Клетки не стареют, а организм стареет, поэтому омолаживать клетки бессмысленно

В статье подвергается сомнению гипотеза о старении клеток как причине старения организма. Приводятся многочисленные данные, показывающие, что клетки, включая гемопоэтические стволовые клетки, нейроны, Т-лимфоциты и клетки репродуктивной системы, способны жить значительно дольше самого организма и сохранять свои функции. Это подтверждает, что клетки не стареют в традиционном понимании. Основное внимание уделяется роли внеклеточного матрикса, который, изменяясь с возрастом, становится основным фактором, ограничивающим продолжительность жизни организма.

Изменения в матриксе приводят к нарушению механосенсинга клеток, что заставляет их адаптироваться к новому окружению, приобретая фенотип старения. Однако это состояние обратимо: при помещении клеток в молодое окружение их функции восстанавливаются. Таким образом, искать причину старения в клетках неверно. Истинным драйвером старения являются изменения микроокружения, особенно жесткость и состав внеклеточного матрикса, которые определяют функциональность тканей и органов.

В связи с этим, терапевтические подходалейкоы, направленные на омоложение клеток, теряют свою значимость, поскольку старение организма связано не с клетками, а с изменениями в их микроокружении.

Нужно ли искать физическую причину старения в клетках организма?

Клетки могут жить в несколько раз дольше, чем само животное. Максимальная продолжительность жизни мышей дикого типа составляет 1000 дней, а гемопоэтические стволовые клетки мышей могут жить минимум 3000 дней [ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/37377], а может и гораздо больше или неограниченно. Поэтому клетки не ограничивают продолжительность жизни животного и не стареют.

Репликативный потенциал не только стволовых клеток, но даже Т-лимфоцитов, похоже, не ограничен. Исследователи обнаружили, что потенциал к размножению у Т-лимфоцитов, похоже, не имеет ограничений. А значит, они не стареют. В эксперименте мышиным Т-клеткам помогли активироваться с помощью вакцинации. Затем эти клетки пересадили в других мышей и повторяли этот процесс многократно – в течение 10 лет проводили 51 вакцинацию, что значительно превышает обычную продолжительность жизни мышей. Несмотря на такое сильное увеличение численности клеток (увеличение исходной популяции в 1,040 раз, Т–клетки не демонстрировали потери контроля над пролиферацией, выполняли антимикробные функции и формировали клетки памяти), Т-лимфоциты продолжали нормально работать, реагировать на вакцинацию, бороться с микробами и создавать клетки памяти. При этом не было признаков, что клетки теряют контроль над своим размножением [nature.com/articles/s41586-022-05626-9] [pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/36653453].

Известно, что при старении мы теряем особые нейроны в мозжечке (отдел головного мозга, отвечающий за координацию движений), называемые клетками Пуркинье [ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/14556293] [ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/20080589]. Мозжечок отвечает за координацию движений, поэтому потеря нейронов там может приводить к крайне неприятным последствиям. Но чем обусловлена такая потеря? Неужели и правда срок жизни нейронов запрограммирован? В попытке ответить на этот вопрос доктор Лоренцо Маграсси — нейрохирург из Университета Павии — с помощью флуоресцентного белка модифицировал клетки-предшественники нервных клеток у мышиных эмбрионов (чтобы их можно было увидеть, подсветив светом определенной длины волны). Флуоресцентные белки — это белки, характеризующиеся способностью к интенсивному свечению (люминесценции). Затем он пересадил эти модифицированные клетки в эмбрионы крыс, которые живут почти в полтора раза дольше, чем мыши. У крыс из мышиных клеток-предшественниц развились функциональные нейроны, внешне ничем не отличающиеся от мышиных. Вот только жили эти нейроны столько же, сколько нейроны крыс! То есть на 38% дольше максимальной продолжительности жизни мышей [ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/23440189]! А поэтому нейроны не ограничивают продолжительность жизни мозга мышей.

