SENS-Diagnose. Intrazelluläre "Müll" -Biomarker

Während des gesamten Lebens des Organismus bilden sich in den Zellen Bestandteile, die aus verschiedenen Gründen ihre physiologischen Funktionen nicht mehr normal erfüllen können. Strukturen wie zum Beispiel alte defekte Mitochondrien werden zu intrazellulärem „Müll“. Wenn sich ein solcher Ballast ständig in der Zelle ansammeln würde, würde dies das Auftreten normaler intrazellulärer Prozesse unmöglich machen und zum Zelltod führen. Um dies zu verhindern, befinden sich in den Zellen spezielle „Verbrennungsanlagen“ - Lysosomen.

Lysosomen sind Einzelmembranorganellen mit einem Durchmesser von 0,2 bis 2 Mikrometer. Um die zum Abbau bestimmten Zellstrukturen aufzunehmen, können Lysosomen viele verschiedene Formen annehmen. Im Durchschnitt kann eine einzelne Zelle mehrere hundert Lysosomen aufweisen. Der Abbau von Zellbestandteilen und Makromolekülen, die zur Verwendung bestimmt sind, erfolgt im Lysosom unter dem Einfluss spezieller abbauender Enzyme (insgesamt etwa 60 verschiedene Typen), deren Hauptbestandteil saure Phosphatase ist.

Im Laufe der Zeit und unter dem Einfluss verschiedener Faktoren kann das Lysosom beginnen, seine Aufgaben schlechter zu bewältigen. Dies führt zur Ansammlung von "intrazellulären Ablagerungen", die das Leben der Zelle beeinträchtigen. Dieses Problem ist besonders relevant für postmitotische Zellen wie Herzmuskelzellen und Neuronen. Die fortschreitende Ansammlung von intrazellulären "Trümmern" führt zu Störungen der normalen Funktion von Zellen, die zu Krankheiten und beschleunigtem Altern führen können.


Ablagerung von Lipofuscin in der Herzzelle. Lf - Lipofuscin, m - Mitochondrien, mf - Myofibrille

Ein typisches Beispiel für eine solche verstopfte Zelle ist unser Immunschutz - ein Makrophagen. Es ist bekannt, dass Makrophagen, deren Funktion darin besteht, die Innenwände der Arterie zu schützen, gleichzeitig ein Schlüsselelement bei der Entwicklung von Atherosklerose sind. In einem gesunden und jungen Organismus können Makrophagen ihre Arbeit durchaus erledigen, indem sie für Arterien gefährliche Substanzen wie modifizierte Lipoproteine ​​absorbieren und abbauen. Wenn sich jedoch mehr solcher Substanzen in den Arterien befinden, als der Makrophagen verdauen kann, reichern sich darin giftige Stoffe an. Dies führt zu einer Funktionsstörung der Makrophagen und ihrer Umwandlung in eine schaumige Zelle, die bereits direkt negativ an der Entstehung von Atherosklerose beteiligt ist.

Die Autoren des SENS-Konzepts sehen eine Lösung für das Problem der altersbedingten und pathologischen Anreicherung von intrazellulärem Abfall bei der Modifikation von Lysosomen. Sie legen nahe, dass die logische Lösung darin besteht, den Lysosomen, die diese Aufgabe bewältigen können, neue Enzyme zuzuführen, da das Hauptproblem darin besteht, dass Lysosomen nicht in der Lage sind, einen Teil der intrazellulären Einschlüsse zu zerstören. Wie heute bekannt, existieren solche Enzyme beispielsweise in Bodenbakterien und Pilzen, die organische Rückstände zersetzen. Die Idee von SENS ist es daher, die Enzyme zu finden, die von diesen Organismen verwendet werden, um lysosomale Abfälle zu verdauen, sie so zu modifizieren, dass sie in der Umgebung menschlicher Lysosomen arbeiten können, und sie dann an Zellen abzugeben.

