1.Введение.
Биология старения стала одной из центральных проблем современного естествознания. Всё нарастающий интерес исследователей к этой проблеме определяется рядом факторов. Во-первых, крупные достижения биологической науки, в первую очередь раскрытие механизмов передачи генетической информации, биосинтез белка, мембранных механизмов функции клеток, установление общих закономерностей регуляции обмена и функции организма, сделали реальной возможность познания ведущих механизмов старения. Во- вторых, экспериментальные исследования последних лет показали возможность пролонгирования жизни животных и обосновывают возможность перенесения некоторых результатов на человека. В-третьих, в высокоразвитых странах значительно растёт число пожилых и старых людей в обществе, развивается постарение населения, что приводит к возникновению ряда крупных социально- экономических проблем. В-четвертых, возрастные изменения обмена и функции организма - основа развития возрастной патологии, возникновением ряда заболеваний человека, являющихся основной причиной его смерти. Все это привело к тому, что проблемой биологии старения интересуются в последние годы не только биологи, но и клиницисты, экономисты демографы. К этой проблеме обращаются сотни творческих коллективов, многочисленные исследователи. Стало очевидным, что правильное понимание сущности старения необходимо для познания основных механизмов жизненных явлений, их становления и развития. Стало также очевидным, что исследования в области биологии старения приобретают большое значение для практики медицины и ряда социальных мероприятий.
Как видно, проблема изучения механизмов старения имеет большое значение для самых разных областей жизни и науки. Данная работа рассматривает механизмы старения и его проявления на молекулярном, субклеточном, клеточном и тканевых уровнях организации.
2. ОБЩИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ РАЗВИТИЯ СТАРЕНИЯ
[1]а) Закономерности развития старения.
Внутренне противоречивый характер возрастного развития, соотношение процессов регулирования и приспособления определяют многообразие метаболических, структурных и функциональных сдвигов в процессе старения.
Оказалось, что даже один и тот же уровень некоторых показателей обмена и функции организма имеет в разные возрастные периоды неодинаковое внутреннее обеспечение благодаря включению адаптивных механизмов, направленных на сохранение гомеостаза.
Старение характеризуется нарастающим снижением надежности регуляции гомеостаза, снижением возможного диапазона приспособления. Это отчетливо, выявляется при использовании различных нагрузок, которые неизбежно и постепенно возникают в течение жизни. В этом случае, несмотря на гомеостатический уровень функции выявляется их изменение в старости. Вся жизнь представляет собой бесконечную цепь потрясений внутренней среды организма, постоянных нарушений гомеостаза. В ходе этих потрясений мобилизуются и совершенствуются адаптационно-регуляторные механизмы, способствующие сохранению гомеостаза. Оказалось, что крысы, длительно ограждаемые от обычных для животных умеренных стрессорных воздействий, живут меньше животных, подвергающихся периодически этим влияниям. Старение характеризуется последовательной сменой функционального состояния организма, его потенциальных возможностей, которая укладывается в четыре этапа: 1) оптимальный базальный уровень функции и ее высокие потенциальные возможности, выявляемые при напряжении; 2) сохранение базального и потенциального уровня функции несмотря на возрастные изменения, благодаря включению адаптационно-регуляторных механизмов; 3) сохранение базального уровня функции и снижение ее потенциальных возможностей из-за нарастания возрастных нарушений и ограничения адаптационно-регуляторных сдвигов; 4) падение базального уровня функции, ее выраженная недостаточность из-за прогрессирующего снижения адаптационных возможностей организма.
Для развития старения характерны гетерохронность, гетеротопность, гетерокинетичность, гетерокатефтенность. Г е т е р о х р о н н о с т ь - различия во времени наступления старения отдельных тканей, органов, систем.
Так, атрофия тимуса у человека начинается в возрасте 13-15 лет, половых желез - в климактерическом периоде, а некоторые функции гипофиза сохраняются в глубокой старости. Гетеротопность -неодинаковая выраженность процесса старения в различных органах, в различных структурах одного и того же органа. Так, старение пучковой зоны коры надпочечника выражено меньше, чем клубочковой и сетчатой зон. Неодинаковые возрастные изменения наступают и различных полях коры головного мозга и т. д. Г е т е р о к и н е т и ч н о с т ь. - развитие возрастных изменений с различной скоростью. В одних тканях, возникая довольно рано, они медленно и относительно плавно прогрессируют; в других - развиваются позже, но более быстро. И, наконец, г е т е р о к а т е ф т е н н о с т ь - разнонаправленность возрастных изменений, связанных с подавлением одних и активацией других жизненных процессов в стареющем организме.
