Diagnóstico SENS. Biomarcadores intracelulares de "basura"

Durante toda la vida del organismo, se forman componentes en las células que, por diversas razones, se vuelven incapaces de realizar sus funciones fisiológicas normalmente. Las estructuras como, por ejemplo, las antiguas mitocondrias defectuosas, se convierten en "basura" intracelular. Si dicho lastre se acumulara constantemente dentro de la célula, esto haría imposible que ocurran procesos intracelulares normales y conduzca a la muerte celular. Para evitar que esto suceda, hay "plantas de incineración" especiales en las células: los lisosomas.

Los lisosomas son orgánulos de membrana única con un diámetro de 0.2 a 2 micras. Para acomodar las estructuras celulares destinadas a la degradación, los lisosomas pueden tomar muchas formas diferentes. En promedio, una sola célula puede tener varios cientos de lisosomas. La degradación de los componentes celulares y las macromoléculas destinadas a la utilización se produce en el lisosoma bajo la influencia de enzimas degradantes especiales (aproximadamente 60 tipos diferentes en total), la principal de las cuales es la fosfatasa ácida.

Con el tiempo y bajo la influencia de varios factores, el lisosoma puede comenzar a enfrentar peor sus tareas. Lo que conduce a la acumulación de "restos intracelulares" que interfieren con la vida de la célula. Este problema es especialmente relevante para las células postmitóticas, como las células musculares cardíacas y las neuronas. La acumulación progresiva de "escombros" intracelulares provoca alteraciones en el funcionamiento normal de las células, lo que puede provocar enfermedades y un envejecimiento acelerado.


Deposición de lipofuscina en las células del corazón. Lf - lipofuscina, m - mitocondrias, mf - miofibril

Un ejemplo típico de una célula tan obstruida es nuestra protección inmune, un macrófago. Se sabe que los macrófagos, cuya función es proteger las paredes internas de la arteria, son al mismo tiempo un eslabón clave en el desarrollo de la aterosclerosis. En un organismo joven y sano, los macrófagos pueden hacer su trabajo absorbiendo y degradando sustancias que son peligrosas para las arterias, como las lipoproteínas modificadas. Pero si hay más sustancias de este tipo en las arterias de las que el macrófago puede digerir, se acumulan materiales tóxicos en su interior. Y esto conduce a la disfunción de los macrófagos y su transformación en una célula espumosa, que ya está directamente involucrada negativamente en el desarrollo de la aterosclerosis.

Los autores del concepto SENS ven una solución al problema de la acumulación patológica relacionada con la edad de los desechos intracelulares en la modificación de los lisosomas. Sugieren que, dado que el problema principal es la incapacidad de los lisosomas para destruir parte de las inclusiones intracelulares, la solución lógica es suministrar nuevas enzimas a los lisosomas que puedan hacer frente a esta tarea. Como se sabe hoy, tales enzimas existen, por ejemplo, en bacterias y hongos del suelo que descomponen los residuos orgánicos. Por lo tanto, la idea de SENS es encontrar las enzimas utilizadas por estos organismos para digerir los desechos lisosomales, modificarlos para que puedan funcionar en el entorno de los lisosomas humanos y luego entregarlos a las células.

A primera vista, este enfoque puede parecer técnicamente difícil de implementar, pero ya existe evidencia directa de su viabilidad. Se obtuvieron en el tratamiento de patologías genéticas, las llamadas Enfermedades de almacenamiento lisosómico (Enfermedades de almacenamiento lisosómico), como la enfermedad de Gaucher, utilizando la "terapia de reemplazo enzimático". Estas enfermedades son de naturaleza genética, como resultado de lo cual las enzimas lisosomas no funcionan como deberían. Y hoy, varias de estas enfermedades se tratan con éxito inyectando a los pacientes enzimas lisosómicas modificadas para moverse a través de la membrana celular. Continúa el trabajo en esta dirección, utilizando la terapia génica, de modo que las células sobrecargadas con desechos comienzan a producir las enzimas necesarias para la degradación de la "basura".

Uno de los tipos de "desechos" intracelulares, que también pueden servir como biomarcadores del envejecimiento, hoy en día son los gránulos de lipofuscina. La lipofuscina es un pigmento que consiste en proteínas y lípidos oxidados y reticulados, lo que dificulta su degradación y eliminación de las células. La lipofuscina fue descubierta por R. Virkhov en 1847. Pero, a pesar de esto, todavía no hay una comprensión clara de los mecanismos de su formación, o su papel en el cuerpo en general y en los procesos de envejecimiento en particular.

