Старение и разработка геропротекторов
Aging and drug discovery
Daniela Bakula et al., Aging, 2018.
Перевод: Евгения Рябцева
Ссылки и список литературы см. в оригинале статьи.
На сегодняшний день уже известно достаточно много методов вмешательства в процесс старения, позволяющих увеличить продолжительность здоровой жизни модельных организмов. Поэтому как промышленность, так и научное сообщество занимаются изучением перспективных соединений, воздействующих на старение и возрастные болезни.
В данном обзоре кратко представлены выступления и предметы обсуждения, рассмотренные на 5-м ежегодном форуме по старению и разработке препаратов, состоявшемся в Базеле, Швейцария, в сентябре 2018 г. На форуме представители научного сообщества и промышленности собрались вместе, чтобы обсудить последние достижения и проблемы в области изучения старения. В рамках форума были представлены выступления о механистической причине старения, о возможной высоконсервативности молекулярных профилей долголетия, об идентифицируемых биомаркерах старения, возможных вмешательствах в процесс старения, а также об использовании искусственного интеллекта в изучении старения и разработке препаратов. Следует отметить, что как в научном сообществе, так и в промышленности специалисты приходят к консенсусу, что оказывающие влияние на процесс старения молекулы потенциально способны совершить переворот как в обществе, так и в системе здравоохранения.
Введение
Почему мы стареем? Можем ли мы вмешаться в процесс старения? И если можем, то к каким подходам следует прибегать изучающим старение ученым для того, чтобы трансформировать результаты исследований в жизнеспособные терапевтические вмешательства с целью улучшения общественного здоровья? Понимание механизмов старения является необходимым условием получения ответов на эти вопросы. Однако на пути разработки эффективных и безопасных вмешательств, увеличивающих продолжительность здоровой жизни, имеется целый ряд препятствий.
На 5-м ежегодном форуме по старению и разработке препаратов, состоявшемся в рамках проходившего 12-13 сентября 2018 г. в Базеле «Basel Life Congress», ведущие эксперты научного сообщества и промышленности собрались вместе для того, чтобы обсудить основные вопросы изучения старения. Конгресс был организован Алексом Жаворонковым (Alex Zhavoronkov), исполнительным директором компании Insilico Medicine (Балтимор, штат Мэриленд, США), специализирующейся на внедрении решений в области искусственного интеллекта в разработку препаратов и биомаркеров, а также Мортеном Шейби-Кнудсен (Morten Scheibye-Knudsen), руководителем лаборатории вмешательств в старение центра здорового старения университета Копенгагена (Дания). Ниже представлен краткий обзор доложенных результатов и тем дискуссии.
Что является двигателем процесса старения?
Старение – это мультифакторный процесс, ведущий к утрате клеточного гомеостаза, что, в свою очередь, повышает подверженность развитию заболеваний. Функциональное угасание происходит под влиянием высококонсервативных сигнальных путей, воздействие на которые можно использовать для манипуляций над процессом старения.
Джудит Кампизи (Judith Campisi) из института изучения старения Бака (штат Калифорния, США) выделила роль физиологического старения клеток как эволюционного компромисса в отношении старения. Вступившие в фазу физиологического старения клетки накапливаются со временем и стимулируют процесс старения через утрату функциональности тканей и секрецию провоспалительных факторов, формирующих комплекс, известный как секреторный фенотип. Физиологическое старение является обоюдоострым ножом, так как оно подавляет процессы злокачественной трансформации. Однако со временем их накопление приводит к формированию дегенеративных фенотипов и запускает развитие опухолей. Поэтому воздействие на вступившие в фазу физиологического старения клетки может помочь в предотвращении возрастного угасания функций. Однозначные маркеры таких клеток до сих пор отсутствуют из-за их высокой гетерогенности. В поисках решения этой проблемы группа Кампизи применила метод анализа одиночных клеток для идентификации профилей экспрессии, специфичных для разных типов клеток, вступивших в фазу физиологического старения. Результаты этой работы могут помочь в поиске более специфичных мишеней.
