Nájdenie pilulky Ponce De Leon: Výzvy pri skríningu molekúl proti starnutiu

Abstraktné

Starnutieje charakterizovaná progresívnou akumuláciou degeneratívnych zmien, ktoré kulminujú poruchou funkcie a zvýšenou pravdepodobnosťou úmrtia. Je to hlavný rizikový faktor mnohých ľudských patológií – vrátane rakoviny, cukrovky 2. typu a kardiovaskulárnych ochoreníneurodegeneratívne ochorenia– v dôsledku toho si vyžaduje obrovskú sociálnu a ekonomickú daň. Thehlavným cieľom výskumu starnutiaje vyvinúť zásahy, ktoré môžuoddialiť nástup viacerých chorôb súvisiacich s vekomapredĺžiť zdravú životnosť(zdravotný rozsah). Pozorovanie, že predĺženie dlhovekosti a zdravia možno dosiahnuť v modelových organizmoch pomocoudiétne obmedzeniealebo jednoduchégenetické manipuláciepodnietilo hľadanie chemických zlúčenín, ktoré môžuzvýšiť životnosť.Väčšina dráh, ktoré modulujú rýchlosť starnutia u cicavcov, má homológy v kvasinkách, muchách a červoch, čo naznačuje, že počiatočný skríning na identifikáciu takýchtofarmakologické intervencieje možné použiť modely bezstavovcov. V posledných rokoch bolo identifikovaných niekoľko zlúčenín, ktoré môžu predĺžiť životnosť bezstavovcov a dokonca aj hlodavcov. Tu zhrnieme použité stratégie a dosiahnutý pokrok pri identifikácii zlúčenín schopných predĺžiť životnosť v organizmoch od bezstavovcov po myši a diskutujeme o impozantných výzvach pri preklade tejto práce na ľudské terapie.

Kliknite a zistite najlepšie farmakologické zásahy a bylinky Cistanche proti starnutiu

Kľúčové slovástarnutie, liek proti starnutiu,choroby súvisiace s vekom

Úvod

Starnutie je charakterizované molekulárnymi, bunkovými a organizmovými zmenami, ktoré vyúsťujú do neschopnosti organizmu udržať si fyziologickú integritu.1. U ľudí je starnutie spojené s výrazne zvýšenou predispozíciou k širokému spektru chorôb, vrátane rakoviny, cukrovky typu 2 (T2D), neurodegenerácie a kardiovaskulárnych chorôb, čo vedie k zvýšenej chorobnosti a úmrtnosti.1,2. Dlhodobým cieľom výskumu starnutia je vyvinúť intervencie, ktoré môžu oddialiť nástup chorôb súvisiacich s vekom a podporiť dlhovekosť. S týmto cieľom sa výskum v biogerontológii zameriava na objasnenie základných mechanizmov starnutia. Súčasné dôkazy naznačujú, že mnohé z týchto mechanizmov sú zachované medzi eukaryotmi, od kvasiniek po cicavce.

V posledných desaťročiach práca v rôznych organizmoch identifikovala bunkové signálne dráhy, ktoré modulujú rýchlosť starnutia3,4 . Mnohé z týchto dráh normálne fungujú na zistenie stavu výživy organizmu (postava 1) a iniciujú signálne kaskády, ktoré modulujú špecifické inter- a intracelulárne dráhy a podľa toho menia fyziológiu cieľových buniek2. Tieto dráhy snímania živín, ktoré zahŕňajú signalizáciu inzulínu a inzulínu podobného rastového faktora (IGF) (IIS)5 , cieľ signalizácie rapamycínu (mTOR).6signalizácia adenozínmonofosfátom (AMP)-aktivovaná proteínkináza (AMPK).7a sirtuíny8koordinujú procesy bunkového rastu a metabolizmu a integrujú ich s hladinami živín, energie, rastových faktorov a stresu. Keď sa znížia hladiny živín a rastové podnety, signál cez tieto dráhy sa zmení. Genetická alebo v niektorých prípadoch farmakologická manipulácia týchto dráh môže viesť k predĺženiu života, zatiaľ čo ich dysregulácia spojená s vekom môže prispieť k starnutiu organizmu.

Diétne obmedzenie (DR), diétny režim zahŕňajúci buď zníženie celkového príjmu kalórií bez podvýživy alebo znížený príjem špecifických zložiek potravy, ako sú aminokyseliny, je najlepšie charakterizovaný zásah, ktorý spomaľuje starnutie a odďaľuje ochorenie u širokého spektra druhov.9,10. Molekulové efektory, ktoré sa podieľajú na sprostredkovaní pozoruhodných účinkov DR, zahŕňajú tieto dráhy snímania živín9. Počiatočné dôkazy naznačujú, že niektoré z týchto istých ciest môžu mať vplyv aj na starnutie a choroby u ľudí. Napríklad genetické varianty vFOXO3Agén, kódujúci transkripčný faktor downstream od IIS, sú spojené s ľudskou dlhovekosťou11–16. Jedinci s Laronovým trpaslíkom majú výrazne znížené hladiny IGF1 v sére a hlbokú ochranu pred T2D a rakovinou17. Farmakologické zásahy, ktoré čiastočne napodobňujú DR moduláciou aktivít týchto dráh snímania živín, majú potenciál zlepšiť zdravotný stav a podporiť dlhovekosť. Napríklad rapamycín, špecifický inhibítor mTOR, bol navrhnutý na vyvolanie niektorých priaznivých účinkov DR za štandardných podmienok kŕmenia a výživy.18. Podobne sa ukázalo, že niekoľko ďalších molekúl, ako je metformín a resveratrol, moduluje signalizáciu živín a podporuje zdravie vo viacerých modelových organizmoch a podrobne sa o nich diskutuje ďalej.

