Старение внеклеточного матрикса – возможно главная причина ограничения продолжительности жизни у людей

Вероятно основная причина старения человека лежит в старении внеклеточного матрикса. Основная - это не единственная, но та, которая делает наибольший вклад в то, что люди не могут продлить себе жизнь больше, чем 120 лет. Не смотря на то, что мы не умеем омолаживать матрикс, теперь мы вероятно знаем, что такое старение. А значит скорее всего победим его. Но для этого нужно правильно фокусировать научные усилия. Ведь в течение 100 лет с момента открытия старения внеклеточного матрикса, мы искали причину старения в клетке и не задумывались, что она может быть во внеклеточном матриксе. 2018 год - это год, когда мы вероятно начинаем путь к бессмертию человека. Благодарю Александра Фединцева, Nikolay Zak, Дениса Одинокова за информацию и гипотезы об основных механизмах старения человека, которые вошли в данный обзор. 

Организм человека состоит из тканей, а ткани состоят на 20% из клеток и на 80% - из внеклеточного матрикса. Наиболее важная структура внеклеточного матрикса - это коллагеновые волокна.

Внеклеточным матриксом называют неклеточные структуры ткани организма. Они составляют основу соединительной ткани и образуются её клетками. Основная роль внеклеточного матрикса заключается в том, что он обеспечивает механическую поддержку тканей, определяя их физиологические функции (кальцинированный матрикс костей и матрикс зубов; прозрачный матрикс роговицы; канатообразный матрикс сухожилий, выдерживающий огромные силы натяжения). Клетки составляют примерно 20% ткани, а остальные 80% составляет внеклеточный матрикс. Рассмотрим структуру внеклеточного матрикса.

Интегрины, дистрогликаны, рецепторы домена дискоидина - белки, пронизывающие мембрану клетки - клеточные рецепторы, взаимодействующие с межклеточной средой и передающие различные межклеточные сигналы (см. рисунок слева). Через них клетка обменивается сигналами с другими клетками через внеклеточный матрикс.

Далее следует базальная мембрана, отделяющая клетку от внеклеточного матрикса. То есть клетка не контактирует с внеклеточным матриксом напрямую. Базальная мембрана формируется ламинином (светлая пластинка) и коллагеном IV типа (темная пластинка). Связанные белком нидогеном, они образуют пространственную структуру, а также играют роль механической поддержки и защиты клеток. Фибронектин - гликопротеин, также отвечающий за структуру тканей, может формировать мультимерные цепочки, участвует в адгезии - то есть в сцеплении клеток. Также здесь находится молекула протеина перлекана. Она помогает поддерживать эндотелиальный барьер - физиологический барьер между кровеносной системой и центральной нервной системой. Протеогликан агрин играет ключевую роль в нейромышечном соединении, отвечая за доставку нервных импульсов к мышечным клеткам. 

Далее следует внеклеточный матрикс. Внеклеточный матрикс пронизан волокнами коллагена - это фибриллярный белок, составляющий основу соединительной ткани организма (сухожилия, кости, дерма, хрящи и т.д.), обеспечивая ее прочность и эластичность. Эластин формирует трехмерную сеть белковых волокон. Эта сеть не только важна для механической прочности тканей, но также обеспечивает контакты между клетками, формирует пути миграции клеток, вдоль которых они могут перемещаться. Изолирует разные клетки и ткани друг от друга. Например, обеспечивает скольжение в суставах. Аггрекан - протеогликановый хондроитинсульфат, который связывает воду, гиалуроновую кислоту и белки, а также формирует осмос. Соответственно наделяя соединительную ткань, в том числе межпозвоночные диски и хрящи устойчивостью к большим нагрузкам. Гиалуроновая кислота участвует в регенерации тканей, содержится во многих биологических жидкостях, в том числе в синовиальной. Отвечает за вязкость соединительной ткани. Гиалуроновая кислота в связке с аггреканом формирует устойчивость к компрессии. Также гиалуроновая кислота - это основной компонент биологической смазки и суставного хряща, в котором присутствует в виде оболочки каждой клетки хондроцита. В состав матрикса также входит вода. Вода на схеме обозначена голубыми волнами в самом низу схемы. Вода составляет 25% матрикса в костной ткани и до 90% в плазме крови. 

Коллаген VIIтипа играет роль связующего структурного элемента. Например, в коже - это якорные фибриллы, в связке дермы собственно кожи и эпидермиса. 

В самом внеклеточном матриксе находятся клетки, которые называются фибробластами. Это клетки, которые вырабатывают коллаген, эластин и протеогликаны. Также во внеклеточном матриксе могут находиться другие клетки: жировые, плазматические клетки, а в хрящах - хондробласты и хондроциты и т.д. в зависимости от типа ткани. 

При старении происходит изменение структур внеклеточного матрикса (см. картинку слева), вследствие чего нарушается функциональное состояние органов и тканей, развиваются разного рода патологии. Клетки перестают получать достаточное питание для их нормального роста и деления. Ухудшается нервная проводимость (связь между клетками), их мобильность. Мы называем это естественным процессом старения. Старение - это дисфункция, расстройство внутриклеточных взаимодействий, внеклеточных коммуникаций и систем прочих взаимосвязей. Болезнь - это расстройство, болезнь - это не отклонение от нормы. Старение - это болезнь. Способы устранения таких нарушений, а также методы их предотвращения являются одним из наиболее перспективных направлений современной геронтологии.

Всю жизнь человека матрикс стареет - коллагеновые волокна сшиваются. Но пока человек растет, концентрация "сшивок" разбавляется. Когда организм перестает расти, концентрация сшивок увеличивается, а матрикс становится все более жестким. Сшивки делают неэластичными сердце, сосуды и т.п.  Когда отвердение тканей из-за "сшивок" в матриксе достигает угрожающих жизни масштабов, человек умирает от старости. В этот момент омоложение клеток уже не спасет жизнь человека - это предел.

1998 год, Бристольский университет, Лэнгфорд, Великобритания. Вредные возрастные изменения во внеклеточном матриксе, которые проявляются в жесткости суставов, сосудистой системы и капилляров почек, а также сетчатки глаз происходят в первую очередь из-за межмолекулярного "сшивания" молекул коллагена внеклеточного матрикса. Образование таких белковых "сшивок" во внеклеточном матриксе может являться результатом воздействия радиации и свободных радикалов. Формирование перекрестных "сшивок" было продемонстрировано Верзаром еще более 40 лет назад. Сейчас уже известно, что этот процесс включает в себя два различных механизма: один строго контролируется с помощью ферментов в процессе развития и созревания, и происходит с постоянной скоростью, а второй случайный неферментативный, который зависит от многих факторов. Именно второй неферментативный известен, как гликация, включающий реакцию с глюкозой и с последующими продуктами окисления - является основной причиной ускоренного старения и испорченного коллагена внеклеточного матрикса в пожилом возрасте. Второй процесс может также ускоряться у больных сахарным диабетом из-за более высокого уровня глюкозы в анализах крови. Если бы на нас воздействовал только первый процесс, то старение протекало бы несколько медленнее.

Ссылка на исследование:

• www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/9883973

2001 год, Бристольский Университет, Великобритания. Внешнее старение проявляется, как морщинистая кожа, ухудшение состояния суставов, сокращение роста тела. Но мало того. Не только морщины. Аналогичные изменения происходят и во внутренних органах. Главным образом - в сердце, в сосудистой системе, в печени, в почках в легких и др. Внешние проявления старения тканей, происходящие в пожилом возрасте, прежде всего, зависят от двух основных структурных протеина организма: коллаген и эластин. Изменения в этих белках связаны с межмолекулярным сшиванием и модификациями боковых цепей. Однако новый коллаген и эластин образуется очень медленно. 

Биологическое разнообразие коллагеновых тканей можно объяснить семейством молекул коллагена, которые в некоторой степени характерны для определенных органов или систем. Например, кости и сухожилия содержат преимущественно I тип коллагена, сосудистая система III тип, а хрящ II тип. Волокнистые базальные мембраны обладают IV типом. С возрастом в коже увеличивается III тип коллагена. 

Для подтверждения роли конечных продуктов гликирования в пагубном влиянии на функционирование тканей был проведен эксперимент. Вводились конечные продукты гликирования в ткани крыс. В последствии в тканях крыс были выявлены проявления возрастных диабетических изменений, хотя у крыс глюкоза была всегда в норме, а значит не могло быть повышенной глюкозы в крови, и не могло быть диабета.  