Майкл Ристоу (Michael Ristow) из высшей технической школы Цюриха (Швейцария) представил свою работу, посвященную регуляции окислительно-восстановительных процессов, важных для продолжительности жизни и метаболизма. Данные, ранее полученные этой группой, легли в основу концепции митогормезиса как способствующего поддержанию хорошего состояния здоровья сигнального пути, в котором низкие концентрации активных форм кислорода (АФК) обеспечивают развитие адаптивной реакции. Концепцию митогормезиса также подтвердило наблюдение, согласно которому ограничение количество глюкозы в питании круглых червей C.elegans ведет к повышению продукции АФК, что, в свою очередь, обеспечивает защиту от эндогенного стресса и увеличивает продолжительность жизни. Индуцированное АФК повышение чувствительности тканей к инсулину также наблюдалось в клиническом исследовании физических нагрузок, причем этот эффект ингибировался введением в питание антиоксидантов. Более того, исследователи сравнили уровни экспрессии генов молодых, зрелых и старых червей C.elegans, пресноводных рыбок D.rerio и домовых мышей M.musculus для выявления ассоциированных со старением генов, сохранившихся в ходе эволюции. Сильным регулятором продолжительности жизни оказалась трансфераза аминокислот с разветвленной цепью (bcat-1) и, соответственно, нокаутирование гена bcat-1 увеличивало продолжительность жизни C.elegans.
Как экзогенные, так и эндогенные стрессовые факторы, такие как АФК, непрерывно воздействуют на геном человека. Для восстановления различных типов повреждений ДНК в ходе эволюции сформировались разные молекулярные механизмы. Повреждения ДНК накапливаются с возрастом, и принято считать, что способность организма к их восстановлению угасает с возрастом. Влияние механизмов восстановления ДНК на старение было представлено на съезде в двух презентациях. В обсуждении фенотипическго ландшафта старения Мортен Шейби-Кнудсен (Morten Scheibye-Knudsen) из университета Копенгагена привлек внимание к тому, что механизмы, вызывающие различные возрастные патологии, мало изучены. Он подчеркнул важность применения иерархических группировок и алгоритмов машинного обучения для сопоставления аналогий разных заболеваний на основании их клинических проявлений. Этот подход может помочь в поиске клеточных механизмов, связанных с патологическими проявлениями определенных заболеваний. Следует отметить, что заболевания, вызванные дефектами системы восстановления повреждений ДНК, имеют многие черты, сходные с процессом старения, что подтверждает ключевую роль поддержания целостности генома в старении. Таким образом, ассоциированные с преждевременным старением расстройства могут быть хорошими модельными системами для изучения старения.
Мартийн Луийстербург (Martijn Luijsterburg) из медицинского центра университета Лейдена (Нидерланды) в своем выступлении дополнительно подкрепил это наблюдение. Он представил результаты своего последнего исследования, посвященного изучению репарации ДНК, сопряженной с транскрипцией – механизмом восстановления повреждений ДНК, удаляющего поврежденные фрагменты, блокирующие транскрипцию активных генов. Интересен тот факт, что мутации генов, отвечающих за сопряженную с транскрипцией репарацию ДНК, вызывают разнообразные фенотипы. Мутации генов CSA и CSB могут вызывать синдром Коккейна (прогероидный нанизм) – заболевание, характеризующееся преждевременным старением и проявляющееся тяжелой нейродегенерацией. В то же время мутации гена UVSSA могут вызывать синдром чувствительности к ультрафиолетовому излучению – заболеванию, не имеющему неврологических проявлений. Точная расшифровка молекулярных функций компонентов комплекса сопряженной с транскрипцией репарации ДНК может помочь в понимании механизмов развития синдрома Коккейна и проявлений старения. Мартийн Луийстербург представил свои последние результаты, приближающие нас к пониманию этого вопроса.
