Diagnostics SENS. Biomarqueurs intracellulaires «déchets»

Pendant toute la vie de l'organisme, des composants se forment dans les cellules qui, pour diverses raisons, deviennent incapables de remplir normalement leurs fonctions physiologiques. Des structures comme, par exemple, les anciennes mitochondries défectueuses, deviennent des «déchets» intracellulaires. Si un tel ballast s'accumulait constamment à l'intérieur de la cellule, cela empêcherait les processus intracellulaires normaux de se produire et d'entraîner la mort des cellules. Pour éviter que cela ne se produise, il existe des «usines d'incinération» spéciales dans les cellules - les lysosomes.

Les lysosomes sont des organites monocellulaires d'un diamètre de 0,2 à 2 microns. Afin de s'adapter aux structures cellulaires destinées à la dégradation, les lysosomes peuvent prendre de nombreuses formes différentes. En moyenne, une seule cellule peut avoir plusieurs centaines de lysosomes. La dégradation des composants cellulaires et des macromolécules destinés à être utilisés se produit dans le lysosome sous l'influence d'enzymes dégradantes spéciales (environ 60 types différents au total), dont la principale est la phosphatase acide.

Au fil du temps et sous l'influence de divers facteurs, le lysosome peut commencer à faire face à ses tâches. Ce qui conduit à l'accumulation de "débris intracellulaires" qui interfèrent avec la vie de la cellule. Ce problème est particulièrement pertinent pour les cellules postmitotiques, telles que les cellules musculaires cardiaques et les neurones. L'accumulation progressive de "débris" intracellulaires entraîne des perturbations du fonctionnement normal des cellules, ce qui peut entraîner des maladies et un vieillissement accéléré.


Dépôt de lipofuscine dans la cellule cardiaque. Lf - lipofuscine, m - mitochondries, mf - myofibril

Un exemple typique d'une telle cellule obstruée est notre garde immunitaire - un macrophage. On sait que les macrophages, dont l'une des fonctions est de protéger les parois internes de l'artère, sont en même temps un maillon clé du développement de l'athérosclérose. Dans un organisme sain et jeune, les macrophages sont tout à fait capables de faire leur travail en absorbant et dégradant des substances dangereuses pour les artères, telles que les lipoprotéines modifiées. Mais s'il y a plus de telles substances dans les artères que ce que les macrophages peuvent digérer, des matières toxiques s'y accumulent. Et cela conduit à un dysfonctionnement des macrophages et à sa transformation en une cellule mousseuse, qui est déjà directement impliquée négativement dans le développement de l'athérosclérose.

Les auteurs du concept SENS voient une solution au problème de l'accumulation liée à l'âge et pathologique des déchets intracellulaires dans la modification des lysosomes. Ils suggèrent que puisque le problème principal est l'incapacité des lysosomes à détruire une partie des inclusions intracellulaires, la solution logique est de fournir de nouvelles enzymes aux lysosomes qui peuvent faire face à cette tâche. Comme on le sait aujourd'hui, de telles enzymes existent, par exemple, dans les bactéries du sol et les champignons qui décomposent les résidus organiques. Ainsi, l'idée de SENS est de trouver les enzymes utilisées par ces organismes pour digérer les déchets lysosomaux, les modifier afin qu'ils puissent travailler dans l'environnement des lysosomes humains, puis les livrer aux cellules.

À première vue, cette approche peut sembler techniquement difficile à mettre en œuvre, mais il existe déjà des preuves directes de sa viabilité. Ils ont été obtenus dans le traitement des pathologies génétiques, les soi-disant les maladies de stockage lysosomal (Maladies de stockage lysosomal), telles que la maladie de Gaucher, en utilisant une «thérapie de remplacement enzymatique». Ces maladies sont de nature génétique, ce qui fait que les enzymes lysosomes ne fonctionnent pas comme elles le devraient. Et aujourd'hui, un certain nombre de ces maladies sont traitées avec succès en injectant aux patients des enzymes lysosomiques modifiées pour se déplacer à travers la membrane cellulaire. Les travaux se poursuivent dans ce sens, en utilisant la thérapie génique, de sorte que les cellules surchargées de déchets commencent à produire les enzymes nécessaires à la dégradation des «déchets».

L'un des types de «débris» intracellulaires, qui peuvent également servir de biomarqueur du vieillissement, sont aujourd'hui les granules de lipofuscine. La lipofuscine est un pigment composé de protéines et de lipides oxydés et réticulés, ce qui rend difficile sa dégradation et son élimination des cellules. La lipofuscine a été découverte par R. Virkhov en 1847. Mais, malgré cela, il n'y a toujours pas de compréhension claire des mécanismes de sa formation ou de son rôle dans le corps en général et dans les processus de vieillissement en particulier.

