Дмитрий Веремеенко
Бонусные годы. Индивидуальный план продления молодости на основе последних научных открытий

Глава 2
Почему мы стареем

Прежде чем искать ответ на важнейший вопрос о том, почему мы стареем, надо понять, что такое старение. Как ни странно, среди ученых нет единой точки зрения на это. Однако мы предлагаем придерживаться следующего определения: старение – это процесс, характеризующийся ростом вероятности умереть с возрастом. Такая формулировка не отражает того, какой именно процесс лежит в основе старения, но подчеркивает его важнейший аспект – старение ограничивает продолжительность нашей жизни. Если бы человек не старел, и его тело оставалось как у молодого юноши (или девушки) 18–20 лет, то средняя продолжительность жизни составляла бы не 80 лет, как на сегодняшний день, а, по некоторым расчетам, целую тысячу лет и даже больше! В это сложно поверить, но вы не ослышались – старение сокращает продолжительность нашей жизни с тысячи лет здоровой жизни до жалких 80 лет, из которых существенная часть приходится на период старческой дряхлости и немощи.

На рисунке 1 изображены кривые дожития стареющих (нас с вами) и гипотетически нестареющих людей. Черная кривая отражает динамику выживаемости стареющих людей, а серая – нестареющих людей с риском смерти, эквивалентным риску смерти двадцатилетнего человека. И этот риск смерти остается неизменным во времени, это приводит к тому, что более 85 % нестареющих людей справят свой 150-летний юбилей, в то время как теоретически до этого возраста может дожить лишь ничтожная доля стареющих. Вероятность дожития до 150 лет у стареющих столь мала, что из 7 миллиардов людей до этого возраста не доживет никто. Происходит это потому, что, начиная с возраста 30 лет, примерно каждые 8 лет риск смерти удваивается. Таким образом, риск смерти 70-летнего более чем в 30 раз превышает риск смерти 30-летнего. Иными словами, риск смерти растет по экспоненте, и это приводит к провалу на кривой дожития.

Но обратите внимание на пунктирную кривую на графике. Это кривая дожития также нестареющих людей, но риск смерти у них с рождения, как у 60-летнего человека, хотя и не растет. Бросается в глаза, что медианная продолжительность жизни у таких нестареющих людей и стареющих людей одинакова. Однако видно, что при равной медианной продолжительности жизни ранняя смертность у нестареющих намного выше, а смертность в позднем возрасте значительно ниже.

Гипотетически возможно, что с эволюционной точки зрения важно, как можно большему числу особей выжить до медианного возраста, чтобы оставить потомство, а после этого выживаемость особи уже не так важна. Вероятно, отчасти поэтому большинство видов на планете стареют, хотя есть и нестареющие виды. Впрочем, это всего лишь гипотеза.

Рис. 1. Кривые дожития стареющих и гипотетически нестареющих людей

Кроме того, важно понимать, что нестарение, то есть старение, которым можно пренебречь, не означает бессмертие, так как нестарение – это всего лишь постоянство вероятности умереть во времени, но сама вероятность может быть больше нуля.

Математика описывает то, как мы стареем и к чему приводит старение, но, к сожалению, не может дать ответ на вопрос – почему мы стареем? Существует великое множество гипотетических причин старения, однако ни одна не была подтверждена экспериментально, а в последнее время получены данные, опровергающие большинство из них. Из множества гипотез выделяется одна, которая фокусируется не на клетках, а на их окружении. О ней мы и поговорим.

Продолжительность жизни клеток организма не ограничена

Клетки некоторых органов и тканей регулярно обновляются, а некоторых функционируют в течение всей жизни человека. Наше тело, к сожалению, неуклонно увядает, теряя функциональные возможности. Многие ученые считают, что это происходит вследствие того, что самые долгоживущие клетки живых организмов, в том числе стволовые клетки^[1], с возрастом хуже выполняют свои функции и в итоге погибают, ограничивая продолжительность жизни. Возникает вопрос: а сколько, собственно, могут жить клетки?

Продолжительность жизни большинства клеток значительно меньше, чем у целого организма. Например, эритроциты живут всего несколько месяцев [1], клетки эпителия кишечника и того меньше – 3–5 дней [2].

Но такие клетки, как, например, нейроны (рис. 2) (клетки нервной ткани, в том числе головного мозга) и клетки печени, могут жить примерно столько же, сколько и весь организм [3]. То же справедливо и для стволовых клеток – предшественников всех других, в том числе клеток специализированных тканей в организме.

