Diagnostik SENS. Biomarker disfungsi mitokondria dan stres oksidatif

Dengan ulasan ini, kami memulai serangkaian artikel yang menggambarkan biomarker potensial untuk panel diagnostik penuaan SENS.

Konsep SENS (Strategi untuk Insinyur yang Dapat Diabaikan yang Dapat Diabaikan, sebuah strategi untuk mencapai penuaan yang diabaikan dengan metode rekayasa) diusulkan oleh ahli gerontologi Inggris Aubrey di Gray. Ide dari konsep ini adalah kebutuhan untuk mengembangkan dan menerapkan teknologi untuk memerangi penuaan dan penyakit terkait usia untuk "memperbaiki" akumulasi kerusakan dalam tubuh. Tujuan tinjauan kami terhadap biomarker potensial adalah untuk membuat panel diagnostik SENS untuk penuaan.

Mengapa saya perlu diagnosa SENS?

1. Untuk memungkinkan seseorang mengevaluasi secara objektif apa yang terjadi pada tubuhnya selama penuaan dari sudut pandang SENS.
2. Lihat risiko individu dari jenis kerusakan tertentu yang terkait dengan penuaan.
3. Untuk mengevaluasi efektivitas metode peremajaan yang dikembangkan. Lihat bagaimana aktivitas fisik, diet, rutinitas harian, suplemen gizi, obat bekerja dalam hal strategi untuk memperlambat penuaan.
4. Bandingkan dengan panel penuaan diagnostik lainnya dan melengkapi pengembangannya.
5. Berikan data tentang perubahan parameter untuk penelitian.
6. Buat keputusan untuk membiayai penelitian berdasarkan risiko yang paling menarik dan peka.
7. Temukan orang yang berpikiran sama untuk menyelesaikan masalah biologis yang timbul sebagai akibat dari memahami keadaan tubuh mereka sendiri dalam hal SENS.

Konsep SENS mencakup 7 bagian. Item pertama yang dipertimbangkan, kami memilih disfungsi mitokondria (atau MitoSENS).



Mitokondria adalah organel kecil dari organisme eukariotik (dengan pengecualian lamblia yang menghuni usus chinchilla), yang menghasilkan energi untuk semua proses biokimia. Menurut versi yang paling populer, mitokondria dulunya adalah unit kehidupan yang independen, bakteri fotosintetik ungu, tetapi dalam proses evolusi mereka diserap oleh mikroorganisme kuno, archaea, dan mulai menghasilkan energi untuk mereka. Setiap sel dapat mengandung lebih dari seribu mitokondria, misalnya, sel otot jantung memiliki hingga 5.000 mitokondria. Motor molekuler, ATP synthases, dibangun ke dalam membran dalam mitokondria, memutar dan mensintesis sumber energi utama, asam adenosin trifosfat, ATP, di bawah pengaruh fluks proton. Diperkirakan tubuh orang dewasa mensintesis dan mengonsumsi sekitar 40 kg ATP per hari.

Mitokondria, tidak seperti organel lain, memiliki 2-10 salinan DNA mereka sendiri, mtDNA. Dalam proses produksi energi, mitokondria menghasilkan "limbah" beracun - spesies oksigen reaktif (ROS), yang dapat merusak molekul lain dan berbagai struktur seluler dan, di atas segalanya, mitokondria itu sendiri, yang dapat menyebabkan mutasi pada DNA mitokondria dan secara negatif mempengaruhi keseluruhan keseimbangan energi tubuh. Dengan demikian, mtDNA yang memiliki penghapusan (kehilangan situs) dapat berkembang biak dengan cepat dan mengisi ruang sel dengan diri mereka sendiri, menyebabkan sarkopenia dan neurodegenerasi. Mitokondria "Rusak" mulai menghasilkan ROS dalam jumlah yang lebih besar, yang mengarah pada peningkatan stres oksidatif, yang, pada gilirannya, dapat menyebabkan perkembangan berbagai patologi, penuaan dini, dan kematian sel.