Okrem dysregulácie dráh snímania živín patria medzi ďalšie konzervované mechanizmy podieľajúce sa na škodlivých prejavoch starnutia (postava 1) i)mitochondriálna dysfunkcia, ktorá vedie k zhoršenému metabolizmu dýchania, zvýšenej tvorbe reaktívnych foriem kyslíka (ROS), ako aj potenciálne ďalším následkom,ii)zvýšená akumulácia poškodenia DNA, vyvolaná exogénnymi urážkami a endogénnymi rizikami vrátane chýb replikácie DNA a ROS,iii)znížená proteostáza spojená so zvýšeným chybným skladaním a agregáciou proteínov,iv)starnutie buniek, ktoré prispieva k dysfunkcii tkaniva,v)zvýšený sterilný zápal,vi)opotrebenie kmeňových buniek avii)epigenetické zmeny1,19. Pre úplnejšiu diskusiu o mechanizmoch konzervovaného starnutia je čitateľ odkázaný inde1. Farmakologické látky zamerané na niektoré z týchto zmien predstavujú kandidátske lieky proti starnutiu. V tomto prehľade poskytneme prehľad farmakologických intervencií so známymi alebo potenciálnymi schopnosťami oddialiť starnutie a podporiť zdravie v neskoršom veku. Najprv zhrnieme hlavné príspevky, ktoré štúdie na modelových systémoch bezstavovcov urobili smerom k skríningovému úsiliu na identifikáciu liekov proti starnutiu s malými molekulami. Potom sa do hĺbky zameriame na molekuly, ktoré sa v súčasnosti študujú z hľadiska ich potenciálu predĺžiť životnosť a oddialiť ochorenie. Nakoniec sa bude diskutovať o výzvach pri skríningu nových liekov proti starnutiu a pri preklade tejto práce na ľudí.

Bezstavovce ako modelové systémy na skríning malých molekúl pre dlhovekosť

V dôsledku rôznych faktorov – najmä vrátane jednoduchosti genetickej manipulácie a fyziológie podobnej ľudskej – sa myš stala popredným cicavčím modelovým organizmom v biológii starnutia20. Avšak vzhľadom na vysoké náklady na ustajnenie a relatívne dlhú životnosť myší nie je v tomto organizme možný rozsiahly nezaujatý skríning na identifikáciu liekov proti starnutiu. S vedomím, že mnohé dráhy súvisiace so starnutím sú evolučne konzervované, dokonca aj medzi široko odlišnými druhmi, sa namiesto toho na takéto skríningy použili modely bezstavovcov s krátkou životnosťou. Háďatka Caenorhabditis elegans – so svojou krátkou životnosťou ~ 3 týždne, jednoduchou kultiváciou a genetickou manipuláciou a dobre charakterizovanou biológiou starnutia – predstavuje veľmi atraktívny modelový systém pre chemický skríning na identifikáciu zlúčenín, ktoré modulujú dĺžku života a fenotypy súvisiace s vekom. V skutočnosti niekoľko štúdií identifikovalo množstvo kandidátskych zlúčenín proti starnutiu s použitím C. elegans ako modelového organizmu. Doteraz najkomplexnejší test životnosti malých molekúl pomocou C. elegans vykonali Petrascheck et al., ktorí hodnotili 88000 chemikálií z hľadiska ich schopnosti predĺžiť životnosť21. Identifikovali 115 zlúčenín, ktoré výrazne zvýšili životnosť červov. Je zaujímavé, že jeden z nich vykazoval štrukturálnu podobnosť s ľudskými antidepresívami, ktoré ovplyvňujú signalizáciu neurotransmiterom serotonínom. Následne zistili, že mianserín, antagonista serotonínového receptora používaný ako antidepresívum u ľudí, predlžuje životnosť C. elegans, keď sa podáva v 50 μM, pravdepodobne prostredníctvom mechanizmov spojených s DR21. Pri hodnotení 19 zlúčenín so známymi účinkami na ľudskú fyziológiu Evason a kol. oznámili, že antikonvulzíva etosuximid (dávkované v 2 a 4 mg/ml), trimetadión (4 mg/ml) a 3,3-dietyl-2-pyrolidinón (2 mg/ml) oneskorili zmeny súvisiace s vekom a zvýšená životnosť C. elegans22.

Použitím bioinformatického prístupu na identifikáciu DR mimetík Calvert et al. analyzovali lieky, ktoré indukujú zmeny génovej expresie podobné tým, ktoré sú spojené s DR, a identifikovali 11 malých molekúl s touto vlastnosťou23. Je zaujímavé, že spomedzi piatich testovaných liekov štyri – rapamycín (podávaný v koncentrácii 10 μM), alantoín (250 μM), trichostatín A (100 μM) a LY-294002 (100 μM) – vyvolali u voľne žijúcich zvierat predĺženie života a zdravia. typ (WT) C. elegans. Naopak, žiadne účinky na dlhovekosť neboli pozorované v pozadí mutantov eat-2, genetickom modeli DR, čo naznačuje, že účinky týchto liekov na predlžovanie života sa skutočne môžu vyskytnúť prostredníctvom mechanizmov súvisiacich s DR23.