Не только нейроны способны жить значительно дольше, чем организм! Тестикулы, или семенники, — это мужские половые железы, в которых образуются мужские половые клетки — сперматозоиды, дающие начало новой жизни при оплодотворении. Число стволовых клеток в тестикулах мышей начинает стремительно уменьшаться после 12 месяцев, а вместе с ним и фертильность — способность половозрелого организма производить жизнеспособное потомство. Однако если эти стволовые клетки от взрослого животного пересаживать юным мышам каждые 3 месяца, то срок жизни таких клеток составляет более трёх лет, что значительно превышает продолжительность жизни самих мышей! При этом они не перестают производить сперматозоиды. Всё это говорит о том, что именно старение микроокружения стволовых клеток, а не непосредственное старение самих клеток приводит к их дисфункции на протяжении жизни животного. А важнейшей составляющей микроокружения стволовых клеток (ниши стволовых клеток) является внеклеточный матрикс [ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/16456131].

Вообще, многие исследователи считают, что правильным будет заменить термин "клеточное старение" на "активацию ремоделирования", а SASP на RASP (связанный с ремоделированием секреторный фенотип) [pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/36068483]. Старых клеток не бывает [pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/36068483], так как клетка под диктовкой внеклеточного окружения через механосенсинг принимает фенотип окружения. Но это вынужденное и изменяемое состояние, а не старение. И поэтому легко меняется обратно, стоит клетку поместить в молодое внеклеточное окружение.

Как мне кажется, вышеприведённых аргументов достаточно, чтобы отвергнуть гипотезу о том, что срок жизни организма обусловлен продолжительностью жизни клеток. Но почему же я так уверен, что клетки старит именно межклеточный матрикс? Всё очень просто: есть множество исследований, которые это подтверждают. Например: [ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC3079301], [sciencedirect.com/science/article/pii/S0142961214001252], [ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/29078802].

Более того, есть работы, которые показывают, что ключом является именно жёсткость матрикса. Одну я приводил ранее (про СК в мозге), а вот, например, про мышечные прогениторы (клетки-предшественники) [journals.plos.org/plosone/article?id=10.1371%2Fjournal.pone.0136217].

Уже были исследования про омоложение мужских половых клеток в юном организме, а вот теперь Денис Одиноков (спасибо Денис) нашел новое исследование про яйцеклетки. Старение репродуктивной системы — это основная причина снижения фертильности, вызванная уменьшением количества и качества яйцеклеток. Одной из причин может быть старение окружающих фолликулярных клеток, которые поддерживают рост и развитие яйцеклеток, обеспечивая их питанием и регуляторными факторами. В исследовании было создано "химерное" окружение для яйцеклеток: молодые яйцеклетки помещали в стареющие фолликулы, и наоборот. Результаты показали, что молодые яйцеклетки в стареющих фолликулах хуже развивались, а старые яйцеклетки в молодых фолликулах значительно улучшили свои показатели — лучше созревали, образовывали бластоцисты и приводили к рождению после ЭКО. Эти изменения связаны с улучшенным взаимодействием клеток, восстановлением обмена веществ, работой митохондрий и лучшим делением хромосом. Эти результаты могут стать основой для новой терапии, направленной на лечение женского бесплодия [nature.com/articles/s43587-024-00697-x].

Кроме того, другое исследование [ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/28371268] показало, что жесткий внеклеточный матрикс заставляет фибробласты (клетки соединительной ткани организма, синтезирующие внеклеточный матрикс) секретировать факторы, которые направляют мышечные прогениторы по фиброгенному пути, то есть вместо мышечной ткани они дают начало соединительной ткани, которая обладает большей жесткостью. Иными словами, жесткий внеклеточный матрикс создает предпосылки для фиброза.

