Старение: проблема токсичных отходов

Неспособность распорядиться определенными отходами лежит в корне наиболее ужасных недомоганий, сопровождающих биологическое старение: атеросклероза, макулярной дегенерации сетчатки, нейродегенеративных заболеваний (болезни Альцгеймера и др.).

Причем вид отходов при данном заболевании специфичен как в зависимости от типа клеток, так и от природы заболевания, как передает Интернет-издание для девушек и женщин от 14 до 35 лет Pannochka.net

В Дрездене Ульф Брунк представил свои данные.

Было видно многозначительное красное свечение липофусцина, и построенные с помощью компьютера графики, иллюстрирующие его и Термана теорию "мусорной катастрофы". Ясно было, что, если мы хотим защититься от возрастных патологических изменений, нужен какой-то способ решить эту проблему. Было бы недостаточно пытаться предотвратить накопление "мусора", справляясь с мутациями митохондриальной ДНК, а нужно подойти к нему непосредственно.

Но как? Притом, что этот неподатливый материал столь многообразен, а метаболические пути, химические компоненты и даже специфическая роль в патогенезе до сих пор не вполне ясны, казалось невероятным, чтобы сработал какой-то подход по типу "волшебной пули", т.е. что какое-то индивидуальное вещество послужит определенной лечебной цели.

Проблема не решалась просто перекладыванием вины на лизосомы: хотя, как позже показали исследования на животных, усиление активности лизосом или дополнение их ферментного арсенала может замедлить прогрессирование лизосомальных болезней накопления, подходы типа "волшебной пули" не могут окончательно остановить эти заболевания. Суть проблемы в том, что в организме нет ферментов, способных расщеплять наиболее ужасные отходы, а значит, они рано или поздно вызовут поражение клеток, ослабление умственной деятельности, ухудшение зрения, закупорку артерий.

Восстановление нормального состояния клетки представлялось как разновидность очистки окружающей среды, и казалось необходимым, чтобы существовал щедро финансируемый медико-биологический проект разработки новых лечебных технологий, способных справиться с клеточными материалами, до сих пор ускользавшими от возможностей лизосом.
Щедрый вклад!
На свете существуют места, обогащенные липофусцином - речь идет о кладбищах, почва которых удобрена прахом многих поколений ушедших в мир иной. Только подумайте: сотни тел в земле, иногда в массовых захоронениях, как бывало в Европе во времена Великой чумы или в наши дни, когда где-то происходит геноцид, скажем, в Руанде. В таких местах почва должна быть буквально набита белковыми агрегатами из разлагающихся останков тех, кто нашел там последний приют.

Однако на кладбищах нет залежей липофусцина - если бы они были, люди это заметили бы, так как липофусцин флуоресцирует.

Наиболее вероятное объяснение тому, что кладбища не светятся в темноте - действие почвенных микроорганизмов (бактерий, грибов и др). В норме они выполняют важную роль в круговороте веществ, превращая останки живых организмов в компост. Но было неочевидно, что они способны переваривать такие устойчивые к воздействию ферментов вещества, как липофусцин, хотя давно известно удивительное пищевое разнообразие почвенных микроорганизмов.

Ученые заинтересовались питанием обитающих в почве микробов в 1950-х годах, когда было замечено, что концентрации многих с трудом поддающихся деградации вредных для окружающей среды соединений в загрязненных ими местах значительно ниже, чем можно ожидать. По большей части это объяснялось быстрой эволюцией быстро размножающихся организмов вроде бактерий. Любое богатое энергией соединение являет собой потенциальный источник пищи - и, таким образом, экологическую нишу - для всякого организма, имеющего ферменты для переваривания этого соединения и использования заключенной в нем энергии.

Наличие таких веществ в высоких концентрациях создает, следовательно, мощную эволюционную "тягу", служащую движущей силой эволюции соответствующих ферментов у контактирующих с этими веществами микроорганизмов. Особенно выражена "тяга", если энергосодержащее вещество с трудом поддается расщеплению, поскольку в таком случае велика вероятность того, что другие организмы в ближайшем окружении не имеют ферментов для его деградации.

В 1952 г. было высказано предположение, что движущие силы в такой ситуации столь велики, что при достаточном запасе времени эволюция может создать микроорганизмы, способные переварить все, что содержит атомы углерода и богато энергией в той мере, чтобы служить стоящим источником энергии. Это предположение получило незабываемое название "гипотеза микробной безотказности". И хотя оказалось, что в ней есть доля преувеличения и пока что не обнаружены микроорганизмы, способные переваривать, скажем, тефлон, тем не менее, исследования, похоже, подтверждают основной ее принцип.

