МД-2023: Старение и долголетие

Клаудио Франчески (Claudio Franceschi), PhD, Prof. (University of Bologna), представил доклад «Unexpected complexity of human longevity». Сравнивая продолжительность жизни женщин и мужчин, он обратил внимание на возникший в конце XIX века феномен: женщины в среднем живут дольше мужчин, и эта разница ассоциирована со снижением рождаемости.

Начиная с 2000 года и до сегодняшнего дня, число женщин, достигших столетнего возраста, превышало число таких мужчин. Например, 80–84% долгожителей в Италии — женщины. Снижение рождаемости, по-видимому, выступает основным фактором, способствовавшим появлению преимущества у женщин в преклонном возрасте. Смертность коррелирует с количеством детей, рожденных женщинами в течение жизни. В старшем возрасте, 95–98 лет, рождаемость сама по себе может объяснить около трех четвертей общей дисперсии в относительной выживаемости женщин.

Что же может лежать в основе наблюдаемого феномена? С иммунологической точки зрения идея заключается в том, что врожденный и адаптивный иммунитет у женщин сильнее на эволюционной основе. Поэтому женщины сильнее противостоят инфекциям, травмам и раку. Существует множество возможных механизмов, которые могут способствовать этому. И половые гормоны могут играть определенную роль, но не только половые гормоны.

Отличия работы иммунной системы у женщин и у мужчин подводят нас к концепции воспалительного старения (inflammaging), которую предложил Клаудио Франчески. Ее суть состоит в том, что с возрастом у нас развивается медленный воспалительный процесс, который связан с возникновением возрастных заболеваний.

Различия между полами, связанные с процессами старения, затрагивают в том числе протеом крови. Так, 895 белков из 1379, уровень которых в плазме крови изменяется с возрастом, значительно отличались между мужчинами и женщинами. Кроме того, геномный анализ показал, что существует 11 специфических для мужчин и 11 специфических для женщин генов долголетия. Таким образом, генетика долголетия зависит от пола. Кроме того, как показало исследование, важную роль играет и эпигенетика — 43% сайтов метилирования в генах, ассоциированных с полом, метилируются по-разному у женщин и мужчин.

Второй иностранный гость конференции «Молекулярная диагностика 2023» вел трансляцию доклада из Нью-Йорка. Ян Вайг (Jan Vijg), PhD, Prof. (Albert Einstein College of Medicine), рассказал о связи геномной нестабильности и старения в докладе «Genome instability in aging and longevity: Insights from single-cell and single-molecule approaches somatic mutation theory of aging».

Одна из популярных и достаточно хорошо проработанных теорий старения — это теория соматических мутаций. Она состоит в том, что старение, а также сопровождающие его функциональный спад и увеличение частоты заболеваний, в конечном счете, вызваны мутациями в соматических клетках.

С возрастом ткань, которая изначально была сравнительно однородной генетически, накапливает мутационную нагрузку неравномерно и становится мозаичной. Количественно анализировать мутационную нагрузку в соматических тканях можно при помощи полногеномного секвенирования единичных клеток. Однако для этого анализа важно действительно добиться разделения анализируемого фрагмента ткани на единичные клетки, поскольку в противном случае есть риск пропустить редко встречающиеся мутации и некорректно оценить мутационную нагрузку в ткани.

В качестве альтернативы секвенированию единичных клеток также предложили другой метод — SMMseq (single-molecule mutation sequencing), который также позволяет анализировать соматические мутации. Более подробно этот подход осветили в другом докладе.

Старению и защите от него женского организма свое выступление посвятила Ёшин Со (Yousin Suh), PhD, Prof. (Albert Einstein College of Medicine, New York). Ее доклад назывался «Ovarian aging: a target for geroprotection in women». Чем же был обоснован выбор старения яичников в качестве темы исследования? Отвечая на этот вопрос, докладчица подчеркнула историческое неравенство биомедицинских исследований: в большинство выборок входили мужчины, соответственно, особенности женского старения, в том числе старения репродуктивной системы, остались изучены хуже.

Яичники в организме начинают стареть одними из первых, и здесь важно отметить, что они выполняют не только репродуктивную роль. За последние пару столетий средняя продолжительность жизни неуклонно росла, в то время как возраст наступления естественной менопаузы оставался неизменным, а это значит, что все больше женщин проживают увеличивающуюся своей жизни в постменопаузальном состоянии. Уже известно, что менопауза ускоряет биологическое старение, и здесь присутствует генетический компонент. Женщины, у которых менопауза наступает позже, как правило, живут дольше, чем женщины с ранней менопаузой. И что интересно, братья женщин с более поздней менопаузой также имеют подобное преимущество. Эти данные позволяют предположить, что изучение механизмов старения яичников позволит выявить способы геропротекции у женщин.