Принципиальное значение для анализа механизмов старения может иметь сравнительно-геронтологическое определение динамики различных изменений обмена, структуры и функции в процессе старения у животных с различной видовой продолжительностью жизни (ВПЖ). Изменения, коррелирующие с ВПЖ, называется онтобиологическими, а коррелирующие с хронологическим возрастом животных разных видов, - хронобиологическими, и выраженность их тем больше, чем дольше живет животное. Чем выраженнее корреляция этих изменений с биологическим возрастом, тем значительнее их вклад в генез самого процесса старения. Так, оказалось, что у крыс линии Вистар и кроликов
АД(артериальное давление) к старости не растёт, а у более долгоживущих животных (собака, человек) наблюдается достоверный его подъем. У всех животных с возрастом наступают падение сердечного выброса и рост общего периферического сопротивления, однако у крыс и кроликов сдвиги эти не столь значительны, чтобы вызвать изменения АД. Иными словами, у животных с небольшой ПЖ эти изменения АД как бы не успевают развиваться. Известно, что остеопороз в старости более выражен у долгоживущих (человек, собака) и очень слабо у короткоживущих (крыса, кролик) животных.
Итак, многие проявления старения прямо коррелируют с хронологическим возрастом, степень их изменения зависит от фактора времени; они «не успевают » значительно проявиться у короткоживущих животных, хотя, быть может, и протекают у них быстро. Чем стремительнее развивается старение, тем резче выражена неравномерность возрастных изменений, тем значительнее влияние сдвигов в одной системе на состояние других, тем более выражены первичные механизмы старения.
Существуют общие, фундаментальные механизмы старения организмов.
Однако качественная и количественная специфика их развития ведет к многообразию их видовых проявлений. Кроме того, следует различать ускоренное и замедленное старение по отношению к среднепопуляционному темпу его течения.
[2]б) Гипотезы и теории старения.
Существуют две традиционные точки зрения на причины развития старения.
1.Старение-генетически запрограммированный процесс, результат закономерного развития программы, заложенной в генетическом аппарате. В этом случае действие факторов окружающей и внутренней среды может повлиять, но в незначительной степени, на темп старения. 2.Старение-результат разрушения организма вследствие неизбежного повреждающего действия сдвигов, возникающих в ходе самой жизни, - стохастический, вероятный процесс. В соответствии с адаптационно- регуляторной теорией старение генетически не запрограммировано, а генетически детерминировано биологическими свойствами организма. Иными словами, старение- разрушительный, вероятностный процесс, развивающийся в организме с генетически запрограммированными свойствами.
Старение- многопричинный процесс, вызываемый многими факторами, действие которых повторяется и накапливается в течении всей жизни. Среди них стресс, болезни, активация свободно радикального окисления и накопления перекисных продуктов метаболизма, воздействие ненобиотиков (чужеродные вещества), изменение концентрации водородных ионов, температурные повреждения, недостаточное выведение продуктов распада белков, гипоксия и др. Старение- многоочаговый процесс. Он возникает в разных структурах клетки- ядре, митохондриях, мембранах и др; в разных типах клеток- нервных, секреторных, иммунных, печёночных и др. Темп возрастных изменений определяется соотношением процессов старения и витаукта. Механизмы могут быть разделены на 2 группы.
1. Генотипические- генетически запрограммированные механизмы: а) система антиоксидантов, связывающая свободные радикалы; б) система микросомального окисления печени, обезвреживания токсичных веществ; в) антигипоксическая система, предупреждающая развитие глубокого кислородного окисления; г) система репарации ДНК, ликвидирующая повреждение этой макромолекулы.
2. Фенотипические- механизмы, возникающие в течении всей жизни благодаря процессам саморегуляции и способствующие сохранению адаптационных возможностей организма: а) появление многоядерных клеток, б) увеличение размеров митохондрий на фоне уменьшения числа других, в) гипертрофия и гиперфункция отдельных клеток в условиях гибели части их, г) повышение чувствительности к медиаторам в условиях ослабления нервного контроля.
[3]3.Проявление старения на молекулярном и клеточном уровнях.
Молекулярные механизмы старения клеток различных типов не универсальны. Нельзя объяснить молекулярные механизмы старения одних клеток данными, полученными при изучении клеток другого типа; нельзя считать последовательность изменений на молекулярном уровне в клетках одного типа общей закономерностью старения для всех клеток. Действительно, последовательность возрастных изменении в первично стареющем нейроне и, к примеру, в мышечной клетке после деструкции под- ходящего к ней нервного окончания во многом отличаются друг от друга.
В одних клетках первичные изменения наступают в регулировании генома, в других - в мембранных процессах, в энергетическом обмене и уже вторично в геноме с последующими нарушениями во всех звеньях жизнедеятельности клеток.
