Хабрахабр

SENS-Диагностика. Биомаркеры внутриклеточного «мусора»

В течение всей жизни организма в клетках образуются компоненты, которые в силу разных причин становятся не способны нормально выполнять свои физиологические функции. Такие структуры, как, к примеру, старые дефектные митохондрии, становятся внутриклеточным «мусором». Если бы такой балласт постоянно накапливался внутри клетки, это бы сделало невозможным протекание нормальных внутриклеточных процессов и привело бы к гибели клетки. Чтобы этого не происходило, в клетках существуют специальные «мусоросжигательные заводы» – лизосомы.

Для того, чтобы вместить в себя предназначенные для деградации клеточные структуры, лизосомы способны принимать самые разные формы. Лизосомы – это одномембранные органеллы диаметром от 0,2 до 2 мкм. Деградация предназначенных для утилизации клеточных компонентов и макромолекул происходит в лизосоме под воздействием специальных расщепляющих ферментов (всего — около 60 различных типов), главный из которых – кислая фосфатаза. В среднем, в одной клетке может быть несколько сотен лизосом.

Что приводит к накоплению «внутриклеточного мусора», мешающего жизнедеятельности клетки. С течением времени и под воздействием различных факторов лизосома может начать хуже справляться со своими задачами. Прогрессирующее накопление внутриклеточного «мусора» во приводит к нарушениям нормального функционирования клеток, что может привести к возникновению заболеваний и ускоренному старению. Особенно эта проблема актуальна для постмитотических клеток, таких как клетки сердечных мышц и нейроны.

Отложения липофусцина в клетке сердца. Лф — липофусцин, м — митохондрия, мф — миофибрилла

Известно, что макрофаги, одна из функция которых – защищать внутренние стенки артерии, одновременно являются ключевым звеном в развитии атеросклероза. Характерным примером такой засорившейся клетки может служить наш иммунный страж – макрофаг. Но если таких веществ в артериях становится больше, чем способен переварить макрофаг, токсичные материалы накапливаются внутри него. В здоровом и молодом организме макрофаги вполне справляются со своей задачей, поглощая и деградируя опасные для артерий вещества, такие, как модифицированные липопротеины. И это приводит к дисфункции макрофага и превращению его в пенистую клетку, которая уже непосредственно негативно участвует в развитии атеросклероза.

Они предполагают, что поскольку основная проблема заключается в неспособности лизосом разрушить часть внутриклеточных включений, логичным решением является поставка лизосомам новых ферментов, которые могут смогут с этой задачей справиться. Авторы концепции SENS видят решение проблемы возрастного и патологического накопления внутриклеточных отходов в модификации лизосом. Таким образом, идея SENS состоит в том, чтобы найти ферменты, используемые этими организмами для переваривания лизосомальных отходов, изменить их, чтобы они могли работать в среде лизосом человека, а затем доставить их в клетки. Как сегодня известно, такие ферменты существуют, например, в почвенных бактериях и грибах, разлагающих органические остатки.

Они были получены при лечении генетических патологий, т.н. На первый взгляд такой подход может показаться технически трудновыполнимым, но уже существуют прямые доказательства его жизнеспособности. Эти заболевания имеют генетическую природу, в результате чего ферменты лизосом не работают так, как надо. лизосомных болезней накопления (Lysosomal Storage Diseases), таких, как болезнь Гоше, с использованием «ферментной заместительной терапии». Дальнейшая работа в этом направлении продолжается, с использованием генной терапии, чтобы перегруженные отходами клетки начали сами производить необходимые для деградации «мусора» ферменты. И сегодня ряд таких заболеваний успешно лечится путем инъекции пациентов модифицированным для перемещения через клеточную мембрану ферментами лизосом.

