Воспалительное старение. Часть 2. Есть ли доступные диагностические биомаркеры

Напомним, в 2013 г. C. Lopez-Otin и соавт. сформулировали концепцию комплексной природы воспалительного старения, позволившую классифицировать основные отличительные признаки, или характеристики, старения [1]; в 2023 г. к предложенным исходно 9 признакам авторы добавили еще 3. Бóльшая часть этих механизмов рассмотрена кратко в части 1 настоящего обзора; часть 2 посвящена детальному анализу литературы, посвященной хроническому и метаболическому воспалению как механизмам ускоренного биологического старения.

Цель исследования — выполнить анализ проблемы воспалительного старения и осуществить идентификацию метаболических и/или сигнальных путей, нарушение активности которых можно детектировать, измеряя концентрации циркулирующих биомаркеров.

Поиск материалов для обзора проведен в электронных базах данных: eLibrary.ru, PubMed, Google Scholar по ключевым словам на русском и английском языках: воспалительное старение (inflammaging), метаболическое старение (metaflammation), биомаркеры воспалительного старения (biomarkers of inflammaging), хронические неинфекционные заболевания (chronic non-communicable diseases). Анализ источников выполнен с учетом последних публикаций, начиная с 2017 г. по настоящее время, при этом включение более ранних публикаций связано с необходимостью должного раскрытия темы.

Продолжая анализ литературы, посвященной механизмам воспалительного старения (inflammaging), остановимся на рассмотрении двух ключевых признаков, функциональную активность которых можно охарактеризовать с помощью известных и потенциальных циркулирующих биомаркеров, в первую очередь маркеров воспаления [2—5].

Хроническое воспаление. Воспалительное старение, как отмечено ранее, может быть вызвано многими причинами, включая накопление провоспалительных повреждений тканей, неспособность утратившей свою активность иммунной системы эффективно уничтожать патогены и дисфункциональные клетки хозяина, склонность сенесцентных клеток к секреции провоспалительных цитокинов, активации сигнального пути, опосредованного транскрипционным фактором NF-κB, или нарушения аутофагии [6]. Эти изменения сопровождаются активацией инфламмасомы NLRP3 (высокомолекулярный белковый комплекс, участвующий в воспалительном ответе) и других провоспалительных путей, что в конечном итоге приводит к повышенной продукции ИЛ-1β, фактора некроза опухоли и интерферонов [6, 7]. Кроме того, воспаление — это один из механизмов патогенеза ожирения и сахарного диабета 2-го типа, наличие которых коррелирует со старением в популяции [8].

Важнейшей характеристикой воспалительного старения является хроническая активация врожденной иммунной системы, в которой центральную роль играют макрофаги. Параллельно с воспалительным старением снижается функция и адаптивной иммунной системы [9]; такая иммуносенесценция усугубляет старение на системном уровне из-за неспособности иммунной системы очищать организм от инфекционных агентов, инфицированных клеток и клеток, находящихся на грани злокачественной трансформации. Более того, одной из функций иммунной системы является распознавание и уничтожение стареющих клеток, а также гиперплоидных клеток, которые накапливаются в стареющих тканях и предзлокачественных образованиях [10].

Не менее важную роль в метаболическом воспалении и в воспалении в целом играет микробиота кишечника, способная продуцировать провоспалительные соединения [11]. Следует отметить, что состав и количество питательных веществ, а также время и ритмичность приема пищи оказывают существенное влияние на микробиоту кишечника и метаболизм всего организма, способствуя поддержанию базального уровня воспаления (так называемый воспалительный тонус). При старении (воспалительное старение, inflammaging) или при переедании (метаболическое воспаление, metaflammation) воспалительный тонус может повышаться. Соответственно, метаболическое воспаление, вызванное избытком питательных веществ, можно рассматривать как частный случай более общего физиологического механизма, который при появлении «сигналов опасности» включает в себя активацию провоспалительного эволюционно сформированного механизма — активацию системы врожденного иммунитета. Этот физиологически необходимый воспалительный тонус со временем усиливается и может стать крайне пагубным либо в пожилом возрасте, либо в такой ситуации, как переедание и избыток питательных веществ [12].