При сердечно-сосудистых заболеваниях конечные продукты гликирования вызывают формирование ковалентных связей "сшивок" с аминогруппами коллагена, что является причиной потери эластичности сосудов и захвата ЛПНП стенками артерий. Конечные продукты гликирования также могут вызывать гликирование ЛПНП, что может способствовать их окислению. Окисленные ЛПНП являются одним из основных факторов в развитии атеросклероза. Более того конечные продукты гликирования могут связываться с рецепторами конечных продуктов гликирования (RAGE) что вызывает оксидативный стресс и активацию воспалительных реакций в эндотелиальных клетках сосудов. Интересно, что телмисартан снижает уровень рецепторов конечных продуктов гликирования у пациентов с эссенциальной гипертензией (www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/16271939).

Высокие уровни конечных продуктов гликирования были обнаружены в плазме и в коронарных артериях пациентов с историей курения. Предположительно из-за проглатывания конечных продуктов гликирования, образующихся при отверждении табака. Основными причинами смерти курильщиков являются инфаркт миокарда и легочные заболевания. А нахождение конечных продуктов гликирования указывает на ускоренное старение внеклеточного матрикса курильщиков.

Недавно ученые проанализировали ткани аорты больных сахарным диабетом на наличие перекрестных связей гликирования и продемонстрировали значительную корреляцию с увеличением жесткости аорты. Установив роль гликирования в усилении жесткости аорты, ученые изучили образование конечных продуктов гликирования в изолированном чистом эластине. Эластин, как известно, отвечает за эластичность артерий, которая снижается с возрастом. Было показано, что гликирование эластина снижает его функциональные свойства. 

Существуют ряд препаратов, которые частично снижают образование конечных продуктов гликирования на различных уровнях в организме. Если рассматривать только те вещества, которые могут продлевать жизнь, то среди них можно выделить метформин (www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC3762829), таурин, сульфорафан из брокколи (www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/26461301), витамин b6 (www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC3762829), рамиприл (www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/15930093), доксициклин (www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/9972141). Вероятно одни из самых сильных среди них являются витамин B6 и доксициклин, а также сульфорафан.

Чрезмерное и многократное воздействие ультрафиолетового излучения от солнца вызывает преждевременное старение кожи, которое проявляется в виде морщин, измененной пигментации, аномальных изменений эластина и коллагена, проявляется в повышением синтеза разрушающих коллаген матриксных металлопротеиназ.

"Расшивка" поломанного коллагена осуществляется специальным ферментом - матриксная металлопротеиназа 1 (MMP-1). Однако под воздействием ряда факторов MMP-1 не способен расщеплять эти структуры. В результате нити коллагена накапливаются в межклеточном пространстве и являются причиной появления морщин. В том числе существует тканевый ингибитор матриксных металлопротеиназ 1 (TIMP-1), который регулирует уровень MMP-1. TIMP-1 может быть маркером старения или преждевременного старения 

Ссылки на исследования:

• www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/11322995
• www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/22385081

2015 год, Университет Мартина Лютера Галле-Виттенберг, Германия. С одной стороны конечные продукты гликирования ускоряют старение и вызывают ряд возраст-зависимых заболеваний. С другой стороны конечные продукты гликирования могут заблокировать некоторые виды опухолей: например, заблокировать рост опухоли легкого через механизмы гормезиса. Поэтому чрезмерное подавление конечных продуктов гликирования, например, с помощью альфа-липоевой кислоты, может улучшать выживание раковых опухолей (www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/27075625) (www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/18926695) (www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/22785389). И в этом случае лучше применять ингибиторы конечных продуктов гликирования со свойствами митогорметинов (www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4036400) - например, сульфорафан из брокколи (www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/15764812).

Ссылка на исследование:

• www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/25536383

Известно, что при дефиците эстрогена обмен веществ в коже ухудшается, чем объясняется, к примеру, замедление заживления ран у пожилых людей. То же самое наблюдается у курильщиков. Молекулярные механизмы данных процессов мало изучены. Группой Таллера было показано, что в регуляции данных изменений принимает участие фермент матриксная металлопротеиназа (MMP-13). В целом матриксные металлопротеиназы - семейство внеклеточных цинк-зависимых эндопептидаз, способных разрушать все типы белков внеклеточного матрикса. Они участвуют в ремоделировании тканей, ангиогенезе, пролиферации, миграции и дифференциации клеток, апоптозе, сдерживании роста опухолей. Исследования показали, что табачный дым и дефицит эстрогенов увеличивали активность ММР-13 у старых мышей. При этом активность тканевых ингибиторов металлопротеиназы (TIM-13), которые подавляют MMP-13, была одинаковой во всех группах. 

Ссылка на исследование:

• www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/19602952

2012 год, Университет Мюнстера, Германия. Долгоживущие волокна коллагена во внеклеточном матриксе кожи человека заменяются в течение 10 лет. Они в основном повреждаются гликированием. Впервые гликированный коллаген в коже начинает наблюдаться в возрасте 20 лет. Ежегодно он накапливается, и его доля растет на 3,7% в год. Уже к 80 годам доля гликированного коллагена увеличивается до 30-50%. Низкокалорийная диета может эффективно снижать скорость накопления конечных продуктов гликирования в организме человека.  

Ссылка на исследование:

• www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/23467327

Если внеклеточный матрикс — важный компонент в старении, то матриксные металлопротеиназы его разрушают. А доксициклин — единственный ингибитор матриксных металлопротеиназ, одобренный в США и используемый в клинике широко годами, который ингибирует матриксные металлопротеиназы в дозах ниже антимикробных — 20-50 мг в сутки. До сих пор, Periostat (действующее вещество-доксициклина гиклат) является единственным ингибитором матриксных металлопротеиназ, который был одобрен в США (FDA). Он используется для лечения периодонтита. У других ингибиторов матриксных металлопротеиназ наблюдались серьезные побочные эффекты в ходе доклинических исследований. Эти побочные эффекты вызваны недостаточной селективностью. Матриксные металлопротеиназы рассматриваются как перспективные мишени для терапии рака. Доксициклин ингибирует матриксные металлопротеиназы-2 и матриксные металлопротеиназы-9. Экспрессия и активность матриксных металлопротеиназ-2 и матриксных металлопротеиназ-9 часто повышена при раке человека. 

2012 год, Университет Небраски, Омаха, США. Доксициклин может почти на 40% продлевать максимальную и среднюю продолжительность жизни мышам с аневризмой аорты, а сочетании с лозартаном отменяет прогрессирование заболевания (см. картинку слева). Этот эффект происходит за счет того, что доксициклин ингибирует матриксные металлопротеиназы-9 и матриксные металлопротеиназы-2, а также снижает Трансформирующий Фактор Роста-β, который участвует в эпителиально мезенхимальном переходе, вызывающем фиброз - утрату органом его функции в результате разрастания соединительной ткани с появлением рубцовых изменений. Также доксициклин в дозе 100 мг 2 раза в сутки в течение 24 месяцев, лучше совместно с пробиотиками, может тормозить на 40% прогрессирование аневризмы брюшной аорты и сосудов головного мозга у людей, как было показано в рандомизированном контролируемом исследовании на 258 пациентах в возрасте ≥55 лет. У пациентов с аневризмой аорты после лечения доксициклином в течение 6 месяцев, матриксные металлопротеиназы-9 в плазме крови увеличились всего на 14%, тогда как у пациентов без лечения — на 83%.

Ссылки на исследования:

• www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/22550139
• www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/20189193
• www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/18632241

Доксициклин ингибирует матриксные металлопротеиназы-9 и матриксные металлопротеиназы-2. Матриксные металлопротеиназы-9 и матриксные металлопротеиназы-2 приводят к деградации коллагена IV типа - это необходимое условие для метастазирования и прогресса большинства раковых опухолей. Также матриксные металлопротеиназы активизируют Трансформирующий Фактор Роста-β, который участвует в эпителиально мезенхимальном переходе с последующим фиброзом - это ключевой процесс, вовлеченный в метастазы рака. К тому же матриксные металлопротеиназы-2 повышают ангиогенез - важное условие для питание раковых опухолей кровью. Именно поэтому минидозы доксициклина 20-40 мг в сутки — мощное средство для профилактики многих видов рака — активно идут клинические испытания на людях. Подробно читайте здесь.

Ссылки на исследования:

• www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/27900107
• www.clinicaltrials.gov, number NCT01811992

2013 год, Университет Джона Хопкинса, США. Фиброз печени - утрата печенью ее функции в результате разрастания соединительной ткани с появлением рубцовых изменений - наблюдается часто во время старения. Трансформирующий Фактор Роста-β участвует в эпителиально мезенхимальном переходе с последующим фиброзом печени. Дефицит витамина D распространен у больных с тяжелым фиброзом печени. Биологически активный витамин D подавляет образование коллагена I типа в печени, блокируя Трансформирующий Фактор Роста-β. Коррекция дефицита витамина D в анализах крови у пациентов с хронической болезнью печени является потенциальной терапией для подавления прогрессирования фиброза печени. Это важно, так как именно стареющий матрикс механически активизирует TGF-β по данным исследований 2014 года Университета Торонто, Канада.