Le terme "lipofuscine" a été introduit dans la circulation scientifique en 1912 et signifie littéralement "graisse noire", en raison de la couleur brune du pigment. Auparavant, les granules de lipofuscine étaient appelés «céroïdes», au lieu de leur formation - dans les hépatocytes, dans un foie sujet à la cirrhose. La taille des granulés varie en moyenne de 0,5 à 1,5 µm. Aujourd'hui, la lipofuscine se trouve dans les cellules de toutes les espèces vivantes, des protozoaires aux primates. Ce qui jette un doute sur le rôle purement pathologique de la lipofuscine, qui pour une raison quelconque est fixée par l'évolution de tous les organismes vivants. D'autre part, la lipofuscine peut participer à la mort programmée des organismes, qui est décrite par la théorie de la phénoptose proposée par l'académicien V. Skulachev.

La lipofiscine contient des graisses (20-50%), des protéines (30-60%). Les graisses sont principalement représentées par les phospholipides (céphaline, lécithine, sphingomyéline), ainsi que le cholestérol, les triglycérides et les produits de peroxydation et de polymérisation des acides gras. La composition des granulés de lipofiscine peut comprendre tous les acides aminés connus, dont le rapport quantitatif dépend de l'organe à partir duquel la lipofiscine a été isolée. Mais en plus grande quantité dans tous les granules de lipofuscine se trouvent quatre acides aminés: la glycine, la valine, l'alanine et la proline.

Certaines protéines de lipofiscine sont des protéines enzymatiques, parmi lesquelles on trouve le plus grand nombre de phosphatases acides (l'enzyme principale des lysosomes) et d'estérases non spécifiques. De plus, des bases azotées, des dérivés du benzène, des composés phénoliques et des composants inorganiques - carbone, azote, phosphore, soufre, magnésium et aluminium - ont été trouvés dans les granules de lipofiscine [1].

Comment se forme la lipofuscine dans les cellules? Il n'y a pas de réponse exacte à cette question aujourd'hui. La présence d'enzymes lysosomales (phosphotases acides) dans la lipofuscine a suggéré que la lipofuscine peut apparaître en raison du stress oxydatif. En conséquence, les «corps résiduels» s'accumulent dans la cellule - produits de l'oxydation et de la peroxydation lipidiques qui ne se prêtent pas à la dégradation par les enzymes lysosomales. Des enzymes mitochondriales, des fragments de mitochondries et le réticulum endoplasmique ont également été trouvés dans les granules de lipofuscine. Par conséquent, la nature de l'accumulation de lipofuscine dans les cellules peut également être associée à la destruction d'organites cellulaires qui n'étaient pas utilisés par les lysosomes [2]. Ainsi, les mitochondries sont les plus sujettes à la dégradation en granules de lipofuscine (mitolipofuscine) [3].

Il a été décrit que le fer améliore la formation de lipofuscine, probablement en augmentant la peroxydation des lipides causée par le fer. Certains chercheurs ont identifié une forme distincte de lipofuscine, particulièrement riche en fer - hémosidérine. Pendant le vieillissement, l'accumulation de lipofuscine est fortement influencée par le dysfonctionnement mitochondrial et le stress oxydatif associé (et ici vous pouvez voir l'intersection des deux sections de SENS - mytoSENS et lysoSENS). Ainsi, la production excessive de mitochondries défectueuses de peroxyde d'hydrogène conduit au fait que le peroxyde se diffuse dans les lysosomes surchargés de fer et améliore la formation de lipofuscine. Les mitochondries contiennent également de la ferritine, qui peut subir une dégradation par autophagie, qui fournit une source supplémentaire de fer libre pour améliorer encore la production d'espèces réactives de l'oxygène. Y compris lors de la réduction des ions fer Fe2 + en Fe3 + dans la réaction de Fenton. L'augmentation du stress oxydatif catalysée par le fer provoque des dommages peroxydatifs aux lysosomes (perméabilité de leur membrane), ce qui entraîne des fuites de fer et, à son tour, augmente le pool total de fer. Et nous observons ici toute une cascade d'événements cross-catalytiques caractéristiques des pathologies: le dysfonctionnement mitochondrial et le stress oxydatif conduisent à une chaîne de réactions dont le résultat est une augmentation de l'accumulation de lipofuscine. Et cette cascade d'événements est directement liée à une forme particulière de mort cellulaire - la ferroptose, qui se produit dans le contexte d'une carence en l'un des antioxydants, le glutathion, et dans des conditions d'excès de fer et de stress oxydatif [4].