Исследование старения яичников проводили на мышиной модели и на генноинженерных клетках, полученных из индуцированных плюрипотентных стволовых клеток человека (hiPSC). Ассоциированные со старением яичника процессы, выявленные на мышах, были связаны с дисфункцией митохондрий, нарушениями белкового гомеостаза, геномной нестабильностью и рядом эпигенетических изменений. В частности, во всех типах клеток яичника исследователи выявили обогащение компонентами сигналинга mTOR.

Выявив на мышах регуляторный вариант, ассоциированный с более поздней менопаузой, исследователи подтвердили его на модели человеческих плюрипотентных стволовых клеток (hiPSC), отредактированных с помощью CRISPR. На основе полученных данных они выдвинули предположение о том, что воздействие на mTOR-путь может служить для замедления старения яичника, а следовательно, обеспечивать геропротекцию женского организма, и сейчас проводится набор добровольцев в клиническое исследование VIBRANT (Validating Benefits of Rapamycin for Reproductive Aging Treatment).

Следующий доклад в секции, посвященный созданию калькулятора биологического возраста, прочитал Андрей Тяжельников, д. м. н., профессор (РНИМУ им. Н.И. Пирогова). Разработка ведется на базе данных российской популяции в рамках исследования RUSS-AGE, и цель исследования состоит в создании калькулятора биологического возраста на оценке маркеров старения, а также в определении потенциальных мишеней для геропротективных вмешательств.

Набор участников открыт с 2023 года, и до 2024 года необходимо набрать 600 добровольцев (всего к 2030 году планируется набрать 3500 человек). Первые варианты калькулятора биологического возраста, полученные на имеющейся выборке, будут представлять собой биохимическую и микробиотическую модели. После доработки полученных прототипов — этот этап запланирован на 2025 год — и предварительного статистического анализа ученые планируют дополнить список также когнитивным калькулятором. Финальным этапом работы, после адаптации моделей к практическому использованию и статистической обработки данных, станет трансляция полученных результатов в клиническую практику.

Сергей Дмитриев, к. б. н. (НИИ физико-химической биологии имени А. Н. Белозерского), рассмотрел омолаживающие эффекты клеточного репрограммирования. «Обнуление» возраста клеток на эпигенетическом и транскриптомном уровне происходит, в частности, при индукции плюрипотентных стволовых клеток. Это наводит на мысль о том, что репрограммирование клеток — потенциальный путь к продлению жизни. Опыты на преждевременно стареющих мышах показали, что их продолжительность жизни можно продлить путем экспрессии факторов Яманаки, однако протокол их индукции в организме сложный, поскольку неконтролируемая экспрессия этих факторов приводит к быстрому образованию тератом и гибели животных.

Возможно ли разграничить дедифференцировку клеток и их омоложение? Чтобы ответить на этот вопрос, Александр Тышковский и Дмитрий Крюков провели биоинформатический анализ транскриптомных датасетов, полученных в экспериментах по клеточному репрограммированию. Это позволило выявить транскриптомную сигнатуру репрограммирования. Кроме того, на основе соответствующих датасетов исследователи вывели сигнатуры старения. Используя пересечение этих данных, объяснил Сергей, можно вывести новую сигнатуру, выделяющую паттерны изменения экспрессии, общие для репрограммирования и старения. Попавшие в нее гены связаны с митохондриальной трансляцией, сигналингом гормона роста, репарацией ДНК и рядом других процессов.

Наконец, полученную объединенную сигнатуру репрограммирования и омоложения сопоставили с десятками тысяч уже изученных воздействий (обработки малыми молекулами, нокаутом или нокдауном отдельных генов или их комбинаций), меняющих поведение клетки на транскриптомном уровне. Это позволило выявить, результат каких воздействий формирует транскриптуру, похожую на искомую. Проведя этот анализ, Сергей Дмитриев и соавторы определили несколько кандидатных воздействий, которые можно было бы использовать для омоложения клеток, и сейчас проверяют их эффективность.

О создании иммуновоспалительных часов рассказал Михаил Иванченко, д. ф.-м. н. (Национальный исследовательский Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского). Речь в его докладе шла о модели на основе объяснимого искусственного интеллекта. Его отличие от обычного ИИ состоит в выдаче результата вместе с перечнем признаков, на которых основан ответ, тогда как без них функционирование ИИ представляет собой своего рода «черный ящик».

Объяснимый ИИ обладает рядом преимуществ в предсказании биологического возраста. Прежде всего, он позволяет выделить наиболее важные биомаркеры старения и ассоциированных с ним заболеваний. Также он способен обнаружить факторы риска, требующие повышенного внимания при старении, и объяснить предсказание для каждого конкретного человека. Кроме того, у объяснимого ИИ есть преимущество в выявлении мишеней для ранней детекции возраст-ассоциированных заболеваний и, наконец, в обнаружении ранее неизвестных зависимостей между разными системами организма при старении.

