SENS-Diagnose. Biomarker für mitochondriale Dysfunktion und oxidativen Stress

Mit dieser Überprüfung starten wir eine Reihe von Artikeln, in denen potenzielle Biomarker für das SENS-Alterungsdiagnose-Panel beschrieben werden.

Das Konzept von SENS (Strategies for Engineered Negligible Senescence, eine Strategie zur Erzielung einer vernachlässigbaren Alterung durch technische Methoden) wurde vom britischen Gerontologen Aubrey di Gray vorgeschlagen. Die Idee des Konzepts ist die Notwendigkeit, Technologien zur Bekämpfung des Alterns und altersbedingter Krankheiten zu entwickeln und anzuwenden, um die im Körper angesammelten Schäden zu "reparieren". Ziel unserer Überprüfung potenzieller Biomarker ist es, ein SENS-Diagnosepanel für das Altern zu erstellen.

Warum brauche ich eine SENS-Diagnose?

1. Damit eine Person aus Sicht von SENS objektiv beurteilen kann, was mit ihrem Körper während des Alterns passiert.
2. Informieren Sie sich über die individuellen Risiken bestimmter Arten von Schäden, die mit dem Altern verbunden sind.
3. Bewertung der Wirksamkeit der entwickelten Verjüngungsmethoden. Sehen Sie, wie körperliche Aktivität, Ernährung, Tagesablauf, Nahrungsergänzungsmittel und Medikamente im Hinblick auf eine Strategie zur Verlangsamung des Alterns funktionieren.
4. Vergleichen Sie mit anderen diagnostischen Alterungspanels und ergänzen Sie deren Entwicklung.
5. Geben Sie Daten zu Parameteränderungen für die Forschung an.
6. Treffen Sie eine Entscheidung zur Finanzierung der Forschung auf der Grundlage der interessantesten und sensibelsten Risiken.
7. Finden Sie Gleichgesinnte, um biologische Probleme zu lösen, die durch das Verständnis ihres eigenen Körperzustands in Bezug auf SENS entstanden sind.

Das SENS-Konzept umfasst 7 Abschnitte. Als erstes haben wir uns für die mitochondriale Dysfunktion (oder MitoSENS) entschieden.



Mitochondrien sind winzige Organellen eukaryotischer Organismen (mit Ausnahme der Lamblien, die im Darm von Chinchillas leben), die Energie für alle biochemischen Prozesse erzeugen. Nach der populärsten Version waren Mitochondrien einst unabhängige Lebenseinheiten, lila photosynthetische Bakterien, aber im Verlauf der Evolution wurden sie von alten Mikroorganismen, Archaeen, absorbiert und begannen, Energie für sie zu erzeugen. Jede Zelle kann mehr als tausend Mitochondrien enthalten, beispielsweise haben Herzmuskelzellen bis zu 5000 Mitochondrien. Molekulare Motoren, ATP-Synthasen, die in die innere Membran der Mitochondrien eingebaut sind, drehen und synthetisieren die Hauptenergiequelle Adenosintriphosphorsäure ATP unter dem Einfluss eines Protonenflusses. Es wird geschätzt, dass der erwachsene Körper etwa 40 kg ATP pro Tag synthetisiert und verbraucht.

Mitochondrien haben im Gegensatz zu anderen Organellen ihre eigenen 2-10 Kopien der DNA, mtDNA. Bei der Energieerzeugung erzeugen Mitochondrien giftige „Abfall“ - reaktive Sauerstoffspezies (ROS), die sowohl andere Moleküle als auch verschiedene Zellstrukturen und vor allem die Mitochondrien selbst schädigen können, was Mutationen in der mitochondrialen DNA verursachen und die Gesamtwirkung beeinträchtigen kann Energiebilanz des Körpers. Somit können sich mtDNAs mit Deletionen (Verlust von Stellen) schnell vermehren und den Zellraum mit sich selbst füllen, was Sarkopenie und Neurodegeneration verursacht. "Verderbte" Mitochondrien beginnen, noch größere Mengen an ROS zu produzieren, was zu einem Anstieg des oxidativen Stresses führt, was wiederum die Entwicklung verschiedener Pathologien, vorzeitiges Altern und Zelltod verursachen kann.

Eine interessante Tatsache im Zusammenhang mit oxidativem Stress. Es wurde festgestellt, dass eine klare Korrelation zwischen dem Sättigungsgrad der Fettsäuren in den Membranen und der Lebensdauer der Tiere besteht: Je mehr ungesättigte Säuren in der Membran vorhanden sind, desto kürzer ist die Lebensdauer des Tieres. Spanische Biologen verfolgten eine solche Sequenz und zeigten eine Verlängerung der Lebensdauer bei gleichzeitiger Verringerung des Gehalts an Docosahexaensäure-ω-3-Fettsäuren in den Membranen: Maus → Ratte → Kaninchen → Mensch → Wal [1].