Старение приводит к функциональной неполноценности клеток самого различного типа. Более того, глубокие возрастные изменения метаболизма и структуры заканчиваются не только функциональной дефектностью клетки, но и в конечном итоге ее гибелью. Однако даже функционально однородные клетки стареют в неодинаковом темпе. Среди одного и того же класса клеток - нервных, мышечных, печеночных и др. можно выделить клеточные образования с грубыми изменениями структуры и функции и клетки с выраженными проявлениями гиперфункции, с комплексом адаптационных реакций. Так, во многих клетках отмечается уменьшение ядерно-цитоплазматического контраста; уменьшение числа митохондрий, их набухание, разрушение, спирализация; нарушение целостности эндоплазматического ретикулума, атрофия канальцев эндоплазматического ретикулума; уменьшение числа рибосом, увеличение числа первичных лизосом, появление вторичных лизосом, накопление липофусцина, аутофагосом и остаточных телец; появление вакуолей, ограниченных мембраной, изменение толщины; разрывы в плазматической мембране. В мышечных волокнах, кроме того, уменьшается фракционный объем саркотубулярной сети, нарушается расположение А-1-дисков, цистерны Т-систем в отдельных местах расширены и характеризуются очаговым утолщением и уплотнением мембран, наступают серьезные нарушения в самом сократительном аппарате мионов. Гистохимические методы позволили установить определенную корреляцию между степенью структурных, ультраструктурных изменений в клетке и активностью ряда ключевых ферментов, содержанием гликогена, РНК и др.
[4]Гибель клеток, уменьшение их числа неодинаково выражено в различных органах, в пределах различных клеточных популяций. Так, в мозгу, к примеру, в ряде областей коры головного мозга коры мозжечка, в скорлупе, в голубом пятне отмечается убыль клеток на 30-40%. В то же время в ряде структур гиппокампа, ствола мозга, гипоталамуса практически не отмечено потери числа нейронов. Убыль числа клеток описана в печени, почках, эндокринных железах, миокарде, скелетных мышцах.
Уменьшение числа клеток неодинаково сказывается на функции различных органов в старости. Особенное значение этот процесс имеет для функции нервных центров, ограниченная популяция клеток которых определяет важные внутри-центральные взаимоотношения, регуляцию метаболизма и функции других тканей.
Наряду с этим в старости описываются клетки, находящиеся в состоянии гиперфункции и гипертрофии. В них отмечается ряд метаболических, структурных феноменов, имеющих явно адаптивный характер - гипертрофия ядра, полиплоидия, многоядерность, увеличение площади ядерных мембран, гипертрофия митохондрий, гиперплазия структур Гольджи, появление мощной сети шероховатого ретикулума, гипертрофия миофибрилл и др. В одних клетках отмечаются отдельные компоненты витаукта в условиях возрастной деградации, в других адаптивный сдвиг характерен для всей клетки в целом. Можно полагать, что при убыли части клеток на оставшиеся ложится повышенная функциональная нагрузка. Метаболические сдвиги, происходящие при этом, активируют генетический аппарат, биосинтез белка клеток и в результате развивается гипертрофия. Развитие ее будет зависеть от степени нагрузки и выраженности возрастных изменений генетического аппарата.
Очень важно, что даже в пределах одного органа изменяется соотношение клеток различной функциональной значимости. Речь идет о нарастании глиоза во многих структурах мозга, об изменении соотношения афферентов, интернейронов, мотонейронов в спинном мозгу, о неравномерном сдвиге в количестве функционально различных клеток в гипоталамусе. Таким образом, только простой убылью клеток невозможно объяснить все многообразие функциональных изменений, наступающих в процессе старения. Важно взаимоотношение между деградировавшими клетками и возникающими адаптивными реакциями, состояние механизмов регуляции, определяющих взаимодействие клеток. Так, при старении наступают серьезные нарушения функции иммунитета.
Общее содержание Т- и В-лимфоцитов, плазмати-ческих клеток, активность макрофагов, уровень иммуноглобулинов изменены мало. Для драматических изменений функции иммунитета больше дает анализ зрелых и незрелых лимфоцитов, долгоживущих и короткоживущих лимфоцитов и особенно регуляторных факторов - хелперов и супрессоров. В последние годы раскрываются все новые и новые важные стороны функции глиальных элементов, в частности их роль в регуляции трофики нейрона. Предполагается, что соединительнотканные элементы в миокарде могут регулировать пластические процессы в миокардиальных клетках. Следовательно, взаимоотношения между этими клетками в ходе возрастной эволюции не укладываются в категории
«больше-меньше», а имеют существенное регуляторное и на определенном этапе адаптивное значение.
В ходе эволюции функционально-однородные клетки претерпевали определен- ные изменения. Однако фундаментальные и физиологические свойства их сохранились. Этим можно объяснить и сходство многих проявлений старения клеток, взятых от животных, находящихся на разных этапах филогенеза. Это подтверждается данными монографии о сходстве ряда структурных и физиологических изменений, возникающих в нервных клетках моллюсков и крыс при их старении.