Рис. 2. Типичная структура нейрона

Бытует мнение, что продолжительность жизни организма определяется продолжительностью жизни самых долгоживущих клеток. Согласно этой гипотезе они запрограммированы на определенный срок жизни, и с прекращением их функционирования прекращается жизнедеятельность всего организма. Однако есть ли в действительности предел жизни клеток и, если это так, то совпадает ли он с продолжительностью жизни организма?

Известно, что при старении мы теряем особые нейроны в мозжечке^[2], называемые клетками Пуркинье [4, 5]. 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 (Италия), получил эмбрионы особой трансгенной линии мышей. Клетки – предшественники нервных клеток у эмбрионов этой линии мышей можно было увидеть, подсветив светом определенной длины волны. Затем он пересадил эти клетки в эмбрионы крыс, которые обычно живут почти в полтора раза дольше, чем мыши. У крыс из мышиных клеток-предшественников развились нейроны, ничем не отличающиеся от мышиных, и жили эти нейроны столько же, сколько остальные нейроны крыс! То есть – в эксперименте доктора Лоренцо Маграсси – на 38 % дольше максимальной продолжительности жизни мышей [6]!

Отсюда следует, что время жизни нервных клеток не предопределено генетически и в очень большой степени зависит от окружения. У нейронов нет собственных биологических часов, запускающих их гибель, – таким механизмом служит весь организм. Но какой именно фактор синхронизирует процесс? На этот вопрос мы и постараемся дать ответ в этой главе.

Не только нейроны способны жить значительно дольше, чем организм! Число стволовых клеток в тестикулах^[3] мышей начинает стремительно уменьшаться после 12 месяцев, а вместе с этим снижается 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 3 лет, что значительно превышает продолжительность жизни самих мышей! При этом пересаженные стволовые клетки не перестают дифференцироваться. Все это говорит о том, что старение именно микроокружения стволовых клеток, а не самих клеток приводит к их дисфункции на протяжении жизни животного. Важнейшей составляющей микроокружения стволовых клеток (ниши стволовых клеток) является внеклеточный матрикс [7].

То, что клетки могут жить значительно дольше, чем сам организм, подтверждают и другие исследования [8]. Мышиные стволовые клетки способны производить эритроциты^[4] более 3000 дней, что превышает максимальную продолжительность жизни этих животных в несколько раз. Это было установлено путем последовательной пересадки одних и тех же стволовых клеток более молодым мышам-донорам. То есть молодой мышке с анемией^[5] пересадили стволовые клетки, убедились, что анемия прошла, и потом, когда мышь состарилась, забрали те же самые стволовые клетки и снова пересадили их молодой мышке. И так несколько раз. И эти клетки жили бы еще дольше, но, по-видимому, сама процедура пересадки клеток (трансплантация) губительна для них, поскольку угасание их функций зависело от количества пересадок (даже если они все были проведены в короткий срок).

Вышеприведенных аргументов достаточно, чтобы отвергнуть гипотезу о том, что срок жизни организма обусловлен продолжительностью жизни клеток. Что же тогда его определяет? Я уверен, и обосновал это в совместной с профессором Москалевым статье, опубликованной в 2020 году в журнале Ageing Research Reviews [9], что ограничителем является внеклеточный матрикс.

Где прячется старение

Внеклеточный матрикс (ВКМ) – это сложная сеть из белков (коллагена, эластина), протеогликанов, гликопротеинов, гиалуроновой кислоты и прочих молекул (рис. 3) [10]. Эта сеть окружает наши клетки (либо клетки заякорены на ней только с одной стороны) и обеспечивает им механическую поддержку, транспорт веществ в клетки и передвижение самих клеток – компоненты матрикса играют роль меток, определяющих пути миграции клеток. Однако этим роль ВКМ не ограничивается, изменения его механических свойств (таких как, например, жесткость и эластичность) воспринимаются клетками и приводят к изменению работы их генов (какие-то из них активизируются, а какие-то тормозятся), что и определяет их судьбу [11].

Ученые из Техасского университета во главе с Сяо Дон Чэнь провели эксперимент, направленный на омоложение/старение клеток, в результате которого удалось омолодить старые мезенхимальные стволовые клетки, взятые у 18-месячных мышей. Клетки старых мышей выращивали на ВКМ молодых мышей трехмесячного возраста. И наоборот, удалось состарить молодые стволовые клетки, взятые у трехмесячных мышей, которые выращивали на ВКМ взрослых мышей 18-месячного возраста [12]. В другой похожей работе удалось таким же образом омолодить старые человеческие мезенхимальные стволовые клетки [13].