Dieses Muster ist leicht zu erklären, da ungesättigte Fettsäuren die Haupt- "Opfer" der Lipidperoxidation sind. Somit zeigt die Lipidzusammensetzung von tierischen Zellmembranen, die durch eine längere Lebensdauer gekennzeichnet sind, das goldene Mittel: eine kleine Menge vollständig ungesättigter Docosahexaensäure 22: 6 ω-3-Fettsäuren und das Überwiegen weniger ungesättigter Linolensäure 18:03 ω-3-Fettsäuren, die schafft das gleiche Gleichgewicht, das sowohl Schutz gegen die Auswirkungen von ROS als auch die Erhaltung der notwendigen Fließfähigkeit der Membran bietet.

Neben der Lipidzusammensetzung tierischer Zellmembranen korreliert der Anteil von thermodynamisch stabilerem Guanin und Cytosin an allen mtDNA-Nukleotidresten auch mit der maximalen Lebensdauer von Säugetieren [2].

Die Macher des SENS-Konzepts sehen eine Lösung für das Problem der mitochondrialen Dysfunktion, indem sie „Sicherungskopien“ mitochondrialer Gene in den Kern übertragen, wo sie nicht durch in Mitochondrien erzeugte ROS beschädigt werden können. Selbst wenn die ursprünglichen Gene in der mtDNA beschädigt sind, können Backups in der Kern-DNA die Proteine ​​liefern, die zur Aufrechterhaltung einer normalen Energieproduktion erforderlich sind. Dieser Ansatz wird als allotope Expression von Proteinen bezeichnet. Die humane mtDNA enthält insgesamt 37 Gene, von denen nur 13 Proteine ​​codieren, die für Mitochondrien notwendig sind. Die verbleibenden (mehr als 1000) Proteine, die die Arbeit der Mitochondrien koordinieren, sind in Kern-DNA codiert. Laut den Autoren von SENS wurde der Transfer der wichtigsten mitochondrialen Gene in den Kern durch die Evolution genau zu diesem Zweck durchgeführt - um sie vor der schädlichen Wirkung von ROS zu schützen.

Die Idee der SENS-Autoren über den evolutionären Transfer von mitochondrialer DNA in den Kern, um mtDNA vor schädlichen Faktoren zu schützen und damit die Lebensdauer zu verlängern, wird in Studien bestätigt, die sich mit der Analyse von NUMT (Kern-Mitochondrien-DNA-Segment) befassen. Der Begriff NUMT bezieht sich auf mtDNA-Fragmente, die in Kern-DNA übertragen wurden. Eine vergleichende Analyse von 17 Tierarten mit vollständig sequenzierten mitochondrialen und nuklearen Genomen zeigte eine signifikante positive Korrelation zwischen der Lebenserwartung und der Anzahl der NUMT-Sequenzen [3]. Nun bleibt eine technische Lösung für die Übertragung von Backups der verbleibenden 13 mtDNA-Gene zu finden.

Es gibt jedoch alternative Ansätze zur Verbesserung der Mitochondrienfunktion. Und eine davon ist die Transplantation von Mitochondrien von außen. Die erfolgreiche „Subpopulation“ ausländischer Mitochondrien in Tierversuchen wird beschrieben. Daher wurde der mitochondriale Transfer in Tiermodellen für akute Lungenschäden, Herz-Kreislauf-Erkrankungen und Parkinson-Krankheit verwendet. Die Mitochondrienimplantation kann auf verschiedene Arten erfolgen: Erstens durch direkte Injektion isolierter Mitochondrien (lokale Injektion), wenn isolierte Mitochondrien direkt in die Zellen des geschädigten Bereichs injiziert werden; zweitens die systemische Verabreichung, wenn Mitochondrien in den allgemeinen Blutkreislauf eingeführt und dann im ganzen Körper verteilt werden. Die erhaltenen Ergebnisse zeigen die Aussichten einer mitochondrialen Transplantation bei der Behandlung einer Reihe von Krankheiten [4].

Gleichzeitig wäre es logisch, potenzielle Biomarker für die Bestimmung von oxidativem Stress zu finden, der durch mitochondriale Dysfunktion verursacht wird.

