Текст книги "Карманный справочник врача. Основы геронтологии"

Теории и гипотезы стохастической природы старения

К группе стохастических теорий можно отнести теории накопления мутаций Сциларда и модели катастрофы ошибок Оргеля. В этих теориях было объяснено возрастное экспоненциальное увеличение смертности, которое соответствует экспоненциальным накоплениям мутаций вследствие повреждений в генах систем репликации и репарации ДНК.

Механизмами стохастических повреждений часто называют сшивки макромолекул, гликирование, повреждение свободными радикалами и т. д., что рассматривается как накопление ошибок, снижающих функциональную активность клеток. Среди таких теорий наиболее известна свободнорадикальная теория Хармана. Свободные радикалы и связанные с ними окислители, в основном образующиеся в митохондриях, являются, согласно этой и целой группе теорий, главными в индукции и ускорении как процесса старения, так и возрастзависимых патологий. Однако высокие дозы антиоксидантов как в экспериментах, так и в клинике, которые должны были бы оказывать благотворный эффект на старение, по факту не оказывают такого воздействия ни на процесс самого старения, ни на возрастные заболевания. Вместо этого была выявлена роль активных форм кислорода (АФК) в качестве внутриклеточных регуляторов. Теория свободных радикалов сыграла важную роль в науке о старении, но к настоящему времени основные ее постулаты не подтверждены.

Повреждение клеток может происходить как из-за внешних влияний, так и из-за внутренних метаболитов, которые нестабильны и реактивны, и, следовательно, склонны вызывать различные неферментативные повреждения. Накопление самопроизвольно полимеризующихся веществ и случайные модификации в длительно существующих структурах рассматриваются как достаточная причина процесса старения во многих теориях.

Среди теорий, которые пытаются объяснить старение с эволюционной точки зрения, центральными являются две: антагонистическая теория плейотропии (Williams, 1957) и теория одноразовой сомы (Kirkwood, 1977). Эти стохастические теории основаны на теории накопления мутаций, согласно которой экспрессия вредных мутаций опасна в основном после определенного возраста (Medawar, 1952). Медавар предположил, что сила естественного отбора в дикой природе падает с увеличением хронологического возраста. В результате естественный отбор теряет эволюционную способность устранять такую индивидуально неблагоприятную черту, как старение. Однако экологические наблюдения показывают, что, с одной стороны, до старости в естественных условиях практически не доживает никто в популяции; с другой стороны, с возрастом вероятность смерти даже снижается ввиду накопления практических навыков выживания или просто ввиду увеличения массы (например, у крокодилов и аллигаторов гибель в первые годы жизни несравнимо выше, чем у взрослых).

Развивая идею Медавара, что эволюционный эффект старения невелик, Уильямс выдвинул эволюционное объяснение происхождения этого процесса в виде гипотезы антагонистической плейотропии старения (Williams, 1957). Плейотропия означает, что один ген может контролировать более одного признака. Теория утверждает, что плейотропные аллели, которые хороши для молодого организма и поэтому могут распространяться по популяциям, могут быть плохими для старых организмов, инициируя их старение. Теория антагонистической плейотропии не объясняет, однако, почему симптомы старения очень похожи у разных видов, имеющих как очень разную продолжительность жизни, так и разную физиологию.

Теория одноразовой сомы Кирквуда утверждает, что взрослый организм снижает соматические процессы, направляя ресурсы в увеличение репродуктивных усилий. Длительность жизни эволюционно регулируется через равновесие между функциями восстановления и скоростью накопления повреждений (Kirkwood, 1977, 2016). Как и другие теории метаболического компромисса, теория Кирквуда предсказывает обратную корреляцию между плодовитостью и продолжительностью жизни. Но такой связи не наблюдалось ни у человека, ни у многих животных.

По мнению Хейфлика, стохастические события определяют старение как живой, так и неживой материи благодаря второму закону термодинамики (Hayflick, 2016). Однако прямое применение этого принципа игнорирует саму сущность жизни – процессы самовосстановления, что при полноценности их позволяет некоторым видам не подвергаться старению (всем известный пример гидры: ее смертность не зависит от возраста).