Профили долголетия
В последние годы согласованные усилия исследователей были направлены на идентификацию биологических маркеров, позволяющих определять биологический возраст человека. Было продемонстрировано существование сильной корреляции между хронологическим возрастом и различными типами прогностических факторов старения, в том числе длиной теломер, изменениями генной экспрессии и эпигенетическими изменениями – так называемыми эпигенетическими часами. Вадим Гладышев (Vadim Gladyshev) из женской больницы Бригама, медицинская школа Гарвардского университета (Бостон, штат Массачусетс, США) и Московского государственного университета (Москва, Россия) заявил, что, так как старение является системным процессом, более надежное прогнозирование биологического возраста может обеспечить комбинация различных подходов. Его исследовательская группа изучала метилом ДНК клеток крови мышей разных возрастных групп для разработки эпигенетических часов, пригодных для тестирования результатов антивозрастных вмешательств. Данный анализ показал, что как содержащиеся на низкокалорийной диете животные, так и долгоживущие мыши-мутанты линии Snell dwarf демонстрируют замедленное эпигенетическое старение. В рамках последующих исследований данной группы были выявлены ассоциированные с долголетием транскриптомные изменения у 33 видов млекопитающих и 14 различных разновидностей плодовых мух дрозофил, которые можно использовать для прогнозирования эффективности новых вмешательств с целью увеличения долголетия.
Коллин Эвальд (Collin Ewald) из высшей технической школы Цюриха (Швейцария) представил результаты своей недавней работы по изучению транскриптомных профилей долголетия у круглых червей C.elegans, продемонстрировавшие, что состав внеклеточного матрикса претерпевает изменения по мере старения. Важно отметить, что потенциальные антивозрастные вмешательства, такие как терапия рапамицином, модулируют экспрессии генов внеклеточного матрикса. Более того, было показано, что увеличение продолжительности жизни, индуцируемое снижением активности сигнального механизма, опосредуемого инсулином/инсулиноподобным фактором роста-1, зависит от экспрессии гена коллагена. Эти наблюдения указывают на то, что изменение состава внеклеточного матрикса может быть весьма перспективной мишению. Работа Коллина Эвальда демонстрирует ценность C.elegans как мощной модельной системы для изучения старения и антивозрастных вмешательств, что обусловлено их относительно короткой продолжительностью жизни и легко поддающимся манипуляциям геномом.
Стюарт Модсли (Stuart Maudsley) из университета Антверпена (Бельгия) обсуждал вопрос идентификации многоаспектных регуляторов старения. Помимо эпигенетических изменений и изменений генной экспрессии по мере старения может наблюдаться и глубокое возрастное ремоделирование экспрессии белков. В ряде недавних исследований его группа с помощью комбинации классического анализа сигнальных путей и информационных методов обработки текстов на естественных языках изучила возрастные изменения протеома в гипоталамусе, потенциально являющемся ключевым органом, координирующим глобальное соматическое старение. С помощью этого новаторского подхода было установлено, что киназа сопряженного с G-белком рецептора, взаимодействующий белок (интерактор)-2 (G protein-coupled receptor kinase interacting protein 2, GIT2) является потенциальным ключевым регулятором старения. Впоследствии исследователи продемонстрировали, что экспрессия белка GIT2 сильно изменяется с течение времени в гипоталамусе и многих других регионах головного мозга, а также в различных периферических тканях, ассоциированных с регуляцией метаболизма энергии. GIT2 выступает в роли каркасного белка для множества сигнальных путей, поэтому снижение его функциональности оказывает влияние на несколько знаковых проявлений старения, в том числе нарушения метаболизма, реакции на повреждения ДНК, реагирование на окислительные повреждения и физиологическое старение иммунной системы. Таким образом, GIT2 может быть перспективной многоплановой терапевтической мишенью для терапии возрастных болезней.
Вмешательства в процесс старения и возрастные болезни
Дадли Ламминг (Dudley Lamming) из университета Висконсина (Мэдисон, штат Висконсин, США) представил результаты своей работы, посвященной обеспечению здорового старения путем снижения содержания определенных диетических макронутриентов в рационе питания.
В последние годы было идентифицировано множество вмешательств для увеличения продолжительности жизни. Специалисты ведут активное обсуждение вмешательств, как фармакологических (например, рапамицин, ресвератрол, метформин), так и нефармакологических (например, низкокалорийная диета, физические упражнения). Тем не менее, механизмы потенциального влияния этих вмешательств на здоровье человека до конца не ясны. Результаты все большего количества исследований свидетельствуют о том, что макроэлементный состав рациона, а в особенности, содержание в нем белков, также может играть критическую роль в регулировании метаболического здоровья и продолжительности жизни. Однако открытым остается вопрос о том, опосредует ли изменение употребления определенных аминокислот положительные эффекты снижения содержания белка в рационе. В этом отношении исследовательская группа Ламминга получила данные, согласно которым уменьшение употребления аминокислот с разветвленными цепями улучшает метаболическое здоровье как худых мышей, так и животных линии C57BL/6J с индуцированным рационом ожирением. Этот подход позволит воспроизвести множество положительных эффектов рациона с низким содержанием белков. Следует отметить, что избирательное уменьшение содержания лейцина в рационе стимулировало рост белой жировой ткани, что свидетельствует о различных ролях, принадлежащих отдельным аминокислотам с разветвленными цепями в регуляции метаболического здоровья.