Липофусцин – это пигмент, состоящий из окисленных и поперечно-сшитых белков и липидов, что затрудняет его деградацию и выведение из клеток. Одним из видов внутриклеточного «мусора», который также может служить биомаркером старения, сегодня считаются гранулы липофусцина. Вирховым ещё в 1847 году. Липофусцин был открыт Р. Но, несмотря на это, до сих пор не существует ясного понимания ни механизмов его образования, ни его роли в организме вообще и в процессах старения в частности.

До этого гранулы липофусцина называли «цероидами», по месту их образования – в гепатоцитах, в подверженной циррозу печени. Сам термин «липофусцин» был введён в научный оборот в 1912 году и буквально обозначает «тёмный жир», из-за коричневого цвета пигмента. Сегодня липофусцин найден в клетках всех живых видов, от простейших до приматов. Размер гранул колеблется в среднем от 0,5 до 1,5 мкм. С другой стороны, липофусцин может принимать участие в запрограммированной гибели организмов, которую описывает предложенная академиком В. Что ставит под сомнение сугубо патологическую роль липофусцина, почему-то закрепившегося эволюцией у всех живых организмов. Скулачёвым теория феноптоза.

Жиры большей частью представлены фосфолипидами (кефалин, лецитин, сфингомиелин), а также холестерином, триглицеридами и продyктами перекисного окисления и полимеризации жирных кислот. В состав липофyсцина входят жиры (20-50%), белки (30-60%). Но в наибольшем количестве во всех гранулах липофусцина представлены четыре аминокислоты: глицин, валин, аланин и пролин. В состав гранул липофyсцина могут входить все известные аминокислоты, количественное соотношение которых зависит от органа, из которого выделили липофyсцин.

Кроме этого, в гранулах липофyсцина найдены азотистые основания, дериваты бензола, феноловые соединения и неорганические компоненты – yглерод, азот, фосфор, сера, магний и алюминий [1]. Некоторые протеины липофyсцина относятся к белкам-ферментам, среди которых наибольшее количество кислых фосфатаз (основного фермента лизосом) и неспецифических эстераз.

Сегодня на этот вопрос нет точного ответа. Как образовывается липофусцин в клетках? В результате которого в клетке накапливаются «резидyальные тельца» – продyкты оксидации и пероксидации липидов, которые не поддаются деградации лизосомальными ферментами. Наличие в составе липофусцина лизосомных ферментов (кислых фосфотаз) позволило предположить, что липофусцин может появляться из-за окислительного стресса. Поэтому природа накопления липофусцина в клетках может быть также связана с разрушением клеточных органелл, которые не были утилизированы лизосомами [2]. В гранулах липофусцина также обнаруживали митохондриальные ферменты, фрагменты митохондрий и эндоплазматического ретикyлyма. Так, митохондрии наиболее подвержены деградации в липофусциновые гранулы (митолипофусцин) [3].

Некоторые исследователи выделяют отдельную форму липофусцина, особо богатого железом – гемосидерин. Описано, что железо усиливает образование липофусцина, предположительно, путём повышения перикисного окисления липидов, вызванного железом. Так, избыточная продукция дефектными митохондриями пероксида водорода приводит к тому, что пероксид диффундирует в лизосомы, перегруженные железом, и усиливает образование липофусцина. При старении на накопление липофусцина сильное влияние оказывает дисфункция митохондрий и связанный с ней окислительный стресс (и здесь можно увидеть пересечение двух разделов SENS – mytoSENS и lysoSENS). В том числе при восстановлении ионов железа Fe2+ до Fe3+ в реакции Фентона. Митохондрии также содержат ферритин, который может подвергнуться деградации посредством аутофагии, что даёт дополнительный источник свободного железа для дальнейшего усиления продукции активных форм кислорода. И здесь мы наблюдаем целый каскад кросс-каталитических событий, характерных для патологий: дисфункция митохондрий и окислительный стресс приводит к цепи реакций, итогом которых становится увеличение накопления липофусцина. Усиление окислительного стресса, катализируемого железом, вызывает пероксидативное повреждение лизосом (проницаемость их мембраны), что приводит к утечке железа, и, в свою очередь, увеличивает общий пул железа. И этот каскад событий непосредственно связан с особой формой клеточной гибели – ферроптозом, который происходит на фоне дефицита одного из антиоксидантов, глутатиона, и в условиях избытка железа и окислительного стресса [4].