Следует отметить, что стрессорные факторы, лежащие в основе метавоспаления и воспалительного старения, различны, но механизмы, их опосредующие, в значительной степени являются общими [13]. Действительно, к ключевым характеристикам относятся увеличение числа стареющих клеток и их накопление; гиперактивация врожденного иммунного ответа, например, посредством модификации TLR-опосредованных сигнальных путей и активации инфламмасом и цГМФ-АМФ-синтаза-STING-пути; нарушения аутофагии и митохондриальная дисфункция. Полагают, что метавоспаление можно рассматривать как ускоренное старение, вызванное избытком питательных веществ, что поддерживает концепцию континуума старения и возрастных заболеваний. И метавоспаление, и воспаление, по отдельности и/или вместе, вызывают провоспалительный системный эффект, что предполагает между ними взаимодействие и синергию, а возможно, и участие в межорганных коммуникациях и наличие перекрестных связей. Изучение циркулирующих медиаторов, таких как микроРНК, микровезикулы, нановезикулы и липиды у пожилых людей и в условиях избытка питательных веществ, позволит понять, как изменяется связь между органами и тканями в результате воспаления и метавоспаления, и способствуют ли такие изменения впоследствии развитию хронических возрастных и метаболических заболеваний.

Вклад нарушений обмена липопротеинов в патогенез воспалительного процесса, который предшествует развитию возраст-ассоциированных кардиометаболических заболеваний, таких как атеросклероз, неалкогольная жировая болезнь печени, неалкогольный стеатогепатит и сахарный диабет 2-го типа, не подлежит сомнению. Действительно, в основе метавоспаления лежит физиологическая реакция в ответ на поступление в организм любой пищи; в условиях повышенного потребления питательных веществ хроническое воспаление оказывается важнейшим фактором, способствующим возникновению инсулинорезистентности и дислипидемии, которые, в свою очередь, стимулируют иммунную систему, способствуют накоплению стареющих клеток, приводят к эпигенетическим изменениям и перестройке микробиоты. В постпрандиальном состоянии (после еды) богатые триглицеридами (ТГ) липопротеины, включая остатки хиломикронов и липопротеинов очень низкой плотности, связываются с эндотелиальными клетками и циркулирующими моноцитами, что повышает уровень молекул адгезии, цитокинов и окислительного стресса и в конечном итоге способствует развитию воспаления. Более того, богатые ТГ липопротеины и свободные жирные кислоты (образующиеся при гидролизе ТГ-содержащих липопротеинов) стимулируют экспрессию белка клеточной адгезии сосудов 1 (VCAM1) в эндотелиальных клетках аорты человека, что усиливает адгезию моноцитов к эндотелию сосудистой стенки [14, 15].

Таким образом, метаболическое воспаление может предшествовать хроническому вялотекущему воспалению и в значительной мере детерминировать его развитие, и наоборот, а метаболические возрастные заболевания можно считать проявлениями ускоренного старения (которые, в свою очередь, ускоряют само старение). Эта гипотеза указывает на то, что история метаболических расстройств человека, вероятно, влияет на фенотип воспалительного старения, тем самым влияя на риск развития возрастных хронических неинфекционных заболеваний. Эта точка зрения открывает новые возможности для использования биомаркеров старения в диагностике таких заболеваний.

Дисбиоз (изменение состава микробиоты хозяина). В последние годы микробиом кишечника рассматривается исследователями в качестве одного из ключевых факторов, участвующих в многочисленных физиологических процессах, таких как переваривание и всасывание питательных веществ, защита от патогенов и продукция необходимых метаболитов, включая витамины, аминокислоты и их производные, вторичные желчные кислоты и короткоцепочечные жирные кислоты. Нарушение этой двунаправленной связи между бактериями и хозяином способствует развитию патологических состояний, таких как ожирение, сахарный диабет 2-го типа, язвенный колит, неврологические расстройства, сердечно-сосудистые заболевания и рак [16].

Микробиом кишечника значительно варьирует в зависимости от генетических вариантов хозяина (этническая принадлежность), факторов питания и образа жизни (культура), а также условий окружающей среды (география), что затрудняет выявление взаимосвязи между микробиотой и плейотропными возраст-ассоциированными проявлениями заболеваний. Тем не менее, в некоторых метаанализах удалось выявить ассоциации между микробиотой и заболеваниями, которые подтверждены для разных видов патологии и в разных странах [17]. В совокупности эти результаты указывают на наличие причинно-следственных связей между старением и нарушением состава кишечной микробиоты и позволяют предположить, что меры, направленные на восстановление молодого микробиома, могут продлить здоровье и продолжительность жизни.

Глобальный анализ всей совокупности механизмов, вовлеченных в патогенез воспалительного старения, позволил понять, что эти механизмы одинаковы для всех организмов, и на этом основании сгруппировать их в три категории: первичные, антагонистические и интегральные признаки (таблица) [1, 16—33].