Oxidativer Stress ist ein Ungleichgewicht zwischen Oxidationsmitteln (reaktiven Sauerstoffspezies) und antioxidativer Abwehr im Körper gegenüber Oxidationsmitteln. In Zellen interagieren Oxidationsmittel aktiv mit Biomolekülen (Phospholipiden, Proteinen und Nukleinsäuren). Infolgedessen werden diese Biomoleküle irreversibel geschädigt, was zu einer Funktionsstörung der Zellen und infolgedessen zu verschiedenen Pathologien im Körper und zum Zelltod führt. Eine der beliebtesten Theorien des Alterns, das von D. Harman in den 1950er Jahren vorgeschlagene freie Radikal, sieht dies als Hauptmechanismus des Alterns an.

Während der Oxidation gebildete Moleküle können als Biomarker dienen. Ihre Analyse wird verwendet, um oxidativen Stress beim Menschen zu quantifizieren. Hohe Konzentrationen an Biomarkern für oxidativen Stress werden nicht nur bei altersbedingten oder degenerativen Erkrankungen wie Alzheimer, Bluthochdruck, Typ-2-Diabetes oder verschiedenen Krebsarten festgestellt, sondern auch bei chronisch obstruktiven Lungenerkrankungen, Rauchen und Leben in ökologisch benachteiligten Gebieten.

Einer der wichtigsten Biomarker für oxidativen Stress ist 8-Isoprostaglandin F2α (8-Isoprostan). 8-Isoprostan entsteht bei der nichtenzymatischen Oxidation von Phospholipiden zellulärer Biomembranen, nämlich Arachidonsäure. Diese Prostaglandin-ähnliche Substanz führt zu einer Verengung der Blutgefäße und Bronchien, verringert den Blutfluss in den Nieren, beeinflusst die Blutplättchenaggregation und ist somit an der Pathologie mehrerer Krankheiten beteiligt. Die Normalwerte von 8-Isoprostan bei gesunden Menschen werden mit 11 ± 4 pg / ml angenommen [5].

Als Lipidoxidations-Biomarker wird auch Malondialdehyd (MDA) erkannt, der durch Lipidperoxidation durch freie Radikale und den Abbau mehrfach ungesättigter Fettsäuremoleküle gebildet wird. Eine erhöhte Konzentration von MDA im Serum dient nicht nur als Marker für oxidativen Stress, sondern auch für den Grad der endogenen Intoxikation. Daher wird sowohl bei Rauchern als auch bei Menschen, die Alkohol missbrauchen, ein Anstieg der MDA-Konzentration im Plasma beobachtet. MDA bildet Schiff-Basen mit Aminogruppen des Proteins, was zur Bildung unlöslicher Lipid-Protein-Komplexe (Verschleißpigmente oder Lipofuscin) führt. MDA wird in Proben vieler biologischer Flüssigkeiten bestimmt: Serum, Plasma, Urin, ausgeatmetes Atemkondensat. Die MDA-Konzentration im Serum bei gesunden Menschen (normal) beträgt weniger als 1 μmol / l [6].

Während der Oxidation der Aminosäuren, aus denen die Proteine ​​bestehen, werden eine Reihe potenzieller Biomarker für oxidativen Stress gebildet: o-Tyrosin, 3-Chlorthyrosin und 3-Nitrotyrosin.

Physiologisch wird im Körper endogenes Tyrosin durch enzymatische Oxidation von Phenylalanin durch Phenylalaninhydroxylase gebildet. o-Tyrosin (o-Tyr) und m-Tyrosin (m-Tyr) werden während der Oxidation durch die aktiven Formen von Sauerstoffphenylalanin gebildet. o-Tyr und m-Tyr sind keine natürlichen Aminosäuren und gelten als Biomarker für oxidativen Stress. Bei Kataraktpatienten wurden hohe Konzentrationen an o-Tyr und m-Tyr gefunden, und bei Patienten mit Typ-2-Diabetes wurden erhöhte Blut-o-Tyr-Werte im Blutplasma und Urin gefunden. 3-Chlorthyrosin (3-ClTyr) wird in radikalischen Prozessen während der Reaktion von Hypochlorsäure (HClO, ein Derivat von Wasserstoffperoxid) und p-Tyrosin gebildet.

Die Bildung von 3-ClTyr spielt eine wichtige Rolle im Herz-Kreislauf-System, da sie mit der Entwicklung von Atherosklerose verbunden ist. 3-ClTyr fördert die Migration von glatten Muskelzellen der menschlichen Aorta (der Hauptmechanismus für die Bildung von Gefäßläsionen), und erhöhte 3-ClTyr-Spiegel unter Entzündungsbedingungen können zu Gefäßerkrankungen beitragen. 3-Nitrotyrosin (3-Notyr) wird bei oxidativem Stress durch Nitrierung von Tyrosin mit einem aggressiven phagozytischen Protein Myeloperoxidase (MPO) gebildet. Eine solche Nitrierung beeinflusst die Funktion des Proteins negativ. Höhere Konzentrationen von 3-Notyr wurden in der Cerebrospinalflüssigkeit von Patienten mit Alzheimer-Krankheit (11,4 ± 5,4 nM bei Patienten und 1,6 ± 0,4 nM in der Gruppe gesunder Freiwilliger) sowie bei Menschen mit Arthritis, Atherosklerose und Hypertonie [5].