Auf den ersten Blick mag es technisch schwierig erscheinen, diesen Ansatz umzusetzen, aber es gibt bereits direkte Beweise für seine Realisierbarkeit. Sie wurden bei der Behandlung von genetischen Pathologien, den sogenannten lysosomale Speicherkrankheiten (Lysosomale Speicherkrankheiten) wie die Gaucher-Krankheit unter Verwendung einer "Enzymersatztherapie". Diese Krankheiten sind genetischer Natur, wodurch Lysosomenenzyme nicht so funktionieren, wie sie sollten. Und heute werden eine Reihe solcher Krankheiten erfolgreich behandelt, indem Patienten Lysosomenenzyme injiziert werden, die so modifiziert sind, dass sie sich über die Zellmembran bewegen. Weitere Arbeiten in dieser Richtung werden unter Verwendung der Gentherapie fortgesetzt, so dass die mit Abfall überladenen Zellen beginnen, die für den Abbau von „Müll“ erforderlichen Enzyme zu produzieren.

Eine der Arten von intrazellulären „Trümmern“, die auch als Biomarker für das Altern dienen können, sind heute Lipofuscin-Granulate. Lipofuscin ist ein Pigment, das aus oxidierten und vernetzten Proteinen und Lipiden besteht, was es schwierig macht, es abzubauen und aus Zellen zu entfernen. Lipofuscin wurde 1847 von R. Virkhov entdeckt. Trotzdem gibt es weder ein klares Verständnis der Mechanismen seiner Bildung noch seiner Rolle im Körper im Allgemeinen und in Alterungsprozessen im Besonderen.

Der Begriff "Lipofuscin" wurde 1912 in den wissenschaftlichen Verkehr eingeführt und bedeutet aufgrund der braunen Farbe des Pigments wörtlich "dunkles Fett". Zuvor wurden Lipofuscin-Granulate an der Stelle ihrer Bildung als "Ceroide" bezeichnet - in Hepatozyten in einer Leber, die zu Zirrhose neigt. Die Größe des Granulats variiert im Durchschnitt von 0,5 bis 1,5 Mikrometer. Heute kommt Lipofuscin in den Zellen aller lebenden Arten vor, von Protozoen bis zu Primaten. Dies wirft Zweifel an der rein pathologischen Rolle von Lipofuscin auf, die aus irgendeinem Grund durch die Evolution in allen lebenden Organismen festgelegt wird. Andererseits kann Lipofuscin am programmierten Tod von Organismen beteiligt sein, was durch die vom Akademiker V. Skulachev vorgeschlagene Theorie der Phenoptose beschrieben wird.

Lipofiscin enthält Fette (20-50%), Proteine ​​(30-60%). Fette werden hauptsächlich durch Phospholipide (Cephalin, Lecithin, Sphingomyelin) sowie Cholesterin, Triglyceride und Produkte der Peroxidation und Polymerisation von Fettsäuren dargestellt. Die Zusammensetzung von Lipofiscin-Granulaten kann alle bekannten Aminosäuren enthalten, deren quantitatives Verhältnis von dem Organ abhängt, aus dem Lipofiscin isoliert wurde. In der größten Menge aller Lipofuscin-Granulate befinden sich jedoch vier Aminosäuren: Glycin, Valin, Alanin und Prolin.

Einige Lipofiscin-Proteine ​​sind Enzymproteine, unter denen sich die meisten sauren Phosphatasen (das Hauptenzym der Lysosomen) und unspezifische Esterasen befinden. Darüber hinaus wurden in Lipofiscin-Granulaten stickstoffhaltige Basen, Benzolderivate, Phenolverbindungen und anorganische Komponenten - Kohlenstoff, Stickstoff, Phosphor, Schwefel, Magnesium und Aluminium - gefunden [1].