Štúdia Alaveza a kol. uviedli, že zlúčeniny viažuce amyloid udržiavajú proteínovú homeostázu a predlžujú životnosť C. elegans24. Vystavenie červov WT farbivu viažucemu amyloid Thioflavín T (ThT) v koncentrácii 50 alebo 100 μM počas dospelosti predĺžilo strednú dĺžku života o 60 percent a maximálnu dĺžku života o 43–78 percent 24. Liečba ThT znížila agregáciu A a zachovala svalovú integritu v C. elegans modely Alzheimerovej choroby (AD), čo má za následok znížený podiel paralyzovaných červov. Podávanie ThT tiež potlačilo toxicitu spojenú s metastabilnými proteínmi u mutantných červov24. ThT-sprostredkované potlačenie agregácie proteínov a predĺženie životnosti záviselo od molekulárnych chaperónov, autofágie, proteazomálnej funkcie, faktora tepelného šoku regulátora proteostázy 1 (HSF-1) a transkripčného faktora odolnosti voči stresu a dlhovekosti SKN-124 . Zlúčeniny so štruktúrnou podobnosťou s ThT tiež predĺžili životnosť červov až o 40 percent, ale pri výrazne nižších koncentráciách ako ThT. Okrem toho expozícia iným zlúčeninám viažucim proteínové agregáty, ako je kurkumín (100 μM) a rifampicín (10–100 μM), predĺžila životnosť červov až o 45 percent 24. Tieto výsledky zdôrazňujú dôležitosť proteostázy pre zdravie a životnosť červov a poskytujú ďalšie impulzom pre vývoj intervencií schopných udržať proteostázu na potlačenie starnutia a chorôb súvisiacich s vekom.

Národný inštitút starnutia nedávno sponzoroval farmakologický intervenčný program využívajúci Caenorhabditis ako modelový systém, analogický s podobným prebiehajúcim úsilím u myší. Program intervenčného testovania Caenorhabditis (CITP) je multiinštitucionálne úsilie zamerané na identifikáciu zlúčenín so schopnosťou predĺžiť životnosť a zlepšiť dĺžku zdravia pomocou viacerých druhov Caenorhabditis a viacerých kmeňov C. elegans. Identifikácia zlúčenín, ktoré sú účinné v geneticky odlišných populáciách červov, môže urýchliť objavenie zásahov, ktoré môžu predĺžiť životnosť/dĺžku zdravia u iných druhov, potenciálne vrátane ľudí.

Ďalším modelom vhodným na skríning zlúčenín proti starnutiu je ovocná muška Drosophila melanogaster25. K dispozícii je široká škála genetických kmeňov D. melanogaster s rôznymi priemernými dĺžkami života, ktoré sú užitočné na overenie účinnosti zlúčeniny naprieč rôznymi genetickými pozadiami. Podobne ako C. elegans, Drosophila má krátku životnosť a mnohé genetické nástroje dostupné v tomto organizme uľahčujú mechanické štúdium zlúčenín olova25. Prvú štúdiu uvádzajúcu predĺženie životnosti u Drosophila podaním lieku vykonali Kang a kol., ktorí ukázali, že kŕmenie Drosophila 4-fenylbutyrátom v koncentrácii 5–10 mM – liek s viacerými aktivitami, vrátane inhibície históndeacetylázy – významne zvýšili strednú aj maximálnu dĺžku života bez negatívnych dopadov na pohyb, odolnosť voči stresu alebo reprodukciu26. Novšia štúdia opísala skríning inhibítorov proteínkinázy na účinky na životnosť Drosophila27. Spomedzi 80 inhibítorov testovaných v tejto štúdii 17 významne predĺžilo životnosť Drosophila bez ovplyvnenia príjmu potravy alebo spotreby, čo naznačuje, že účinky týchto inhibítorov na životnosť Drosophila nezahŕňajú DR27. V tejto súvislosti nedávna štúdia Slacka et al. uviedli, že zoslabenie signalizácie RAS-Erk-ETS vedie k zníženiu IIS a vyvoláva predĺženie životnosti u Drosophila28. Trametinib (1,56 – 15,6 μM), vysoko špecifický inhibítor MEK, ktorý zoslabuje signalizáciu downstream od RAS, môže predĺžiť strednú dĺžku života samice Drosophila až o 12 percent (p=1,92 × 10-10) a pri vyšších dávkach (156 μM) zlepšuje prežitie v neskoršom veku28. Podávanie trametinibu bolo účinné pri podpore dlhovekosti múch aj pri podávaní zvieratám stredného veku. Tieto a podobné zistenia s inými drogami – por. predĺženie životnosti myší liečbou rapamycínom, ktorá sa začala v strednom veku, pozri nižšie – zvyšuje možnosť, že lieky proti starnutiu u ľudí môžu byť účinné aj vtedy, keď sa podávajú starším jedincom, čím sa zabráni potenciálnym vývojovým vedľajším účinkom týchto liekov.

Zlúčeniny, ktoré modulujú starnutie a fenotypy súvisiace s vekom u cicavcov

Inhibítor mTOR rapamycín

mTOR je konzervovaná serín/treonín kináza, ktorá sníma a reaguje na dostupnosť živín, rastové faktory a environmentálny stres a hrá kľúčovú úlohu pri spúšťaní rastu6,29. V mnohobunkových eukaryotoch mTOR existuje v dvoch odlišných multiproteínových komplexoch, mTORC1 a mTORC2, ktoré sa vyznačujú asociáciou s regulačne asociovaným proteínom mTOR (RAPTOR) a rapamycínom necitlivým spoločníkom mTOR (RICTOR), v tomto poradí30,31. Rapamycín tvorí komplex s proteínom FKBP12, ktorý sa viaže na mTORC1 a inhibuje jeho aktivitu 32. Dôležité je, že chronická liečba rapamycínom inhibuje aj mTORC233. Aktivitu mTORC1 regulujú živiny (glukóza a aminokyseliny), cytokíny, hormóny (inzulín alebo IGF1), energia (hladiny ATP) a oxidačný stres prostredníctvom signalizácie PI3K, AKT a AMPK6. Kľúčové downstream mediátory signalizácie mTORC1 sú dráhy, ktoré riadia bunkový rast, proliferáciu, stresovú reakciu a autofágiu29,34. mTORC1 preto kriticky integruje bunkový rast a údržbu s dostupnosťou živín, hormonálnymi podnetmi a inými environmentálnymi stimulmi.