Иммуновоспалительные часы (ipAGE), созданные с применением объяснимого ИИ, основаны на мультиплексном анализе цитокинов. Исходно в панель входило 46 про- и противовоспалительных цитокинов, уровень которых измеряли в плазме крови. Дальнейшая доработка модели позволила сократить этот список до десяти наиболее информативных — это привело к созданию малых иммуновоспалительных часов SImAge. Эти часы работают намного точнее других существующих моделей — ошибка возраста, предсказанного ими, составляет около семи лет, тогда как у аналогов — около 15.

Темой доклада, который представил Александр Маслов, PhD, Prof., (Albert Einstein College of Medicine), стала разработка методов секвенирования единичных молекул и их практическое приложение для изучения старения. Как уже говорилось в одном из предыдущих докладов, гетерогенность ткани увеличивается с течением времени. Какие-то мутации обеспечивают клеткам преимущество, и тогда происходит клональная экспансия. Другие мутации, напротив, мешают экспансии клонов — клетки могут погибать или, например, становиться сенесцентными. Все это приводит к дисфункциональности ткани как целого.

Оценка мутационной нагрузки здесь важна на уровне единичных клеток, поскольку каждая клетка мутирует по-своему. «Золотой стандарт» секвенирования единичной клетки — амплификация генетического материала перед секвенированием, однако этот метод весьма затратен. В качестве альтернативы ему предложили duplex-seq — этот метод подразумевает попарное секвенирование цепей ДНК. Чтобы отличить мутацию от ошибки секвенирования, которые неизбежно будут вноситься в ходе пробоподготовки, необходимо отсеквенировать каждую цепь ДНК отдельно и затем сравнить между собой семейства прочтений, полученные с каждой цепи. Этот метод не лишен технических проблем — они связаны с тем, что цепи ДНК разделяются в самом начале пробоподготовки, и успешность анализа зависит от того, удастся ли их сопоставить.

Чтобы решить эту проблему, исследователи предложили свой подход — single-molecule mutation sequencing (о нем уже заходила речь выше). Суть метода заключается в лигировании концов ДНК после фрагментации с помощью адаптеров. Адаптеры формируют шпильки, тогда молекула становится кольцевой и амплифицируется методом катящегося кольца. Это позволяет избежать необходимости собирать разделенные цепи и дает возможность получить копии обеих цепей ДНК. Кроме того, метод можно адаптировать не только под точечные мутации, но и под структурные вариации — и это уже было проделано на практике.

Последним в секции стало выступление Александры Мамчур (ФГБУ «Центр стратегического планирования и управления медико-биологическими рисками здоровью» ФМБА России), посвященное персонализированному подходу в гериатрической практике. Гериатрия как отрасль медицины становится все актуальнее из-за демографического старения популяции. Однако методы, используемые в ней, могут быть неодинаково эффективны из-за того, что на фенотипическом уровне старение неоднородно. Из-за этого целью многих исследований становится стратификация пациентов, которая позволит проводить дальнейшее вмешательство уже внутри относительно гомогенной группы.

В исследовании, проведенном ФГБУ «ЦСП» ФМБА совместно с Геронтологическим научно-клиническим центром РНИМУ им. Н. И. Пирогова, было поставлено две задачи. Первой из них стала характеризация выборки долгожителей, в которую вошли 2592 человека в возрасте от 90 до 107 лет. Комплексная гериатрическая оценка позволила выделить пять групп, которые затем сравнили по различным возраст-ассоциированным заболеваниям и биохимическим показателям крови. На основании этого сравнения исследователи выделили пять фенотипов старения: мультиморбидный (с наличием разнородных заболеваний), сохранный, метаболический, дементный и низкофункциональный. Половозрастной анализ полученных фенотипов показал, что медианный возраст в последней группе был наибольшим, что навело ученых на предположение, что низкофункциональный фенотип может выступать в качестве конечной точки для развития остальных вариантов. При этом наибольшая выживаемость отмечалась в сохранной группе.

Определить фенотип старения крайне важно для выбора подходящей терапевтической стратегии. Опираясь на полученные данные, исследователи разработали и валидировали на независимой выборке калькулятор фенотипа старения, основанный на методах машинного обучения. Полученные с помощью модели фенотипы старения сравнили с выводами врачей-гериатров, которые проанализировали истории болезней пациентов. Средняя площадь под ROC-кривой при этом составила 0,93 — иными словами, модель с достаточно высокой точностью предсказывала фенотипы старения.