С другой стороны, в 2011 году Хэ-Ри Чои (Hae Ri Choi) со своими коллегами опубликовали исследование, в котором показали, что взаимодействия стареющих фибробластов с молодым внеклеточным матриксом достаточно, чтобы восстановить стареющие клетки до более молодого состояния, которое неотличимо от нормальных молодых клеток. Так было частично или полностью восстановлено состояние таких биомаркеров старения, как ассоциированная со старением бета-галактозидаза (АС-β-гал), внутриклеточный уровень активных форм кислорода (химически активные молекулы, способные повреждать ДНК), мембранный потенциал митохондрий, длина теломер (концевых участков хромосом), наличие очагов повреждения ДНК и способность фибробластов к делению. Также была восстановлена работа таких генов, связанных со старением и регулирующих существование клетки от момента её образования до гибели, как p53, p16, p21 и caveolin‐1 [ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/21108727].

Группа ученых из Техасского университета во главе с Сяо Дон Чэн в журнале New Scientist описала похожий эксперимент, в результате которого удалось омолодить взрослые мезенхимальные стволовые клетки, взятые у 18-месячных мышей. Клетки взрослых мышей выращивали на внеклеточном матриксе молодых мышей 3-месячного возраста. И наоборот, удалось состарить молодые стволовые клетки, взятые у 3-месячных мышей, которые выращивали на внеклеточном матриксе взрослых мышей 18-месячного возраста [sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0262407911622008].

К. Стюарт Кэмпбелл, адъюнкт-профессор биомедицинской инженерии, клеточной и молекулярной физиологии, возглавлял команду исследователей, изучавших влияние больного внеклеточного матрикса, который организует клетки в ткань, на поведение здоровых клеток сердца. Команда Кэмпбелла впервые получила больной внеклеточный матрикс сердечной мышцы от модели свиньи с гипертрофической кардиомиопатией сердца (опасное для жизни заболевание сердца, характеризующееся утолщением стенок желудочков сердца) и стволовые клетки человека. Клетки сердца свиньи были химически удалены из ткани (остался лишь внеклеточный матрикс) и заменены здоровыми клетками человека. К удивлению многих, здоровые клетки человека, которые росли на здоровом внеклеточном матриксе свиньи, сделали здоровую сердечную ткань. Однако здоровые клетки человека, которые росли на больном внеклеточном матриксе свиньи, произвели сердечную мышечную ткань с признаками гипертрофической кардиомиопатии [ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/31468004]. Вероятно, поэтому эффективность терапии сердца стволовыми клетками после инфаркта сердца для снижения риска смертности [ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/21979282] и риска основных неблагоприятных событий, таких как смерть, повторный инфаркт сердца, инсульт [ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/25700037], до сих пор не имеет доказательств. Ведь внеклеточный матрикс сердечной мышцы остается старым.

По крайней мере для многих видов клеток организма не известен предел деления клеток

Воопервых не известен даже предел деления тканеспецифических клеток. Например, репликативный потенциал не то, что стволовых клеток, но даже Т-лимфоцитов, похоже, не ограничен. Исследователи обнаружили, что потенциал к размножению у Т-лимфоцитов, похоже, не имеет ограничений. В эксперименте мышиным Т-клеткам помогли активироваться с помощью вакцинации. Затем эти клетки пересадили в других мышей и повторяли этот процесс многократно – в течение 10 лет проводили 51 вакцинацию, что значительно превышает обычную продолжительность жизни мышей. Несмотря на такое сильное увеличение численности клеток, Т-лимфоциты продолжали нормально работать, реагировать на вакцинацию, бороться с микробами и создавать клетки памяти. При этом не было признаков, что клетки теряют контроль над своим размножением [nature.com/articles/s41586-022-05626-9].

Во-вторых, не известен деления гемопоэтических стволовых клеток. Максимальная продолжительность мышей дикого типа 1000 дней, а гемопоэтические стволовые клетки мышей могут жить минимум 3000 дней [ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/37377], а может и гораздо больше или не ограниченно.

В-третьих, если бы количество делений стволовых клеток было ограничено, то их количество уменьшалось бы с возрастом, но этого не происходит. С возрастом количество стволовых клеток крови, называемых гемопоэтическими стволовыми клетками, увеличивается. У пожилых людей в костном мозге содержится больше таких клеток, чем у молодых. Эти данные были получены с помощью методов флуоресцентного анализа клеток и сортировки по специальным маркерам [pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/22123971]. Количество гемопоэтических стволовых клеток значительно возрастает с возрастом, как показали исследования у различных возрастных групп [pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/17676974] [pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/12799297]. Измерения проводились с использованием передовых методов анализа, таких как пересадка костного мозга и проточная цитометрия [pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/17158238] [pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/15967997] [pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/11067876].