Množstvo štúdií preukázalo spojenie medzi signálnymi dráhami mTOR a dlhovekosťou v organizmoch od kvasiniek po cicavce. Inhibícia signalizácie mTOR genetickými alebo farmakologickými prostriedkami predlžuje životnosť kvasiniek35–37, nematód38,39, ovocných mušiek40 a myší33,41–47. Podobne genetická delécia u myší downstream efektora mTORC1, S6 kináza 1, zvyšuje oxidačný metabolizmus, chráni pred obezitou vyvolanou vekom a stravou a zvyšuje životnosť žien47, 48. Zvýšená aktivita cieľa mTORC1 4E-BP1 v kostrovom svale má konzistentne za následok zvýšený oxidačný metabolizmus a chráni myši pred metabolickou dysfunkciou vyvolanou stravou a vekom49. V prelomovej štúdii program intervenčného testovania NIA (ITP) ukázal, že liečba geneticky heterogénneho myšieho kmeňa inhibítorom mTOR rapamycínom (podávaným v dávke 14 mg/kg potravy; 2,24 mg/kg telesnej hmotnosti/deň) sa začala buď po 9 mesiacoch alebo 20 mesiacov veku predĺžilo životnosť u oboch pohlaví43,50. Následná štúdia preukázala, že predĺženie životnosti myší vyvolané rapamycínom závisí od dávky a pohlavia. Pri danej koncentrácii rapamycínu myšie samice vykazovali väčšie predĺženie života ako samce, čo korelovalo s vyššími hladinami rapamycínu v krvi dosiahnutými u samíc v porovnaní so samcami51. Liečba rapamycínom vyvolala úplne odlišné zmeny génovej expresie u mužov a žien, čo naznačuje existenciu pohlavne špecifických reakcií na inhibíciu mTOR51. Okrem toho sa expresné vzory enzýmov metabolizujúcich xenobiotiká v pečeni myší liečených rapamycínom (14 mg/kg potravy) nápadne líšili od vzorcov u zvierat vystavených DR vo veku 12 mesiacov51. DR je skutočne menej účinná pri predlžovaní života, keď sa začne neskôr v živote52–54, zatiaľ čo liečba rapamycínom predlžuje životnosť myší, aj keď sa začne v strednom veku43,55. Rozhodujúce je, že rapamycínom indukované predĺženie života u myší bolo tiež pozorované v rôznych genetických prostrediach41, 42, 44, 56.

V prelomovej štúdii program intervenčného testovania NIA (ITP) ukázal, že liečba geneticky heterogénneho myšieho kmeňa inhibítorom mTOR rapamycínom (podávaným v dávke 14 mg/kg potravy; 2,24 mg/kg telesnej hmotnosti/deň) sa začala buď po 9 mesiacoch alebo 20 mesiacov veku predĺžilo životnosť u oboch pohlaví43,50. Následná štúdia preukázala, že predĺženie životnosti myší vyvolané rapamycínom závisí od dávky a pohlavia. Pri danej koncentrácii rapamycínu myšie samice vykazovali väčšie predĺženie života ako samce, čo korelovalo s vyššími hladinami rapamycínu v krvi dosiahnutými u samíc v porovnaní so samcami51. Liečba rapamycínom vyvolala úplne odlišné zmeny génovej expresie u mužov a žien, čo naznačuje existenciu pohlavne špecifických reakcií na inhibíciu mTOR51. Okrem toho sa expresné vzory enzýmov metabolizujúcich xenobiotiká v pečeni myší liečených rapamycínom (14 mg/kg potravy) nápadne líšili od vzorcov u zvierat vystavených DR vo veku 12 mesiacov51. DR je skutočne menej účinná pri predlžovaní života, keď sa začne neskôr v živote52–54, zatiaľ čo liečba rapamycínom predlžuje životnosť myší, aj keď sa začne v strednom veku43,55. Rozhodujúce je, že rapamycínom indukované predĺženie života u myší bolo tiež pozorované v rôznych genetických prostrediach41, 42, 44, 56.

Mechanizmy predlžovania dlhovekosti rapamycínom zostávajú horúcou témou v biológii starnutia 56,57. Rapamycín má antineoplastické vlastnosti58–60 a rakovina je hlavnou príčinou smrti u väčšiny kmeňov myší, ktoré vykazujú predĺženie životnosti sprostredkované rapamycínom43,61. V tejto súvislosti je jedným z možných vysvetlení predĺženia životnosti myší rapamycínom to, že tento liek potláča nástup a/alebo agresivitu smrteľných rakovín. Niektorí výskumníci však uviedli, že rapamycín inhibuje okrem neoplázie aj fenotypy súvisiace s vekom62,63, čo silne naznačuje, že tento liek má širšie účinky proti starnutiu. Naproti tomu nedávna vyčerpávajúca štúdia Neffa et al. tvrdili, že účinky rapamycínu na fenotypy starnutia ako také boli dosť obmedzené56. V tomto ohľade boli urobené protichodné pozorovania týkajúce sa účinkov liečby rapamycínom na myších modeloch AD64. Dlhodobá liečba rapamycínom viedla k zlepšeniu správania u myších modelov AD a vyvolala autofágiou sprostredkovaný pokles hladín A a hyperfosforylovaného tau65, 66. Naopak, ukázalo sa, že rapamycín podporuje produkciu A67,68 a viedol k zvýšeniu A-indukovanej bunkovej smrti69.