Ссылка на исследование:

• www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/23413886
• www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/25332161

Фиброз — это разрастание коллагена с появлением рубцовых изменений в различных органах, возникающее, как правило, в результате хронического воспаления в процессе старения. Фиброз любого органа предшествует потере органом его функции. Основные участники фиброза — это фибробласты и коллаген (коллаген первого и третьего типа). Один из важных стимуляторов фиброза — это гормон ангиотензин II, который повышается у людей с повышенным артериальным давлением. Поэтому люди с повышенным артериальным давлением стареют быстрее. Также на фиброз тканей влияет гормон альдостерон, который тоже повышен у людей с повышенным артериальным давлением. Также механическое перенапряжение сердца при высоком артериальном давлении и повышение активности гормона ангиотензина II, приводят к активности TGF beta, который стимулирует фиброз. Поэтому многие лекарства от повышенного артериального давления тормозят разрушение сердца от фиброза тканей.

Ссылки на исследования:

• www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/7935686
• https://en.wikipedia.org/wiki/TGF_beta_1
• www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/12529270
• www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/14679171
• www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/16563223
• www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/16799085

2014 год, Национальная Больница Тайваньского Университета. Сочетание пентоксифиллина с иАПФ или сартанами еще более эффективно для лечения хронической почечной недостаточности, для снижения уровня протеинурии и смертности. Мета-анализ 2015 года - сочетание пентоксифиллина с сартанами (либо с иАПФ) безопасно. Пентоксифиллин при запущенной степени хронической почечной недостаточности защищал почки лучше, чем монотерапия лекарствами группы сартаны или иАПФ. Комбинация пентоксифиллина с иАПФ может почти полностью заблокировать прогресс заболевания почек. Прогресс в терминальной стадии почечной недостаточности характеризуются диффузным фиброзом. TGF-β1 (трансформирующий фактор роста-β) - ключевой посредник почечного фиброза, который действует через CTGF. Пентоксифиллин - мощный ингибитор фактора роста соединительной ткани (CTGF), несмотря на постоянный уровень TGF-β1 из-за активации ангиотензином II.

Ссылки на исследования:

• www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/24512756
• www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/258622372015
• www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/26082272

Мы можем ускорить старение матрикса, питаясь едой с высокой гликемической нагрузкой, употребляя в пищу много конечных продуктов гликирования, много полиненасыщенных жирных кислот, ведя малоактивный образ жизни, либо чрезмерно сильно злоупотребляя физическими нагрузками. А все, что продлевает жизнь животным - замедляет старение матрикса.

Исследования  молекулярных механизмов показывают, что чрезмерная активность рецепторов AGE (рецепторы конечных продуктов гликирования, которые активируются конечными продуктами гликирования) подавляет действие оптимальногоИФР-1 на продление жизни. Это хорошо показано на картинке (картинка взята из презентации Москалева А.).  Тогда возникает вопрос, а могут ли конечные продукты гликирования помешать продлевать жизнь различными диетами? Конечные продукты гликирования (AGEs) связываются с рецепторами конечных продуктов гликирования (RAGE).Активация рецепторов конечных продуктов гликирования (RAGE) повышает воспаление, которое ускоряет старение. sRAGE - эндогенные ингибиторы активности RAGE. AGEs и RAGE повышены при диабете. Блокада активации RAGE с помощью sRAGE снижает сосудистую проницаемость, снижает развитие атеросклеротических поражений и усиливает заживление ран у больных сахарным диабетом грызунов. Сейчас даже можно купить набор реагентов для количественного определения рецептора конечных продуктов гликозилирования (sRAGE) методом иммуноферментного анализа для биохакера (www.biochemmack.ru/catalog/element/13916/16581)

Ссылки на исследования:

• www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/20478906
• www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4808855

В исследованиях на мышах, проведенных в Медицинской школе Маунт Синай (США), 2007 г., было показано, что диета с сокращением одного из самых распространённых конечных продуктов гликирования  (N(e)-(карбоксиметил)лизина (sCML) была достаточна,  чтобы значительно увеличить среднюю и максимальную продолжительность жизни животных (на 15 и 6% соответственно). Мыши, в рационе питания которых снижали содержание продуктов с большим количеством конечных продуктов гликирования,  жили значительно дольше (см. график слева). Кроме того,  у мышей  с  низким уровнем конечных продуктов гликирования в рационе питания  удалось значительно снизить вес тела. Это показывает, что лишний вес — это не только следствие потребления большого количества калорий с пищей, но и следствие высокого потребления  конечных продуктов гликирования.

Ссылки на исследования:

• www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/17525257
• www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/15281050
• www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/23999505

Но вот важный факт! В следующем исследовании, проведенном сотрудниками Медицинской школы Маунт Синай (США) в 2008 г.,  было показано, что если низкокалорийный рацион составляли так, что в нем было конечных продуктов гликирования столько же, сколько было без сокращения калорий, то эффекта продления жизни животных не наблюдалось, продолжительность жизни даже незначительно сокращалась (см. график слева).  Из этого можно сделать вывод, что скорее всего, эффект продления жизни обусловлен уменьшением конечных продуктов гликирования в рационе. Ведь, съедая меньше пищи, мы съедаем и меньше конечных продуктов гликирования, если не менять сам рацион, а только уменьшать количество съеденного. 
Какое практическое значение это может для нас иметь? Если сократить прием с пищей углеводов, но при этом употреблять жареную, запечённую пищу, долго хранившиеся  жиры или жиры от возрастных  животных, то ожидаемого увеличения продолжительности жизни не будет. 

Ссылка на исследование:

• www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/18599606

Сторонники кетодиет любят жареную пищу и не верят, что она вредна. При жарке в пище образуется рекордное количество конечных продуктов гликирования, о чем будет идти речь ниже. Однако приверженцы кетодиет считают, что они не усваиваются из пищи, и полагают, что это какие-то другие конечные продукты гликирования. В последнее время даже стали сомневаться, что конечные продукты гликирования вредны.

Это те же конечные продукты гликирования — AGE-производные метилглиоксаля (sMG) и N(e)-(карбоксиметил)лизин (sCML). Диетическое потребление конечных продуктов гликирования связано с их обнаружением в крови (смотрите результаты исследований, приведенные ниже). Хотя эти вещества могут мешать выживать некоторым видам рака, тем не менее они и вызывают через индукцию воспаления эти же виды рака, а также через воспаление и через действие на рецепторы АТ1 (гормона ангиотензина II) вызывают (www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/15569303) гипертоническую болезнь и атеросклероз.

Но действительно ли конечные продукты гликирования из пищи попадают в кровь? Сотрудники Медицинской школы Маунт Синай (США) в 2007 г. провели исследование 172 молодых (< 45 лет) и более старшего возраста (> 60 лет) здоровых людей для того, чтобы определить, отличалось ли содержание в крови конечных продуктов гликирования AGE-производных метилглиоксаля (sMG) и N(e)-(карбоксиметил)лизина (sCML) в этих двух возрастных группах. Также изучали влияние (независимо от возраста) потребления конечных продуктов гликирования с пищей на их количество в крови, их связь с воспалением. Повышенное потребление с пищей конечных продуктов гликирования (но не калорий) независимо от возраста коррелировало с повышенным уровнем конечных продуктов гликирования в крови и с повышением маркера воспаления (уровня С-реактивного белка).

Такой же вывод был сделан и годом ранее у пациентов с почечной недостаточностью. В 2003 г. сотрудники Медицинской школы Маунт Синай (США) провели исследование. Двадцать шесть пациентов с недиабетической почечной недостаточностью на диализе были разделены на две группы. Первая группа получала диету с высоким, а вторая — с низким содержанием конечных продуктов гликирования в течение четырех недель. Затем в течение трех дней в крови натощак и в моче определяли наличие таких конечных продуктов гликирования, как AGE-производные метилглиоксаля (sMG) и N(e)-(карбоксиметил)лизин (sCML). Содержание конечных продуктов гликирования зависело от потребления конечных продуктов гликирования с пищей. 

Ссылки на исследования:

• www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/17452738
• www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/12595509

Но почему конечных продуктов гликирования много именно в жареном, печеном и в несвежих продуктах животного происхождения? В 2013 г.  сотрудниками Медицинской школы Маунт Синай (США) в течение нескольких лет проводилось крупное исследование. Изучали влияние конечных продуктов гликирования из  пищи на здоровье, сравнивая продукты питания, получившие термическую обработку: кипячение (100°С), поджаривание (225°С), жарку во фритюре (180°С), выпекание в духовке (230°C) и обжарку (177°С).  Выяснилось, что чемпионом  по содержанию  конечного продукта гликирования  карбоксиметиллизина является жареный бекон. В 100 грамм жареного бекона содержится столько карбоксиметиллизина, сколько наша глиоксалазная система способна обезвредить только за неделю. Кусок жареного бекона снабжает организм таким количеством карбоксиметиллизина, которое в несколько раз превышает количество карбоксиметиллизина во всех других продуктах питания, съеденных за день.

