SENS Diagnostics. Biarkark “sampah” intraseluler

Selama seluruh kehidupan organisme, komponen terbentuk dalam sel yang, karena berbagai alasan, menjadi tidak dapat melakukan fungsi fisiologisnya secara normal. Struktur seperti, misalnya, mitokondria tua yang rusak, menjadi "sampah" intraseluler. Jika pemberat seperti itu terus-menerus terakumulasi di dalam sel, ini akan membuat mustahil untuk proses intraseluler normal terjadi dan menyebabkan kematian sel. Untuk mencegah hal ini terjadi, ada "tanaman insinerasi" khusus dalam sel - lisosom.

Lisosom adalah organel membran tunggal dengan diameter 0,2 hingga 2 mikron. Untuk mengakomodasi struktur seluler yang dimaksudkan untuk degradasi, lisosom dapat mengambil berbagai bentuk. Rata-rata, sel tunggal dapat memiliki beberapa ratus lisosom. Degradasi komponen seluler dan makromolekul yang dimaksudkan untuk pemanfaatan terjadi pada lisosom di bawah pengaruh enzim pendegradasi khusus (sekitar total 60 jenis berbeda), yang utamanya adalah asam fosfatase asam.

Seiring waktu dan di bawah pengaruh berbagai faktor, lisosom dapat mulai mengatasi tugas-tugasnya dengan lebih buruk. Yang mengarah pada akumulasi "puing-puing intraseluler" yang mengganggu kehidupan sel. Masalah ini sangat relevan untuk sel-sel postmitotik, seperti sel-sel otot jantung dan neuron. Akumulasi progresif dari "debris" intraseluler menyebabkan gangguan fungsi normal sel, yang dapat menyebabkan penyakit dan penuaan yang dipercepat.


Endapan lipofuscin dalam sel jantung. Jika - lipofuscin, m - mitokondria, mf - miofibril

Contoh khas dari sel yang tersumbat seperti itu adalah pertahanan kekebalan tubuh kita - makrofag. Diketahui bahwa makrofag, salah satu fungsinya untuk melindungi dinding dalam arteri, pada saat yang sama merupakan kunci utama dalam perkembangan aterosklerosis. Dalam organisme yang sehat dan muda, makrofag cukup mampu melakukan pekerjaannya dengan menyerap dan menurunkan zat yang berbahaya bagi arteri, seperti lipoprotein yang dimodifikasi. Tetapi jika ada lebih banyak zat seperti itu di arteri daripada makrofag dapat mencerna, bahan beracun menumpuk di dalamnya. Dan ini mengarah ke disfungsi makrofag dan transformasi menjadi sel berbusa, yang sudah secara langsung terlibat negatif dalam pengembangan aterosklerosis.

Para penulis konsep SENS melihat solusi untuk masalah yang berkaitan dengan usia dan akumulasi patologis limbah intraseluler dalam modifikasi lisosom. Mereka berpendapat bahwa karena masalah utama adalah ketidakmampuan lisosom untuk menghancurkan bagian dari inklusi intraseluler, solusi logisnya adalah memasok enzim baru ke lisosom yang dapat mengatasi tugas ini. Seperti diketahui hari ini, enzim seperti itu ada, misalnya, pada bakteri tanah dan jamur yang menguraikan residu organik. Jadi, ide SENS adalah menemukan enzim yang digunakan oleh organisme ini untuk mencerna limbah lisosom, memodifikasinya sehingga mereka dapat bekerja di lingkungan lisosom manusia, dan kemudian mengirimkannya ke sel.

Pada pandangan pertama, pendekatan ini mungkin tampak sulit untuk diimplementasikan secara teknis, tetapi sudah ada bukti langsung tentang kelangsungannya. Mereka diperoleh dalam pengobatan patologi genetik, yang disebut penyakit penyimpanan lisosom (Penyakit Penyimpanan Lisosom), seperti penyakit Gaucher, menggunakan "terapi penggantian enzim." Penyakit-penyakit ini bersifat genetik, akibatnya enzim lisosom tidak berfungsi sebagaimana mestinya. Dan hari ini, sejumlah penyakit seperti itu berhasil diobati dengan menyuntikkan pasien dengan enzim lisosom yang dimodifikasi untuk bergerak melintasi membran sel. Pekerjaan lebih lanjut dalam arah ini terus berlanjut, menggunakan terapi gen, sehingga sel-sel yang dipenuhi dengan limbah mulai menghasilkan enzim yang diperlukan untuk degradasi "sampah".