Rapamycín má významné vedľajšie účinky – najmä metabolickú dysfunkciu, kataraktu a atrofiu semenníkov – ktoré môžu obmedziť jeho dlhodobé využitie ako liečby proti starnutiu u ľudí70,71. Najdôležitejšie je, že kvôli imunomodulačným účinkom inhibítorov mTOR je liečba ľudských pacientov liekom podobným rapamycínu everolimus/RAD001 spojená s vyšším výskytom infekcie u jedincov s chorobami, ako je rakovina72,73 a komplex tuberóznej sklerózy (TSC)74 . Naopak, nedávna štúdia ukázala, že krátkodobé podávanie everolimu/RAD001 zdravým starším jedincom zosilnilo imunologickú odpoveď na očkovanie proti chrípke s miernymi vedľajšími účinkami75. Znížená odpoveď na vakcínu proti chrípke je hlavnou klinickou výzvou u staršej populácie76. Tieto zistenia naznačujú, že prerušované alebo krátkodobé podávanie rapamycínu alebo iných inhibítorov mTOR môže potlačiť určité funkčne dôležité účinky starnutia, ako je slabá imunizačná odpoveď, a zároveň sa vyhnúť negatívnym dôsledkom spojeným s chronickým používaním týchto látok. Nedávna štúdia na myšiach je v súlade s týmto názorom, pričom identifikuje režim prerušovaného podávania rapamycínu u myší, ktorý minimalizuje metabolickú dysfunkciu pri zachovaní chronickej supresie mTORC1 v tukovom tkanive, aj keď nie v iných tkanivách77. Bude veľmi zaujímavé vyhodnotiť účinky takýchto režimov prerušovaného dávkovania na širokú škálu fenotypov súvisiacich s vekom a na dĺžku života.

Metformín a iné biguanidy

Metformín, perorálne biguanidové antiglykemické činidlo, je najrozšírenejším liekom pri liečbe metabolického syndrómu a T2D. Mechanizmus účinku metformínu nie je úplne objasnený a pravdepodobne bude multifaktoriálny. Uvádza sa, že znižuje hladiny glukózy v sére inhibíciou komplexu I dýchacieho reťazca v hepatocytoch78, čo vedie k zníženej produkcii ATP, čo vedie k aktivácii kináz LKB1 a AMPK, čím sa potláča pečeňová glukoneogenéza79,80. Uvádza sa, že metformín aktivuje AMPK v mnohých iných tkanivách vrátane tukového tkaniva, kostrového svalstva, srdca, pankreatických buniek a hypotalamu s potenciálnymi priaznivými fyziologickými účinkami u pacientov s T2D81,82. Avšak metformín má tiež dôležité účinky nezávislé od AMPK a LKB183, napr. antagonizáciou účinku glukagónu84. Nedávno bol odhalený ďalší mechanizmus nezávislý od AMPK pre metformín. Štúdia Madiraju et al. ukázali, že metformín nekompetitívne inhibuje redoxný kyvadlový enzým mitochondriálnu glycerofosfátdehydrogenázu, čím zvyšuje cytosolický redoxný stav a znižuje mitochondriálny redoxný stav 85. To potláča pečeňovú glukoneogenézu znížením konverzie laktátu a glycerolu na glukózu 85. Hoci je metformín v súčasnosti schválený pre liečbe T2D, veľká literatúra naznačuje účinnosť metformínu protiiné stavy, najmä kardiovaskulárne ochoreniaa rakovina78. V tejto súvislosti nedávna štúdia preukázala, že metformín znižuje tumorigenézu inhibíciou mitochondriálneho komplexu I v rakovinových bunkách86.

Aktivácia AMPK vyvoláva dlhovekosť u múch a červov 87,88. Množstvo štúdií naznačuje, že liečba metformínom môže rekapitulovať niektoré účinky DR. V tejto súvislosti niekoľko štúdií skúmalo účinky metformínu a iných biguanidov na dĺžku života a uvádzali rôzne výsledky. Metformín a iné biguanidy predlžujú životnosť C. elegan spôsobom závislým od dávky89–91. Predĺženie životnosti C. elegans metformínom je sprostredkované inhibíciou bakteriálneho metabolizmu folátu a metionínu, čo následne mení metabolizmus metionínu v červoch, čo vedie k zníženým hladinám S-adenosylmetionínu a zvýšeným hladinám S-adenosylhomocysteínu89. Avšak metformín zjavne nepredlžuje dlhovekosť u D. melanogaster92,93. Napriek silnej aktivácii AMPK vysoké dávky metformínu skutočne skracujú životnosť samcov aj samíc múch93, možno v dôsledku narušenia homeostázy črevných tekutín93. Liečba metformínom však potláčala fenotypy súvisiace s vekom v kmeňových bunkách stredného čreva94 a tiež mala priaznivé účinky v modeli obezity múch95. Nedávna štúdia ukázala, že liečba metformínom spôsobuje významné predĺženie strednej a maximálnej dĺžky života u oboch pohlaví cvrčka Acheta domesticus96. Na hlodavcoch bolo vykonaných niekoľko štúdií na testovanie účinkov metformínu a iných biguanidov na dĺžku života; výsledky sa líšili podľa genotypu, pohlavia, dávky a trvania liečby97. Chronická liečba metformínom (100 mg/kg v pitnej vode) predĺžila priemernú dĺžku života HER-2/neu transgénnych, outbredných SHR a inbredných 129/Sv samíc myší o 8 percent (p<0.05), 37.8% (p<0.01), and 4.4% (p<0.05), respectively98–100. Metformin treatment also extended the maximum lifespan of HER-2/neu transgenic and outbred SHR female mice by 9% and 10.3%, respectively, while no effect was observed on maximal lifespan in inbred 129/Sv female mice98–100. Conversely, treatment of inbred 129/Sv male mice with a similar dose of metformin actually reduced mean lifespan by 13.4%100. However, metformin treatment (2 mg/mL in drinking water) in a transgenic mouse model of Huntington's disease (HD) prolonged male mean lifespan by 20.1% (p=0.017), but did not affect female survival101. It has been reported that metformin treatment (100 mg/kg in the drinking water) of female outbred SHR mice initiated at 3 months of age-induced a trend towards increased mean lifespan102. Metformin treatment also postponed the onset of detectable tumors when started at young or middle ages, but not at old age102. Neonatal metformin treatment of 129/Sv mice (100 mg/kg via subcutaneous injection) led to a 20% (p<0.001) increase in male mean lifespan and also slightly increased maximum lifespan by 3.5%103. However, in females, the mean and maximum lifespan in metformin-treated groups were decreased by 9.1% and 3.8%, respectively103. In a recent study by MartinMontalvo et al., male C57BL/6 mice supplemented with 0.1% metformin in the diet showed a 5.8% increase in mean lifespan (p=0.02, Gehan–Breslow survival test), whereas supplementation with 1% metformin was toxic and reduced mean lifespan by 14.4%104. However, supplementation of B6C3F1 male mice with 0.1% metformin resulted in the extension of mean lifespan only by 4.2% (p=0.064, Gehan–Breslow)104. Treatment with another biguanide, phenformin (2 mg/mouse in 0.2 mL of drinking water), significantly reduced spontaneous tumor development in female C3H/Sn mice and prolonged mean lifespan by 21% or more (p<0.05)105,106 and maximum lifespan by 26%105. Evaluation of the lifespan effects of metformin in mice by the ITP consortium is ongoing, and the results should be available soon.