Сотрудники Геологической службы США собрали результаты исследований отдельных примеров, показывающие, что микроорганизмы расщепляют значительные количества разнообразных химикатов в сточных водах. Разливы нефти, хлорсодержащие растворители, пестициды - почвенные бактерии научились переваривать почти все, что предоставляют им люди, расщепляя их до безвредных конечных продуктов вроде углекислого газа и воды.

Первые попытки ученых взять эту мощь на вооружение потерпели неудачу, так как они хотели изобрести нужные организмы, имитируя то, что природа уже отлично сделала. Наконец, до исследователей дошло, что они все же уступают природным силам (по крайней мере, в скорости). Из этих наблюдений родились биологические методы целенаправленной очистки окружающей среды, т.е. использование естественного эволюционного процесса для создания микроорганизмов с новыми пищеварительными способностями.

Лизосомы уже имеют ферменты для расщепления клеточных отходов на их составляющие, но не способны справиться со всеми возможными разновидностями "мусора". А это как раз то, что можно ожидать от эволюционной теории. Эволюция создает организмы, способные существовать в своей экологической нише столько, сколько эта ниша позволяет. В эпоху палеолита, когда возник человек, продолжительность жизни людей составляла около тридцати лет - гораздо меньше, чем требуется для того, чтобы липофусцин или атеросклеротические образования накопились до уровня, угрожающего жизни.

По этой причине в ходе эволюции не выработались лизосомальные ферменты для расщепления таких отходов, ведь в этом не было смысла. Но, как мы видели, представляется весьма вероятным, что силы эволюции побуждали к развитию приспособлений для использования новых источников энергии, что являлось задачей повседневного выживания. Это предсказывается эволюционной теорией и гипотезой "микробной безотказности", а также, по-видимому, подтверждается отсутствием больших скоплений липофусцина в местах массовых захоронений - в противном случае в таких местах наблюдалось бы свечение (не только в фильмах ужасов).

Возможна своего рода медицинская ремедиация (биологическая очистка): нужно найти почвенные бактерии, которые справляются с непереработанными отходами в посмертным останках, выявить соответствующие ферменты - и затем ввести эти ферменты в лизосомы пациента.

Такие ферменты придадут новой мощности клеточным центрам утилизации отходов, расщепляя материалы, остававшиеся прежде непереработанными. Тем самым патологическое их накопление не предотвращается, а обращается вспять. Мозг очистится от нейрофибриллярных клубков; умирающие макрофаги в артериях оживут и станут очищать их от токсичных окисленных липопротеидов низкой плотности (LDL), так что заживут участки омертвевшей ткани сосудов; ослепшие прозреют. И по всему организму стареющие клетки, задыхающиеся от собственных отбросов, очистятся и будут как новенькие.

Рисунок 1. Целенаправленная очистка организма с использованием ферментов микроорганизмов, разлагающих останки живых существ, может затормозить многие процессы, превращающие молодого человека в старика и приводящие в итоге к смерти
Проверка на скорую руку
Нужно получить данные, что почвенные микроорганизмы действительно в норме переваривают содержащийся в мертвых телах липофусцин. Надо было собрать почвенные микроорганизмы в месте, богатом человеческими останками, и посмотреть, будут ли они расщеплять липофусцин в пробирке.

Оказалось, что легкая на первый взгляд часть работы - добыть липофусцин для опытов с кладбищенскими бактериями - на деле почти невыполнима. В большинстве человеческих клеток липофусцин содержится лишь в очень малых количествах, а те ткани, в которых его побольше (например, в сердце), малодоступны и получить их в нужном количестве затруднительно. Но Брунк предложил превосходную замену - синтетический липофусцин, которым пользуются для исследовательских целей; его получают, просто подвергая митохондрии ультрафиолетовому излучению, которое вызывает образование поперечных сшивок в мембранных белках.

Образующийся устойчивый материал флуоресцирует с теми же спектральными характеристиками, что и природный липофусцин, и имеет такие же физические и химические свойства - чего и следовало ожидать, коль скоро липофусцином как раз и считаются остатки не подвергшихся деградации митохондрий, поврежденных свободными радикалами и оставшихся разлагаться в лизосомах.

Нужно было также собрать микроорганизмы из почвы, обогащенной липофусцином, и найти среди них тех, которые его расщепляли. Джон Арчер должен был располагать методиками выделения и культивирования штаммов бактерий, способных переваривать распространенные токсичные отходы, а также идентификации и клонирования генов, обеспечивающих синтез ферментов, создающих эту способность.
Потрошители могил
Выделенные микроорганизмы почти сразу стали флуоресцировать красным светом с характерной для липофусцина длиной волны, что можно было видеть с помощью специального микроскопа. Это еще не означало успех, но свидетельствовало, что микроорганизмы поглощали предложенный материал (но необязательно переваривали). Скоро выявились четкие различия между разными штаммами. В большинстве колоний клеточный рост задержался, т.е., эти микроорганизмы испытывали нехватку питания.