Вероятно, аналогично и для человека

Исследования показали, что костный мозг человека, содержащий стволовые клетки от пожилых доноров, даже лучше приживается после пересадки, чем от молодых. Например, показатели успешного приживления костного мозга с гемопоэтическими стволовыми клетками от доноров младше 60 лет составили 97% и 98% [ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4286386], а у доноров старше 60 лет – такие же высокие результаты. Это доказывает, что возраст донора не влияет на качество приживания костного мозга, что говорит о том, что стволовые клетки человека, вероятно, не стареют.

Есть много примеров людей, которым пересадили костный мозг еще 30 лет назад, и они живы до сих пор. Важно отметить, что если пациенты выживали первые 6 лет после пересадки, то их смертность уже не отличалась от средней по популяции, а значит, возраст стволовых клеток человека никак не ограничивал продолжительность жизни. Это наблюдение было проведено на большой группе пациентов (1387 человек), прошедших трансплантацию костного мозга с 1970 по 2002 год, и его результаты были достоверными [sciencedirect.com/science/article/pii/S1083879105012905].

Перед пересадкой костного мозга пациентам проводят специальную процедуру – эрадикацию кроветворения, чтобы в организме остались только донорские стволовые клетки. Интересно, что стволовые клетки, пересаженные 51 год назад от доноров старше 60 лет, уже достигли возраста более 111 лет. Если кто-то из этих пациентов проживет еще 5-10 лет, это может означать, что человеческие стволовые клетки способны жить дольше, чем считается предельной продолжительностью жизни человека.

В следующем исследовании старые стволовые клетки очень пожилого человека удалось омолодить, культивируя их на молодом внеклеточном матриксе [ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/29078802].

У людей отсутствует значимая взаимосвязь длины теломер с возрастом человека. Например, длина теломер объясняет около 15–25% вариации возраста "The explanation of nearly 60% of variance of age is impressive compared with other so-called age biomarkers like telomere length where most studies show 15%–25%.", что значительно ниже по сравнению с другими биомаркерами, такими как индекс GlycanAge, который объясняет до 58% вариации возраста. "The resulting GlycanAge index is composed of three glycan variables... The model explained 58% of variation in chronological age (with 95% of replicas giving R² between 54% and 61%)." [pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/24325898] Модель GlycanAge показывает, насколько гликозилирование IgG связано с возрастом, как хронологическим, так и биологическим. То есть даже процессы гликирования, далеко не самый точный маркер, связанный с возрастом, лучше предсказывает возраст, чем теломеры. А если к GlycanAge добавить объем выдоха и артериальное давление, то это объясняет хронологический возраст до 71% вариации "The inclusion of forced expiratory volume in the first second (FEV1) and systolic blood pressure into the model significantly improved the prediction of chronological age. The extended model... explained 71% (68%–74%) of variation in chronological age of the Orkney cohort."

Длина теломер и смертность людей в Людвигсхафенском исследовании риска и сердечно-сосудистого здоровья. Сердечно-сосудистые заболевания – это доминирующая причина смертности людей. "RTL correlated negatively with age (r = -0.09; p ≤ 0.001). Subjects below 40 years (median RTL 2.626) showed markedly longer telomeres compared to older subjects (p ≤ 0.001)." То есть получается, что корреляция между возрастом и длиной тепломер всего минус 9%? Это тоже ни о чем [pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/29920523] также согласно этому исследованию пациенты с более длинными теломерами, относящиеся ко 2-му, 3-му и 4-му квартилям распределения RTL, имели сниженные риски смертности по сравнению с пациентами из 1-го квартиля. Для общей смертности снижение риска составило 18% (отношение рисков, обозначаемое как Hazard Ratio, HR = 0.822; 95% доверительный интервал, CI 0.712–0.915; p = 0.008). 18% - это много или мало? Применим закон Гомпертца. Тогда -10*LN(0,82) = примерно 2 года. То есть разница в продолжительности жизни между людьми с самыми длинными теломерами и самыми короткими всего чуть менее 2-х лет, в то время как длина теломер у людей с самыми длинными теломерами была в 3.5 раза больше. То есть удлинение теломер в 3.5 раза ассоциируется с продлением жизни всего на 2 года. Это точно то, что мы хотим? В то время как просто здоровый образ жизни связан с дополнительными 13-ю годами жизни. Так может быть проще кроссовки купить и бегать начать? Будет больше пользы, чем от теломер?