Распределение признаков старения по группам

Примечание. АФК — активные формы кислорода; ИЛ — интерлейкины; ИФР-1 — инсулиноподобный фактор роста 1-го типа; МДА — малоновый диальдегид; ММП — металлопротеиназы; ПВК — пировиноградная кислота; РНК — рибонуклеиновая кислота; СРБ — C-реактивный белок; ТМАО — триметиламиноксид; EGF — эпидермальный фактор роста; FGF-21 — фактор роста фибробластов 21; GDF-15 — фактор дифференцировки роста 15; GM-CSF — гранулоцитарно-макрофагальный колониестимулирующий фактор; ICAM-1 — молекула межклеточной адгезии 1-го типа; SREBP — белок, связывающий стерол-регуляторный элемент; MCP-1 — моноцитарный хемотаксический белок-1; MTORC1 — комплекс мишени рапамицина млекопитающих 1-го типа; NOx — метаболиты оксида азота; PDGF — тромбоцитарный фактор роста; SIRT6 — сиртуин-6; TGF-β — трансформирующий фактор роста β; VCAM-1 — молекула адгезии сосудистого эндотелия 1-го типа. Полужирным шрифтом выделены биомаркеры, доступные для определения в циркулирующей крови методом иммуноферментного анализа.

Общей характеристикой первичных признаков (или причин повреждений) является то, что все они однозначно негативны. Это касается повреждений ДНК, включая хромосомные анеуплоидии и мутации митохондриальной ДНК, укорочения теломер, эпигенетического дрейфа и дефектного протеостаза, а также нарушений макроаутофагии.

Антагонистические признаки (или реакция организма на повреждение) оказывают разнонаправленное действие в зависимости от их интенсивности. При низких уровнях они опосредуют положительные эффекты, а при высоких становятся пагубными. Так обстоит дело с клеточным старением (сенесценцией), которое защищает организм от рака, но в избытке может способствовать старению. Оптимальное распознавание питательных веществ и анаболизм, очевидно, важны для выживания, но в избытке и с течением времени эти вещества могут вызвать патологические изменения. Аналогичным образом АФК опосредуют клеточную сигнализацию и выживание, но при хронически высоких уровнях могут привести к повреждению клеток. Эти отличительные признаки можно рассматривать как компенсаторные, предназначенные для защиты организма от повреждений или нехватки питательных веществ. Но, становясь хроническими, они утрачивают свое «предназначение» и приводят к дальнейшим повреждениям.

Интегральные признаки — истощение стволовых клеток и изменение межклеточной коммуникации — непосредственно влияют на гомеостаз и функции тканей. Сюда же следует отнести хроническое воспаление и дисбиоз.

Обращает на себя внимание, что между обсуждаемыми признаками (механизмами) существует определенная иерархическая связь. Действительно, первичные признаки могут быть инициирующими триггерами, негативные последствия которых накапливаются со временем. Антагонистические признаки, будучи в принципе полезными, становятся все более негативными в процессе, который частично стимулируется или ускоряется первичными признаками (воспалительное старение). Наконец, интегральные признаки появляются, когда патологические изменения, вызванные первичными и антагонистическими признаками, не могут быть компенсированы тканевыми гомеостатическими механизмами. Поскольку все эти признаки проявляются в процессе старения и взаимосвязаны между собой, понимание механизмов их причинно-следственной связи и поиск биохимических маркеров их выявления представляется важным направлением исследований в области воспалительного старения и поиска путей продления здоровой жизни человека.

На сегодняшний день нет клинически подтвержденных маркеров биологического возраста/старения, однако в литературе появляются публикации, в которых предлагается набор информативных и надежных биомаркеров, способных определять биологический возраст человека (зачастую отличающийся от его хронологического возраста) и диагностировать возраст-ассоциированные заболевания. Эти маркеры могут быть интегрированы с классическими биохимическими и визуализирующими параметрами, а конечной целью исследований станет формирование комплексов доступных диагностических биомаркеров и определение конкретных фармацевтических мишеней [34, 35].

В 2018 г. C. Franceschi и соавт. предложен ряд перспективных молекул-кандидатов, определение которых может позволить дифференцировать лиц, различающихся по своему биологическому и хронологическому возрасту, то есть склонных к «здоровому» и «нездоровому» старению. Так, одним из рассмотренных выше механизмов воспалительного старения являются эпигенетические изменения, которые можно оценить с помощью новых доступных методов [12], и по которым можно установить биологический возраст человека. Более того, показана связь между степенью метилирования ДНК лейкоцитов и уровнем в плазме крови ряда провоспалительных маркеров (СРБ, ИЛ-6) [36]. Еще одна группа потенциальных биомаркеров — это маркеры трансляционной и посттрансляционной модификации белков, в частности, включающей их ферментативное гликозилирование — механизм, который участвует в регуляции функций иммуноглобулинов, влияя тем самым на функционирование иммунной системы. С развитием технологий появилась возможность измерять весь спектр N-связанных гликанов в крови. Повышенные уровни аномально гликозилированных IgG и других белков могут рассматриваться в качестве факторов, способствующих развитию воспалительного старения за счет способности активировать иммунную систему в провоспалительное состояние [37, 38].