Ссылка на таблицу из исследования о содержании КПГ (карбоксиметиллизина) в продуктах питания:

• www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC3704564/table/T1

Стараться полностью исключить конечные продукты гликирования из пищи не нужно, глиоксалазная система организма успешно с ними справляется.  Сульфорафаниз брокколи очень мощно стимулирует  эту систему. Нужно просто не допускать переизбытка конечных продуктов гликирования в нашем организме. Для этого достаточно не употреблять в пищу продукты с  высоким гликемическим индексом(сладости, мучное и др.), так как они вызывают гликирование именно в самом организме, а также нужно по возможности есть сырые продукты питания — особенно овощи. Чем дольше продукты проходили термическую обработку, и выше была температура их приготовления, тем больше в них конечного продукта гликирования (карбоксиметиллизина). Это хорошо видно на следующем рисунке и показано в таблице (см. таблицу внизу).  Так в сырой курице мало конечных продуктов гликирования. В варёной курице, приготовленной в микроволновой печи или тушёной — уже больше. А в жареной, и тем более, в приготовленной в духовом шкафу — ещё больше.

Самый распространенный способ обогащения пищи конечными продуктами гликирования — это поджаривание пищи, запекание и другие способы высокотемпературной обработки. Чем дольше и чем при больших температурах готовится пища, тем больше в ней этих веществ,  поэтому рекомендуют пользоваться микроволновыми печами. Поэтому лучше всего овощи употреблять в пищу сырыми, каши не варить, а запаривать, а мясо варить, но не запекать и не жарить. Например, количество конечного продукта гликирования (карбоксиметиллизина)  в куриной грудке в зависимости от способа термической обработки меняется (см. таблицу).

2015 год, Гарвардский Институт стволовых клеток и Принстонский Университет, США. Интервенции, которые задерживают старение, мобилизуют механизмы, которые защищают и восстанавливают клеточные компоненты. Но было неизвестно, как эти интервенции могут замедлить старение внеклеточного матрикса. В этом исследовании было показано, что разнообразные генетические, диетические или фармакологические вмешательства, продлевающие жизнь, задерживают также возрастное снижение экспрессии коллагена. То есть замедляют старение внеклеточного матрикса.

Ссылка на исследование:

• www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/25517099

2012 год, Институт Сердца Святого Луки больницы Канзас-Сити, Миссури, США. При чрезмерной физической нагрузке в сердечной мышце повышался уровень коллагена — прогрессирует фиброз - разрастание коллагена во внеклеточном матриксе, которое приводит к его деградации. Более 30 небольших подобных исследований нашли патологический фиброз в сердцах (при МРТ) у 6 из 12 «бессимптомных» мужчин, которые на протяжении всей жизни занимались чрезмерно длительными нагрузками на выносливость. Но не нашли патологический фиброз в сердцах у молодых спортсменов тренирующихся на выносливость, а также не нашли в контрольной группе, подобранной по возрасту, подобному тем мужчинам, которые всю жизнь занимались чрезмерным бегом. То есть, похоже, марафонцы приобрели фиброз сердечной мышцы из-за чрезмерных тренировок. Исследование 47 марафонцев показало, что у них достоверно выше скорость распространения пульсовой волны и жесткость аорты в сравнении с контрольной группой, малоактивных людей. Малоподвижный образ жизни плохо действует на сердце. Но даже артерии малоактивных людей были более эластичные, чем сердца марафонцев. Эластичность напрямую завязана на кальцификацию и сшивки из-за гликирования

Ссылка на исследование:

• www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC3538475

Троксерутин — ингибитор гиалуронидазы и может повышать уровень гиалуроновой кислоты в тканях. Гиалуроновая кислота - важный компонент внеклеточного матрикса. Это должно быть хорошо для кожи и для защиты от рака. У голого землекопа (см. рисунок слева) один из важных онкопротекторных механизмов - это избыток гиалуроновой кислоты в тканях. Повышенная активность гиалуронидазы (фермента, расщепляющего гиалуроновую кислоту) характерна для многих клеточных линий метастазирующих злокачественных опухолей. Делаются попытки использовать препараты, подавляющие активность гиалуронидазы, в качестве противоопухолевых средств. Раковая опухоль, чтобы вторгнуться здоровую ткань, секретирует матриксные металлопротеиназы, которые разрушают коллаген, а также стимулируют секрецию гиалуронидазы - фермента, разрушающего гиалуроновую кислоту. Если ингибировать троксерутином гиалуронидазу, а доксициклином матриксные металлопротеиназы, то будем не только выглядеть моложе, но и сильно осложним раковым опухолям жизнь. Во многих случаях они просто не смогут вырасти.

Ссылки на исследования:

• www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/19519390
• www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/?term=naked+mole-rat+interferon

Старый матрикс заставляет наши клетки стареть. А молодой матрикс может омолодить старые клетки до молодого состояния. То есть для того, чтобы победить старение вполне достаточно научиться омолаживать матрикс. Но мы умеем омолаживать клетку, и не умеем омолаживать матрикс. 

2011 год, Лондонский Университет, Великобритания и 2013 год, Научно-исследовательский институт Лернера, США. Жесткость матрикса влияет на миграцию, пролиферацию и выживаемость клеток. Образование поперечных сшивок внеклеточного матрикса имеет важнейшее значение для подвижности клеток. Внеклеточный матрикс подает физические сигналы клеткам, вызывая изменения их формы, их подвижности, меняя транскрипцию генов, регулируя миграцию и дифференцировку клеток. Таким образом состояние и здоровье клеток зависит от состояния внеклеточного матрикса. Также внеклеточный матрикс выполняет роль проводника электрического импульса в сердце и не только. А его старение приводит к нарушению сердечной проводимости, к аритмиям и смерти. Благодаря пролину молекулы коллагена внеклеточного матрикса проводят слабые электромагнитные волны, генерируемые клетками и тканями, и, возможно, в дополнение к механическим и химическим сигналам, формируют единую биоэлектрическую сигнальную систему организма. Интересно отметить, что, меняя топографию среды или электромагнитное излучение, можно не только управлять клеточным циклом, но и превращать взрослые соматические клетки в стволовые без помощи вирусов с вектором факторов Яманака. Механизмы влияния механической жесткости внеклеточного матрикса на здоровье, старение и омоложение стволовых и специализированных клеток хорошо изучены в сотнях исследований с которыми можно ознакомиться здесь.

Ссылки на исследования:

• www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/21307119
• www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/23143224
• www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/25678907

Внеклеточный матрикс подвергается модификациям (гликированию, карбамилированию, а самое главное — окислению продуктами перекисного окисления липидов (www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/9680171). При этом внеклеточный матрикс гораздо труднее обновлять (это доказанный факт, оборот коллагена очень медленный — примерно 5 раз за жизнь), а постаревший матрикс через механосенсоры влияет крайне негативно на стволовые клетки (www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/21307119) (www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/23143224). По словам А. Фединцева: "Что же касается старения и нестарения, то тут все сложнее. Старение — это накопление таких повреждений, что потом сказывается в резком снижении жизнеспособности, а нестарение — это когда повреждения не копятся. Таким образом, старение и нестарение - это два режима управления макромолекулярными повреждениями. Мы или копим повреждения и поначалу почти не умираем, либо не копим повреждения, имеем постоянную, но относительно высокую смертность, которую можно уменьшить, повысив преобладание жирных кислот с более низким индексом пероксидации в составе клеточных мембран".

Взрослые стволовые клетки можно омолодить, выращивая их в молодой среде - по крайней мере, у мышей по данным статьи, опубликованной в 2011 году в журнале NewScientist. Мезенхимальные стволовые клетки находятся в костном мозге у взрослых людей и могут дифференцироваться в различные типы клеток. Эти клетки имеют большой потенциал, но в целом их качество и количество уменьшается с возрастом. И вот Сяо-Дон Чэнь из Научного центра здоровья Техасского Университета в Сан-Антонио со своей командой взяла мезенхимальные стволовые клетки у 3-х месячных (молодых мышей) и у 18 месячных (старых мышей). 

• Когда клетки и старых и молодых мышей пытались выращивать в старом внеклеточном матриксе, то старые оставались такими же, а молодые клетки старели - оба вида клеток показывали лишь 4,1 и 3,8 кратное расширение соответственно.
• Но когда клетки и старых и молодых мышей пытались выращивать в молодом внеклеточном матриксе, то старые клетки молодели - оба вида клеток показывали 16,1 и 17,1 кратное расширение соответственно.