Salah satu jenis "debris" intraseluler, yang juga dapat berfungsi sebagai biomarker penuaan, saat ini adalah butiran lipofuscin. Lipofuscin adalah pigmen yang terdiri dari protein dan lipid yang teroksidasi dan saling berhubungan, yang membuatnya sulit untuk didegradasi dan dihilangkan dari sel. Lipofuscin ditemukan oleh R. Virkhov pada tahun 1847. Namun, meskipun demikian, masih belum ada pemahaman yang jelas tentang mekanisme pembentukannya, atau perannya dalam tubuh secara umum dan dalam proses penuaan khususnya.

Istilah "lipofuscin" diperkenalkan ke sirkulasi ilmiah pada tahun 1912 dan secara harfiah berarti "lemak gelap", karena warna coklat pigmen. Sebelum ini, butiran lipofuscin disebut "ceroid", di tempat pembentukannya - dalam hepatosit, dalam hati yang rentan terhadap sirosis. Ukuran butiran bervariasi rata-rata 0,5-1,5 mikron. Saat ini, lipofuscin ditemukan dalam sel-sel semua spesies hidup, dari protozoa hingga primata. Yang menimbulkan keraguan pada peran lipofuscin murni patologis, yang karena beberapa alasan ditetapkan oleh evolusi di semua organisme hidup. Di sisi lain, lipofuscin dapat mengambil bagian dalam program kematian organisme, yang dijelaskan oleh teori fenoptosis yang diajukan oleh akademisi V. Skulachev.

Lipofiscin mengandung lemak (20-50%), protein (30-60%). Lemak terutama diwakili oleh fosfolipid (cephalin, lesitin, sphingomyelin), serta kolesterol, trigliserida dan produk peroksidasi dan polimerisasi asam lemak. Komposisi butiran lipofiscin dapat mencakup semua asam amino yang diketahui, rasio kuantitatif tergantung pada organ dari mana lipofiscin diisolasi. Tetapi dalam jumlah terbesar di semua butiran lipofuscin adalah empat asam amino: glisin, valin, alanin, dan prolin.

Beberapa protein lipofiscin adalah protein enzim, di antaranya ada jumlah terbesar asam fosfatase (enzim utama lisosom) dan esterase non-spesifik. Selain itu, basa nitrogen, turunan benzena, senyawa fenol dan komponen anorganik - karbon, nitrogen, fosfor, belerang, magnesium, dan aluminium - ditemukan dalam butiran lipofiscin [1].

Bagaimana lipofuscin terbentuk dalam sel? Tidak ada jawaban pasti untuk pertanyaan ini hari ini. Kehadiran enzim lisosom (asam fosfotase) dalam lipofuscin telah menyarankan bahwa lipofuscin dapat muncul karena stres oksidatif. Sebagai akibatnya, "sisa tubuh" menumpuk di dalam sel - produk dari oksidasi dan peroksidasi lipid yang tidak dapat menerima degradasi oleh enzim lisosom. Enzim mitokondria, fragmen mitokondria dan retikulum endoplasma juga ditemukan dalam butiran lipofuscin. Oleh karena itu, sifat akumulasi lipofuscin dalam sel juga dapat dikaitkan dengan penghancuran organel seluler yang tidak digunakan oleh lisosom [2]. Dengan demikian, mitokondria paling rentan terhadap degradasi menjadi butiran lipofuscin (mitolipofuscin) [3].

Telah dijelaskan bahwa zat besi meningkatkan pembentukan lipofuscin, mungkin dengan meningkatkan peroksidasi lipid yang disebabkan oleh zat besi. Beberapa peneliti telah mengidentifikasi bentuk lipofuscin yang terpisah, terutama yang kaya akan zat besi - hemosiderin. Selama penuaan, akumulasi lipofuscin sangat dipengaruhi oleh disfungsi mitokondria dan stres oksidatif terkait (dan di sini Anda dapat melihat persimpangan dua bagian SENS - mytoSENS dan lysoSENS). Jadi, kelebihan produksi mitokondria yang rusak dari hidrogen peroksida mengarah pada fakta bahwa peroksida berdifusi menjadi lisosom yang kelebihan muatan dengan besi, dan meningkatkan pembentukan lipofuscin. Mitokondria juga mengandung ferritin, yang dapat mengalami degradasi melalui autophagy, yang menyediakan sumber tambahan zat besi gratis untuk lebih meningkatkan produksi spesies oksigen reaktif. Termasuk selama reduksi ion besi Fe2 + menjadi Fe3 + dalam reaksi Fenton. Peningkatan stres oksidatif yang dikatalisasi oleh besi menyebabkan kerusakan peroksidatif pada lisosom (permeabilitas membran mereka), yang mengarah pada kebocoran besi, dan, pada gilirannya, meningkatkan jumlah total zat besi. Dan di sini kita mengamati seluruh kaskade peristiwa lintas-katalitik yang merupakan karakteristik patologi: disfungsi mitokondria dan stres oksidatif mengarah pada rantai reaksi, yang hasilnya adalah peningkatan akumulasi lipofuscin. Dan kaskade kejadian ini secara langsung berkaitan dengan bentuk khusus dari kematian sel - ferroptosis, yang terjadi dengan latar belakang kekurangan salah satu antioksidan, glutathione, dan dalam kondisi kelebihan zat besi dan stres oksidatif [4].

