Prof. MUDr. Jaroslav Masopust, DrSc. 2. lékaøská fakulta UK Praha, Ústav klinické biochemie a patobiochemie. 4. Klinické projevy stárnutí

Transkript

1 Prof. MUDr. Jaroslav Masopust, DrSc. 2. lékaøská fakulta UK Praha, Ústav klinické biochemie a patobiochemie ŽIVOT jako DÌDIÈNÉ SMRTELNÉ ONEMOCNÌNÍ pøenášené POHLAVNÍMI BUÒKAMI (Klinické projevy stárnutí, stáøí a choroby, horméza, regenerace a kmenové buòky, oxidaèní a antioxidaèní mechanismy, nádorová proliferace, výjimeènost lidského mozku) - 3. èást 4. Klinické projevy stárnutí U žen je to známá menopauza jako dùsledek vyhasínání funkce vajeèníkù. Menší pozornost má obdobný proces u mužù (viz obrázky 19, 20, 21, 22). Stáøí a choroby Stáøí není nemoc, ale nebývá bez chorob. Snížená funkce orgánù u starších jedincù vede k vyššímu výskytu nìkterých chorob (Obr. 23). Podle N. Lane (Lane N., 2003) stárnutí je spíše funkcí vzrùstajícího intracelulárního oxidaèního stresu než postupujícího vìku jedince. Na druhé stranì však únik volných radikálù (ROS) z mitochondrií se zvyšuje s vìkem. Mitochondriální únik ROS navozuje genetickou odpovìï zpùsobenou pøedcházejícími infekcemi (nebo vìtšími stresy); tento únik však stále pokraèuje a tím i odpovìï, tj. zvýšená exprese genù na kritický redoxsignál (nevyváženost mezi produkcí ROS Obr. 19: Klinické projevy stárnutí u žen a u mužù 4 Labor Aktuell 03/09

2 a anti-oxidaèním systémem) perzistuje, což vede k chronickému stresovému stavu, charakteristickému pro vyšší vìk. Obr. 20: Projevy sarkopenie (úbytek svalové hmoty) Obr. 21: Projevy osteoporózy (úbytek kostního minerálu) Obr. 22: Stárnutí epidermis Strašákem seniorù je Alzheimerova nebo Parkinsonova choroba. Alzheimerova choroba je neurodegenerativní onemocnìní pøedevším starších jedincù projevující se progresívní ztrátou pamìti a demencí. Depozity amyloidu β (Aβ) a vytváøení neurofibrilárních smotkù zpùsobuje progresívní zánik neuronù. Parkinsonova choroba je neurodegenerativní onemocnìní neuro-melanin obsahujících neuronù mozkového kmene (pars compacta substancia nigra). Pøi ztrátì striátového dopaminu o 80 % dochází k zhoršujícím se klinickým projevùm jako je akineze, rigidita, klidový tøes. Pøíèina je multifaktoriální s genetickou predispozicí: exogenní a interní (1-methyl-4-fenyl-1,2,3, 6- tetrahydropteridin-like faktor nebo α-synuklein), toxiny a faktory stárnutí, deplece DGN (nervový rùstový faktor gliových bunìk) a pøedevším oxidaèní stres (substancia nigra obsahuje relativnì málo glutathionu bránícímu úèinku reaktivních forem kyslíku) iniciují zánìtlivou reakci neuroglie vedoucí v koneèném dùsledku k zániku postižených motorických neuronù. (Obr. 25) S postupujícím vìkem dospìlých jedincù se snižují funkce øady orgánù, u nìkoho pomaleji u jiného rychleji. Jako mìøítko úspìšného stárnutí, tj. bez výskytu závažnìjších zdravotních nedostatkù, byla doporuèena hodnota cystatinu C. Jeho stanovení se používá jako mìøítko funkce glomerulù; zøejmì odráží nejen dlouhodobé zvýšení krevního tlaku, ale má tímto i vliv na kardiovaskulární systém a kognitivní funkce (Guralnik JM, 2008). Stárnutí a imunitní systém Je všeobecnì známo, že stárnutím ubývá na imunitní obranì organismu (De La uente M., 2002). Nejvíce bývá postižena imunita zprostøedkovaná buòkami, což se projevuje hlavnì na funkci T-lymfocytù (snížení proliferaèní aktivity a produkce IL-2). Pøitom nespecifická imunitní odpovìï nebývá dotèena. Není tomu však u všech jedincù. Ti, kteøí mají zachovanou dobrou imunitní odpovìï, se dožívají vyššího vìku. Poruchy v imunitním obranném mechanismu se kladou na vrub zvýšenému oxidaènímu stresu. Labor Aktuell 03/09 5