В 2011 году Хэ Ри Чои (Hae Ri Choi) и его коллеги опубликовали исследование, в котором показали, что взаимодействие стареющих фибробластов с молодым ВКМ приводит к их восстановлению до более молодого состояния. Уровни биомаркеров, определяющих старение клеток, таких как ассоциированная со старением бета-галактозидаза), внутриклеточный уровень активных форм кислорода^[6], мембранный потенциал митохондрий, длина теломер (концевых участков хромосом), наличие очагов повреждения ДНК и способность фибробластов^[7] к делению – все эти показатели частично или полностью восстановились до значений, свойственных молодым клеткам. Также была восстановлена работа таких связанных со старением и регулирующих все процессы от момента образования до гибели клетки генов, как p53, p16, p21 и CAV1 [14].

Рис. 3. Внеклеточный матрикс и мембрана клетки. Адаптировано из [15]

Команда исследователей во главе со Стюартом Кэмпбеллом, адъюнкт-профессором биомедицинской инженерии, клеточной и молекулярной физиологии, изучала влияние ВКМ (организующего клетки в ткань) на здоровые клетки сердца. Ученые получили ВКМ сердечной мышцы здоровой свиньи и животного с гипертрофической кардиомиопатией^[8]. Клетки сердца химически удалили, оставив лишь ВКМ, а на него поместили здоровые клетки сердца человека. Результат был удивительным: здоровые клетки человека, выращенные на здоровом ВКМ свиньи, дали рост здоровой сердечной ткани; на ВКМ животного с кардиомиопатией выросла сердечная мышечная ткань с признаками гипертрофической кардиомиопатии [16]. Вероятно, этим механизмом обусловлена неэффективность терапии инфаркта миокарда стволовыми клетками [17] и предотвращения основных неблагоприятных событий, таких как смерть либо повторный инфаркт [18]. Ведь ВКМ сердечной мышцы остается старым.

Есть работы, которые показывают, что ключом к старению клеток может быть жесткость ВКМ. Например, именно жесткость ВКМ головного мозга является причиной старения клеток – предшественников олигодендроцитов^[9] [19]. Ранее ученые полагали, что старение мозга связано с недостатком различных факторов роста нервных клеток, но причины этого не были до конца ясны. Известно, что зрелые олигодендроциты (рис. 4) осуществляют питание нейронов, продуцируя глиальный нейротрофический фактор, нейротрофический фактор мозга и инсулиноподобный фактор роста-1. И оказалось, что ВКМ старых особей негативно влиял на клетки – предшественники олигодендроцитов, а молодой матрикс влиял крайне позитивно. Более того, выращивая эти клетки на искусственных гидрогелях^[10] с различной жесткостью, ученые установили, что воздействие на клетки – предшественники олигодендроцитов определяется именно жесткостью ВКМ. Пролиферация и дифференцировка клеток – предшественников олигодендроцитов, нанесенных на мягкие гидрогели, увеличилась в 10 раз. На жестких гидрогелях клетки – предшественники олигодендроцитов утратили способность делиться и дифференцироваться.

Рис. 4. Олигодендроцит формирует миелиновую оболочку аксонов, что увеличивает скорость проведения нервного импульса

Есть свидетельства того, что увеличение жесткости ВКМ мышц вызывает старение предшественников мышечных клеток^[11] [20]. В этой работе ученым удалось изучить влияние жесткости ВКМ на клетки путем выращивания (культивации) их на гидрогелях с различной жесткостью. В результате выяснилось, что с увеличением имитируемой гидрогелями жесткости среды, на которой выращиваются клетки, значительно снижает регенеративный потенциал предшественников мышечных клеток, что также наблюдается при старении.

Кроме того, другое исследование показало, что повышенная жесткость ВКМ способствует секреции фибробластами (рис. 5) факторов, которые направляют предшественники мышечных клеток по фиброгенному пути. Вследствие этого они вместо мышечной ткани дают начало соединительной ткани, обладающей большей жесткостью [21]. Иными словами, повышение жесткости ВКМ создает предпосылки для фиброза^[12].