Pada waktu yang berbeda, saran dibuat tentang kemungkinan peran fisiologis lipofuscin. Jadi, dalam komposisi butiran lipofuscin, selain protein dan lipid, peneliti Soviet V.N.Karnaykhov dan A.B. Tatarunas menemukan zat aktif yang terlibat dalam metabolisme sel - karotenoid [5, 6]. Dalam hal ini, disarankan agar lipofuscin melakukan beberapa fungsi. Agaknya, ia dapat berpartisipasi dalam produksi energi dalam kondisi hipoksia dalam jaringan yang mengonsumsi energi, misalnya, dalam otot. Sebagai contoh, diketahui bahwa dalam sel-sel otot jumlah lipofuscin meningkat di bawah pengaruh aktivitas fisik yang berat.

Tetapi sebagian besar peneliti berpendapat tentang akumulasi lipofuscin yang tergantung pada usia dalam sel, yang memungkinkan untuk menggunakannya sebagai biomarker penuaan. Mungkin hubungan lipofuscin yang paling jelas dirumuskan dengan penuaan adalah teori penuaan mitokondria-lisosom. Menurutnya, akumulasi lipofuscin yang berkaitan dengan usia yang menghalangi lisosom terkait erat dengan gangguan autofag progresif, stres oksidatif, dan disfungsi mitokondria. Apa yang menyebabkan akumulasi bertahap terkait usia dari mitokondria yang rusak, organel lain dan protein yang rusak, dan, akibatnya, disfungsi sel pasca-mitosis, disfungsi organ, dan penuaan [7].

Diketahui bahwa seiring bertambahnya usia, ada peningkatan akumulasi lipofuscin dalam sel yang berbeda: di sel-sel otak, jantung, retina, otot rangka, dan kulit [8]. Untuk sel yang tidak membelah, kemacetan terkait usia dengan lipofuscin harus menjadi masalah besar. Jadi, peran negatif pigmen ini dalam proses neurodegeneratif dan kemungkinan hubungannya dengan neuropatologi (Alzheimer, Parkinson, dll.) Dijelaskan [9]. Karenanya, penggunaan lipofuscin sebagai biomarker penuaan tampaknya cukup logis.

Beberapa reaksi histokimia digunakan saat ini untuk identifikasi dalam sel: reaksi Hueck (pewarnaan dengan pewarna biru Nil), reaksi Schmorl (lipofuscin dan pigmen melanin lain diwarnai dengan warna biru tua), metode Ziehl-Nielson (pewarnaan dengan warna merah cerah) carbol-fuchsin) [10].

Salah satu metode untuk menentukan lipofuscin yang populer saat ini adalah pewarnaan dengan pewarna Sudan Black-B (Sudan-Black-B, SBB) dan analog terkait biotin (disebut GL 13), yang telah terbukti sangat efektif dalam mendeteksi lipofuscin [11, 12].

Pada 2015, para peneliti Tiongkok menggambarkan metode yang efektif untuk mengukur lipofuscin dalam saliva dan plasma. Sebuah analisis komparatif kadar lipofuscin dalam air liur dan darah pada orang muda dan orang tua menunjukkan korelasi yang signifikan dalam arah peningkatannya dengan usia [13]. Itu memungkinkan Anda untuk menggunakan metode ini untuk menentukan lipofuscin sebagai biomarker penuaan.

Sayangnya, saat ini tidak ada metode yang efektif untuk memperlambat akumulasi lipofuscin, atau menghilangkan butiran lipofuscin. Jadi, metode Ulrich Schraermeyer (Ulrich Schraermeyer) yang dipatenkan kembali pada 2008 untuk pengobatan penyakit Stargardt (terkait dengan penumpukan lipofuscin dalam epitel pigmen retina) menggunakan tetrahydropyridoether (tetrahydropyridoethers), meskipun itu menunjukkan hasil yang menggembirakan pada percobaan di makaca. aplikasi klinis [14].

Tidak ada berita tentang efek oksigenasi hiperbarik pada kandungan lipofuscin di otak [15]. Efektivitas melatonin, isotretinoin, beta-siklodekstrin, "pelarut" dari plak lipofuscin dan aterosklerotik, dan obat-obatan lain, memerlukan penelitian lebih lanjut [16-18].

Penulis ulasan: Denis Odinokov, Alexey Rzheshevsky.

Dilanjutkan ...

Pada bagian 3 berikutnya, kita akan berbicara tentang biomarker agregat protein yang terkait dengan neuropatologi terkait usia.