Теории запрограммированного старения

Успехи биологии развития, достигнутые на рубеже XIX и XX веков, несомненно, оказали влияние на исследователей старения: поскольку организм развивается по программе, казалось рациональным предположить, что и старение тоже должно иметь программу.

Уоллес, один из первооткрывателей эволюции путем естественного отбора, предположил, что старение запрограммировано; он выдвинул предположение, что долголетие, превышающее возраст потомства, невыгодно для вида: «Родители, произведя достаточное количество потомков, становятся помехой для этих потомков, конкурируя с ними за пищу. Естественный отбор выбраковывает родителей и во многих случаях дает преимущества тем расам, представители которых умирают почти сразу же после того, как произвели потомство».

Майнот искал причину старения в прекращении роста и дифференциации. Вейсман предположил, что такая программа может иметь эволюционную цель: высвободить ресурсы для потомства, несущего новые полезные черты (Weismann, 1882), а также предложил цитологическую причину, которая ограничила бы продолжительность жизни: существование пределов деления клеток. В настоящее время это предположение известно как предел Хейфлика, который связан с укорочением теломер. Следует отметить, что мыши, получавшие теломеразу, как в 1 год, так и в 2-летнем возрасте имели увеличение продолжительности жизни на 24 и 13 % соответственно; этого, однако, мало для объяснения всего процесса старения.

В теории феноптоза, которая развивает теории Вейсмана, Скулачев предполагал, что биологической причиной старения и смерти является запуск программы саморазрушения организма (феноптоза). Это, как и все теории старения, требует существования таймера – «часов возраста». Интересно, что стохастические события (например, действие активных форм кислорода, гибель митохондрий, прогрессирующее гликирование) были предложены в качестве механизма функционирования таймера, контролирующего запрограммированное старение. Кольтовер предложил свободнорадикальный редокс-таймер, который контролирует продолжительность жизни (Koltover, 2017).

В процессе старения существенную роль играют гормоны, которые важны для самого процесса развития организма. Хертог рассматривал старение как синдром множественной гормональной недостаточности, так как многие заболевания старения (в том числе и сердечно-сосудистые заболевания, ожирение, остеопороз, деменция и пр.) аналогичны последствиям дефицита гормонов, а большинство признаков старения (формирование избытка свободных радикалов, гликирование, сшивающие белки, накопление «отходов» метаболизма, иммунодефицит и т. д.) могут быть вызваны недостатками многих гормонов (Hertoghe, 2005).

В элевационной теории Дильмана (Dilman, 1971; 1992) старение рассматривается как продолжение программы развития. Дильман постулировал, что старение основано на постепенном повышении гипоталамического порога вследствие снижения чувствительности гипоталамуса к тормозящим сигналам обратной связи со стороны периферических гормонов. Постепенное снижение такой чувствительности гипоталамуса необходимо для развития, и тот же процесс затем приводит к гиперфункции гипоталамуса, провоцируя как старение, так и болезни старости, в том числе климакс и сопровождающие его расстройства.

Согласно М. Благосклонному, старение не программируется, а является продолжением программы развития, которая сохраняется в дальнейшем и становится гиперфункциональной и бесцельной псевдопрограммой (Благосклонный, 2013). Снижение сигнала со стороны mTOR продлевает продолжительность жизни грызунов и снижает начало старения, но не меняет форму кривой смертности. Важно, что стабильность формы кривых выживания лучше интерпретируется как проявление программы, а не как результат стохастических событий.

Иммунная система часто рассматривается как часть нейроэндокринноиммунной оси. Согласно теории воспаления, дисбаланс между про– и противовоспалительными путями в иммунной системе является движущей силой ряда возрастных заболеваний (Fulop et al., 2018). Поскольку дисбаланс имеет черты системного процесса, теорию можно отнести к теориям программируемого старения.

В теломеразной теории клеточного старения (Оловников, 1971) впервые была сформулирована проблема недостаточной репликации конца ДНК, или маргинотомии; было предсказано укорочение теломер при репликации клеток и интерпретация предела удвоения клеток, или предела Хейфлика; показано, что зародышевые и раковые клетки экспрессируют специальную форму ДНК-полимеразы, компенсирующую укорочение теломер; также кольцевая форма бактериального генома объяснена как способ защиты генома от недорепликации конца ДНК. Теория затем была подтверждена, за что три американских ученых получили Нобелевскую премию.