U potkanov liečba buformínom (5 mg/potkan v 1 ml pitnej vody) viedla k nevýznamnému 7,3 percentnému predĺženiu strednej dĺžky života samíc LIO zvierat, zatiaľ čo fenformín (5 mg/potkan v 1 ml pitnej vody) nemal účinok105. Podávanie buformínu a fenformínu však zvýšilo maximálnu dĺžku života samíc potkanov LIO o 5,5 percenta a 9,8 percenta, v tomto poradí105. Liečba metformínom (300 mg/kg/deň) nepredĺžila priemernú ani maximálnu dĺžku života samcov potkanov F344107. V tej istej správe však paralelná skupina samcov potkanov F344 vystavených DR tiež nevykazovala predĺženie života107, takže výsledky metformínu v tejto štúdii boli trochu nepresvedčivé. Mechanicky sa navrhlo, že liečba metformínom napodobňuje niektoré účinky DR, najmä zvýšením aktivity AMPK a tiež aktiváciou antioxidačných reakcií, čo vedie k zníženiu akumulácie oxidačného poškodenia a chronického zápalu104.

Hoci žiadna štúdia formálne neanalyzovala účinky dlhodobej liečby metformínom na dĺžku života u zdravých ľudí, randomizované klinické štúdie metformínu preukázali priaznivé účinky na zdravie a prežitie u pacientov s nadváhou/obezitou s T2D, čo dokazuje znížený výskyt kardiovaskulárnych ochorení a rakoviny a znížila celkovú úmrtnosť108–110. V kombinácii so sulfonylmočovinou však metformín zvýšil riziko úmrtia súvisiaceho s diabetom a mortality zo všetkých príčin v zmiešanej skupine jedincov bez nadváhy a jedincov s nadváhou/obezitou s T2D78,108. V súlade s týmito pozorovaniami nedávna štúdia Bannistera a kol. uviedli, že pacienti s T2D liečení metformínom vykazovali lepšie prežitie v porovnaní so zodpovedajúcimi nediabetickými kontrolami, zatiaľ čo pacienti liečení sulfonylmočovinou vykazovali znížené prežitie111.

Vzhľadom na relatívne sľubné údaje o hlodavcoch, náznaky, že metformín môže potlačiť rakovinu a iné stavy súvisiace s vekom u ľudí, a relatívne benígny bezpečnostný profil metformínu, existuje v súčasnosti veľký záujem o formálne testovanie schopnosti tohto lieku oddialiť ochorenie súvisiace s vekom. u ľudí112. Americký Úrad pre kontrolu potravín a liečiv (FDA) nedávno schválil štúdiu s názvom Targeting Aging With Metformin (TAME) na hodnotenie metformínu ako lieku proti starnutiu. Do projektu TAME sa zapojí približne 3 000 účastníkov vo veku od 70 do 80 rokov, ktorí už majú jeden, dva alebo všetky tri z týchto stavov: rakovinu, srdcové ochorenie alebo kognitívnu poruchu, alebo sú vystavení riziku ich rozvoja. Skúška sa uskutoční v približne 15 centrách po celých Spojených štátoch v priebehu 5 až 7 rokov a bude stáť približne 50 miliónov dolárov113. Cieľom štúdie je zistiť, či metformín môže zabrániť vzniku ochorenia súvisiaceho s vekom. Táto prelomová štúdia bude predstavovať prvé testovanie kandidátskej zlúčeniny proti starnutiu na ľuďoch.