Рис. 5. Структура фибробластов

Итак, весьма вероятно, что увеличение жесткости ВКМ играет ведущую роль в старении нервной и мышечной систем, а значит, в снижении когнитивных способностей (вплоть до деменции), мышечной силы и массы (саркопении). Также увеличение жесткости матрикса сосудов, очевидно, вносит свой вклад в старение сердечно-сосудистой системы. Повышенная жесткость сосудов является одной из причин возрастной гипертонии, ухудшения кровоснабжения органов, а также повреждения микрокапилляров за счет более высокой скорости потока крови – в молодом возрасте эластичные сосуды ослабляют пульсовую волну, снижают ее скорость до безопасной.

Ухудшение работы главной мышцы нашего организма – сердца – также может объясняться изменением жесткости ВКМ, ведь это ухудшение влияет и на нервные клетки данного органа (олигодендроциты (см. рис. 4) ответственны еще и за миелинизацию аксонов нервных клеток), и на мышечные.

Но почему растет жесткость матрикса с возрастом? Ответ довольно прост и известен уже более полувека – из-за накопления сшивок между волокнами коллагена в ВКМ.

Все дело в том, что такие долгоживущие белки матрикса, как коллаген и эластин, за свой чрезвычайно большой срок жизни накапливают случайные повреждения – сшивки и аддукты. Почему так происходит? Некоторые молекулы в нашем организме очень легко вступают в химические реакции, например глюкоза. Она может связываться с остатком аминокислоты лизин в составе долгоживущих белков, подобных коллагену. Такое спонтанное присоединение глюкозы называется реакцией неферментативного гликозилирования, или гликированием. Получившееся соединение остатка лизина и глюкозы является обратимым продуктом гликирования (основанием Шиффа), то есть реакция образования продукта гликирования обратима – может произойти обратное превращение. После ряда химических преобразований обратимый продукт гликирования может стать необратимым – конечным продуктом гликирования (КПГ). Конечные продукты гликирования могут иметь структуру сшивок или аддуктов.

Сшивка – это соединение, при котором две молекулы белка «сшиты» своеобразным мостиком. Именно из-за такого сшивания увеличивается жесткость матрикса с возрастом.

Аддукт – это такой вид соединения, при котором в отличие от сшивки один конец молекулы прикреплен к белку, а второй – свободно плавает (рис. 6). Аддукты не увеличивают жесткость матрикса, но это не означает, что они безобидны, поскольку, взаимодействуя с рецептором КПГ на мембране клеток, вызывают воспаление и даже их гибель [22–24].

Прежде всего нас интересует вопрос: по какой причине накапливаются эти сшивки? Во-первых, для их образования не требуется ничего кроме глюкозы, лизина и аргинина, которые входят в состав долгоживущих белков. Сшивка образуется спонтанно, при ее образовании происходит необратимая реакция, то есть обратная реакция невозможна. У нас в организме нет ферментов, способных расщепить, например, глюкозепан (считается, что это вещество образует сшивки чаще всего) [26–28]. Клетки иммунной системы макрофаги выделяют особые ферменты – коллагеназы, которые способны расщепить что угодно, даже кость (органическую основу которой составляют волокна того же коллагена)! Некоторые исследователи настаивают на том, что у нас включается такая программа, которая не дает макрофагам ремоделировать ВКМ (то есть удалять сшитый, испорченный коллаген и заменять его новым), хотя в принципе наш организм способен чинить любые повреждения. Но так ли это?

Рис. 6. Коллагеновые волокна и глюкозепан:

а – глюкозепан ковалентно связывается с лизином и аргинином, образуя сшивку между двумя коллагеновыми волокнами (вверху) или аддукт (внизу); б – химическая структура комплекса глюкозепана с лизином (выделено темно-серым) и аргинином (выделено светло-серым); в – трехмерная модель комплекса глюкозепана с лизином и аргинином.

Адаптировано из [25]

Ученые провели наглядный эксперимент [29]: сначала погрузили волокна коллагена в рибозу (сахар, подобный глюкозе) на разное время (3 и 7 дней), в волокнах образовалось разное количество сшивок, а затем сшитый и несшитый коллаген погрузили в раствор коллагеназы. И вот что из этого получилось (рис. 7).

Мы видим, что предварительно сшитый коллаген в результате воздействия рибозы в течение 7 дней даже спустя 25 (!) часов постоянного нахождения в растворе коллагеназы не претерпел никаких изменений – не был деградирован! Учитывая, что в нашем теле концентрация коллагеназ меньше и время их воздействия на коллаген тоже меньше (а время гликирования больше), становится понятно, что организм самостоятельно не может справиться со сшитым коллагеном, как бы нам ни хотелось верить в обратное! Более того, исследования показывают, что сшивки также подавляют активность других ферментов, под действием которых коллаген способен деградировать, например матриксные металлопротеиназы 2-го типа [30].