Известна роль клеточных мембран в осуществлении функции клеток. В книге приведен обширный материал об изменении электрических и других биофизических свойств мембран клеток различного типа. Оказалось, что в процессе старения они изменяются неодинаково, например, мембранный потенциал клеток скелетных мышц, миокарда, клеток печени в среднем практически не изменяется, а гладкомышечных клеток и сосудов, ацинарных клеток околоушной слюнной железы растет. Неодинаково изменяются и другие свойства клеток, например, прямая возбудимость скелетно-мышечных клеток с возрастом падает, а мотонейронов спинного мозга растет. В неоди-наковой степени изменяется сопротивление мембран разных клеток, их проницаемость.
Во многих клетках существенны изменения в течение потенциала действия. Так, в мотонейронах спинного мозга значительно растет продолжительность антидромных потенциалов действия, растет длительность потенциалов действия и скелетно-мышечных волокон. Длительность потенциала действия миокардиальных волокон с возрастом не изменяется. Однако при гиперфункции у старых животных наступают более выраженные изменения в потенциалах действия миокардиальных волокон.
Известна связь между электрическими процессами на мембране и специфической функцией клетки, осуществляемая через конкретные ионные механизмы. Вот почему сдвиги в электрических свойствах мембраны, в ионных транспортных механизмах оказывают существенное влияние на специфическую функцию клеток при старении. Существенное значение в изменении физиологических механизмов старения клеток имеет изменение их реактивности, реакций на действие регуляторных факторов. Оказалось, что чувствительность нейронов, клеток печени, мышечных волокон сердца и скелетных мышц, некоторых секреторных элементов, с возрастом нарастает. Один из механизмов роста чувствительности клеток в старости к физиологически активным веществам связан с изменением состояния аденилатциклазной системы. У старых животных меньшие дозы катехоламинов вызывают в сердце, скелетной мышце и печени рост активности аденилатциклазы, рост содержания цАМФ. Однако эта закономерность относится не ко всем клеткам и всем веществам. Так, чувствительность нейронов спинного мозга к действию инсулина, ЭДДП, ацинарных клеток слюнной железы к норадреналину падает. Вместе с тем в старости падает реакционная способность клеток, уменьшается их реакция на значительные дозы веществ, снижается реактивность клеток.
Материалы, представленные в монографии, позволяют проанализировать молекулярные механизмы изменения функции клеток. Существенное значение имеет изменение белковой и фосфолипидной части мембран. Во многих типах клеток при старении снижается активный транспорт ионов и ряда других веществ. Это во многом связано с падением активности мембранной К+-, Nа+-
АТФазы, очевидно, с изменением количества и состояния самих ионных каналов.
Блокада К+, Nа+- АТФазы вызывает в клетках старых животных менее выраженные сдвиги в величине мембранного потенциала. Процессы активного транспорта ионов, осуществление функции требуют определенных энергетических трат. В книге представлено немало данных о возрастных изменениях в разных звеньях процессов генерации энергии в клетке, об ограничении возможности всей этой системы в старости. Более того, на примере мышечных волокон показано, что при старении наступает перераспределение различных путей энергетического обеспечения клетки. Так, в миокарде, в скелетных мышцах относительно большее значение начинают приобретать гликолитичсские процессы. В старости во многих клетках уменьшается число белковых рецепторов на мембране и, очевидно, дрейф рецепторов по поверхности мембраны. Это ограничивает возможность реакции на большие дозы веществ. Следует указать, что изменяется не только количество рецепторов, но и их состояние, зависимое от фосфолипидного окружения. Об этом свидетельствуют результаты опытов, в которых введение антиоксидантов восстанавливало реакцию клеток на физиологически активные вещества. Как бы то ни было, частичная дерецепция клеток при старении нарушает межклеточные взаимоотношения, участие клеток в системных, общерегуляторных реакциях и является важным механизмом расстройства их функции.
Открыт новый важный физиологический механизм старения клеток. Речь идет о существовании связи между активацией биосинтеза белка и электрическими свойствами плазматической мембраны. Оказалось, что при активации биосинтеза белка, вызванной различными факторами, в различных клетках возникает однотипная реакция - гиперполяризация. Благодаря гиперполяризации изменяются ответные реакции клетки, проницаемость ее мембраны, участие в системных реакциях. Это обеспечивает определенные условия для переключения функции клетки на биосинтез белка, сдерживает течение этого процесса. Предполагается, что развитие гиперполяризации связано с образованием специального фактора, который в меньших количествах синтезируется в клетках старых животных.
4.Проявление старения на субклеточном уровне.
[5]Старение организма начинается не только в к клетках. Вполне очевидно, что нарушение структуры и функции клеток может быть связано с уменьшением кровоснабжения органа, изменением химического состава крови и, прежде всего, концентрации гормонов. Нарушение кровоснабжения имеет особенно большое значение в старении и гибели клеток половых органов, головного мозга и мышц. Действительно, кровоснабжение этих органов в старости нарушается особенно существенно, а их клетки наиболее чувствительны к недостатку кислорода. Более того, характер биохимических изменений при старении в клетках яичника в общем соответствует тому, что наблюдается в этих клетках при недостаточном снабжении их кислородом.
