек. В результате образуется активный гормон ангиотензин II (влияет на сокращение сосудов).

14

TGF-β — цитокин, участвующий в клеточной дифференцировке и пролиферации, иммунном ответе, играет важную роль в регуляции сборки и ремоделирования внеклеточного матрикса. Он стимулирует экспрессию коллагенов, фибронектина и протеогликанов и выработку протеаз, ингибирующих распад матрикса.

15

Рецепторы RAGE (Receptor for Advanced Glycation Endproducts) — иммунные рецепторы из семейства иммуноглобулинов. Они активируются в ответ на взаимодействие с КПГ (они как раз и есть те самые Advanced Glycation Endproducts, или AGE), амилоидами и продуктами клеточной гибели. RAGE-рецепторы обильно экспрессируются в жировой ткани и участвуют в регуляции передачи сигналов от инсулина. Существует гипотеза, что первоначальная роль RAGE-рецепторов гоминидов была связана с формированием экономного фенотипа с ускоренным набором жировой массы, что спасало от голодной смерти⁸⁷. RAGE, как сейчас известно, участвуют в развитии почти всех возрастных патологий, включая диабет обоих типов⁸⁸, хроническое заболевание почек⁸⁹, сердечно-сосудистые заболевания⁹⁰, рак, болезни Альцгеймера и Паркинсона^{91, 92, 93}.

16

Также TGF-β может вызывать нарушение работы митохондрий. Он останавливает рост эпителиальных клеток легких и «состаривает» их, снижая активность IV митохондриального комплекса — цитохром c-оксидазы. Цитохром с-оксидаза замыкает дыхательную цепь, перенося электроны на кислород. Снижение ее активности приводит к утечке электронов и образованию АФК. Окислительный стресс может быть потенциальной причиной некоторых старческих заболеваний⁹⁷, ⁹⁸, ⁹⁹.

17

SPARC (Secreted Protein Acidic and Rich in Cysteine, «секретируемый кислый белок, богатый цистеином») также известен как остеонектин и представляет собой кальций-связывающий матриксно-клеточный гликопротеин¹⁰¹.