Fakta menarik terkait stres oksidatif. Ditemukan bahwa ada korelasi yang jelas antara tingkat kejenuhan asam lemak dalam membran dan umur hewan: semakin banyak asam tak jenuh dalam membran, semakin pendek umur hewan. Ahli biologi Spanyol menelusuri urutan seperti itu, menunjukkan peningkatan rentang hidup sekaligus mengurangi kandungan asam lemak ω-3 docosahexaenoic dalam membran: tikus → tikus → tikus → kelinci → manusia → paus [1].

Pola ini mudah dijelaskan, karena asam lemak tak jenuh adalah "korban" peroksidasi lipid utama. Dengan demikian, komposisi lipid dari membran sel hewan, yang dicirikan oleh rentang hidup yang lebih lama, menunjukkan rata-rata emas: sejumlah kecil asam lemak dokosaheksaenoat 22: 6 ω-3 yang sepenuhnya tidak jenuh dan asam linolenat kurang jenuh 18:03 fatty-3 asam lemak, yang menciptakan keseimbangan yang sama yang memberikan perlindungan terhadap efek ROS, dan menjaga fluiditas yang diperlukan dari membran.

Selain komposisi lipid dari membran sel hewan, proporsi guanin dan sitosin yang lebih stabil secara termodinamik di antara semua residu nukleotida mtDNA juga berkorelasi dengan masa hidup maksimum spesies mamalia [2].

Pencipta konsep SENS melihat solusi untuk masalah disfungsi mitokondria dengan mentransfer "salinan cadangan" gen mitokondria ke nukleus, di mana mereka tidak dapat dirusak oleh ROS yang dihasilkan dalam mitokondria. Jadi, bahkan jika gen asli dalam mtDNA rusak, cadangan dalam DNA nuklir akan dapat memasok protein yang diperlukan untuk mempertahankan produksi energi normal. Pendekatan ini disebut ekspresi allotopik protein. MtDNA manusia mengandung total 37 gen, di mana hanya 13 protein yang disandikan diperlukan untuk mitokondria, sisanya (lebih dari 1000) protein yang mengkoordinasikan kerja mitokondria dikodekan dalam DNA nuklir. Menurut penulis SENS, transfer gen mitokondria utama ke dalam nukleus dilakukan oleh evolusi untuk tujuan ini - untuk melindungi mereka dari efek ROS yang merusak.

Gagasan penulis SENS tentang transfer evolusioner DNA mitokondria ke nuklir untuk melindungi mtDNA dari faktor-faktor berbahaya dan, dengan demikian, memperpanjang usia, dikonfirmasi dalam penelitian yang ditujukan untuk analisis NUMT (segmen DNA mitokondria nuklir). Istilah NUMT mengacu pada fragmen mtDNA yang ditransfer ke DNA inti. Sebuah analisis komparatif dari 17 spesies hewan dengan genom mitokondria dan nuklir yang benar-benar diurutkan menunjukkan korelasi positif yang signifikan antara harapan hidup dan jumlah urutan NUMT [3]. Sekarang tinggal mencari solusi rekayasa untuk mentransfer cadangan dari 13 gen mtDNA yang tersisa.

Tetapi ada beberapa pendekatan alternatif untuk meningkatkan fungsi mitokondria. Dan salah satunya adalah transplantasi mitokondria dari luar. “Sub-populasi” sukses mitokondria asing dalam percobaan dengan hewan dijelaskan. Dengan demikian, transfer mitokondria digunakan dalam model hewan untuk kerusakan paru akut, penyakit kardiovaskular, dan penyakit Parkinson. Implantasi mitokondria dapat dilakukan dengan beberapa cara: pertama, injeksi langsung mitokondria terisolasi (injeksi lokal), ketika mitokondria terisolasi disuntikkan langsung ke sel-sel area yang rusak; kedua, pemberian sistemik, ketika mitokondria dimasukkan ke dalam aliran darah umum, dan kemudian didistribusikan ke seluruh tubuh. Hasil yang diperoleh menunjukkan prospek transplantasi mitokondria dalam pengobatan sejumlah penyakit [4].

Bersamaan dengan ini, adalah logis untuk menemukan biomarker potensial untuk menentukan stres oksidatif yang disebabkan oleh disfungsi mitokondria.