Джозеф Баур (Joseph Baur) из университета Пенсильвании (Филадельфия, штат Пенсильвания, США) и его коллеги считают, что снижение количества употребляемых калорий является сложнейшей задачей, поэтому перспективной стратегией является применение соединений, имитирующих эффекты низкокалорийной диеты. Модулирование уровней никотинамидадениндинуклеотида (НАД+) является многообещающей стратегией лечения возрастного угасания физиологических функций. Результаты недавнего исследования Баура показали, что избирательное нокаутирование в мышечных клетках никотинамидфосфорибозилтрансферазы – фермента, необходимого для поддержания нормальной концентрации НАД+, – ведет к прогрессивной утрате мышечной функции. Наблюдаемый фенотип нейтрализовывался введением предшественника НАД+ – никотинамидрибозида. Интересен тот факт, что повышенная на протяжении всей жизни экспрессия никотинамидфосфорибозилтрансферазы предотвращала возрастное снижение концентрации НАД+ и улучшала физическую работоспособность старых мышей. Несмотря на известный факт, что митохондриальный запас НАД+ способствует поддержанию метаболизма клетки, источник митохондрального НАД+ до сих пор не ясен. Недавно опубликованные результаты работы группы Баура свидетельствуют о существовании ранее неизвестного переносчика НАД+, который может быть еще одной потенциальной мишенью для модулирования компартментализации (распределения по разным отсекам) НАД+ внутри клетки.
Алексей Москалев (Alexey Moskalev) из московского физико-технического института (Москва, Россия) подчеркнул потенциал применения натуральных соединений в качестве антивозрастных вмешательств. Он представил данные о потенциальной геропротективной функции каротиноида фукоксантина в отношении круглых червей C.elegans и дрозофил D.melanogaster. Фукоксантин увеличивал медиану продолжительности жизни этих модельных организмов, что сопровождалось рядом изменений в возрастных процессах, таких как повышение устойчивости к стрессу. На молекулярном уровне реакция организма дрозофил на фукоксантин происходит одновременно с транскрипционными изменениями ассоциированных со старением сигнальных путей, в том числе опосредованных MAPK и mTOR, а также механизмов аутофагии. Предварительные результаты экспериментов на фибробластах человека демонстрируют антисеногенные (предотвращающие физиологическое старение) эффекты фукоксантина.
Ольга Ковальчук (Olga Kovalchuk) из университета Летбриджа (Летбридж, Канада) предоставила обзор процессов старения кожи, запускаемых внутренними и внешними факторами, воздействие которых приводит к нарушению регулирования функций матриксных металлопротеиназ, активации ферментов под действием ультрафиолетового излучения, развитию воспаления и другим процессам. Матриксные металлопротеиназы способствуют расщеплению коллагена с одновременным ингибированием формирования нового коллагена и нарушением цитокиновой регуляции, что может быть перспективной мишенью для новых препаратов. Она перечислила эффекты, которые оказывают на кожу ультрафиолетовое и терагерцевое излучение и представила новые растительные экстракты с очень мощными противовоспалительными и антивозрастными свойствами, которые можно использовать для нейтрализации губительного влияния внешних факторов на кожу и потенциального устранения проявлений ее старения. Патентная заявка находится на рассмотрении.