В мышечных клетках диафрагмы в процессе старения наблюдается резкое изменение структуры фибрилл, и характер этих изменений также аналогичен тем, которые происходят при недостаточном снабжении мышцы кислородом. С другой стороны, старение клеток яичника в значительной степени обусловлено нарушением соотношения различных гормонов, регулирующих их функцию. В пожилом организме к этим механизмам старения и гибели клеток «подключаются» и иммунологические механизмы. Эффективное функционирование иммунологической системы - одно из условий надежного существования многих животных, в том числе человека, подвергающихся воздействию различных чужеродных антигенов.
В процессе старения эта эффективность понижается. И дело не только (и не столько) в том, что снижается способность организма противостоять чужеродным антигенам. Хуже то, что клетки, способные к синтезу антител, начинают вырабатывать их против собственных структур. Такие антитела называют аутоантителами. Основной причиной их синтеза является потеря способности клетками, синтезирующими антитела, различать «свое» от
«чужого». Чаще всего, наверное, это связано с мутацией таких клеток, и тогда попавшие в кровь, например, белки мембран клеток мозга или щитовидной железы воспринимаются как чужеродные белки, и против них вырабатываются антитела. Количество аутоантител увеличивается в процессе старения.
Следовательно, в пожилом организме существует постоянная опасность повреждения ими клеток соответственно головного мозга и щитовидной железы.
Ведь аутоантитела, реагируя со специфическими для них антигенами, нарушают функцию структур, в состав которых эти антигены входят. Кроме того, клетки, антигены которых прореагировали с ауто- антителами, могут стать жертвой макрофагов, особых клетoк, «пожирающих» поврежденные или погибшие 'клетки.
[6]Другой причиной синтеза аутоантител является изменение антигенного состава тех или иных органов.. У старых организмов обнаруживаются белки, антигенный состав которых различен. Познакомившись с тем, что было изложено выше о механизмах различных нарушений синтеза белка при старении, легко понять, каковы причины этих различий и как их много. Но ведь даже незначительно измененные белки иммунологической системой могут распознаваться как чужие, а на них будут синтезированы антитела. И нарушение кровоснабжения органов, и синтез аутоантител, и изменения концентрации гормонов - это примеры основных нарушений дистанционного взаимодействия клеток при старении. Однако клетки взаимодействуют и с соседними клетками. Мож- . но даже утверждать, что «поддержание нормальных отношений» между клетками - необходимое условие сохранения ими жизнеспособности в течение длительных промежутков времени. Особенно велика роль взаимодействия клеток в процессе развития организма, когда происходит формирование органов. Однако и после завершения развития организма нарушение взаимодействия между клетками может иметь для них трагические последствия. Например, функция нейронов в значительной степени зависит от окружающих их клеток, а перенос информационной РНК от лимфоцитов к плазматическим клеткам - необходимое условие выработки антител. Роль нарушения таких взаимодействий в старении организма еще почти не изучена, однако то, что мы теперь знаем об изменении при старении мембран клеток, позволяет нам заключить, что такие нарушения неизбежны, и они являются одним из важных звеньев процесса старения.
В состав надклеточных функциональных единиц, кроме клеток, входит и межклеточное вещество. Одной из его функций также является и установление
«правильных взаимоотношений» между клетками, обеспечение их питательными веществами и кислородом. Основным компонентом межклеточного вещества является коллаген, количество которого с возрастом увеличивается. То ecть в процессе старения с возрастом становится все меньше клеток и все больше межклеточного вещества. Но, кроме количественных изменений, коллаген со временем подвергается и качественным изменениям. Их возникновение обусловлено прежде всего тем, что коллаген -другая, кроме ДНК, макромолекула, практически полностью не обновляется после завершения синтеза. Возможно, не случайно именно эти макромолекулы (и только они) состоят из цепей, спирально закрученных друг на друга. Правда, ДНК-это дву- цепочечная спираль, коллаген - трицепочечная.
Коллаген, выделенный из различных органов старых животных, резко отличается от коллагена, выделенного из тех же органов молодых. Эти изменения разнообразны, однако большинство из них является следствием одних и тех же молекулярных событий - образования между цепями коллагена ковалентных сшивок (чаще всего между их аминокислотами: лизином и тирозином). Количество таких сшивок столь закономерно увеличивается по мере старения, что физико-химические свойства коллагена могут служить критерием биологического возраста организма. Именно биологического, а не календарного. Например, после хронического облучения животных ионизирующей радиацией продолжительность жизни их уменьшается, причем в органах таких животных развиваются изменения, аналогичные тем, которые можно наблюдать и при старении тех же животных. То есть облучение ускоряет развитие процесса старения на уровне целостного организма. Развитие спонтанных молекулярных изменений межклеточного вещества также ускоряется: коллаген, выделенный из органов облученных животных, содержит количество сшивок, характерное для коллагена более старых животных.