Stres oksidatif adalah ketidakseimbangan antara oksidan (spesies oksigen reaktif) dan pertahanan antioksidan dalam tubuh terhadap agen pengoksidasi. Dalam sel, oksidan berinteraksi secara aktif dengan biomolekul (fosfolipid, protein dan asam nukleat). Akibatnya, biomolekul ini rusak secara permanen, yang menyebabkan disfungsi sel dan, sebagai akibatnya, berbagai patologi dalam tubuh dan kematian sel. Salah satu teori penuaan yang paling populer, radikal bebas yang dikemukakan oleh D. Harman pada 1950-an, melihat ini sebagai mekanisme utama penuaan.

Molekul yang terbentuk selama oksidasi dapat berfungsi sebagai biomarker. Analisis mereka digunakan untuk mengukur stres oksidatif pada manusia. Konsentrasi tinggi biomarker stres oksidatif ditentukan tidak hanya pada penyakit yang berkaitan dengan usia atau degeneratif, seperti penyakit Alzheimer, hipertensi, diabetes tipe 2 atau beberapa jenis kanker, tetapi juga pada penyakit paru obstruktif kronis, merokok dan tinggal di daerah yang secara ekologis kurang beruntung.

Salah satu biomarker stres oksidatif yang paling signifikan adalah 8-iso prostaglandin F2α (8-isoprostane). 8-isoprostane terbentuk selama oksidasi fosfolipid non-enzimatik dari biomembran seluler, yaitu asam arakidonat. Zat seperti prostaglandin ini menyebabkan penyempitan pembuluh darah dan bronkus, mengurangi aliran darah di ginjal, mempengaruhi agregasi trombosit dan, dengan demikian, terlibat dalam patologi beberapa penyakit. Nilai normal 8-isoprostan pada orang sehat dianggap 11 ± 4 pg / ml [5].

Juga dikenal sebagai biomarker oksidasi lipid adalah malondialdehyde (MDA), yang dibentuk oleh peroksidasi lipid oleh radikal bebas dan pemecahan molekul asam lemak tak jenuh ganda. Peningkatan konsentrasi MDA dalam serum berfungsi sebagai penanda tidak hanya stres oksidatif, tetapi juga tingkat keracunan endogen. Oleh karena itu, peningkatan konsentrasi MDA dalam plasma diamati pada perokok, serta pada orang yang menyalahgunakan alkohol. MDA membentuk basa Schiff dengan gugus amino dari protein, menghasilkan pembentukan kompleks protein-lipid yang tidak larut (memakai pigmen atau lipofuscin). MDA ditentukan dalam sampel banyak cairan biologis: serum, plasma, urin, kondensat napas yang dihembuskan. Konsentrasi MDA dalam serum pada orang sehat (normal) kurang dari 1 μmol / L [6].

Selama oksidasi asam amino yang membentuk protein, sejumlah biomarker potensial dari stres oksidatif terbentuk: o-tirosin, 3-klorotirosin, dan 3-nitrotyrosin.

Secara fisiologis dalam tubuh, tirosin endogen dibentuk oleh oksidasi enzimatik fenilalanin oleh fenilalanin hidroksilase. o-tirosin (o-Tyr) dan m-tirosin (m-Tyr) terbentuk selama oksidasi oleh bentuk aktif oksigen fenilalanin. o-Tyr dan m-Tyr bukan asam amino alami dan dianggap sebagai biomarker dari stres oksidatif. Konsentrasi tinggi o-Tyr dan m-Tyr ditemukan pada pasien katarak, dan peningkatan o-Tyr ditemukan dalam plasma darah dan urin pasien dengan diabetes tipe 2. 3-Chlorothyrosine (3-ClTyr) terbentuk dalam proses radikal bebas selama reaksi asam hipoklor (HClO, turunan dari hidrogen peroksida) dan p-tirosin.

Pembentukan 3-ClTyr memainkan peran penting dalam sistem kardiovaskular, karena dikaitkan dengan perkembangan aterosklerosis. 3-ClTyr mempromosikan migrasi sel otot polos aorta manusia (mekanisme utama untuk pembentukan lesi vaskular), dan peningkatan kadar 3-ClTyr dalam kondisi peradangan dapat berkontribusi pada penyakit vaskular. 3-nitrotyrosine (3-Notyr) terbentuk selama stres oksidatif oleh nitrasi tirosin dengan protein fagositik myeloperoxidase (MPO) yang agresif. Nitrasi semacam itu berdampak negatif pada fungsi protein. Konsentrasi 3-Notyr yang lebih tinggi ditemukan dalam cairan serebrospinal pasien dengan penyakit Alzheimer (11,4 ± 5,4 nM pada pasien dan 1,6 ± 0,4 nM pada kelompok sukarelawan sehat), serta pada orang dengan artritis, aterosklerosis dan hipertensi [5].

