Анализ старения на основе моделей гетерохронного парабиоза

npj Aging | (2024) 10:38.

doi.org

Aging insights from heterochronic parabiosis models

Haijun He, RuixueAi, Evandro Fei Fang, Konstantinos Palikaras

Старение является результатом накопления с течением времени широкого спектра молекулярных и клеточных повреждений, что приводит к постепенному снижению физических и умственных способностей, повышению уязвимости к развитию таких патологий, как рак, сахарный диабет, сердечно-сосудистые заболевания, нейродегенеративные и инфекционные заболевания и т.д., а также к повышению риску смерти. Отличительными признаками старения являются геномная нестабильность, истощение теломер, эпигенетические изменения, потеря протеостаза, нарушение макроаутофагии, митохондриальная дисфункция, клеточное старение, истощение стволовых клеток, изменение межклеточной коммуникации, хроническое воспаление и дисбиоз.

Парабиоз – это лабораторный метод, который используется в физиологических исследованиях. Он предполагает соединение кровеносных систем двух живых организмов одного вида таким образом, что у них развивается единая физиологическая система.. Название метода происходит от греческих слов «para» (рядом) и «bios» (жизнь). Впервые он был представлен французским физиологом Полем Бертом в 1860-х годах для совершенствования методов трансплантации органов, его полезность позже была распространена на исследования старения. Первоначально процедура проводилась на белых крысах-альбиносах, позже основными объектами этой процедуры стали мыши.

Парабиоз показал большой потенциал для того, чтобы дать ключ к пониманию фундаментальных механизмов старения и того, как можно увеличить продолжительность жизни. Для этого происходит сращивание кровеносных систем двух животных разного возраста. Во рамках гетерохронного парабиоза старые животные могут значительно продлить свою жизнь, получая лучшую защиту от смертельных заболеваний или методов лечения, которые в противном случае привели бы к преждевременной смертности. Напротив, молодые мыши демонстрируют вредные эффекты при воздействии системной среды своих старших собратьев. Таким образом, модели гетерохронного парабиоза служат ценным инструментом для изучения влияния циркулирующих факторов в кровотоке на различные процессы, связанные со старением.

Связь, установленная посредством гетерохронного парабиоза, способствует обмену жизненно важных компонентов крови, таких как гормоны, ферменты, циркулирующие факторы, клетки крови, некодирующие РНК, внеклеточные везикулы (ВВ) и даже клеточные органеллы, такие как функциональные митохондрии, а также другие клеточные материалы. Этот обмен позволяет исследователям изучить системное влияние факторов крови на старение на клеточном и тканевом уровне, а также на развитие возрастных заболеваний и других значимых параметров, связанных со старением. Примечательный вывод, который можно сделать из этих исследований, – наличие возможности вмешательства и потенциального обращения вспять нескольких аспектов возрастного старения.

Следует отметить, что во время гетерохронного парабиоза можно проанализировать две различные парадигмы: омоложение, вызванное парабиозом, и ускоренное старение, вызванное парабиозом. Первое происходит у старого животного, подвергшегося воздействию системной среды молодого животного, тогда как второе имеет место у молодого животного, подвергшегося воздействию системной среды его старого собрата. Исследования показали, что почти все типы клеток обладают способностью претерпевать изменения в ответ на изменения в составе крови, вызванные гетерохронным парабиозом, включая те, которые не подвергаются его непосредственного воздействия. В этом смысле гетерохронный парабиоз показал замечательные положительные эффекты, такие как улучшение когнитивных функций, мышечной силы, функции сердца, печени и поджелудочной железы, а также восстановление костной ткани у мышей. В частности, системная среда молодых особей обладает способностью обращать вспять эпигенетические маркеры, транскриптомные профили, протеомные особенности и метаболомные сигнатуры, связанные со старением. Напротив, системная среда пожилых особей имеет тенденцию вызывать противоположные эффекты. Кроме того, некоторые циркуляторные белки были идентифицированы как возможные медиаторы этих эффектов.

Примечательно, что, несмотря на эти многообещающие результаты, точные механизмы, лежащие в основе функционирования гетерохронного парабиоза на клеточном и молекулярном уровне, остаются не до конца изученными. Следовательно, целью данного исследования было дать обзор основных эффектов, наблюдаемых в моделях гетерохронного парабиоза в контексте старения и связанных с ним заболеваний. Кроме того, особое внимание было уделено исследованию молекулярных взаимодействий и путей, ответственных за возникновение этих эффектов, чтобы получить более глубокое понимание этого явления. Разгадка этих сложных механизмов имеет важное значение для понимания сложности этого явления и разработки стратегий, направленных на отсрочку негативных последствий старения, что в конечном итоге улучшит качество нашей жизни.

Выводы

Гетерохронный парабиоз оказался ценным инструментом для расшифровки некоторых ключевых циркулирующих молекул, участвующих в процессе старения, как способствуя, так и задерживая его. В целом, циркулирующие факторы, обменивающиеся во время парабиоза, могут способствовать клеточному старению или задерживать его, а также уничтожать стареющие клетки. По-видимому, парабиоз также омолаживает функцию митохондрий в нескольких контекстах. Было показано, что парабиоз регулирует воспалительные процессы, способствуя им во время ускоренного старения или предотвращая их во время индуцированного омоложения. В частности, в мозге ускоренное старение измененяет межклеточные коммуникации и увеличивает повреждения ДНК, что приводит к генетической нестабильности. Напротив, индуцированное омоложение усиливает протеостаз и эпигенетические модификации. В костном мозге, мышцах и печени истощение стволовых клеток смягчается во время индуцированного омоложения. Улучшается функция митохондрий мозга, кроветворных и иммунных клеток, эндотелия сосудов и мышц. Кроме того, макроаутофагия играет решающую роль в омоложении мышц и почек. Накопление стареющих клеток в головном мозге, поджелудочной железе, кроветворных и иммунных клетках, мышцах предотвращается во время индуцированного омоложения. И ровно обратное происходит при ускоренном старении из-за парабиоза в мозге, костях, мышцах, печени, эндотелии сосудов, почках.