В межклеточном веществе, кроме сети коллагеновых волокон, содержатся эластические нити. Они состоят из эластина, образование которого происходит в результате взаимодействия двух макромолекул: гликопротеида и проэластина.
Причем сначала гликопротеид полимери-зуется в микрофибриллы, на которые в результате электростатического взаимодействия адсорбируются молекулы проэластина. Следующий этап образование эластиновых фибрилл катализируется специальным ферментом лизиноксидазой. В результате между двумя макромолекулами образуются ковалентные cвязи. Эластин также является метаболически стабильной структурой, и с возрастом количество перекрестных связей в нем увеличивается. Однако, образование этих «дополнительных» сшивок/ происходит, очевидно, не из-за специфического действия ферментов, а вследствие окисления лизиновых остатков перекисями и другими продуктами метаболизма.
Таким образом, основное принципы старения клеток и межклеточного вещества оказываются одинаковыми. В обоих случаях они обусловлены образованием сшивок между макромолекулами, как правило, не подверженных метаболизму. Причем механизмы сшивания макромолекул также аналогичны.
Процесс обычно начинается (инициируется) истинно спонтанным, тепловым разрушением макромолекул или окислением ее низкомолекулярными метаболитами
(обычно перекисями), и при образовании сшивок между ДНК и гистонами и между молекулами коллагена и макромолекулами, входящими в состав эластина, во всех случаях, очевидно, участвуют аминогруппы лизина.
Мы уже отмечали, что молекулярные изменения межклеточного вещества имеют существенное значение в нарушении при старении взаимодействия между клетками, нарушении их снабжения кислородом и различными питательными веществами. Это связано не только, с тем, что затрудняется диффузия веществ между клетками, а также между ними и кровью. Ведь и коллагеновые, и эластиновые волокна входят в состав сосудистой стенки. Следовательно, то, что последняя с возрастом становится более плотной, менее эластичной, зависит прежде всего от рассмотренных нами молекулярных изменений коллагена и эластина. Более того, такие изменения являются тем основным фактором,
.который делает сосудистую стенку с возрастом более уязвимой к атеросклерозу. Это конкретный пример того, что старение подготавливает почву для развития наиболее распространенных и тяжелых заболеваний человека.
Однако старение межклеточного вещества, хотя и может инициироваться независимо от возрастных изменений клеток, тем не менее в значительной степени определяется ими. Митотический потенциал фибробластов с возрастом уменьшается. Но при старении нарушается не только эта их функция, но и способность синтезировать коллаген.
[7]Образование эластиновых волокон зависит от координированного синтеза клетками по крайней мере двух типов макромолекул. В «старой» соединительной ткани эта координация нарушается, синтезируется относительно большее количество- гликопротеида, что, естественно, должно приводить образованию эластиновых нитей с нарушенной структурой, а это, в свою очередь, служит основой для возникновения «противоэластиновых» антител, разрушающих стенку сосуда. Такие изменения происходят не только в процессе «нормального» старения сосудистой стенки, но и составляют цепь событий при развитии атеросклероза. Даже старение межклеточного вещества костной ткани, вещества исключительно инертного, очевидно, в значительной степени зависит от нарушения функции специальных клеток - остеобластов. Именно эти клетки синтезируют вещество (белок, находящийся в комплексе с кальцием и фосфатом), которое инициирует процесс отложения в кости солей кальция. При различных патологических процессах отложение кальция происходит не только в костной ткани, но и других органах (чаще всего в артериальной стенке).
Причиной этого процесса - дистрофической кальцификации является не увеличение в крови концентрации кальция, а скорее нарушение синтеза остеобластами инициатора кальцификации
Мы кратко остановились на рассмотрении механизма этого явления, потому что дистрофическая кальцификация (окостение различных тканей) - один из важных симптомов старения человека. Следовательно, и этот, казалось бы, чисто физико-химический процесс изменения с возрастом межклеточного вещества может быть связан со старением клеток.
5. Проявление старения на тканевом уровне.
[8]О существовании внутриклеточных факторов, ограничивающих продолжительность жизни клеток пределами, характерными для данного вида, свидетельствую и с исследования проведённые на культуре ткани.
Основатель метода Carrel в 1912г. ввёл в культуру ткани фибробласты сердечной мышцы зародыша цыплёнка путём непрерывных пассажей в свежую питательную среду фибробласты сохранялись в течении 34л. (Parken, 1961г.).
Клетки всё время были молодыми и здоровыми и прожили тройной срок жизни цыплёнка, эквивалентной 200 годам жизни человека. Опыт был закончен в
1946г.