Так, в составе гранул липофусцина, кроме белков и липидов, советскими исследователями В.Н Карнаyховым и А.Б. В разное время высказывались предположения о возможной физиологической роли липофусцина. В связи с этим высказывались предположения, что липофусцин выполняет какие-то функции. Татарюнасом были найдены вещества, активно участвующие в метаболизме клеток – каротиноиды [5, 6]. Так, например, известно, что в клетках мышц количество липофусцина увеличивается под воздействием тяжёлых физических нагрузок. Предположительно, он может участвовать в производстве энергии в условиях гипоксии в энергозатратных тканях, к примеру, в мышечной.

Пожалуй, наиболее внятно формулирует взаимосвязь липофусцина со старением митохондриально-лизосомальная теория старения. Но большинство исследователей придерживаются мнения о возраст-зависимом накоплении липофусцина в клетках, что даёт возможность использовать его в качестве биомаркера старения. Что становится причиной постепенного возрастного накопления поврежденных митохондрий, других органелл и повреждённых белков, и, как следствие, клеточной дисфункции постмитотических клеток, дисфункции органов и старения [7]. Согласно которой возрастное накопление липофусцина, загромождающего лизосомы, тесно связано с прогрессирующим нарушением аутофагии, окислительным стрессом и дисфункцией митохондрий.

Для неделящихся клеток возрастная перегруженность липофусцином должна представлять большую проблему. Известно, что с возрастом происходит увеличение накопления липофусцина в разных клетках: в клетках мозга, сердца, сетчатки глаза, скелетных мышц, кожи [8]. Поэтому использование липофусцина в качестве биомаркера старения кажется вполне логичным. Так, описана негативная роль этого пигмента в нейродегенеративных процессах и его возможная взаимосвязь с нейропатологиями (болезнями Альцгеймера, Паркинсона и др.) [9].

Для его идентификации в клетках сегодня используется несколько гистохимических реакций: реакция по Хуэку (окрашивание красителем нильским синим), реакция по Шморлю (липофусцин и ещё один пигмент меланин окрашиваются в темно-синий цвет), метод Циля-Нильсона (окрашивание в ярко-красный цвет карбол-фуксином) [10].

Один из популярных сегодня методов определения липофусцина – окрашивание красителем суданом чёрным-B (Sudan-Black-B, SBB) и его связанным с биотином аналогом (под названием GL 13), которые показали свою высокую эффективность в выявлении липофусцина [11, 12].

Сравнительный анализ уровней липофусцина в слюне и в крови у молодых и пожилых людей показал достоверную корреляцию в сторону его увеличения с возрастом [13]. В 2015 году китайские исследователи описали эффективный метод измерения липофусцина в слюне и плазме крови. Что позволяет использовать этот метод для определения липофусцина как биомаркера старения организма.

Так, запатентованный Ульрих Шрэрмайер (Ulrich Schraermeyer) еще в 2008 году метод лечения болезни Штаргардта (связанной с накоплением липофусцина в пигментном эпителии сетчатки глаза) с помощью тетрагидропиридоэфира (tetrahydropyridoethers), хотя и показал обнадеживающие результаты в опыте на макаках, но так и не нашел применения в клинической практике [14]. К сожалению, на данных момент нет эффективных методов ни как замедления накопления липофусцина, ни так и удаления липофусциновых гранул.

Эффективность мелатонина, изотретиноина, бета-циклодекстрина – «растворителя» как липофусцина, так и атеросклеротических бляшек, и других препаратов требует дальнейших исследований [16-18]. Нет новостей и об эффектах гипербарической оксигенации на содержание липофусцина в головном мозге [15].