Современные исследования в области метаболомики и липидомики позволяют анализировать биомаркеры, характеризующие процессы воспаления на пересечении различных метаболических и сигнальных путей (включая возрастные изменения в составе липидов, аминокислот, а также микробиоты кишечника). В настоящее время рассматриваются многие другие молекулярные параметры, которые можно идентифицировать, например, с помощью омик-технологий, и использовать в качестве маркеров биологического возраста. Следует упомянуть исследования циркулирующих нуклеиновых кислот, в частности микроРНК (миРНК-155, миРНК-21, миРНК-146a) и бесклеточной митохондриальной ДНК, для которых доказаны возрастные изменения как у здоровых пожилых людей, так и у лиц с возраст-ассоциированными заболеваниями [15].

Многообещающим подходом для поиска специфических маркеров-кандидатов можно считать анализ протеома сыворотки крови [39], который осуществляется с помощью технологии на основе микрочипов и позволяет определять ключевые детерминанты белковой природы, вовлеченные в процесс воспалительного старения.

В качестве маркеров биологического возраста человека, отличного от его хронологического возраста, используются показатели, определяемые в сыворотке крови, или циркулирующие биомаркеры воспаления; информация об изменениях в уровне этих соединений может быть использована как для изучения детерминант воспалительного старения, так и для персонализированного выявления лиц с отклонением от прогнозируемых тенденций здорового старения [40].

В настоящие время для количественного анализа большинства из циркулирующих маркеров применяют иммунологические методы, в частности, иммуноферментный анализ. Это универсальный, стандартизованный, доступный лабораторный метод, который может быть использован для создания панелей из нескольких маркеров для одновременного измерения.

Таким образом, можно заключить, что сочетание молекулярных биомаркеров, позволяющих оценивать биологический возраст, с классическими и инновационными биохимическими маркерами, специфичными для конкретного заболевания, представляет собой перспективную стратегию для выявления фенотипов старения, характерных для того или иного заболевания. При этом не обязательно использовать новейшие показатели, для которых обнаруживается ассоциация с заболеванием; скорее важна их адекватная комбинация, позволяющая системно оценить все грани патологического процесса. Более того, основное внимание следует, вероятно, уделять не столько поиску маркеров конкретных возраст-ассоциированных заболеваний, сколько маркерам, характеризующим биологический возраст человека и интенсивность воспалительного старения, как его важнейшей детерминанты. С учетом этого мультимаркерная стратегия может оказаться наиболее успешной для глубокого исследования механизмов физиологического и патологического старения.

Вклад авторов: концепция и дизайн исследования — Метельская В.А., Драпкина О.М., Тимофеев Ю.С.; сбор и обработка материала — Тимофеев Ю.С., Метельская В.А., Нешкова Е.А., Дубовская Н.И.; написание текста — Метельская В.А., Тимофеев Ю.С., Нешкова Е.А., Дубовская Н.И.; научное редактирование — Метельская В.А., Тимофеев Ю.С., Драпкина О.М.

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

Authors contribution: study concept and design — Metelskaya V.A., Drapkina O.M., Timofeev Yu.S.; collection and processing of material — Timofeev Yu.S., Metelskaya V.A., Neshkova E.A., Dubovskaya N.I.; text writing — Metelskaya V.A., Timofeev Yu.S., Neshkova E.A., Dubovskaya N.I.; scientific editing — Metelskaya V.A., Timofeev Yu.S., Drapkina O.M.

Статья «Воспалительное старение. Часть 1. Основные биохимические механизмы» опубликована в №12 за 2024 год:

Метельская В.А., Тимофеев Ю.С., Нешкова Е.А., Дубовская Н.И., Драпкина О.М. Воспалительное старение. Часть 1. Основные биохимические механизмы. Профилактическая медицина. 2024;27(12):145-150.

Metelskaya VA, Timofeev YuS, Neshkova EA, Dubovskaya NI, Drapkina OM. Inflammatory aging. Part 1. The principal biochemical mechanisms. Russian Journal of Preventive Medicine. 2024;27(12):145-150. (In Russ.) https://doi.org/10.17116/profmed202427121145