Wie entsteht Lipofuscin in Zellen? Auf diese Frage gibt es heute keine genaue Antwort. Das Vorhandensein von lysosomalen Enzymen (sauren Phosphotasen) in Lipofuscin hat darauf hingewiesen, dass Lipofuscin aufgrund von oxidativem Stress auftreten kann. Infolgedessen reichern sich in der Zelle „Restkörper“ an - Produkte der Lipidoxidation und -peroxidation, die nicht durch lysosomale Enzyme abgebaut werden können. Mitochondriale Enzyme, Fragmente von Mitochondrien und das endoplasmatische Retikulum wurden auch in Lipofuscin-Granulaten gefunden. Daher kann die Art der Akkumulation von Lipofuscin in Zellen auch mit der Zerstörung von Zellorganellen verbunden sein, die von Lysosomen nicht genutzt wurden [2]. Daher sind Mitochondrien am anfälligsten für den Abbau zu Lipofuscin-Granulat (Mitolipofuscin) [3].

Es wurde beschrieben, dass Eisen die Bildung von Lipofuscin verstärkt, vermutlich durch Erhöhen der durch Eisen verursachten Peroxidation von Lipiden. Einige Forscher haben eine separate Form von Lipofuscin identifiziert, die besonders reich an Eisen-Hämosiderin ist. Während des Alterns wird die Akkumulation von Lipofuscin stark durch mitochondriale Dysfunktion und den damit verbundenen oxidativen Stress beeinflusst (und hier sehen Sie den Schnittpunkt der beiden Abschnitte von SENS - mytoSENS und lysoSENS). Eine übermäßige Produktion defekter Mitochondrien von Wasserstoffperoxid führt zu der Tatsache, dass Peroxid in mit Eisen überladene Lysosomen diffundiert und die Bildung von Lipofuscin fördert. Mitochondrien enthalten auch Ferritin, das durch Autophagie abgebaut werden kann und eine zusätzliche Quelle für freies Eisen darstellt, um die Produktion reaktiver Sauerstoffspezies weiter zu verbessern. Einschließlich während der Reduktion von Eisenionen Fe2 + zu Fe3 + in die Fenton-Reaktion. Erhöhter oxidativer Stress, der durch Eisen katalysiert wird, führt zu einer peroxidativen Schädigung der Lysosomen (Permeabilität ihrer Membran), was zum Austreten von Eisen führt und wiederum den gesamten Eisenpool erhöht. Und hier beobachten wir eine ganze Kaskade kreuzkatalytischer Ereignisse, die für Pathologien charakteristisch sind: Mitochondriale Dysfunktion und oxidativer Stress führen zu einer Reaktionskette, die zu einer Zunahme der Akkumulation von Lipofuscin führt. Und diese Ereigniskaskade steht in direktem Zusammenhang mit einer besonderen Form des Zelltods - der Ferroptose, die vor dem Hintergrund eines Mangels an einem der Antioxidantien, Glutathion, und unter Bedingungen von überschüssigem Eisen und oxidativem Stress auftritt [4].

Zu verschiedenen Zeiten wurden Vorschläge zur möglichen physiologischen Rolle von Lipofuscin gemacht. Bei der Zusammensetzung von Lipofuscin-Granulaten haben die sowjetischen Forscher V.N.Karnaykhov und A.B. Tatarunas fanden Substanzen, die aktiv am Zellstoffwechsel beteiligt sind - Carotinoide [5, 6]. In dieser Hinsicht wurde vorgeschlagen, dass Lipofuscin einige Funktionen erfüllt. Vermutlich kann es unter hypoxischen Bedingungen in energieaufwendigen Geweben, beispielsweise im Muskel, an der Energieerzeugung beteiligt sein. Beispielsweise ist bekannt, dass in Muskelzellen die Menge an Lipofuscin unter dem Einfluss schwerer körperlicher Anstrengung zunimmt.