Unter der Wirkung von ROS und HClO auf Proteine ​​werden auch verschiedene Produkte der Proteinoxidation (AOPP) gebildet. Solche Proteine ​​erfüllen ihre Funktionen nicht und können erhebliche Schäden verursachen. AOPPs werden durch das Myeloperoxidase-Wasserstoffperoxid-System hergestellt. Höhere Konzentrationen von AOPP wurden im Plasma oder Urin von Patienten mit akutem Koronarsyndrom oder aktiver Colitis ulcerosa gefunden. Plasmaspiegel von 60–70 nM gelten als normale Indikatoren für AORP bei gesunden Menschen [5].

Bekannte Biomarker für die Oxidation von Nukleinsäuren sind 8-Hydroxyguanosin (8-OHG) und 8-Hydroxy-2'-desoxyguanosin (8-OHdG). 8-OHdG ist das Hauptprodukt der DNA-Oxidation. 8-OHG wird durch Oxidation von RNA gebildet. Eine höhere Konzentration von 8-OHdG wird bei Patienten mit Alzheimer-Krankheit, Arthritis, Atherosklerose, Katarakt, Bluthochdruck, Osteoporose und Typ-2-Diabetes gefunden. 8-OHdG wird auch als potentieller Biomarker für Krebs im Zusammenhang mit Rauchen (z. B. Lungenkrebs) angesehen. 8-OHG kann bei Patienten mit Alzheimer-Krankheit gefunden werden, und es wurde gezeigt, dass der oxidative RNA-Schaden höher ist als der DNA-Schaden. Die Konzentrationen von 8-OHdG im Blut bei gesunden Menschen betragen 1,09 ± 0,52 nM, und die Konzentrationen von 8-OHG (in Liquor cerebrospinalis) betragen 97 ± 32 pM [5].

Ein weiterer Biomarker, der die mitochondriale Dysfunktion und den oxidativen Stress bestimmt, ist die Anzahl der Kopien der zellulären mtDNA (es gibt auch extrazelluläre mtDNA, die in den Blutkreislauf gelangt, wenn die Zellen zerfallen und ihr Spiegel mit dem Alter ansteigt). Es ist also bekannt, dass mit zunehmendem Alter die Menge an zellulärer mtDNA darüber hinaus bei Männern stärker abnimmt als bei Frauen. Eine niedrigere mtDNA-Zahl ist auch signifikant mit der Entwicklung einer senilen Asthenie (Senilität, Gebrechlichkeit) verbunden. Die Anzahl der Kopien von mtDNA kann auch ein wirksamer prognostischer Marker für die Mortalität aller Ursachen sein, von Herz-Kreislauf-, onkologischen und Atemwegserkrankungen [7].

Endogene Antioxidantien wie Glutathion, Cystein, Harnsäure und Ubichinol können ebenfalls mitochondriale Dysfunktion und oxidativen Stress als Biomarker verwenden. Bei der Wechselwirkung mit reaktiven Sauerstoffspezies werden endogene Antioxidantien oxidiert, dann aber mit speziellen Enzymen wieder hergestellt. Daher liegen Antioxidansmoleküle im Körper in zwei Formen vor: reduzierte Form (Antioxidans) oder oxidiert (nach Reaktion mit Oxidationsmitteln). Mit der chromatographischen Methode ist es möglich, das Verhältnis von reduzierten und oxidierten Formen von Antioxidantien zu bestimmen und so den Grad des oxidativen Stresses zu bestimmen [8].

Biomarker für mitochondriale Dysfunktion und oxidativen Stress:

1,8-Isoprostan.
2. Malondialdehyd
3. O-Tyrosin, 3-Chlorthyrosin, 3-Nitrotyrosin.
4. Proteinoxidationsprodukte (AOPP).
5,8-Hydroxyguanosin (8-OHG)
6. 8-Hydroxy-2'-desoxyguanosin (8-OHdG).
7. Zell-mtDNA (ihre Anzahl und das Vorhandensein mutierter Varianten mit Deletionen)
8. Endogene Antioxidantien (Glutathion, Cystein, Harnsäure, Ubichinol).

Autoren der Rezension: Denis Odinokov, Alexey Rzheshevsky.