El término "lipofuscina" se introdujo en la circulación científica en 1912 y literalmente significa "grasa oscura", debido al color marrón del pigmento. Antes de esto, los gránulos de lipofuscina se llamaban "ceroides", en el lugar de su formación, en los hepatocitos, en un hígado propenso a la cirrosis. El tamaño de los gránulos varía en promedio de 0,5 a 1,5 micras. Hoy, la lipofuscina se encuentra en las células de todas las especies vivas, desde los protozoos hasta los primates. Lo que arroja dudas sobre el papel puramente patológico de la lipofuscina, que por alguna razón está determinada por la evolución en todos los organismos vivos. Por otro lado, la lipofuscina puede participar en la muerte programada de los organismos, que se describe en la teoría de la fenoptosis propuesta por el académico V. Skulachev.

La lipofiscina contiene grasas (20-50%), proteínas (30-60%). Las grasas están representadas principalmente por fosfolípidos (cefalina, lecitina, esfingomielina), así como colesterol, triglicéridos y productos de peroxidación y polimerización de ácidos grasos. La composición de los gránulos de lipofiscina puede incluir todos los aminoácidos conocidos, cuya proporción cuantitativa depende del órgano del que se aisló la lipofiscina. Pero en la mayor cantidad en todos los gránulos de lipofuscina hay cuatro aminoácidos: glicina, valina, alanina y prolina.

Algunas proteínas de lipofiscina son proteínas enzimáticas, entre las cuales se encuentra la mayor cantidad de fosfatasas ácidas (la enzima principal de los lisosomas) y esterasas no específicas. Además, se encontraron bases nitrogenadas, derivados de benceno, compuestos fenólicos y componentes inorgánicos (carbono, nitrógeno, fósforo, azufre, magnesio y aluminio) en gránulos de lipofiscina [1].

¿Cómo se forma la lipofuscina en las células? No hay una respuesta exacta a esta pregunta hoy. La presencia de enzimas lisosómicas (fosfotasas ácidas) en la lipofuscina ha sugerido que la lipofuscina puede aparecer debido al estrés oxidativo. Como resultado de esto, los "cuerpos residuales" se acumulan en la célula, productos de oxidación y peroxidación de lípidos que no son susceptibles de degradación por las enzimas lisosómicas. Las enzimas mitocondriales, los fragmentos de mitocondrias y el retículo endoplásmico también se encontraron en gránulos de lipofuscina. Por lo tanto, la naturaleza de la acumulación de lipofuscina en las células también puede estar asociada con la destrucción de los orgánulos celulares que no fueron utilizados por los lisosomas [2]. Por lo tanto, las mitocondrias son más propensas a la degradación en gránulos de lipofuscina (mitolipofuscina) [3].

Se ha descrito que el hierro mejora la formación de lipofuscina, presumiblemente al aumentar la peroxidación de los lípidos causados ​​por el hierro. Algunos investigadores han identificado una forma separada de lipofuscina, particularmente rica en hierro: hemosiderina. Durante el envejecimiento, la acumulación de lipofuscina está fuertemente influenciada por la disfunción mitocondrial y el estrés oxidativo asociado (y aquí puede ver la intersección de las dos secciones de SENS: mytoSENS y lysoSENS). Por lo tanto, el exceso de producción de mitocondrias defectuosas de peróxido de hidrógeno conduce al hecho de que el peróxido se difunde en los lisosomas sobrecargados con hierro y mejora la formación de lipofuscina. Las mitocondrias también contienen ferritina, que puede sufrir degradación a través de la autofagia, que proporciona una fuente adicional de hierro libre para mejorar aún más la producción de especies reactivas de oxígeno. Incluso durante la reducción de iones de hierro Fe2 + a Fe3 + en la reacción de Fenton. El aumento del estrés oxidativo catalizado por el hierro causa daño peroxidativo a los lisosomas (permeabilidad de su membrana), lo que conduce a fugas de hierro y, a su vez, aumenta el conjunto total de hierro. Y aquí observamos toda una cascada de eventos catalíticos cruzados característicos de las patologías: la disfunción mitocondrial y el estrés oxidativo conducen a una cadena de reacciones, cuyo resultado es un aumento en la acumulación de lipofuscina. Y esta cascada de eventos está directamente relacionada con una forma especial de muerte celular: la ferroptosis, que ocurre en el contexto de una deficiencia de uno de los antioxidantes, el glutatión, y en condiciones de exceso de hierro y estrés oxidativo [4].