Алехандро Мартин-Монталво (Alejandro Martín-Montalvo) из андалузского центра молекулярной биологии и регенеративной медицины CABIMER (Севилья, Испания) обсудил потенциал вмешательств на основе применения гормонов щитовидной железы против старения и возрастных болезней. Ключевая роль уровней этих гормонов в регуляции долголетия подтверждается наблюдением, согласно которому для отличающихся исключительным долголетием людей, а также для других долгоживущих животных характерны пониженные уровни циркулирующих гормонов щитовидной железы. Несмотря на это, Мартин-Монталво продемонстрировал, что гормоны щитовидной железы усиливают выведение глюкозы, что подтолкнуло его к изучению возможности применения этих гормонов в терапии разных типов сахарного диабета. В исследовании на экспериментальных моделях диабета его группа показала, что гормоны щитовидной железы эффективно подавляют развитие заболевания и увеличивают выживаемость мышей. Полученные данные свидетельствуют о потенциальном успехе применения гормонов щитовидной железы и/или их миметиков в терапии сахарного диабета 1 типа.
Искусственный интеллект для облегчения разработки антивозрастных препаратов
Александр Пикетт (Alexander Pickett), исполнительный директор по производству компании Juvenescence (Бостон, штат Массачусетс, США), занимающейся разработкой воздействующих на старение лекарственных препаратов, очертил препятствия, стоящие на пути разработки антивозрастных вмешательств. По сравнению с разработкой традиционных препаратов, разработка и коммерциализация воздействующих на старение фармацевтических препаратов вызывает дополнительные сложности. Отсутствие надежных технологий доказательства эффективности препаратов является одним из основных затруднений при планировании клинических исследований таких вмешательств. В этом отношении Пикетт подчеркнул важность разработки новых надежных биомаркеров и подтверждения того, что они не только позволяют прогнозировать старение, но и реагируют на известные вмешательства. Еще одним препятствием будет коммерциализация препаратов для вмешательства в старение, так как на сегодняшний день системы здравоохранения направлены преимущественно на лечение заболеваний, а не сохранение здоровья людей. Создатели компании Juvenescence считают, что разработка антивозрастных вмешательств, направленных на лечение существующих заболеваний, и запрос возмещения затрат на основе результата является наиболее быстрым путем к предоставлению большим популяциям доступа к антивозрастным вмешательствам. С целью решения этих вопросов Juvenescence инвестировала в несколько биотехнологических стартапов, работающих над целым спектром подходов, в том числе Insilico Medicine.
Иван Озеров (Ivan Ozerov) из Insilico Medicine (Балтимор, штат Мэриленд, США) внедрил подход регулируемого искусственным интеллектом вычислительного процесса в область идентификации новых малых молекул, препятствующих прогрессии физиологического старения клеток. Этот подход основан на 5 «R» (Rescue – выявить, Remove – выделить, Replenish – дополнить, Reinforce – усилить, Repeat – воспроизвести) и использует недавно опубликованный метод iPANDA (in silico Pathway Activation Network Decomposition Analysis) – виртуальный анализ активации механизмов и разрушения систем. Этот процесс может ускорить идентификацию мишеней и препаратов для разработки антивозрастных вмешательств.
Гарик Мкртчан (Garik Mkrtchyan) из лаборатории Шейби-Кнудсена (университет Копенгагена, Дания) еще больше подчеркнул мощь искусственного интеллекта для облегчения разработки препаратов. Увеличение количества невосстановленных повреждений ДНК является признаком старения. Перспективным подходом к устранению этого проявления является стимуляция механизмов восстановления повреждений ДНК. Мкртчан представил результаты работы, посвященной применению алгоритмов глубокого обучения в скрининге библиотеки малых молекул для идентификации соединений, стимулирующих восстановление повреждений ДНК. Успех этого подхода доказан идентификацией препаратов, индуцирующих устойчивость клеток к ионизирующей радиации, но не вызывающих при этом повреждений ДНК.
Джей Ольшански (S. Jay Olshansky) из университета Иллинойса (Чикаго) и соучредитель компании Lapetus Solutions еще больше подчеркнул необходимость поиска биомаркеров для облегчения поиска и разработки антивозрастных вмешательств. Он обосновал точку зрения, согласно которой мишенью для вмешательства должна быть не продолжительность жизни в целом, а продолжительность здоровой жизни. Ольшански продемонстрировал, что биологический возраст отражается в чертах лица, и подчеркнул ценность фотографических фенотипических биомаркеров для оценки состояния здоровья. Фотографии лица позволяют с высокой точностью определять возраст и пол человека, однако следует учитывать и другие факторы риска, такие как курение и индекс массы тела.