Эти данные показали, что можно брать старые стволовые клетки от старых людей и выращивать их на молодом внеклеточном матриксе. В этом случае старые клетки опять омолаживаются, что также было подтверждено в 2014 году учеными из Университета Падуи, Италия (www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/24418517). Интересно, что омолодить гемопоэтические стволовые клетки можно с помощью циклов голоданий. У мышей 6 циклов голоданий по 3 дня каждые 2 недели, снижают гормон роста и ИФР-1, что вызывает активацию фактора транскрипции FOXO1, омоложение гемопоэтических стволовых клеток до уровня молодых (восстанавливая их регенеративную функцию, снижая их окислительный стресс, и защищает их ДНК от повреждений, снижая гибель гемопоэтических стволовых клеток, восстанавливая соотношения миелоидно-лимфоидной ориентации и др.) (www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/25072352). Ключевая роль внеклеточного матрикса в регулировании поведения клеток - это уже устоявшийся факт, и эта концепция особенно важна для стволовых клеток, которые определяются уникальной и специализированной нишей, в которой внеклеточный матрикс играет важнейшую роль. Это может означать, что основная, хоть и не единственная, причина старения, возможно, кроется не в клетке, а во внеклеточном матриксе. "Cуть старения в том, что клетки умеют обновляться, а внеклеточный матрикс не умеет. Поэтому половая линия клеток и не стареет, т. к. при рождении и росте ребенка, внеклеточный матрикс создается с нуля. В попытках объяснить старение мы слишком сильно фокусируемся на клетках. Клетки нашего организма, видимо, действительно могут омолаживаться «сбрасывая повреждения» во внешний мир. А внешний мир - это межклеточное пространство (внеклеточный матрикс) с его белками. При этом эти белки портятся. Это и есть старение. Поэтому ребенок и рождается молодым у старых родителей, так как эмбрион строит заново межклеточное пространство» (Примечание: автор цитаты Александр Фединцев)

Ссылки на исследования:

• www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/16672370
• www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0262407911622008

Это не значит, что устранить повреждения матрикса не возможно. Эволюции просто было «не выгодно» решать эту проблему у многих видов животных в рамках старого организма. Эволюция научилась обходить эту проблему другим более простым способом. Одна из клеток создает нового ребенка, организм которого отстраивает для себя новый внеклеточный матрикс с нуля. Почему эволюция пошла другим путем? Вероятно просто незачем разрабатывать сложные механизмы омоложения матрикса, когда в дикой природе особи не живут столько, чтобы умирать от его дисфункции. Животные просто чаще всего не доживают до старости. Например, львы в природе дольше 16 лет не живут. А в неволе способны жить до 27 лет. Если старение затрагивает 1% животных, а для замедления старения должно быть отдано в жертву 10% молодых животных, то замедление старения не будет поддержано естественным отбором в процессе эволюции. Голый землекоп медленно стареет, зато массово умирает не от старения в молодости, в сравнении с молодой мышью. Люди с синдромом Ларона медленно стареют, но часто умирают и имеют много недостатков. Циклы голоданий продлевают жизнь, но снижает стрессоустойчивость. Нематоды daf2 долго живут на плоскости, но быстро вымирают в 3d мире и тд и тп. Можно устроить большой террор, вычищать малейший мусор и не стареть, но тогда понизится стрессоустойчивость.

Ссылка на исследование:

• www.nature.com/articles/362595a0

Эволюция научилась обходить старение матрикса простым способом. Одна из клеток создает нового ребенка, организм которого отстраивает для себя новый матрикс с нуля. А бессмертные планарии все время растут и делятся, концентрация их "сшивок" разбавляется по мере роста животных. Это не значит, что устранить повреждения матрикса не возможно. Научиться омолаживать матрикс - это задача на следующие 20-30 лет. 

Даже, если клетки организма будут омолаживаться (либо только половые через мейоз, либо все через эпигенетическое репрограммирование), то омоложение организма не наступает во взрослом возрасте. Это происходит потому, что помимо клеток стареет наш внеклеточный матрикс.

Когда у старых родителей рождается новый ребенок, то эмбрион строит заново свой матрикс, а клетки, из которых формируются зигота, умеют обновляться. В то же время мы знаем, что матрикс вполне способен оказывать влияние на жизнеспособность клеток. Старый матрикс старит наши клетки www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/21307119) (www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/23143224). Даже незначительные изменения модуля сдвига и вязкоупругости внеклеточной среды оказывают сильное влияние на клетки – «старый» внеклеточный матрикс может существенно ограничивать эффективность применения сенолитиков и терапии стволовыми клетками. Так, «молодые» фибробласты стремительно стареют в старом матриксе и наоборот – «старые» клетки утрачивают признаки связанного со старением секреторного фенотипа в «молодом» матриксе. К тому же в результате реакции неферментативного гликирования образуются конечные продукты гликирования (AGEs), которые вызывают старение матрикса,  взаимодействуют с рецепторами RAGE, вызывают воспаление, способствуют активизации пути рапамицина mTOR, а также вызывают гипертоническую болезнь через активацию рецепторов ангиотензина AT1 и вносят вклад в патогенез почти всех возраст - зависимых заболеваний (болезнь Альцгеймера, рак, атеросклероз, диабет). Однако, если клетки освободить от старого внеклеточного матрикса, то они могут самоомолодиться, как было показано в исследовании 2008 года, Гетеборгского Университета в Швеции. Но клетки в старом внеклеточном матриксе самообновляться не могут.

Если стареет наш внеклеточный матрикс, накапливаются сшивки коллагена, то может быть можно их разрушать и омолаживать наш матрикс?  1998 год, Отделение эндокринологии, институт сердечно-сосудистых исследований Маастрихт и Университет Маастрихт, Нидерланды, 2012 год, Отделение анестезиологии и реаниматологии, Медицинское учреждения Джона Хопкинса, Балтимор, США. Была сделана попытка омоложения внеклеточного матрикса крыс с помощью Алагебриума (Alagebrium) и физических упражнений. В результате у крыс сердце и сосуды стали более эластичными, стали моложе. С одной стороны замедление накопления новых сшивок коллагена упражнениями и "разбивка" уже сформированных "сшивок" с помощью Алагебриума может представлять собой терапевтическую стратегию для возрастной желудочковой и сосудистой жесткости - омоложения внеклеточного матрикса. Однако в данных исследованиях речь не идет о том, что алагебриум разрушил все поперечные сшивки.  Существует очень большое количество видов поперечных сшивок. Многие из них еще не известны. И алагебриум разрушает лишь малый процент — один вид нестабильных сшивок (www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/16706655). Отсюда небольшие временные улучшения у крыс. Тем не менее другие виды будут накапливаться и алагебриум уже не будет приносить пользы. 

Стареющий внеклеточный Матрикс человека имеет разные поперечные сшивки. Их очень много разных видов — известно около 20, но это далеко не все. Многие еще не изучены. Глюкосепан — один из них и самый частый у людей. Алагебриум его не расщепляет (www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/16706654). На данный момент группа Дэвида Шпигель из Йельского Университета работает над синтезом антител против содержащих глюкосепан белков. Однако, есть вероятность, что ни антитела, ни энзимы, по причине своих размеров, не смогут проникнуть между фибриллами коллагена. Более того, разорванные поперечные сшивки коллагена восстанавливаются после окончания приема препарата, что будет требовать повторный курс терапии. Поэтому искусственные энзимонтоподобные катализаторы, размеры которых могут быть в несколько раз меньше размеров оригинальных энзимов – видятся более интересной альтернативой. Подобные молекулы с заданной каталитической активностью – спиролигомеры (spiroligomeres) разрабатывает группа Христиана Шафмейстер из Темпльского университета. Глюкосепан встречается в человеческих тканях минимум в 10 раз чаще, чем другие даже самые часто встречающиеся вещества, образующие поперечные сшивки. И в 1000 раз чаще, чем редко встречающиеся. Но и при этом глюкосепан все равно составляет лишь около 20% сшивок человека. И даже если мы научимся разрушать глюкосепан — это лишь временная отдышка от прогрессирования старение и небольшое временное улучшение. У более короткоживущих животных доминируют другие вещества, образующие сшивки. Так у грызунов в организме доля альфа-дикетоновых сшивок выше, чем у человека. А алагебриум разрушает именно альфа-дикетоновые сшивки, а конкретно - карбоксиметиллизин, самый распространённый поздний продукт реакции Майяра, накапливающийся в организме при диабете. Поэтому он лучше действует на грызунов. Но и глюкосепан и альфа-дикетоновые сшивки — это все равно лишь малый процесс всех сшивок, которых известно много видов, а многие виды просто еще не обнаружены. Поэтому алагебриум лишь немного помогает грызунам. Но задачу "разрушить все излишние сшивки" он не решает. По мере накопления других сшивок, процесс деградации коллагена алагебриумом все же не остановить даже и у грызунов. И чем больше живут животные, тем больше накапливается в них именно глюкосепан из известных. Даже если грызунам разрушить альфа-дикетоновые сшивки, то глюкосепановые сшивки все равно будут накапливаться и повредят коллаген. А кроме них еще много других сшивок. И на их изучения нужно потратить годы. Примечательно, что одно из веществ, создающих поперечные сшивки — пентозидин, одинаково линейно накапливается и у людей и у грызунов. К 14 годам у «предельно старой» собаки обнаруживается примерно 40 условных единиц пентозидина на 1 мг коллагена, тогда как у мини-свиньи такого же возраста (но прожившей лишь половину своей жизни) — всего 15 единиц пентозидина. Мартышка может дотянуть до 40 лет и к 10 годам накапливает лишь 5 единиц пентозидина. У человека с максимальной продолжительностью жизни за сотню лет образование пентозидина идет еще медленнее. Однако к 60, когда межбелковые сшивки начинают серьезно влиять на наши шансы прожить каждый следующий год, кожа людей накапливает порядка 50 единиц пентозидина на 1 мг коллагена — больше, чем у любого из менее долговечных животных.