Белки, определяемые как значимые в процессе старения с помощью этой стратегии, могут стать важными мишенями, сначала для лучшего понимания этого сложного процесса, а затем для выяснения стратегий отсрочки вредных последствий старения, таких как различные возрастные заболевания, тем самым улучшая качество нашей жизни. Исследователи по всему миру могут искать ингибиторы для мишеней, которые способствуют старению, и активаторы для тех, кто его задерживает. Это имеет большое значение, учитывая, что в настоящее время 8,5% людей во всем мире (617 миллионов) находятся в возрасте 65 лет и старше, и, по оценкам, к 2050 году эта цифра утроится, составив почти 17% населения мира (1,6 миллиарда).

Важно отметить, что одна из основных проблем, с которыми сталкиваются исследования гетерохронного парабиоза, заключается в том, что в большинстве случаев используемые условия значительно различаются. Это включает в себя различия в таких факторах, как пол и возраст животных, их расположение и сшитые кровеносные сосуды, продолжительность периода объединения кровеносных систем, а также другие переменные. Поэтому было бы целесообразно учредить конвенцию, в которой условия были бы одинаковыми или максимально схожими, чтобы улучшить воспроизводимость.

Сравнение преимуществ индуцированного омоложения с вредными эффектами ускоренного старения является сложной задачей, поскольку изменения обычно не происходят в противоположных направлениях в рамках одних и тех же процессов. Несмотря на эту сложность, было бы полезно найти метод оценки этих эффектов, возможно, с использованием статистических и вычислительных моделей. Кроме того, исследования, направленные на определение того, приводят ли разница в возрасте между животными и продолжительность их сшивки к значительным вариациям в исходах гетерохронного парабиоза, были бы особенно информативными.

Также следует отметить, что большинство исследований сосредоточены в основном на циркулирующих белках, в то время как информация о других циркулирующих биомолекулах, таких как ДНК, некодирующие РНК, внеклеточные везикулы, липиды, углеводы и их метаболиты, довольно ограничена. Точно так же большинство исследований рассматривают только клетки крови, несмотря на то, что могут быть перенесены и другие типы клеток. Это несоответствие подчеркивает необходимость дальнейших исследований для лучшего понимания роли и механизмов этих менее изученных биомолекул и клеток в различных биологических процессах.

Изучение объединенного набора данных транскриптомной, эпигеномной, протеомной и метаболомной информации, полученной из различных тканей и клеток в экспериментах по парабиозу, может обеспечить целостное понимание процесса старения. Этот комплексный подход может раскрыть сложные молекулярные механизмы, лежащие в основе изменений, связанных со старением, обеспечивая всестороннее и структурированное представление о том, как различные биологические пути взаимодействуют и способствуют старению. Однако анализ этих многомерных наборов данных сопряжен со значительными трудностями из-за их сложности и большого объема информации, которую они охватывают. Такая сложность обусловлена взаимодействием различных молекулярных процессов и необходимостью интеграции данных с разных уровней омикса. Для решения этой задачи могут быть очень полезны новые вычислительные методы и техники искусственного интеллекта, адаптированные к анализу больших данных и распознаванию образов. Эти передовые инструменты могут помочь определить ключевые молекулярные сигнатуры, извлечь значимую информацию и выявить скрытые связи в данных, тем самым способствуя более глубокому пониманию биологии старения и разработке потенциальных вмешательств для содействия здоровому старению.

Существует еще много проблем и возможностей, которые необходимо изучить при гетерохронном парабиозе. Среди них стандартизация протоколов для получения как можно большего количества информации и обеспечения воспроизводимости, выявление более специфических факторов с фармацевтическим потенциалом, определение того, насколько результаты могут быть перенесены на человека.

Учитывая, что естественная связь, аналогичная гетерохронному парабиозу, возникает во время беременности, это поднимает важные вопросы о его последствиях. В частности, встает вопрос о том, получает ли мать пользу от циркулирующих факторов, общих с ребенком, в то время как ребенок может испытывать неблагоприятные эффекты от факторов, присутствующих в крови матери. В одной из недавних статей было указано, что беременность ускоряет процесс старения матери на биологическом уровне. Тем не менее, акт родов, по-видимому, оказывает противоположный эффект, замедляя процесс старения.

Использование сенолитиков для нацеливания и уничтожения стареющих клеток в настоящее время тщательно исследуется. Известно, что такие препараты, как дазатиниб, одобренный для лечения некоторых видов рака, и кверцетин, продаваемый как антиоксидантная пищевая добавка, уменьшают возрастное ускорение старения. Многочисленные клинические испытания проверяют их влияние на различные возрастные заболевания. Исследование этих методов лечения в контексте гетерохронного парабиоза может дать ценные данные. Например, изучение того, усиливается ли благотворное воздействие молодой крови на стареющие ткани сенолитиками, или же смягчается вредное воздействие старой крови на молодые ткани. Такие технологии, как секвенирование РНК отдельных клеток, могут позволить нам детально проанализировать влияние на различные типы клеток, обеспечивая более глубокое понимание задействованных механизмов.