Die meisten Forscher sind jedoch der Meinung, dass Lipofuscin in den Zellen altersabhängig anreichert, was es ermöglicht, es als Biomarker für das Altern zu verwenden. Die vielleicht am klarsten formulierte Beziehung von Lipofuscin zum Altern ist die mitochondrial-lysosomale Theorie des Alterns. Demnach ist die altersbedingte Anreicherung von Lipofuscin, das das Lysosom blockiert, eng mit fortschreitender Autophagie-Störung, oxidativem Stress und mitochondrialer Dysfunktion verbunden. Was verursacht die allmähliche altersbedingte Akkumulation geschädigter Mitochondrien, anderer Organellen und geschädigter Proteine ​​und infolgedessen postmitotische Zelldysfunktion, Organfunktionsstörung und Alterung [7]?

Es ist bekannt, dass mit zunehmendem Alter die Anreicherung von Lipofuscin in verschiedenen Zellen zunimmt: in den Zellen des Gehirns, des Herzens, der Netzhaut, des Skelettmuskels und der Haut [8]. Bei sich nicht teilenden Zellen sollte eine altersbedingte Überlastung mit Lipofuscin ein großes Problem sein. Daher werden die negative Rolle dieses Pigments bei neurodegenerativen Prozessen und seine mögliche Beziehung zu Neuropathologien (Alzheimer, Parkinson usw.) beschrieben [9]. Daher erscheint die Verwendung von Lipofuscin als Biomarker des Alterns ziemlich logisch.

Zur Identifizierung in Zellen werden heute mehrere histochemische Reaktionen verwendet: die Hueck-Reaktion (Färbung mit Nilblau-Farbstoff), die Schmorl-Reaktion (Lipofuscin und ein anderes Melaninpigment sind dunkelblau gefärbt), die Ziehl-Nielson-Methode (Färbung in hellrot) Carbol-Fuchsin) [10].

Eine der heute beliebten Methoden zur Bestimmung von Lipofuscin ist die Färbung mit Sudan Black-B-Farbstoff (Sudan-Black-B, SBB) und seinem Biotin-verwandten Analogon (GL 13 genannt), von denen gezeigt wurde, dass sie beim Nachweis von Lipofuscin hochwirksam sind [11, 12].

Im Jahr 2015 beschrieben chinesische Forscher eine wirksame Methode zur Messung von Lipofuscin in Speichel und Plasma. Eine vergleichende Analyse der Lipofuscinspiegel in Speichel und Blut bei jungen und alten Menschen zeigte eine signifikante Korrelation in Richtung ihres Anstiegs mit dem Alter [13]. Mit dieser Methode können Sie Lipofuscin als Biomarker für das Altern bestimmen.

Leider gibt es derzeit keine wirksamen Methoden, um entweder die Ansammlung von Lipofuscin zu verlangsamen oder Lipofuscin-Granulate zu entfernen. So wurde bereits 2008 die patentierte Methode von Ulrich Schraermeyer (Ulrich Schraermeyer) zur Behandlung der Stargardt-Krankheit (die mit der Anreicherung von Lipofuscin im Pigmentepithel der Netzhaut verbunden ist) unter Verwendung von Tetrahydropyridoether (Tetrahydropyridoether) angewendet, obwohl sie in Experimenten mit Makaken ermutigende Ergebnisse zeigte. klinische Anwendungen [14].

Es gibt keine Nachrichten über die Auswirkungen der hyperbaren Sauerstoffversorgung auf den Lipofuscin-Gehalt im Gehirn [15]. Die Wirksamkeit von Melatonin, Isotretinoin, Beta-Cyclodextrin, dem „Lösungsmittel“ sowohl von Lipofuscin als auch von atherosklerotischen Plaques und anderen Arzneimitteln, erfordert weitere Untersuchungen [16-18].

Autoren der Rezension: Denis Odinokov, Alexey Rzheshevsky.

Fortsetzung folgt…

Im nächsten, dritten Teil werden wir über Biomarker von Proteinaggregaten sprechen, die mit altersbedingten Neuropathologien assoziiert sind.