[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).