[9]С целью исследования причин старения организма было предпринято изучение старения клеток в культуре. Как впервые показали Свим и Паркер, фибробласты, полученные из различных тканей человека, пролиферируют только в течение ограниченного времени, после чего погибают. Эти авторы, однако, не выяснили, сохраняют ликлетки в культуре свои нормальные свойства, и не осмелились предположить, что их ограниченная пролиферативная активность связана со старением. Позже аналогичные работы были широко развернуты в лаборатории Хейфлика. Хейфлик и Мурхед установили, что легочные фибробласты эмбриона человека проходят в культуре около 50 удвоений популяции и затем погибают. Фибробласты, полученные из легочной ткани взрослого донора, подвергаются только ~20 удвоениям популяции. Хейфлик предположил, что имеется обратная зависимость между возрастом донора и пролиферативным потенциалом фибробластов. Позже другие исследователи также сообщили о наличии такой связи [pic]
Более того, было показано, что при культивировании фибробластов кожи, полученных от людей в возрасте 10-90 лет, наблюдается снижение потенциала удвоения примерно на 0,20 относительные единицы в расчете на каждый год жизни донора. Коэффициент регрессии составляет -0,20. Сообщение Голдстейна и др. о том, что не хронологический возраст донора, а скорее его физиологическое состояние ответственно за скорость роста фибробластов, побудило многих авторов проделать скрупулезную работу с клетками разных типов, чтобы установить, действительно ли существует линейная связь между хронологическим возрастом и удвоением популяции. Изучение культур фибробластов, источником которых служили клетки тщательно отобранных здоровых доноров, не предрасположенных к диабету, дало отрицательный результат: обратная зависимость между возрастом донора и числом удвоений популяции не была обнаружена. В то же время эта зависимость была установлена для культур клеток, полученных от больных диабетом или от лиц, генетически предрасположенных к этому заболеванию. Таким образом, именно физиологическое состояние в большей степени, чем хронологический возраст, определяет пролиферативную активность клеток.
[10]Можно ожидать, что фибробласты больных прогерией (синдром Хатчинсона
- Гилфорда) и с синдромом -Вернера, заболеваниями, для которых характерно ускоренное старение, должны иметь сниженную пролиферативную активность.
Прогерия - редкое генетическое заболевание человека, при котором наблюдается замедление роста и атеросклероз всех крупных кровеносных сосудов, включая аорту и коронарную артерию, уже в 9-летнем возрасте, а также значительное отложение возрастного пигмента липофусцина в клетках многих органов. Картина преждевременного старения выражена очень ярко, и ребенок в возрасте 9 лет напоминает 70-летнего человека. Больные остаются бесплодными и умирают, не достигнув 20 лет. Синдром Вернера является сходным заболеванием, но его симптомы развиваются позже; больные тоже имеют сниженную продолжительность жизни, в среднем около 47 лет. Заболевание носит генетический характер, оно контролируется аутосомным геном. Основные симптомы; высокая частота злокачественных новообразований, ранняя потеря и поседение волос, малый, рост, юношеская катаракта, склонность к диабету, ранний атеросклероз, кальцификация кровеносных сосудов и остеопороз.
Фибробласты, полученные от 9-летних больных прогерией, проходят в культуре только 2-4 удвоения популяции, т. е. существенно меньше, чем клетки, полученные от здоровых детей того же возраста. Снижен синтез ДНК и эффективность клонирования. Антигенные маркеры HLA, имеющиеся на поверхности фибробластов здоровых людей, отсутствуют на фибробластах больных прогерией. Фибробласты больных синдромом Вернера также обладают- сниженным потенциалом удвоения. Эти данные показывают, что скорее физиологическое состояние, а не хронологический возраст определяет способность клеток к пролиферации. Более того, ускоренное старение организма отражается в ускоренном старении .клеток in vitro, о чем свидетельствует изменение скорости деления и метаболизма.
Известно, что если клетки заморозить при температуре ниже нуля после того, как они просуществовали в культуре некоторое время, например прошли 20 удвоений популяции, а затем вернуть их к жизни при 37 (С, то они возобновляют делёние и «доживают свой век», проходя еще около 30 удвоений популяции. Это указывает на (постоянство потенциала деления клеток данного типа, который не зависит от времени, необходимого для завершения полного цикла делений. Фибробласты человека штамма WI-38, замороженные в жидком азоте на 14 лет, после возобновления размножения завершили общий цикл деления, который составил 50±10 удвоений популяции.
Был измерен потенциал деления клеток различных типов. Мартин и др. показали, что фибробласты кожи эмбриона человека проходят 45 удвоений популяции, тогда как клетки скелетной мышцы и костного мозга-значительно меньше. Кроме того, выяснили, что клетки почки, сердца, тимуса, щитовидной железы и печени живут в культуре меньше, чем клетки легкого. Следовательно, пролиферативная активность клеток различных типов неодинакова. Зависит ли это от характера н степени их дифференцировки, пока неизвестно. Хотя клетки костного мозга и эпителия продолжают делиться в организме на протяжении всей жизни, их пролиферативная способность in vitro ограничена. В этой связи было бы важно узнать не только то, почему эти клетки имеют пониженный потенциал деления, но также и то, не делились ли они уже до помещения их в культуру. Такие исследования могут дать полезную информацию о том, почему клетки типа нейронов, скелетной и сердечной мышц прекращают деление на ранней стадии развития.