3 Obr. 23: Nejèastìjší choroby vyššího vìku Obr. 24: Schéma mechanismu vzniku Alzheimerovy choroby 5. Reparace a regenerace V prùbìhu života jedince buòky nìkterých tkání jednak zanikají a jednak vznikají nové (regenerace), nìkteré existují po celý život. Udává se, že tkánì lidského jedince se v prùmìru obnoví za každých sedm let. Je to zkreslený údaj; jsou znaèné rozdíly mezi buòkami rùzných tkání (orgánù). Kupø. velmi rychle se obnovují epitelové buòky tenkého støeva (každých hodin), rovnìž tak parietální buòky žaludeèní sliznice; epitelové kožní buòky se obnovují v prùmìru bìhem tøí týdnù, životnost èervených krvinek je 120 dní, hepatocyty se obnovují po sedmi mìsících; kardiomyocyty v množství 1 % za rok ve vìku 25 let a pouze 0,45 % v 75ti letech (Bergmann O., 2009). Buòky nervové se po narození neobnovují vùbec, jen ve velmi malém poètu v 1. roce života. Získané informace uložené v cytoplasmì neuronù v prùbìhu ontogeneze by jejich zánikem zanikly také. Zánik pro organismus nepotøebných nebo opotøebovaných bunìk se dìje pochodem, nazývaným apoptóza. Jde o proces, který probíhá v organismu nepozorovanì a je programovaný, na rozdíl od násilného zániku bunìk zpùsobeném škodlivinou, který se nazývá nekróza. Ta navozuje vìtší nebo menší odpovìï organismu (lokální nebo celkovou). Obraznì øeèeno: apoptózu mùžeme pøirovnat k jakési eutanázii buòky a nekrózu k bunìèné vraždì. Za odklízecí èetu proteinových molekul je možno považovat ubikvitin-proteasomový systém nazývaný také multikatalytický proteinázový komplex. Jde o velmi dùležitou extralysozomální degradaci nepotøebných proteinù v eukaryontních buòkách. Odstraòují se takto kupø. klíèové proteiny dùležité pøi regulaci cyklu bunìèného dìlení (cykliny aktivující cyklin-dependentní kinázy), které splnily momentálnì svoji úlohu, a další proteinové faktory umožòující vývoj plodu, diferenciaci, apoptózu, genovou transkripci, signální transdukci, stárnutí, zánìtlivou nebo stresovou odpovìï. Oxidované proteiny jsou pøednostnì degradovány 20Sproteasomovým komplexem nezávislým na pøítomnosti ATP, kdežto proteiny oznaèené ubikvitinem a polypeptidy jsou degradovány 26S-proteasomem, který potøebuje ATP. Lysozomy jsou dalším místem, kde dochází k degradaci proteinù proteolýzou. I tato dráha je aktivována stárnutím bunìk. Akumulace lipofuscinu, což je agregát oxidovaných proteinù a lipidù, který tvoøí typické inkluze ve stárnoucích buòkách, ovlivòuje lysozomální aktivitu. Opravné mechanismy zaèínají už pøi poškození jaderné DNA (Obr. 26). Dalším dùležitým mechanismem, který ovlivòuje pøenos genetické informace, je interference RNA (RNAi). Efektorovou molekulou je soubor tzv. mikrorna (mirna = RNA), což jsou krátké (19-24 bází) nekódující úseky RNA, které posttranslaènì regulují genovou expresi. V lidském genomu bylo identifikováno asi 300 molekul rùzných mirna. Tímto mechanismem lze rovnìž zabránit uplatnìní škodlivých alterací v DNA. Udržování bunìk ve funkèním stavu a jejich regenerace Dìje se tak za pomoci mechanismu nazývaného hormesis. Aplikace hormézy v aktivitách ovlivòujících stárnutí respektive zpomalujících stárnutí je založena na hypotéze, že biologické stárnutí spoèívá na progresívním selhávání homeodynamiky (Suresh I.S. Rattan, 2006). Se vzrùstajícím vìkem se hromadí narùstající alterace nuk- 6 Labor Aktuell 03/09