Но несколько колоний прекрасно себя чувствовали на неудобоваримой пище: их число быстро росло, а значит, имевшиеся в этих клетках гидролитические ферменты медленно расщепляли стойкий материал на утилизуемые органические компоненты, разрывая сложные химические связи ради извлечения из них энергии. Через короткое время у нас имелся образец микроорганизмов, обладающих ферментами, переваривающими липофусцин - точно так же, как пищеварительные ферменты в желудке человека переваривают бифштекс.

Гипотеза подтвердилась. Следующей задачей было поместить нужные ферменты в человеческие лизосомы. Этого до сих пор никто не делал, и в некотором смысле ее решение остается на том же уровне, что и по окончании с Арчером работ. Слава Богу, для его осуществления (которое теперь будут обозначаться LysoSENS) не требуется создавать совершенно новую отрасль медицины. Необходимые технологии уже есть и используются в клинике: для лечения лизосомальных болезней накопления в лизосомы вводят не свойственные им ферменты.
Очистка стоков
Лизосомальные болезни накопления, которые, как мы теперь знаем, являются следствием мутаций в генах, кодирующих нормальный комплект лизосомальных ферментов, известны давно, задолго до того, как были выявлены их причины. Когда патогенез прояснился, стал очевидным и путь лечения большинства таких заболеваний: ферменто-заместительная терапия.

Если в организме отсутствует фермент для переработки какого-то отхода обмена веществ, то нерасщепленный материал накапливается в лизосомах (а также в цитоплазме клетки), вследствие чего неизбежно нарушение жизнедеятельности клетки. Предполагалось, что если дать лизосомам соответствующий фермент, то клеточный центр реутилизации отходов станет нормально функционировать, накопившийся "мусор" будет ликвидирован, и жизнедеятельность клетки вернется к норме - человек выздоровеет.

Теперь, спустя несколько десятилетий упорной работы, жертвы трех из наиболее распространенных лизосомальных болезней накопления успешно лечатся таким путем. Например, на сегодняшний день около 4000 человек с болезнью Гоше восстановили свое нормальное состояние здоровья благодаря регулярному введению лизосомального фермента, который их клетки не способны производить самостоятельно.

Разработка лекарства была ясна, хотя и технически сложна. Для ряда болезней удалось идентифицировать ключевой фермент, отсутствие которого обусловливало патологию, и модифицировать его так, чтобы он мог быть введен в организм, поглощен клетками и транспортирован в лизосомы, где функционировал бы в точности как собственный лизосомный белок у здорового человека; в результате симптомы заболевания исчезали, больной обретал способность жить нормально и долго.

С той же фундаментальной проблемой сталкивается каждый человек в случае долгосрочной лизосомальной недостаточности: все люди, в конце концов, страдают от связанным с возрастом лизосомальных болезней накопления (возрастные дегенеративные расстройства нервной системы, макулярная дегенерация сетчатки, атеросклероз и др.), но лишь очень небольшая доля населения страдает от наследственных заболеваний такого рода (болезнь Гоше и т.п.).

И хотя первичная причина этих двух групп болезней разная (при наследственных заболеваниях это редкие мутации в генах, кодирующих лизосомальные гидролазы, являющиеся в норме частью "законного" эволюционно сложившегося набора ферментов, а при возрастных нарушениях дело в природном отсутствии ферментов, способных расщеплять нейрофибриллярные клубки, А2Е и т.п.), молекулярная природа как наследственных, так и возрастных лизосомальных болезней накопления, по сути, одинакова - что достаточно для цели направленной против старения биоинженерии, а именно для ликвидации накапливающихся молекулярных нарушений.

Чтобы достичь этой цели, нам потребуется решить ряд конкретных задач. К счастью, во всех случаях уже есть доступные опробованные подходы, либо решения очевидны и разрабатываются в других областях медицинской биологии.
Первая задача: идентификация подходящих ферментов
"Раскапывание могил" на Мидсаммерской пустоши доказало, что существуют ферменты для деградации остатков митохондрий с высоким уровнем поперечных сшивок (основной источник липофусцина). Однако мы пока не знаем точно, какой фермент или какая цепочка ферментов делает это. Хуже того, ферментов, расщепляющих синтетический липофусцин, будет недостаточно: требуется также идентифицировать другие ферменты, участвующие в переработке забивающих лизосомы отходов, в различных тканях и в связи с различными патологическими состояниями.

medbe.ru