Были предприняты попытки установить взаимосвязь между продолжительностью жизни вида и потенциалом деления фибробластов, и хотя были изучены лишь немногие виды с разной .продолжительностью жизни, результаты указывают на наличие положительной корреляции между этими величинами.
Максимальная продолжительность жизни культивируемых нормальных фибробластов эмбриона человека и животных.
/Вид /Пределы удвоения /Максимальная продолжительность /
/ /популяции клеток /жизни, годы /
/Галапагосская черепаха/90-125 /175(?) /
/Человек /40-60 /110 /
/Норка /30-34 /10 /
/Курица /15-35 /30(?) /
/Мышь /14-28 /3,5 /
Фибробласты эмбриона галапагосской черепахи, наиболее долгоживущего вида среди изученных, обладают и самым высоким потенциалом деления, тогда как для мыши, чья продолжительность жизни не превышает трех лет, эта величина значительно меньше.
Для ответа на вопрос, вызваны ли старение и смерть клеток накоплением какого-либо цитоплазматического фактора, был использован метод гибридизации соматических клеток. Гибридизация старых и молодых клеток была нежелательна, так как она привела бы к образованию гибридов с двойным набором хромосом. Удалением ядра из легочных фибробластов человека, находившихся во II и III фазах роста, получали ци-топласты. Затем происходило их слияние с интактными фибробластами раннего и позднего пассажей следующим образом: молодые цитопласты-с молодыми клетками, старые цитопласты - с молодыми клетками, молодые цитопласты-со старыми клетками и старые цитопласты - со старыми клетками. Число удвоений популяции первых двух гибридных линий составило около 20, а двух последних - около 5. Отсюда следует, что цитоплазма, вероятно, не содержит никакого фактора, который влияет на потенциал деления, т. е. пролиферативная активность клеток определяется на уровне ядра или генома. Полученные результаты необходимо подтвердить в дальнейших исследованиях.
Таким образом, клетки стареют как in vivo, так и in vitro. Существует, однако, большая вариабельность продолжительности их жизни и числа делений.
Клетки типа нейронов или скелетной и сердечной мышц прекращают деление in vivo на ранних стадиях развития и становятся постмитотическими. Было бы интересно узнать, сколько раз они подвергаются делению, прежде чем достигают постмитотической стадии. Спустя некоторое время эти постмитотические клетки стареют и погибают. Таким образом, эти клетки сначала прекращают деление, а затем подвергаются старению. Клетки костного мозга, эпителия и печени сохраняют пролиферативную активность в течение всей жизни, хотя она постепенно падает в старческом возрасте. Когда эти клетки культивируют in vitro, они прекращают делиться и через некоторое время стареют. Очевидно, эти клетки обладают способностью к размножению, которая во много раз превышает аналогичную способность нейронов и мышечных клеток. Важно изучить клетки эмбриона тотчас после того, как они прошли дифференцировку я превратились в клетки специфических типов, чтобы увидеть, имеют ли степень и тип дифференцировки какую-либо связь с пролиферативной активностью и природой постмитотического состояния. Такие исследования клеток различных типов, начиная с самых ранних стадий дифференцировки; и до прекращения деления, могут дать ключевую информацию о причинах прекращения деления.
Возникает вопрос, действительно ли те клетки, которые сохраняют способность делиться в течение всей жизни, не стареют? Действительно ли они обновляются всякий раз, когда делятся? Можно ли считать две дочерние клетки полностью идентичными не только в отношении содержания ДНК, но и родительских органелл? Известно, что во время созревания сперматиды наблюдается неадекватное деление
[11]Бернет предположил, что клетки одного типа могут быть более ответственны за старение, чём другие. По его мнению клетки тимуса и тимус- зависимые клетки, которые подвержены ослаблению пролиферации по типу фазы
III, определяют темп старения. Бернет-сторонник той точки зрения, что изменения в этих клетках ответственны за аутоиммунные заболевания, которые чаще встречаются в пожилом возрасте. Эта концепция основана на представлении, что причиной старения являются соматические мутации, однако доказательств для нее пока нет.
Если старение-внутреннее свойство клеток, тогда оно должно быть присуще и одноклеточным организмам. Амебы проходят ограниченное число делений и живут ограниченное время, если их содержать на неполноценном рационе. Они продолжают расти и размножаться непрерывно только в том случае, если питание обильно, чего обычно не бывает в естественных условиях. Многие клопы парамеций и аскомицетов имеют ограниченную пролиферативную активность.