Рис. 7. Воздействие на коллаген сахаром и коллагеназой. Адаптировано из [29]

Глюкоза – не единственное вещество, которое участвует в образовании сшивок и аддуктов, поэтому отсутствие глюкозы не уменьшит скорость накопления КПГ! При голодании или в результате модных кетодиет образуются кетоны, которые также прекрасно сшивают белки матрикса. Фруктоза (из фруктов, меда, тростникового сахара) и галактоза (из молочного сахара лактозы, меда, некоторых растений – орегано, базилика, сельдерея, паприки, киви, шпината, миндаля, авокадо) легче вступают в химические реакции, чем глюкоза, что приводит к ускоренному накоплению КПГ в организме.

Возможно, вызванная сшивками резистентность коллагена к расщеплению ферментами является даже более важным фактором старения, чем упомянутая выше жесткость матрикса!

Ученые провели очень интересный опыт: они вызвали мутацию в гене, кодирующем коллаген I типа, что сделало этот белок более устойчивым к действию коллагеназ (имитация свойств старого, гликированного коллагена) [32]. И произошло удивительное – мыши стали гораздо быстрее стареть (рис. 8).

Рис. 8. Сенесцентные клетки (темные пятна) на здоровом матриксе (слева) и на матриксе, устойчивом к действию коллагеназ (справа).

Адаптировано из [31]

Потеря веса, дистрофия жировой ткани, остеопороз^[13], искривление позвоночника (кифоз) и гипертония – такие изменения появились у мышек с устойчивым к расщеплению ферментами коллагеном намного раньше, чем у их собратьев из контрольной группы. Примечательно то, что мутацию коллагена тестировали на двух генетических линиях мышей – C57BL-6 и C57BL-129, что практически исключает возможность каких-либо специфических реакций в рамках одной генетической линии. Нет, скорее всего, мы имеем дело с неким общим феноменом, механизм которого не до конца ясен.

Факт старения клеток под влиянием окружающей их среды известен очень давно. Однако какой именно фактор из микроокружения вызывает старение клеток, неизвестно. Может быть, какие-то гормоны? Я предполагаю, что решение проблемы кроется в ВКМ, поскольку он содержит долгоживущие белки, в которых повреждения накапливаются сами по себе (без участия ферментов). Сшитый и полный токсичных аддуктов ВКМ негативно влияет на расположенные в нем клетки. Клетки хуже выполняют свои функции и, более того, сами начинают выделять различные факторы, усугубляющие старение, например воспалительные цитокины. Можно считать матрикс этакими часами старения: действительно, с 1970-х годов известно, что растворимость коллагена^[14] кожи человека очень тесно коррелирует с его возрастом (рис. 9), но про это все уже давно забыли, увлекшись модными эпигенетическими часами. Вспомните вопрос, который мы ставили в начале главы, говоря о том, что у нейронов нет собственных биологических часов, которые говорят им, что пора умирать, – такими часами им служит весь организм: «Какой именно фактор служит синхронизатором-часами?». Вполне возможно, что это ВКМ.

Рис. 9. Зависимость логарифма времени, необходимого для расщепления 50 % коллагена кожи коллагеназой, от возраста.

Адаптировано из [33]

Спонтанная модификация долгоживущих белков ВКМ приводит к старению всего организма – это так называемая сильная ВКМ-гипотеза (еще не имеющая окончательных доказательств), которую я развиваю. Согласно ей изменение ВКМ – единственный либо основной фактор старения. Согласно слабой (имеющей все необходимые доказательства) ВКМ-гипотезе ВКМ является одним из факторов старения, его изменение может играть роль пускового механизма этого процесса. Кстати, и тут несправедливость: гликирование не входит даже в список признаков старения (Hallmarks of Aging) [34], хотя удовлетворяет всем критериям. Мы с профессором Москалевым попытались устранить эту несправедливость, выпустив в 2020 году фундаментальный обзор на эту тему в журнале Aging Research Reviews [9].

Сильная ВКМ-гипотеза позволяет объяснить бессмертие стареющих видов очень просто: бессмертие вида возможно потому, что новая особь строит новый ВКМ заново, а продолжительность жизни, по крайней мере некоторых видов клеток, вероятно, не ограничена.