К этому классу теорий относится и демографическая теория старения, целью которой является объяснение происхождения старения в эволюции как запрограммированного процесса демографического гомеостаза (Mitteldorf, 2016) для того, чтобы нивелировать смертность, избегая перенаселения и, следовательно, вымирания. Демографическая теория старения утверждает, что старение – это групповая адаптация.

Все теории старения плохо объясняют огромные различия в продолжительности жизни различных видов, даже близкородственных.

Огромные различия в продолжительности жизни характерны для различных видов морских ежей (от 4 лет до более чем 100 лет); кроме того, они имеют долгоживущие клетки и низкий уровень клеточного деления. Исходя из сходства их метаболизма, такие различия в продолжительности жизни трудно объяснить в рамках стохастического старения.

У млекопитающих продолжительность жизни также отличается более чем в 100 раз. Многие птицы с их повышенной скоростью метаболизма живут дольше, чем млекопитающие аналогичного размера. Все эти факты вряд ли совместимы с предполагаемой ключевой ролью побочных продуктов метаболизма в происхождении старения.

Что касается причин появления стареющих клеток в организме, то рассматриваются 3 программы старения клеток: реплицирующее, стресс-индуцированное и программируемое в процессе развития старение. Является ли появление стареющих клеток только результатом событий внутри них самих? Или они тоже могут появиться как вторичная реакция на запрограммированные воздействия стареющего организма?

Среди генов при увеличении продолжительности жизни не было обнаружено никаких мутаций, которые могли бы отменить старение. «Непрограммисты» выдвигают этот факт в качестве главного возражения против теорий запрограммированного старения. Триплоидные мухи-дрозофилы живут не дольше диплоидных. Диплоидные и гаплоидные самцы ос имеют одинаковый срок жизни.

Еще один аргумент в дискуссиях о происхождении старения – это существование эпигенетических часов. Возрастзависимые изменения метилирования ДНК в неслучайных участках генома демонстрируют линейное увеличение на протяжении всей жизни и используются в теориях об эпигенетических часах, которые могут указывать на хронологический возраст у различных видов. В настоящее время этот механизм является, видимо, наиболее точным для предсказания биологического возраста; при этом важны изменения некоторых генов, вернее, групп генов, что также интересно и перспективно для исследований.

Еще одной фундаментальной ошибкой некоторых критиков идеи запрограммированного старения является их вера в то, что старение требует наличия генов, ответственных за процессы разрушения. Никаких уникальных генов специально для старения обнаружено не было. По крайней мере, в случае теории развития и старения такие гены не нужны: если одни и те же генетические факторы используются для развития и старения, мутации, устраняющие старение, не могут сохраняться в эволюции. Такие мутации уничтожили бы само развитие.

Сторонники стохастического старения более пессимистичны в отношении надежды на значительное замедление старения по сравнению с «программистами», поскольку лавину случайных ошибок труднее обуздать, чем саму программу.

Сторонники накопительных теорий старения игнорируют тот факт, что все попытки и многочисленные техники «очистки» организма, практикуемые поборниками здорового образа жизни, мало влияют на ПЖ, как и исследование таких средств в эксперименте.

Основной закон старения

Первая математическая модель старения была создана почти 200 лет тому назад Б. Гомперцем (B. Gompertz, 1825) и до сих пор наиболее точно описывает возрастную динамику смертности человека и, видимо, большинства других организмов. Являясь специалистом по страхованию жизни, Гомперц вывел практически необходимую для его профессии закономерность повышения интенсивности смертности с возрастом по экспоненте, что до настоящего времени является наиболее общим и важным количественным проявлением старения как такового.

Смертность как «количественную характеристику неспособности противостоять разрушению» в настоящее время можно рассматривать как величину, обратную жизнеспособности – способности противостоять всей совокупности разрушительных процессов. Для получения основной формулы старения достаточно простого предположения о стохастичности процессов старения, о том, что жизнеспособность во времени снижается пропорционально ей самой в каждый момент времени:

dХ/d t = –k Х,

где k – коэффициент, Х – жизнеспособность, t – время.

Основной закон старения утверждает: жизнеспособность снижается с возрастом по экспоненте.