4 Obr. 25: Schéma mechanismu vzniku Parkinsonovy choroby Obr. 26: Schéma opravných mechanismù poškozeného úseku DNA leových kyselin, proteinù a lipidù. Neschopnost udržovat tyto molekuly ve funkèním stavu a porucha mechanismù jejich obnovy ve stáøí znaènì stoupá. Tuto nepøíznivou situaci zlepšuje krátké vystavení bunìk i celého organismu mírným stresovým podnìtùm, které navodí expresi genù produkujících faktory, které pozitivnì ovlivòují mechanismy údržby a reparace bunìk. Indukce stresové odpovìdi se dìje prostøednictvím transkripèních faktorù reagujících na tepelný šok (heat shock transcription factors = HS ), pùsobících jako zprostøedkovatelé mezi environmen- tálním stresem a stresovou odpovìdí bunìk (organismu). U obratlovcù byly identifikovány ètyøi rùzné HS (HS 1 až HS 4). Tyto transkripèní faktory aktivují v bunìèném jádøe geny kódující produkci proteinù teplotního šoku (heat shock proteins = HSP). HSP u savcù tvoøí rodiny èlenù, které se liší mírou inducibility, intracelulární lokalizací a funkcí (jako chaperony nebo proteázy). Úloha chaperonù spoèívá v renaturaci rozbalených (unfolded tj. èásteènì denaturovaných) molekul proteinù. Na ty, které nelze takto opravit, pùsobí proteázy, pomáhající denaturované proteiny odstranit. Na bifázický efekt pøi aplikaci rùzných látek (kupø. jedù) upozoròoval už Paracelsus, když konstatoval, že každá látka se mùže stát jedem, záleží jen na množství podané dávky. Pøitom v urèitém malém množství mùže pùsobit i blahodárnì (Obr. 27). Hormetický efekt (bifázický úèinek) se netýká jen podávaných chemických látek (nebo nutrientù), ale též rùzných aktivit organismu, pøísunu a výdeje energie a také vlivu vnìjšího prostøedí (Tab. 4). Na rozdíl od mírného stresu nadmìrný stres (!!) zpùsobuje urychlení stárnutí (viz Obr. 28) (Ben-Porath I., 2004). K tomu se váže další termín - allostasis, což je nastavení organismu na hranièní hodnoty zátìže (stresoru), které mají ještì schopnost pomocí regulaèních mechanismù ustát a adaptovat se i na vìtší zmìny prostøedí, tj. udržet stabilitu organismu pøi vìtších a dlouhodobých zmìnách prostøedí. Porušená alostáza je charakterizována výraznì zvýšenou stresovou odpovìdí a pomalým návratem k normì. (Tab. 4) Mírný stres navodí aktivaci transkripèních faktorù jako jsou faktory odpovìdi na teplotní šok (heat shock factors = HS s) a jejich translokaci do bunìèného jádra, kde iniciují expresi genù teplotního šoku s následnou transkripcí a preferenèní translací a tvorbou proteinù teplotního šoku (HSP). Optimální odpovìï na mírný stresor prostøednictvím syntézy a aktivity HSP je nezbytná pro pøežívání bunìk. Na druhé stranì nedostateèná nebo pozmìnìná odpovìï navozuje abnormální rùst a vývoj, stárnutí a apoptózu. Když na buòky zaène pùsobit stresor, projeví se to ve zmìnách cytoskeletonu a cytoplazmatických struktur, morfologii bunìèných povrchù, celulárním redox-stavu, syntéze DNA, proteinovém metabolismu a na stabilitì bunìèných bílkovin. Stres vyvolává molekulové poškození, zejména abnormální poskládání polypeptidového øetìzce proteinù, které mohou agregovat a navodit kaskádu stresové odpovìdi (Rattan S., 2006). Na stresovou odpovìï bunìk možno nahlížet jako na adaptivní reakci, jejímž úèelem je ochrana a uchování jejich strukturální a funkèní integrity. Pravidelná mírná tìlesná námaha (Radak Z., 2008) zlepšuje kardiovaskulární systém stimulací adaptaèních mechanismù jako je produkce NO (vazodilatace), zvyšuje objem svalové hmoty a ovlivòuje Labor Aktuell 03/09 7