En diferentes momentos, se hicieron sugerencias sobre el posible papel fisiológico de la lipofuscina. Entonces, en la composición de gránulos de lipofuscina, además de proteínas y lípidos, los investigadores soviéticos V.N.Karnaykhov y A.B. Tatarunas encontró sustancias que participan activamente en el metabolismo celular: los carotenoides [5, 6]. En este sentido, se sugirió que la lipofuscina realiza algunas funciones. Presumiblemente, puede participar en la producción de energía en condiciones de hipoxia en tejidos que consumen energía, por ejemplo, en el músculo. Por ejemplo, se sabe que en las células musculares la cantidad de lipofuscina aumenta bajo la influencia del esfuerzo físico intenso.

Pero la mayoría de los investigadores opinan que la acumulación de lipofuscina en las células depende de la edad, lo que hace posible su uso como biomarcador del envejecimiento. Quizás la relación más claramente formulada de la lipofuscina con el envejecimiento es la teoría mitocondrial-lisosómica del envejecimiento. De acuerdo con lo cual, la acumulación de lipofuscina relacionada con la edad que bloquea el lisosoma está estrechamente asociada con la alteración progresiva de la autofagia, el estrés oxidativo y la disfunción mitocondrial. Lo que causa la acumulación gradual relacionada con la edad de mitocondrias dañadas, otros orgánulos y proteínas dañadas, y, como resultado, disfunción celular posmitótica, disfunción orgánica y envejecimiento [7].

Se sabe que con la edad, hay un aumento en la acumulación de lipofuscina en diferentes células: en las células del cerebro, corazón, retina, músculo esquelético y piel [8]. Para las células que no se dividen, la congestión relacionada con la edad con lipofuscina debería ser un gran problema. Entonces, se describe el papel negativo de este pigmento en los procesos neurodegenerativos y su posible relación con las neuropatologías (Alzheimer, Parkinson, etc.) [9]. Por lo tanto, el uso de lipofuscina como biomarcador del envejecimiento parece bastante lógico.

Hoy en día se usan varias reacciones histoquímicas para su identificación en las células: la reacción de Hueck (tinción con colorante azul de Nilo), la reacción de Schmorl (la lipofuscina y otro pigmento de melanina se tiñen en azul oscuro), el método de Ziehl-Nielson (tinción en rojo brillante carbol-fuchsin) [10].

Uno de los métodos para determinar la lipofuscina que es popular hoy en día es la tinción con colorante Sudán Black-B (Sudan-Black-B, SBB) y su análogo relacionado con la biotina (llamado GL 13), que han demostrado ser altamente efectivos en la detección de lipofuscina [11, 12].

En 2015, investigadores chinos describieron un método efectivo para medir la lipofuscina en saliva y plasma. Un análisis comparativo de los niveles de lipofuscina en saliva y sangre en personas jóvenes y mayores mostró una correlación significativa en la dirección de su aumento con la edad [13]. Eso le permite utilizar este método para determinar la lipofuscina como un biomarcador del envejecimiento.

Desafortunadamente, por el momento no hay métodos efectivos para ralentizar la acumulación de lipofuscina o eliminar gránulos de lipofuscina. Entonces, el método patentado Ulrich Schraermeyer (Ulrich Schraermeyer) en 2008 para el tratamiento de la enfermedad de Stargardt (asociada con la acumulación de lipofuscina en el epitelio pigmentario de la retina) usando tetrahidropiridoéter (tetrahidropiridoéter), aunque mostró resultados alentadores en experimentos con macacos, aplicaciones clínicas [14].

No hay noticias sobre los efectos de la oxigenación hiperbárica en el contenido de lipofuscina en el cerebro [15]. La efectividad de la melatonina, la isotretinoína, la beta-ciclodextrina, el "solvente" tanto de la lipofuscina como de las placas ateroscleróticas, y otras drogas, requiere más investigación [16-18].

Autores de la revisión: Denis Odinokov, Alexey Rzheshevsky.

Continuará ...

En la siguiente parte, 3, hablaremos sobre biomarcadores de agregados de proteínas asociados con neuropatologías relacionadas con la edad.