Суммарный итог всего этого следующий: к старости, когда индуцированное конечными продуктами гликирования отвердение тканей из-за сшивок достигает угрожающих жизни масштабов, роль альфа-дикетоновых сшивок в этом процессе (а значит, и в ухудшении функций организма) у долгоживущих видов вроде нашего не так велика, как, скажем, у собак и мартышек (не говоря уже о мышах) - просто потому, что стойких сшивок мы успеваем накопить гораздо больше, чем эти животные. В результате агенты, разрывающие альфа-дикетоновые мостики, несмотря на свою неизменно высокую эффективность на молекулярном уровне, оставляют у человека — по сравнению с модельными организмами - удручающе много других межбелковых сшивок. Этим и объясняется низкая эффективность алагебриума с точки зрения омоложения тканей, восстановления их былой эластичности и функциональной компетентности у людей (www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/21669961). 

Теперь самый важный вывод из всего. Важно подчеркнуть, что никакое единственное средство не спасет нас от появления межбелковых сшивок. Как было показано, гликирование ведет к образованию множества конечных продуктов гликирования с различной структурой. Так на грызунах альфа-дикетоновые сшивки — это лишь очень малая часть всех типов сшивок. Просто их доля больше, чем у людей, поэтому эффект заметнее. Вот и всего-то. Поэтому утверждение, что алагебриум у крыс разрушает сшивки - неверно. Алагебриум разрушает лишь малую часть подобных сшивок, которые в виде других видов все равно накапливаются. И алагебриум лишь чуточку улучшит здоровье крыс и продлит им жизнь не больше, чем многие замедлители накопления конечных продуктов гликирования.

Лекарство, расщепляющее любой конкретный тип сшивок, скорее всего, оставит большинство других сшивок нетронутыми. Ни одна молекула не способна атаковать сразу все различные по природе химические связи. Следовательно, как и в случае амилоидов, понадобится разработать целый спектр средств, каждое из которых будет действовать в лучшем случае на небольшую группу близких по структуре сшивок. 

Даже глюкосепан — самая обильная из известных на сегодняшний день сшивок в нашем организме, связывает всего только до 20% молекул важнейшего структурного белка коллагена у старых людей, не страдающих диабетом. А как обезвредить остальные 80%, многие из которых даже еще не известны? Типов сшивок коллагена очень много. Обычно в исследованиях рассматривают только сшивки, возникшие из продуктов Амадори - это карбоксиметил-лизин, пентозидин, глюкосепан. Удаление одного вида сшивок вполне может и не продлить жизнь значительно, так как сшивки возможно конкурируют друг с другом, и убрав одну, мы откроем вакантные места для других.

Ссылки на исследования:

• www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/22569357
• www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/9539789

Предварительный список белковых перекрестных сшивок стареющего внеклеточного матрикса: 

• Лизил-аргинин: glucosepane, pentosinane, GODIC (glyoxal-derived imidazolium cross-link), MODIC (methylglyoxal-derived imidazolium cross-link), DOGDIC (3-deoxyglucosone-derived imidazolium cross-link), DOGDIC-Ox (oxidized 3-deoxyglucosone-derived imidazolium cross-link)
• Lysyl-lysine: GOLD, MOLD, DOLD, crosslines, vesperlysine
• bis-Lysinamides: GOLA
• Lysine-glucose: fructoselysine
• Lysyl-oxdase: (PYD) pyridinoline, (DPD) deoxypyridinoline, (PYL) pyrrololine, (DPL) deoxy-pyrrololine

Перспективные биомаркеры для оценки старения матрикса с целью замедлить его старение и продлить себе жизнь: плазменный карбоксиметиллизин, сывороточный уровень карбокситерминального телопептида коллагена I типа, уровень амино-терминального пептида проколлагена III типа, сывороточного коллагена I типа, индекс пероксидации липидов, матриксные металлопротеиназы 9 типа, тканевые ингибиторы матриксных металлопротеиназ 1 типа, трансформирующий фактор-β (TGF-β).

Основными типами повреждения молекул внеклеточного матрикса считаются гликозилирование, или реакция Майяра и формирование поперечных сшивок. Гликозилирование - это реакция, в которой восстановленные сахара присоединяются к белку без участия ферментов (к амино-группам лизина и аргинина, которые вовлечены в построение пептидной связи).

Такое изменение может являться причиной утолщения  базальной мембраны, например, в мезангиальном внеклеточном матриксе почек, и приводить к почечной недостаточности при диабете, а также быть причиной возрастного снижения функции почек. Полагают, что этот механизм играет роль в сужении артерий, уменьшении сосудистого кровотока и снижении гибкости сухожилий.

Показано, что в коллагене кожи коротко- и долгоживущих видов животных уровень маркера гликозилирования пентозидина обратно пропорционален видовой максимальной продолжительности жизни. 1996 год, Университет, Кливленд, США. Существует ли универсальный процесс старения. Если такой процесс действительно существует, то можно было бы ожидать, что он развивается более высокими темпами в отношении короткоживущих видов. Ученые определили пентозидин, маркер гликоксидативного стресса в коллагене кожи от восьми видов млекопитающих как функцию возраста. Для всех видов моделировалось криволинейное увеличение, а скорость увеличения обратно коррелировала с максимальным сроком жизни. Можно предположить, что чем быстрее пентозидин сшивал коллаген в коже животных, тем быстрее они старели и меньше жили. Интересно, что оптимально-калорийное питание существенно замедляло накопление испорченного коллагена (маркера гликозилирования пентозидина) у грызунов. Конечные продукты гликирования (AGEs) связываются с рецепторами конечных продуктов гликирования (RAGE).Активация рецепторов конечных продуктов гликирования (RAGE) повышает воспаление, которое ускоряет старение. sRAGE - растворимые эндогенные ингибиторы активности RAGE. AGEs и RAGE повышены при диабете. Блокада активации RAGE с помощью растворимых sRAGE снижает сосудистую проницаемость, развитие атеросклеротических поражений и усиливает заживление ран у больных сахарным диабетом грызунов. Интересно, что Рамиприл защищает от накопления конечных продуктов гликирования за счет подавления RAGE с помощью увеличения растворимого sRAGE, а также рамиприл уменьшает накопление конечного продукта гликирования карбоксиметиллизина в коже крыс. (www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/15930093).