Как переводить риски Hazard Ratio в годы жизни по Закону Гомпертца [pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/34151374].

О том, что здоровый образ жизни ассоциируется с дополнительными 13-ю годами жизни [ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/29712712].

Вот, что получается, если мы начинаем все измерять. Если мы не умеем это измерить, то мы не знаем, о чем мы говорим - краткая версия цитаты Лорда Келвина - ученого, который применял законы физики к любым научным и техническим проблемам.

Более подробно на эту тему можно читать в статье Александра Фединцева Где прячется старение? Клетки против матрикса

Дополнительная информация:

• Нобелевскую премию дали за открытие того, как теломеры и фермент теломераза защищают хромосомы, но не за то, что это механизм старения и не за то, что это нас омолодит. Одно из другого автоматически не следует. И последнее нужно было еще доказать.
• Стволовые клетки не имеют лимита. А все клетки берут начало от них. Стволовые клетки постоянно дополняют наш организм клетками.
• Лимит Хайфлика - это просто частный случай, но не правило. Так из статьи мы видим, что каждая из исходных CD8+ T-клеток имела возможность привести к 10^41 клеток-потомков. Таким образом, каждая клетка делилась примерно 136 раз за весь эксперимент. Эти результаты ставят под сомнение универсальность лимита Хайфлика, который описывает 50–60 делений для человеческих диплоидных клеток in vitro из-за укорочения теломер [nature.com/articles/s41586-022-05626-9].
• В исследовании использовали человеческие диплоидные фибробласты, находившиеся в состоянии репликативного старения, которые помещали на молодой внеклеточный матрикс (не клетки, а каркас от молодого организма), чтобы проверить влияние окружающей среды на стареющие клетки, ведь клетки в организме не висят в воздухе, а находятся во внеклеточном матриксе. Было установлено, что длина теломер в стареющих клетках увеличивалась, приближаясь к уровню, характерному для молодых клеток. Этот процесс происходил без активации теломеразы, что указывает на альтернативный механизм удлинения теломер, независимый от активности теломеразы [ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/21108727]. И для этого просто достаточно, чтобы изменился внеклеточный матрикс. Поэтому в постоянно молодом внеклеточном матриксе и клетки не стареют и теломеры не сокращаются. Также это показывает, что нужно омолаживать внеклеточный матрикс. 

А как же тогда омолаживать внеклеточный матрикс?

Частично мы это умеем делать. Но полностью пока не умеем. Например, деградация эластических свойств сосудов или потеря эластичности сердца с возрастом, атеросклероз. Это то же все про матрикс. В следующих статьях написано, что с этим делать. И это мы можем сделать прям сегодня на себе:

Деградация эластина – это старение матрикса. На это можно влиять не теоретически, а прям вы можете это делать https://nestarenie.ru/mirovoj-rekord-omolozheniya.html
Отложение кальция в тканях – это старение матрикса. На это можно влиять не теоретически, а прям вы можете это делать https://nestarenie.ru/ostanovit-kalczifikacziyu.html
Потеря эластичности сердечной мышцы – это старение матрикса. На это можно влиять не теоретически, а прям вы можете это делать https://nestarenie.ru/omolozhenie-na-23-goda.html
Атеросклеротические изменения в сосудах – это старение матрикса. На это можно влиять не теоретически, а прям вы можете это делать https://nestarenie.ru/8-9-let.html