Анастасия Георгиевская (Anastasia Georgievskaya), соучредитель компании Youth Laboratories (Москва), дополнительно подчеркнута важность анализа черт лица в качестве перспективного биомаркера старения. Компания использует искусственный интеллект для изучения старения и поиска нового класса неинвазивных фотографических биомаркеров старения. В настоящее время ее сотрудники занимаются составлением коллекции фотографий лабораторных мышей для разработки первого мышиного фотографического биомаркера. Так как мыши по прежнему являются главной моделью для изучения старения, фотографические часы старения мышей могут облегчить идентификацию антивозрастных вмешательств в старение для их последующего переноса в клиническую практику.
Экспертная дискуссия по ключевым тенденциям в биотехнологии долголетия
Экспертная дискуссия по биотехнологической индустрии долголетия проходила с участием Вадима Гладышева, Мортена Шейби-Кнудсена, Джудит Кампизи, Александра Пикетта, Михаила Антонова, Джозефа Баура и Стюарта Модсли, в качестве председателя выступил Алекс Жаворонков.
В рамках дискуссии в качестве наиболее перспективных для коммерциализации были выбраны следующие направления: перепрофилирование уже имеющихся на рынке препаратов, сенолитики, ингибиторы mTOR, активаторы и модуляторы НАД+, подходы на основе репрограммирования и регенерации, искусственный интеллект и анализ данных, а также цифровое здравоохранение.
В рамках дискуссии эксперты осветили большой потенциал перепрофилирования препаратов для исследований в области старения. Перепрофилирование препаратов или расширение диапазона мишеней позволяет выявлять новые показания для препаратов с низкими профилями рисков, уже прошедших тестирование на людях. Значительный прогресс достигнут в разработке подходов к исследованию свойств и классификации препаратов, потенциально пригодных для перепрофилирования. На сегодняшний день уже предпринято несколько попыток прогнозирования возможностей применения существующих препаратов в борьбе со старением.
Недавно несколько сенолитиков, избирательно индуцирующих гибель клеток, вступивших в фазу физиологического старения, прошли тестирование в качестве препаратов для профилактики старения или устранения его проявлений.
В то же время эксперты подчеркнули, что подобные терапевтические подходы ассоциированы с высокими рисками, так как находятся на ранних стадиях клинической разработки. Ингибиторы mTOR и активаторы НАД+ также вошли в список вмешательств, способных откладывать первое проявление множества возрастных патологий. Поэтому в ближайшем будущем их можно будет разрабатывать как геропротекторы. Один из экспертов высказал мнение, что подходы регенеративной медицины могут предоставить терапевтические возможности для воздействия на старение и могут разрабатываться дальше для последующего выхода на рынок.
Искусственный интеллект и глубокое обучение в настоящее время считаются преобразующими технологиями для здравоохранения в целом. Например, значительный прогресс достигнут в идентификации биомаркеров старения человека с помощью компьютерного обучения на основе легко получаемых данных, таких как метилирование ДНК, транскриптомика, протеомика и биохимия крови. В результате исчерпывающего обсуждения эксперты признали искусственный интеллект и цифровое здравоохранение ключевыми разработками, способными катализировать скорость инноваций в области изучения старения. Все эксперты пришли к соглашению, что исследования в области вмешательств, препятствующих старению и способствующих долголетию, имеют огромные перспективы оказать влияние на весь сектор здравоохранения.
Заключение
Очевидно, что антивозрастные вмешательства требуют многостороннего подхода, позволяющего оценивать сложные фенотипы с помощью методов машинного обучения последнего поколения. На встрече было подчеркнуто осознание того, что разработка препаратов в сфере противодействия старению будет требовать усилий не только со стороны академических исследователей, но и со стороны множества промышленных партнеров и инвесторов. Такое состояния отрасли особенно очевидно в свете большого количества создающихся компаний, пытающихся найти вмешательства в процесс старения, пригодные для переноса в клиническую практику. Появление всех этих стартапов вселяет уверенность в то, что новые продлевающие жизнь фармакологические препараты будут найдены. Будущее выглядит весьма привлекательно.
Портал «Вечная молодость» http://vechnayamolodost.ru