Ссылка на исследование:

• www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/8552666

Очень важно, что пентозидин увеличивается с возрастом в твердой мозговой оболочке. А это значит, что вполне вероятно, что если мы не остановим старение внеклеточного матрикса мозга, то не сохраним и мозг. Рано или поздно он просто состарится, как и тело, и начнется, что-то типа болезни Альцгеймера с последующей неминуемой гибелью мозга. Возможно, что болезнь Альцгеймера (старческое слабоумие, которое заканчивается смертью) мы никогда не научимся лечить потому, что даже бета-амилоид в мозге накапливается в том числе из-за старения внеклеточного матрикса. Важно, что потеря объема гиппокампа мозга, а также потеря памяти в результате синаптической дисфункции гиппокампа, являются важными диагностическими маркерами для наблюдения за прогрессированием болезни Альцгеймера.  Интересно, что лечение мышей с моделью болезни Альцгеймера с детского возраста, направленное на замедление старения внеклеточного матрикса гиппокампа головного мозга, снизило скорость накопления бета-амилоида в гиппокампе в течение их жизни, предупредило потерю памяти и других функций мозга (www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/24974208). И хотя модели трансгенных мышей не воспроизводят весь спектр патологических и клинических симптомов, наблюдаемых у больных болезнью Альцгеймера, они полезны для изучения процессов, предшествующих патологическим нарушениям памяти и пластичности, которые сопровождаются β-амилоидозом. Интересно, что сахарный диабет 2-го типа - модель ускоренного старения внеклеточного матрикса из-за гликирования. Сахарный диабет повышает риск болезни Альцгеймера. Так когнитивные нарушения или заболеваемость болезнью Альцгеймера были в 2 - 3 раза выше у пациентов с сахарным диабетом 2 типа (www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/28123476)

Поэтому, вполне возможно, что пока не победим старение, мозг не спасти от болезни Альцгеймера. И вполне возможно, что задача вылечить болезнь Альцгеймера - это тоже самое, что вылечить старение. То есть, если логика верна, то болезнь Альцгеймера - это и есть старение мозга. Заболевание амилоидоз также является результатом накопления ошибочных белков в виде плотных масс (амилоида) в межклеточном пространстве - последствия старения внеклеточного матрикса. Церебральное накопление бета-амилоида является одним из основных невропатологических признаков болезни Альцгеймера. Ранняя смертность от первичного амилоидоза существенно не изменилась за последние 25 лет, хотя долгосрочные результаты улучшились. Доксициклин ингибирует образование амилоидных агрегатов, а также разрушает предварительно сформированные амилоиды. Добавление доксициклина (100 мг 2 раза в сутки) к стандартной терапии амилоидоза у 30 пациентов (см. картинку слева) с первичным амилоидозом мощно снизило смертность по сравнению с 73 пациентами, которым доксициклин не давали. Лечение хорошо переносилось.

Ссылки на исследования:

• www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/11322995
• http://sci-hub.tw/10.1038/bcj.2017.26
• www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/28338670
• www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/20637283
• www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/19822780

Основным и наиболее точным методом количественной оценки конечных продуктов гликирования в организме сегодня считается метод хроматографии в сочетании с масс–спектрометрической детекцией. Масс-спектрометрия позволяет идентифицировать белки с высокой степенью достоверности и определять их количества в сложных белковых смесях.

2009 год, Университета Джона Хопкинса, США. Одним из перспективных биомаркеров, показывающих не только накопление конечных продуктов гликирования, но и увеличение риска смертности от всех причин, является плазменный карбоксиметиллизин. Карбоксиметил-лизин является одним из доминирующих КПГ в организме, как циркулирующих, так и тканевых. Кроме этого, карбоксиметиллизин является единственным конечным продуктом гликирования, который выступает лигандом для рецепторов конечных продуктов гликирования (RAGEs). Связывание RAGE с карбоксиметил-лизином приводит к увеличению генерации свободных радикалов, активации пути ядерного фактора Nf-κB и повышению уровня медиаторов воспаления (таких, как фактор некроза опухоли-альфа, интерлейкин-6 и C-реактивный белок). Известно, что карбоксиметиллизин накапливается в больших кровеносных сосудах с возрастом. И высокие концентрации этого конечного продукта гликирования в сыворотке связаны с большей артериальной жесткостью, мощным фактором риска развития сердечно-сосудистых патологий и смертности от них, что было показано в ходе Балтиморского продольного исследования старения. Также известно, что у пожилых людей с церебрально-сосудистыми заболеваниями повышенный уровень карбоксиметиллизина обнаруживается в кортикальных нейронах и сосудах головного мозга, что связано с тяжестью когнитивных нарушений. В рамках 6-летнего исследования Invecchiare in Chianti, в котором приняли участие 1013 человек старше 65 лет, было показано, что средняя концентрация карбоксиметиллизина в плазме, которую измеряли иммуноферментным анализом, была значительно выше у тех людей, которые умерли от всех причин, чем у выживших. То есть, у тех людей, в плазме которых карбоксиметиллизин составлял более чем 396 нг/мл. В 2018 году группа датских и шведских учёных описала новое моноклональное антитело, D1-B2, нацеленное на карбоксиметиллизин, которое имеет хороший потенциал при иммуноферментном анализе для обнаружения данного конечного продукта гликирования.

Ссылка на исследование:

• www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/19023277
• www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/19682127
• www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/29420566
• www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/14066470

2011 год, госпиталь Святого Франциска. Отложение коллагеновых фибриллов во внеклеточном матриксе сердечной мышцы увеличивается с возрастом и играет ключевую роль в патофизиологии сердечной недостаточности. Ученые наблюдали 880 участников исследования (средний возраст, 77±6 лет; 48% женщин) в течение 12±4 лет (в диапазоне 3-17 лет). Как у здоровых, так и у пожилых людей с сердечно-сосудистыми заболеваниями, подверженными риску развития сердечной недостаточности, сывороточный уровень карбокситерминального телопептида коллагена I типа (CITP) от 4,3 мкг/л и выше, а также уровень амино-терминального пептида проколлагена III типа (PIIINP) от 3,0 нг/мл и выше, значительно связаны со множественными неблагоприятными исходами сердечной деятельности, включая инфаркт миокарда, и смерть. 

Ссылка на исследование:

• www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/21900186

2015 год, Центр клинических и фундаментальных исследований, Дания. Хронические фиброзно-пролиферативные заболевания связаны почти с 45% всех смертей в развитых странах. Матриксные металлопротеиназы 1 типа (MMP-1) разрушают внеклеточный матрикс и играют важную роль в развитии болезни. Деградация коллагена I типа играет большую роль в этом вопросе. Проспективное исследование в когорте датских женщин (5855 человек) в возрасте 48-89 лет показало, что у пациентов с высоким содержанием сывороточного коллагена I типа (C1M) (56.1–458.8 нг/мл) повышена смертность от всех причин в 2 раза. Причины смертности - сердечно-сосудистые заболевания и рак. Самая низкая смертность наблюдалась при (C1M) 21.2–31.3 нг/мл.

Ссылка на исследование:

• www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/26288845

2005 год, Университет Вуллонгонга, Австралия. Одним из механизмов управления внутриклеточным метаболизмом является перекисное окисление липидов. Усиление этого процесса ведет к образованию избыточного количества свободных радикалов, что нарушает состояние клеточных мембран и коллоидное состояние протоплазмы. При перекисном окислении липидов окислительным превращениям подвергаются полиненасыщенные жирнокислотные фосфолипиды, нейтральные жиры и холестерин, которые являются основными компонентами клеточных мембран. Большое различие в химической восприимчивости отдельных жирных кислот к перекисному окислению в сочетании с известными различиями в мембранном составе между различными видами животных могут объяснить различную продолжительность жизни видов, особенно очень большую разницу продолжительности жизни между млекопитающими и птицами. Птицы живут значительно дольше. Увеличение продолжительности жизни путем ограничения калорийности питания животных также может быть объяснено изменением состава мембранных жирных кислот, которое приводит к повышению устойчивости мембран к перекисному окислению. Мембраны становятся более жесткими при старении в том числе из-за перекисного окисления липидов. Интересно, что старение у растений также связано с ухудшением состояния мембран в результате перекисного окисления липидов. Мембраны птиц имеют более низкое соотношение N-3/N-6 ПНЖК (полиненасыщеных жирных кислот), чем мембраны млекопитающих - выяснилось, что у птиц индекс пероксидации клеточных мембран значительно ниже. Это означает, что мембраны птиц более устойчивы к перекисному окислению липидов, чем мембраны млекопитающих аналогичного размера. Таким образом, пероксидируемость мембран коррелирует не только с различиями в максимальной продолжительности жизни млекопитающих и птиц, связанными с размером тела, но и с разницей в продолжительности жизни млекопитающих и птиц. Аллометрические уравнения, описывающие эти зависимости, показывают, что снижение на 24% индекса перекисного окисления митохондриальных фосфолипидов печени и на 19% индекса перекисного окисления фосфолипидов скелетных мышц связано с удвоением продолжительности жизни. А смерть от старости, вероятно, включает взрывное и неконтролируемое увеличение перекисного окисления липидов. Чтобы удвоить продолжительность жизни надо снизить индекс пероксидации липидов на 19%. Также стоит заметить, что по данным статьи от 2007 года (Университет Wollongong, Австралия) липидный состав мембран позволяет также объяснить разницу между продолжительностью жизни рабочих пчел и королев без привлечения каких-либо “программ старения”. 