Juga, di bawah aksi ROS dan HClO pada protein, berbagai produk oksidasi protein (AOPP) terbentuk. Protein semacam itu tidak memenuhi fungsinya dan dapat menyebabkan kerusakan yang signifikan. AOPP diproduksi oleh sistem myeloperoxidase-hidrogen peroksida. Konsentrasi AOPP yang lebih tinggi ditemukan dalam plasma atau urin pasien dengan sindrom koroner akut atau kolitis ulserativa aktif. Tingkat plasma 60-70 nM dianggap indikator normal AORP pada orang sehat [5].

Biomarker terkenal untuk oksidasi asam nukleat adalah 8-hydroxyguanosine (8-OHG) dan 8-hydroxy-2'-deoxyguanosine (8-OHdG). 8-OHdG adalah produk utama oksidasi DNA. 8-OHG dibentuk oleh oksidasi RNA. Konsentrasi 8-OHdG yang lebih tinggi ditemukan pada pasien dengan penyakit Alzheimer, radang sendi, aterosklerosis, katarak, hipertensi, osteoporosis dan diabetes tipe 2. 8-OHdG juga dianggap sebagai biomarker kanker yang potensial terkait dengan merokok (mis. Kanker paru-paru). 8-OHG dapat ditemukan pada pasien dengan penyakit Alzheimer, dan telah terbukti bahwa kerusakan RNA oksidatif lebih tinggi daripada kerusakan DNA. Konsentrasi 8-OHdG dalam darah pada orang sehat adalah 1,09 ± 0,52 nM, dan kadar 8-OHG (dalam cairan serebrospinal) adalah 97 ± 32 pM [5].

Biomarker lain yang menentukan disfungsi mitokondria dan stres oksidatif adalah jumlah salinan mtDNA seluler (ada juga mtDNA ekstraseluler yang memasuki aliran darah ketika sel-sel membusuk dan levelnya meningkat dengan bertambahnya usia). Jadi, diketahui bahwa seiring bertambahnya usia, jumlah mtDNA seluler menurun, apalagi pada pria lebih banyak daripada wanita. Jumlah mtDNA yang lebih rendah juga secara signifikan terkait dengan perkembangan asthenia pikun (kepikunan, kelemahan). Jumlah salinan mtDNA juga bisa menjadi penanda prognostik yang efektif dari kematian dari semua penyebab, dari penyakit kardiovaskular, onkologi, dan pernapasan [7].

Antioksidan endogen, seperti glutathione, sistein, asam urat dan ubiquinol, juga memiliki potensi untuk menggunakan disfungsi mitokondria dan stres oksidatif sebagai penanda biologis. Ketika berinteraksi dengan spesies oksigen reaktif, antioksidan endogen dioksidasi, tetapi kemudian dikembalikan lagi menggunakan enzim khusus. Oleh karena itu, di dalam tubuh, molekul antioksidan hadir dalam dua bentuk: bentuk berkurang (antioksidan) atau teroksidasi (setelah bereaksi dengan oksidan). Dengan menggunakan metode kromatografi, dimungkinkan untuk memperbaiki rasio bentuk antioksidan yang berkurang dan teroksidasi dan dengan demikian menentukan tingkat stres oksidatif [8].

Biomarker disfungsi mitokondria dan stres oksidatif:

1,8-isoprostane.
2. Malondialdehyde
3. O-tyrosine, 3-chlorothyrosine, 3-nitrotyrosine.
4. Produk oksidasi protein (AOPP).
5,8-hydroxyguanosine (8-OHG)
6. 8-hidroksi-2'-deoksiguanosin (8-OHdG).
7. Sel mtDNA (jumlah dan keberadaan varian bermutasi dengan penghapusan)
8. Antioksidan endogen (glutathione, sistein, asam urat, ubiquinol).

Penulis ulasan: Denis Odinokov, Alexey Rzheshevsky.