Resveratrol a iné zlúčeniny aktivujúce sirtuín

Sirtuíny sú rodinou NAD plus-dependentných deacetyláz/ADP ribozyltransferáz/deacetyláz, ktoré sa podieľajú na regulácii reakcií na živiny a mnohých ďalších aspektoch bunkovej biológie8. Nadmerná expresia Sir2, zakladajúceho člena rodiny sirtuínov, predlžuje replikačnú životnosť v pučivej kvasinke Saccharomyces cerevisiae tým, že potláča akumuláciu extrachromozomálnych plazmidov rDNA, podporuje segregáciu nepoškodeného proteómu do dcérskej bunky, čím si vynucuje subtelomérne mechanizmy umlčania11, a možno aj iných mechanizmov. 115. Niekoľko, hoci nie všetci, výskumníci zistili, že nadmerná expresia sirtuínov u červov a múch mierne predlžuje životnosť týchto organizmov116–123. Je zaujímavé, že homológ Sir2 Sir-2.1 môže predĺžiť životnosť C. elegan spôsobom nezávislým od jej deacetylázovej aktivity116. Nikotínamid (NAM), produkt aktivity sirtuínu, a jeho metabolit, 1-metylnikotínamid (MNA), sú skutočne schopné predĺžiť životnosť červov, potenciálne indukciou prechodnej ROS signalizácie116. U cicavcov je SIRT1 najbližším homológom Sir2; nadmerná expresia tohto proteínu v mozgu (ale nie v celom organizme) predlžuje životnosť124, pravdepodobne zlepšením funkcie hypotalamu počas starnutia125. Globálna nadmerná expresia iného sirtuínu, SIRT6, špecificky predlžuje životnosť myší u samcov, aspoň čiastočne prostredníctvom potlačenia rakoviny pľúc, hlavnej príčiny smrti u samcov použitých myších kmeňov126,127. Nadmerná expresia SIRT2 stabilizuje hladiny mitotického kontrolného proteínu BubR1 u progeroidných myší BubR1H/H a predlžuje tak strednú, ako aj maximálnu dĺžku života u samcov tohto kmeňa128. Nie sú dostupné žiadne informácie týkajúce sa potenciálnych účinkov chronickej nadmernej expresie SIRT2 u zvierat WT. Hromadné dôkazy naznačujú, že hladiny NAD plus môžu počas starnutia klesať, čím sa zhoršuje aktivita sirtuínu a že schopnosť nadmernej expresie sirtuínu predĺžiť životnosť čiastočne kompenzuje tento účinok udržiavaním funkcie sirtuínu pri zníženom súbore NAD plus v starších organizmoch129.

Resveratrol a niektoré ďalšie polyfenoly boli pôvodne identifikované ako aktivátory Sir2/SIRT1, ktoré predĺžili priemernú a maximálnu životnosť kvasiniek130. Je dôležité poznamenať, že resveratrol je vysoko promiskuitná droga a má funkčne dôležité účinky na mnohé bunkové ciele131. Uvádza sa tiež, že liečba červov a múch res veratrolom (dávkovaným 100 μM u červov a 10–100 μM u múch) predlžuje životnosť v závislosti od prítomnosti funkčných Sir-2.1 a dSir2, v tomto poradí132. Štúdia Bass et al. tvrdili, že liečba resveratrolom (1–1000 μM) nemala žiadne významné účinky na životnosť Drosophila133. Rovnaká štúdia tiež uviedla, že liečba resveratrolom v koncentrácii 100 μM vyvolala len mierne a sporadické predĺženie životnosti C. elegans u zvierat WT a sir{15}}.1 mutantov, čo naznačuje, že tieto malé predĺženia životnosti C. elegans vyvolané resveratrol môže byť pán{17}}.1 nezávislý133. Resveratrol chráni červy pred oxidačným stresom, poškodením spôsobeným žiarením a toxicitou amyloidu134–136 a tiež indukuje rádioprotekciu u múch137. Liečba resveratrolom zvyšuje strednú a maximálnu dĺžku života včiel medonosných138 a krátko žijúcich rýb Nothobranchius furzeri a Nothobranchius guentheri139–141.

Uvádza sa, že resveratrol a iné zlúčeniny aktivujúce sirtuín (STAC) aktivujú Sir2/SIRT1 alostericky130. Iné skupiny však zistili, že tieto zlúčeniny neboli schopné zvýšiť aktivitu SIRT1 voči natívnym peptidom in vitro142,143. V tejto súvislosti sa navrhlo, že zvýšená aktivita SIRT1 indukovaná resveratrolom závisí od prítomnosti neprirodzeného fluorofóru konjugovaného s peptidovou sekvenciou pôvodne používanou pri skríningu aktivátorov SIRT1142, 143. Nedávne správy však ukázali, že resveratrol a ďalšie STAC sa priamo viažu na SIRT1 a alostericky zvyšujú jeho deacetylázovú aktivitu voči neznačeným peptidovým substrátom144, 145. Tiež sa uvádza, že resveratrol inhibuje katalytickú aktivitu ľudskej tyrozyl transfer-RNA (tRNA) syntetázy (TyrRS), čo má za následok jej jadrovú translokáciu a stimuláciu NAD plus závislú aktiváciu poly (ADP-ribóza) polymerázy 1 (PARP1)146 . PARP1 hrá dôležitú úlohu pri oprave DNA aj pri transkripcii147.