Ссылки на исследования:

• www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/15757684
• http://sci-hub.tw/10.1016/j.jtbi.2004.11.024#
• www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/17446027

По словам А. Фединцева: "Насыщенные и мононенасыщенные жирные кислоты более стабильны и менее подвержены перекисному окислению, по сравнению с полиненасыщенными жирными кислотами (ПНЖК). Это происходит потому, что ПНЖК имеют протоны в уязвимой бис-аллильной позиции. Такой протон легко оторвать (“абстрагировать”) от молекулы жирной кислоты и это является первым шагом в цепочке реакций перекисного окисления липидов. Распространенное мнение о том, что ПНЖК безусловно полезны стоит подвергнуть критике. Хотя возможно, что ПНЖК полезны как раз тем, что создают умеренный оксидативный стресс, способствуя гормезисному стресс-ответу. Ряд исследований указывает на количественную связь между процессом перекисного окисления липидов и образованием поперечных сшивок белков матрикса. Так, например, один из продуктов перекисного окисления липидов, малондиальдегид (возникает при деградации ПНЖК), образует такое же количество сшивок с белками, как и глюкоза. Это позволяет предположить, что долгоживущие виды не только в меньшей степени страдают от ПОЛ, но и имеют более замедленный, за счет уменьшения реакционной способности жирных кислот, процесс изменения белков внеклеточного матрикса. Более десяти лет назад российский ученый Михаил Щепинов предложил использовать жирные кислоты, у которых водород заменен на дейтерий (изотоп, имеющий больший атомный вес и более прочную связь с атомом углерода), для лечения ряда заболеваний, вызванных избыточным синтезом свободных радикалов. Измененные жирные кислоты более устойчивы к окислению и предотвращают разрушение клеточной мембраны. В настоящее время, Retrotrope - компания Михаила Щепилова, ожидает подтверждение FDA на проведение последней стадии клинических испытаний экспериментального препарата RT001. Возможно, что это лекарство поможет не только больным с наследственной нейродегенерацией, но также сможет замедлить старение внеклеточного матрикса. Пока же следует употреблять в пищу продукты с преобладанием мононенасыщенных жирных кислот, которые не содержат протонов в уязвимых бисаллильных позициях и потому менее склонны к окислению".

Ссылки на исследования:

• www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/22285120
• www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/24999379
• www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/28127055
• www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/28802547
• www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/23451766
• www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/17464520
• www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/19424859
• www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/16620917
• www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/17928583
• www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/23431052
• www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/28800931
• www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/29580922
• www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/24381560
• www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/21619928
• www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/29974107
• www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/9680171
• www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/26439976
• www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/24816553
• www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/17156083

2011 год, Уппсальский Университет, Уппсала, Швеция. Оборачиваемость внеклеточного матрикса во всех твердых органах определяется в основном балансом между деградирующими матрикс ферментами под названием матриксные металлопротеиназы (MMP) и их тканевыми ингибиторами (TIMP). Высокие показатели MMP-9 связаны со смертностью от не сердечно-сосудистых заболеваний. Так, если у наблюдаемых изначально MMP-9 были выше 462 нг/мл, то они имели самую высокую смертность (см. картинку). Меньше всех умирали те, кто имел MMP-9 ниже 228 нг/мл.

Высокие показатели TIMP1 были связаны с более высоким риском развития инсульта и смертности от сердечно-сосудистых заболеваний. Так, если у наблюдаемых изначально TIMP1 были выше 238 нг/мл, то они имели самую высокую смертность (см. картинку). Меньше всех умирали те, кто имел TIMP1 ниже 166 нг/мл.

Ссылка на исследование:

• www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/21283828

Выводы:

1. Основная причина старения лежит в старении внеклеточного матрикса. Не смотря на то, что мы не умеем омолаживать матрикс, теперь мы знаем, что такое старение. А значит победим его. Но для этого нужно правильно фокусировать научные усилия. Ведь в течение 100 лет с момента открытия старения внеклеточного матрикса, мы искали причину старения в клетке и не задумывались, что она может быть в матриксе. 2018 год - это год, когда мы начинаем путь к бессмертию человека. Благодарю Александра Фединцева, Nikolay Zak, Дениса Одинокова за информацию и гипотезы об основных механизмах старения человека, которые вошли в данный обзор.
2. Организм человека состоит из тканей, а ткани состоят на 20% из клеток и на 80% - из внеклеточного матрикса. Наиболее важная структура внеклеточного матрикса - это коллагеновые волокна.
3. Всю жизнь человека матрикс стареет - коллагеновые волокна сшиваются. Но пока человек растет, концентрация "сшивок" разбавляется. Когда организм перестает расти, концентрация сшивок увеличивается, а матрикс становится все более жестким. Сшивки делают неэластичными сердце, сосуды и т.п. Когда отвердение тканей из-за "сшивок" в матриксе достигает угрожающих жизни масштабов, человек умирает от старости. В этот момент омоложение клеток уже не спасет жизнь человека - это предел.
4. Мы можем ускорить старение матрикса, питаясь едой с высокой гликемической нагрузкой, употребляя в пищу много конечных продуктов гликирования, много полиненасыщенных жирных кислот, ведя малоактивный образ жизни, либо чрезмерно сильно злоупотребляя физическими нагрузками. А все, что продлевает жизнь животным - замедляет старение матрикса.
5. Старый матрикс заставляет наши клетки стареть. А молодой матрикс может омолодить старые клетки до молодого состояния. То есть для того, чтобы победить старение вполне достаточно научиться омолаживать матрикс. Но мы умеем омолаживать клетку, и не умеем омолаживать матрикс.
6. Эволюция научилась обходить старение матрикса простым способом. Одна из клеток создает нового ребенка, организм которого отстраивает для себя новый матрикс с нуля. А бессмертные планарии все время растут и делятся, концентрация их "сшивок" разбавляется по мере роста животных. Это не значит, что устранить повреждения матрикса не возможно. Научиться омолаживать матрикс - это задача на следующие 20-30 лет. И решить ее сможем только мы с вами вместе, а не иллюзорные какие-то ученые.
7. Перспективные биомаркеры для оценки старения матрикса с целью замедлить его старение и продлить себе жизнь: плазменный карбоксиметиллизин, сывороточный уровень карбокситерминального телопептида коллагена I типа, уровень амино-терминального пептида проколлагена III типа, сывороточного коллагена I типа, индекс пероксидации липидов, матриксные металлопротеиназы 9 типа, тканевые ингибиторы матриксных металлопротеиназ 1 типа, трансформирующий фактор-β (TGF-β).
8. Рекомендую читать про старение матрикса дополнительно инфо от Одинокова Дениса и Александра Фединцева
   https://medium.com/@denis.odinokov/старение-внеклеточного-матрикса-a6f91595539a

Предлагаем Вам оформить почтовую подписку на самые новые и актуальные новости, которые появляются в науке, а также новости нашей научно-просветительской группы, чтобы ничего не упустить.

Автор статьи — Веремеенко Дмитрий Евгеньевич, основатель исследовательского проекта, изучающего терапии, направленные на увеличение продолжительности жизни человека "Лаборатория Экспертных Исследований Тераностика_про" (nestarenie.ru/slb-expert_.html), создатель экспертной системы Тераностика_про, основатель Nestarenie Camp (https://nestareniecamp.ru), со-основатель on-line курса Nestarenie, автор книги "Диагностика старения" (https://nestarenie.ru/Diagnostika.pdf), и со-автор книги "Как дожить до 22 века" (http://book.hostenko.com), создатель блога https://nestarenie.ru, Тел. +7 925 9244328 Dmitriy-tae@yandex.ru

Группа nestarenieRU в Facebook www.facebook.com/groups/nestarenie

Мой аккаунт в Facebook: https://www.facebook.com/nestarenieRU

YouTube-канал https://www.youtube.com/c/nestarenieRU

Знаете ли вы, что сайт nestarenie.ru — объективно один из самых популярных в России ресурсов про старение и долголетие - в Яндексе, в Гугле, по количеству, качеству и лояльности аудитории. nestarenie.ru имеет потенциал, чтобы стать одним из самых популярных сайтов о борьбе со старением не только в России, но и в мире. Для этого нужны деньги. Я призываю всех сделать пожертвования, а также убедить своих друзей поступить аналогично.

1. 1. • Карта Viza (доллары): 4215 8901 1587 0138 для переводов за пределами РФ
      • Карта МИР в Сбере (рубли):  2202 2032 1501 6686 (МАЙЯВИ Ч.) - на территории РФ

Узнайте подробнее помочь развитию блога.

Рекомендуем ещё почитать следующие статьи:

1. Метформин - самое изученное и надёжное лекарство от старости.
2. Подробная программа продления жизни научно доказанными способами.
3. Витамин K2 (МК-7) сокращает смертность
4. Витамин B6+магний снижают смертность на 34%
5. Глюкозамин Сульфат эффективно продлевает жизнь и защищает от многих видов рака
6. Фолаты для предупреждения раннего старения
7. Как победить метилглиоксаль — вещество, которое нас старит.