Рассматривая смертность (μ) как обратную жизнеспособности величину (μ = 1/X), из предыдущей формулы получают основную формулу старения Гомперца-Мейкема – с возрастом общая смертность растет экспоненциально:

μ = Ro exp (k t) + A,

где Ro – начальный уровень смертности, k – скорость нарастания смертности, A – коэффициент, характеризующий вклад в смертность внешних влияний, эффект которых слабо зависит от возраста.

Такое неспецифическое повышение уязвимости организма с возрастом мы называем старением как таковым. Так как изменение смертности с возрастом идет по экспоненте, то экспоненциальное увеличение общей уязвимости (смертности) является основным законом старения.

Сам подход к написанию формулы в настоящее время теоретически понятен: это элементарное дифференциальное уравнение, описывающее, например, радиоактивный распад в физике и иные простые вероятностные процессы. Это принципиально вероятностные (стохастические) закономерности, связанные с конечной устойчивостью любых отграниченных от внешней среды элементов; тогда сложный организм, состоящий из таких элементарных единиц, может со временем их только утрачивать.

Сам Гомперц отмечал сходство кривых изменения смертности и энтропии, а В. Перкс (1932) прямо писал, что «неспособность противостоять разрушению имеет ту же природу, что и рассеяние энергии» (то есть старение эквивалентно увеличению энтропии, которая служит мерой неупорядоченности любой системы). Ведущий геронтолог А. Комфорт (1967) писал, что жизнеспособность может быть сведена к достаточно конкретному, хотя и невещественному субстрату – информации в клетках, которая как раз «и есть биологическая энергия».

Таким образом, содержательная интерпретация понятия «жизнеспособность» с самого начала сводилась и сводится в настоящее время не столько к вещественному наполнению, сколько к информационному содержанию общей жизнеспособности, как это трактуется в настоящее время.

Вид кривых выживаемости, смертности и дожития, соответствующий представленным выше формулам, соответствует реальным кривым выживаемости как различных популяций человека, так и ряда других видов. Однако формула Гомперца-Мейкема описывает только среднюю часть кривой интенсивности смертности, тогда как начальная часть кривой (процессы роста и развития – до 15–20 лет) и конечная часть (старше 90–95 лет) не могут быть учтены по ряду причин (в частности, на сегодня среди супердолгожителей – лиц старше 110 лет – есть люди с завышенным возрастом в паспорте).

Глобальной причиной старения является дискретность существования жизни в виде индивидуальных форм – живых организмов, их принципиальная ограниченность пределов адаптации видовых механизмов гомеостаза. Количественная и качественная бесконечность изменяющихся влияний среды на дискретный организм лишь частично может компенсироваться гомеостазом, что приводит к накоплению некомпенсированных повреждений – это наиболее общий механизм старения.

Интересны некоторые очевидные и экспериментально и демографически подтверждаемые выводы, однако иногда звучащие парадоксально. Так, из вышесказанного очевидно, что наибольшее абсолютное снижение жизнеспособности можно наблюдать в раннем возрасте. Это означает, что профилактика старения должна начинаться в самых ранних возрастах. Это подтверждает факторный анализ: внешние влияния на смертность важны для молодого возраста, а для пожилых важен сам процесс старения, вносящий основной вклад в показатели смертности.

В то же время в старости даже небольшие абсолютные изменения жизнеспособности ведут к выраженным изменениям смертности, поэтому в старших возрастах удобно изучать влияния адаптогенов и биостимуляторов, хотя малый жизненный ресурс может и не приводить при этом к значимому повышению длительности жизни в целом.

Количественное вычисление скорости старения человека проводят методами демографии, что рассмотрено в специальном разделе ниже.

Другим подходом к количественной оценке старения, основанным на том же определении – снижении с возрастом общей жизнеспособности, – является рассмотрение общей жизнеспособности системы как интеграла жизнеспособности ее частей, что в применении к организму означает: общая жизнеспособность организма складывается из сохранения жизнеспособности (функционального ресурса) основных его органов и систем:

Х(t) = S k1 · х1 + k2 · х2 +….+ kn · хn,

где k – коэффициент, x1… n – жизнеспособность органов и систем (их остаточный функциональный ресурс для данного возраста), Х(t) – общая жизнеспособность в возрасте (t).