U myší resveratrol chráni pred niektorými škodlivými účinkami vysokotučných/vysokokalorických diét148–151, podstatne znižuje rast a vývoj viacerých typov rakoviny152–154 a odďaľuje alebo zabraňuje nástupu AD155,156. Okrem toho u hlodavcov a ľudí resveratrol chráni pred cukrovkou 1. typu a T2D157,158 a kardiovaskulárnymi ochoreniami159 a má protizápalové16{17}} a antivírusové účinky161. Bolo hlásené, že suplementácia resveratrolom (buď v množstve 0,016–0,1 percenta stravy alebo 25 mg/kg/deň) predlžuje životnosť u myších modelov obezity148, AD162, HD163 a amyotrofickej laterálnej sklerózy164,165. Liečba resveratrolom (2–8 mg/kg/deň) predlžuje životnosť myší liečených LPS166 a zmierňuje úmrtnosť vyvolanú katecholamínmi u obéznych potkanov (20 mg/kg/deň)167. Okrem toho resveratrol (10 mg/ml, intraperitoneálna injekcia) predlžuje prežitie v myšom modeli akútneho poškodenia obličiek vyvolaného sepsou a obnovuje renálnu mikrocirkuláciu168. Podávanie resveratrolu (18 mg/kg/deň v potrave) tiež zlepšuje prežitie u potkanieho modelu hypertenzie169. Dôležité však je, že liečba resveratrolom (100 – 1200 mg/kg potravy) nezvyšuje dĺžku života u normálnych myší kŕmených potravou50,170,171. Suplementácia resveratrolom indukuje zmeny génovej expresie v niekoľkých tkanivách, ktoré sa podobajú tým, ktoré sú spojené s obmedzením kalórií u myší171,172

U ľudí 30-denná suplementácia resveratrolu (150 mg/deň) u obéznych mužov vyvolala metabolické zmeny vrátane zníženia rýchlosti metabolizmu v spánku a v pokoji, intrahepatálneho obsahu lipidov, hladín cirkulujúcej glukózy, zápalových markerov a systolického krvného tlaku173. Kostrové svalstvo z objektov ošetrených resveratrolom vykazovalo zvýšenú aktivitu AMPK, zvýšené hladiny proteínov SIRT1 a PGC-1 a zlepšené mitochondriálne dýchanie mastných kyselín173. Naopak, 12-týždňová suplementácia resveratrolom (75 mg/deň) u neobéznych žien po menopauze s normálnou glukózovou toleranciou nevyvolala žiadnu zjavnú zmenu v zložení tela, citlivosti na inzulín, pokojovej rýchlosti metabolizmu, plazmatických lipidoch alebo zápalových markeroch174. Okrem toho suplementácia resveratrolu nemala žiadny vplyv na jeho predpokladané molekulárne ciele, vrátane AMPK, SIRT1, NAMPT a PPARGC1A, v kostrovom svale ani v tukovom tkanive174.

Dôležitá nedávna štúdia Cai et al. preukázali nelineárnu odpoveď na dávku pre ochranné účinky resveratrolu u ľudí a myší175. Pri súbežnom podávaní s diétou s vysokým obsahom tukov (HFD) sa nízka dávka resveratrolu (~0.{{10}}7 mg/kg/deň) javila ako účinnejšia ako vysoká - dávka (14 mg/kg/deň) pri znižovaní počtu adenómov a znižovaní celkovej nádorovej záťaže u myší Apcmin, modelu intestinálnej karcinogenézy. Je zaujímavé, že samice myší s nižšou dávkou resveratrolu vykazovali významne vyššiu expresiu a aktiváciu AMPK v črevnej sliznici ako myši v skupine s vysokou dávkou175. Ľudské kolorektálne tkanivá vystavené nízkym koncentráciám (0,01 až 0,1 μM) resveratrolu v potrave ex vivo vykazovali rýchlu aktiváciu AMPK a zvýšenú autofágiu pri nízkych koncentráciách a menej výrazný alebo dokonca žiadny účinok pri vyšších dávkach (1 až 10 μM)175. Tento nezvyčajný účinok môže pomôcť racionalizovať protichodné správy o účinnosti resveratrolu u ľudí a budúce štúdie na ľuďoch s použitím resveratrolu musia byť navrhnuté s dôkladnou pozornosťou venovanou dávkovaniu a hladinám v sére a dôkladnému zhodnoteniu účinkov na predpokladané molekulárne ciele resveratrolu.

Iné STAC boli syntetizované a uvádza sa, že zlepšujú zdravie a predlžujú životnosť myší. Uvádza sa, že STAC SRT1720 (100 mg/kg/deň) predlžuje priemernú dĺžku života dospelých samcov myší C57BL/6J kŕmených štandardnou stravou o 8,8 percent (p=0,096) a až o 21,7 percent ( p=0.0193) na HFD bez zvýšenia maximálnej životnosti v žiadnom kontexte176,177. Liečba SRT1720 zlepšila fyziologické parametre u zvierat kŕmených HFD, znížila steatózu pečene, zvýšila citlivosť na inzulín, zvýšila lokomotorickú aktivitu a tiež vyvolala profil génovej expresie podobný profilu spojenému so štandardnou stravou176. Suplementácia SRT1720 inhibovala expresiu prozápalových génov v pečeni a svaloch myší kŕmených štandardnou stravou a oddialila nástup metabolického ochorenia súvisiaceho s vekom177. Podobne doplnok stravy (100 mg/kg) s SRT2104, ďalším syntetickým STAC, zvýšil priemernú aj maximálnu dĺžku života samcov myší C57BL/6J kŕmených stravou o 9,7 percenta (p<0.05) and 4.9% (p<0.001), respectively, and increased insulin sensitivity and motor coordination while reducing inflammation178. Short-term treatment with SRT2104 preserves bone and muscle mass in an experimental atrophy model178. These findings indicate that resveratrol and other STACs can exert beneficial effects on health, particularly in the context of HFD, and that some STACs can modestly extend lifespan under normal feeding conditions; however, additional studies are warranted to better evaluate their effects on longevity in females and other strains of mice. In this regard, there is great current interest in evaluating the effects of NAD+ precursors as therapies for metabolic disease and candidate anti-aging drugs129.