À différents moments, des suggestions ont été faites sur le rôle physiologique possible de la lipofuscine. Ainsi, dans la composition des granules de lipofuscine, en plus des protéines et des lipides, les chercheurs soviétiques V.N.Karnaykhov et A.B. Les tatarunas ont trouvé des substances activement impliquées dans le métabolisme cellulaire - les caroténoïdes [5, 6]. À cet égard, il a été suggéré que la lipofuscine remplit certaines fonctions. Vraisemblablement, il peut participer à la production d'énergie dans des conditions d'hypoxie dans les tissus consommateurs d'énergie, par exemple dans les muscles. Par exemple, il est connu que dans les cellules musculaires, la quantité de lipofuscine augmente sous l'influence d'un effort physique intense.

Mais la plupart des chercheurs sont d'avis que l'accumulation de lipofuscine dépendante de l'âge dans les cellules, ce qui permet de l'utiliser comme biomarqueur du vieillissement. Peut-être la relation la plus clairement formulée de la lipofuscine avec le vieillissement est la théorie mitochondriale-lysosomale du vieillissement. Selon laquelle l'accumulation de lipofuscine liée au vieillissement bloquant le lysosome est étroitement associée à une perturbation progressive de l'autophagie, un stress oxydatif et un dysfonctionnement mitochondrial. Ce qui provoque l'accumulation progressive liée à l'âge des mitochondries endommagées, d'autres organites et des protéines endommagées et, par conséquent, un dysfonctionnement cellulaire post-mitotique, un dysfonctionnement organique et le vieillissement [7].

On sait qu'avec l'âge, il y a une augmentation de l'accumulation de lipofuscine dans différentes cellules: dans les cellules du cerveau, du cœur, de la rétine, du muscle squelettique et de la peau [8]. Pour les cellules non en division, la congestion liée à l'âge avec la lipofuscine devrait être un gros problème. Ainsi, le rôle négatif de ce pigment dans les processus neurodégénératifs et sa relation possible avec les neuropathologies (Alzheimer, Parkinson, etc.) sont décrits [9]. Par conséquent, l'utilisation de la lipofuscine en tant que biomarqueur du vieillissement semble tout à fait logique.

Plusieurs réactions histochimiques sont utilisées aujourd'hui pour son identification dans les cellules: la réaction de Hueck (coloration au colorant bleu du Nil), la réaction de Schmorl (la lipofuscine et un autre pigment de mélanine sont colorés en bleu foncé), la méthode Ziehl-Nielson (coloration en rouge vif carbol-fuchsin) [10].

L'une des méthodes de détermination de la lipofuscine qui est populaire aujourd'hui consiste à colorer avec le colorant Sudan Black-B (Sudan-Black-B, SBB) et son analogue lié à la biotine (appelé GL 13), qui se sont révélés très efficaces pour détecter la lipofuscine [11, 12].

En 2015, des chercheurs chinois ont décrit une méthode efficace pour mesurer la lipofuscine dans la salive et le plasma. Une analyse comparative des taux de lipofuscine dans la salive et le sang chez les jeunes et les personnes âgées a montré une corrélation significative dans le sens de son augmentation avec l'âge [13]. Cela vous permet d'utiliser cette méthode pour déterminer la lipofuscine en tant que biomarqueur du vieillissement.

Malheureusement, il n'existe actuellement aucune méthode efficace pour ralentir l'accumulation de lipofuscine ou éliminer les granules de lipofuscine. Ainsi, la méthode brevetée Ulrich Schraermeyer (Ulrich Schraermeyer) en 2008 pour le traitement de la maladie de Stargardt (associée à l'accumulation de lipofuscine dans l'épithélium pigmentaire de la rétine) à l'aide de tétrahydropyridoéther (tétrahydropyridoéthers), bien qu'elle ait donné des résultats encourageants lors d'expériences sur des macaques, applications cliniques [14].

Il n'y a pas de nouvelles sur les effets de l'oxygénation hyperbare sur le contenu de la lipofuscine dans le cerveau [15]. L'efficacité de la mélatonine, de l'isotrétinoïne, de la bêta-cyclodextrine, le «solvant» de la lipofuscine et des plaques athérosclérotiques, et d'autres médicaments, nécessite des recherches supplémentaires [16-18].

Auteurs de la revue: Denis Odinokov, Alexey Rzheshevsky.

À suivre ...

Dans la suite, en 3 parties, nous parlerons des biomarqueurs d'agrégats de protéines associés aux neuropathologies liées à l'âge.