На этом основано количественное определение индивидуального старения (точечное измерение) как показателя биологического возраста.

Биологический возраст можно рассматривать как степень снижения с возрастом физиологических функций организма. Его можно измерять в годах и сравнивать с календарным возрастом.

В основе количественного измерения индивидуального биологического возраста лежит сравнение уровня наличных физиологических функций со средними возрастными стандартами для данного возраста.

Основные механизмы старения

Существующие гипотезы и теории старения акцентируются на нескольких сотнях конкретных механизмов старения. Однако внимательный анализ этих механизмов, как и рассмотрение самого феномена старения, позволяют сгруппировать данные механизмы в небольшое число классов – общих механизмов старения. В итоге они могут быть теоретически сведены к стохастическому и регуляторному типам старения, при этом для биологических систем стохастический тип проявляется как вероятностная гибель необновляющихся элементов, а также как «загрязнение» системы внешними и внутренними факторами (накопительный механизм старения).

Полностью сформировавшийся организм имеет обычно множество необновляющихся элементов на всех его иерархических уровнях. Потеря этих элементов с возрастом носит вероятностный характер и поэтому в простейшем случае описывается той же по виду формулой, что и потеря общей жизнеспособности, как показано выше:

dX/dt = k · X,

где Х – количество необновляющихся элементов организма.

Графики общего старения (смертности) по Гомперцу и графики смертности, связанной со снижением жизнеспособности за счет потери необновляющихся элементов, таким образом, совпадают и для обратной величины – смертности, представляют собой экспоненциальное нарастание смертности организма с возрастом.

Сформировавшийся организм имеет множество необновляющихся элементов на всех уровнях:

• уникальные гены;

• неделящиеся клетки (например, нервные, в том числе вегетативных центров управления);

• нерегенерирующиеся структуры органов (альвеолы, нефроны и пр.);

• сами органы (например, мозг).

Известно, что потеря альвеол, как и нефронов, с возрастом достигает 50 %, как и нервных клеток в гипоталамических регуляторных центрах (что связывает данный стохастический механизм с регуляторным механизмом старения).

В природе стохастический механизм старения реализован в полной мере у постмитотических животных (например, у дрозофил), у которых существуют практически только необновляющиеся структурные единицы: все клетки у них постмитотические, и количество данных клеток с возрастом сокращается экспоненциально, как и интенсивность смертности, – строго по формуле Гомперца. В противоположность этому вероятность гибели полностью обновляющихся всех структур у гидры не увеличивается с возрастом, а продолжительность ее жизни четко не определена (смертность носит сезонный характер).

Гибель элементов организма является крайним выражением механизма стохастического повреждения структур, который, в общем виде, приводит к изменениям элементов любой системы, снижая их функции, повышая вероятность гибели и снижая жизнеспособность всего организма.

С возрастом отдельные структуры в организме могут не только гибнуть, но и изменяться за счет накапливающихся микро– и макроповреждений или изменять структуру и функцию адаптационно. За счет неидеальности механизмов отбора и самообновления таких структур в организме они накапливаются с возрастом (увеличение числа старых недееспособных клеток во всех органах и тканях, дистрофия, накопление мутаций в геноме, накопление склеротических элементов в тканях и т. п.); функции таких структур обычно снижаются.

Главную роль в устранении повреждений играет механизм клеточного деления, поэтому снижение скорости этого процесса с возрастом проявляется морфологически в виде самых разнообразных изменений тканей: изменение форм и размеров субъединиц, атрофия, гипертрофия функциональной ткани, замещение на нефункциональные соединительнотканные элементы и пр.

Это является основой наблюдаемого с возрастом повышения морфологического (и функционального) разнообразия на уровне тканей и снижения их функций – гетерохронность (разновременность процессов старения для разных тканей и органов) и гетеротопность (различия процессов старения в различных системах организма) старения.

Данный механизм лежит в основе такого типичного для старения явления, как атрофия тканей, состоящих из постоянно самообновляющихся клеток (например, клеток кожи), если скорость клеточного деления таких тканей снижается.

Кроме того, снижение скорости клеточного деления снижает и скорость обновления внутриклеточных структур, вызывая старение самой клетки (стационарное старение клеток, четко наблюдаемое при культивировании клеток).