5 Obr. 27: Bifázický efekt pøi podání urèité látky v rùzném množství Tab. 4: Hormesis (indukující faktory, mechanismus, následné úèinky) pozitivnì rezistenci vùèi stresu. Ukázalo se, že pravidelná tìlesná cvièení snižují incidenci Alzheimerovy choroby zvýšením tvorby neurotrofinù jako je nervový rùstový faktor (NG ), brain-derived neurotrophic factor (BDN ), dochází k aktivaci IG -1 nebo Ca-kalmodulinové proteinkinázy II. Hormetický úèinek na mentální zdraví lze navodit nejen cvièením, plaváním ale též zdravou dietou a správným životním stylem (Gomez-Pinilla., 2008). Regenerace pomocí kmenových bunìk Pro regeneraèní medicínu by se z teoretického hlediska hodily nejlépe embryonální kmenové buòky, které se vyznaèují omnipotencí (pluripotencí), to znamená, že z nich mohou vzniknout všechny buòky urèitého jedince, kupø. kdyby byly k dispozici skladované buòky z oplodnìného vajíèka jednoho z identických dvojèat. Toto není v humánní medicínì reálné, proto jsou hledány jiné cesty, kupø. reprogramování somatických bunìk, které by tak získaly vývojový program (pluripotenci) embryonálních kmenových bunìk. Byly hledány zpùsoby, jak buòky s pluripotentními vlastnostmi pøipravit z bunìk tkání daného jedince i v dospìlosti. Jednou z takových technik je pøíprava indukovaných pluripotentních kmenových bunìk (ips). Princip spoèívá v simultánním vnesení definovaných transkripèních faktorù aktivujících vývojový embryonální program pomocí retrovirových vektorù (kupø. Okita K., 2007 nebo Yamanaka S., 2007). Tento zpùsob ale má potenciální nebezpeèí mutageneze (nepøedvídatelné genetické dysfunkce). Jsou proto hledány další modifikace. Jednou z velmi slibných je reprogramování somatických bunìk za použití polycistronového vektoru (Carey BW, 2009). Reprogramování spoèívá v nonvirové transfekci multiprotein exprimujícího vektoru (vazba na 2A peptidy), který kóduje sekvenci ètyø transkripèních faktorù (Oct3/4, Sox2, c-myc a Klf4) charakteristických pro pluripotenci embryonálních kmenových bunìk, do genomu somatických bunìk (kupø. fibroblastù nebo keratocytù). Kombinací tohoto non-virového vektoru s piggybac transposonem se výraznì zvýšila exprese potøebných markerù pluripotence. Vysoce diferencované savèí buòky jakou jsou kupø. kardiomyocyty nejsou schopny dále se dìlit; jsou-li poškozeny (akutní infarkt myokardu), neregenerují a jsou nahrazeny jizvou. Naproti tomu embryonální a fetální kardiomyocyty si schopnost proliferovat udržují. Nedávno (Engel B, 2005) bylo v experimentu prokázáno, že ovlivnìním jednoho z regulaèních faktorù cyklu bunìèného dìlení, kterým je p38 MAP-kináza, lze navodit proliferaci též u dospìlých savèích kardiomyocytù. aktor p38 je negativní regulátor exprese genù pùsobících na mitózu, jako jsou cykliny A a B. Aktivita kardiospecifického p38α nepøímo koreluje s proliferací kardiomyocytù v embryonálním a fetálním období. Tyto experimenty prokazují, že je možné ovlivnit potlaèenou proliferaci bunìk srdeèního svalu, navodit jejich dediferenciaci (návrat do embryonálního stádia) a umožnit jejich regeneraci v poškozeném místì aplikací látek inhibujících faktor p38. Srdeèní tkáò obsahuje také malý rezervoár kmenových a progenitorových bunìk (Barile L., 2007; Roccio M., 2008) prokazatelné pøítomností charakteristických markerù jako je c-kit, Sca-1,Isl-1 nebo MDR-1 s regeneraèním potenciálem. Toto otvírá novou terapeutickou strategii - kardiomyoplastiku, která by mohla být využita pro obnovení poškozeného myokardu. Pokraèování pøíštì 8 Labor Aktuell 03/09