Авторы обзора: Денис Одиноков, Алексей Ржешевский.

Продолжение следует…

В следующей, 3 части, мы расскажем о биомаркерах белковых агрегатов, связанных с возрастными нейропатологиями.

Список литературы

1. А.А. Ефимов, Г.Н. Маслякова. О роли липофусцина в инволютивных и патологических процессах. Саратовский наyчно-медицинский жyрнал, 2009, том 5, №1, с. 111-115.

Лугин И.А., Игнатенко В.В., Прокофьева К.С. 2. Синергия наук. Современные представления о липофусцине как о биомаркере старения. № 18. 2017. 1147-1156. − С.

Chaplygina, A. 3. L. V., and N. Lipofuscin and mitolipofuscin in organs of young and adult rats. Vekshin. Uspekhi gerontologii 31. Advances in gerontology. 2 (2018): 197-202.

Ashraf A, Clark M, So PW. 4. Front Aging Neurosci. The Aging of Iron Man. Mar 12;10:65. 2018.

Karnaukhov V. 5. On the nature and function of yellow aging pigment lipofuscin. N. Experimental Cell ResearchVolume 80, Issue 2, August 1973, Pages 479-483

Татарюнас. 6. Липофyсцин в старении и патологии: Автореф. А.Б. докт. дис. наyк. биол. 41 с. Вильнюс, 1999.

Terman A, Gustafsson B, Brunk UT. 7. Chem Biol Interact. The lysosomal-mitochondrial axis theory of postmitotic aging and cell death. 2006 Oct 27;163(1-2):29-37

Москалёв А. 8. Вестник восстановительной медицины. Молекулярные биомаркеры старения для превентивной медицины. №1, с. 2017. 18-29.

Alexandra Moreno-García, Alejandra Kun, Olga Calero, Miguel Medina and Miguel Calero. 9. Front Neurosci. An Overview of the Role of Lipofuscin in Age-Related Neurodegeneration. 2018; 12: 464.

Луппа Х. 10. Основы гистохимии, Мир, М., 1980

Hanna Salmonowicz and João F. 11. Detecting senescence: a new method for an old pigment Aging Cell. Passos. 2017 Jun; 16(3): 432–434.

Konstantinos Evangelou et al. 12. Aging Cell. Robust, universal biomarker assay to detect senescent cells in biological specimens. 2017 Feb; 16(1): 192–197.

Feng FK, E LL, Kong XP, Wang DS, Liu HC. 13. Send to Aging Clin Exp Res. Lipofuscin in saliva and plasma and its association with age in healthy adults. 2015 Oct;27(5):573-80.

Julien, S. 14. Lipofuscin can be eliminated from the retinal pigment epithelium of monkeys. & Schraermeyer, U. Neurobiology of Aging 33, 2390–2397 (2012).

Xu, X., & Guo, D. 15. The effect of hyperbaric oxygen on memory behavior and lipofuscin content of brain in aged-mice. (2001). Journal of Zhejiang Normal University (Natural Sciences), 24(1), 67-69.

Gaspar, J., Mathieu, J. 16. 2-Hydroxypropyl-beta-cyclodextrin (HPβCD) reduces age-related lipofuscin accumulation through a cholesterol-associated pathway. & Alvarez, P. Scientific Reports 7, (2017).

Litvinenko, G. 17. et al. I. Bulletin of Experimental Biology and Medicine 159, 732–735 (2015). Effects of Melatonin on Morphological and Functional Parameters of the Pineal Gland and Organs of Immune System in Rats During Natural Light Cycle and Constant Illumination.

Radu, R. 18. et al. A. Proceedings of the National Academy of Sciences 100, 4742–4747 (2003).
Treatment with isotretinoin inhibits lipofuscin accumulation in a mouse model of recessive Stargardt’s macular degeneration.

Теги
Показать больше

Похожие статьи

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Кнопка «Наверх»
Закрыть