Summary
Aging is a natural process characterized by progressive functional impairment and is an important risk factor for the development of chronic lung diseases. Structural alterations as well as immune senescence are accelerated by oxidative stress, mainly resulting from tobacco smoke. In the course of chronic lung diseases, i.e. chronic obstructive lung disease (COPD) and idiopathic pulmonary fibrosis (IPF), the following molecular changes associated with aging were described: shortening of telomeres, histone acetylation and reducing of anti-aging molecules such as histone deacetylases and sirtuins, apoptosis and increased concentration of pro-inflammatory cytokines like IL-6. The polarization of lymphocytes to the Th2, CD28null type was observed. The changes of extracellular matrix composition and accelerated aging of bone marrow mesenchymal stem cells have been recently described in IPF. These recognized mechanisms of senescence and inflamm-aging give new therapeutic interventions: antioxidants and deacetylase activators.
Keywords: cell aging, structural alterations, immune senescence.
Słowa kluczowe: starzenie komórek, zmiany strukturalne, starzenie układu immunologicznego.
Prof. dr hab. n. med. Joanna Domagała-Kulawik
Katedra i Klinika Chorób Wewnętrznych,
Pneumonologii i Alergologii WUM
Kierownik: prof. dr hab. n. med. Ryszarda Chazan
Istnieje wiele definicji starzenia organizmu, co wynika z różnorodności ich zastosowań. W odniesieniu do patomechanizmu chorób przewlekłych następujące określenie wydaje się najbardziej odpowiednie: starzenie charakteryzuje się postępującym ubytkiem funkcji biologicznych i homeostazy po okresie reprodukcyjnym, spadkiem obrony przed różnymi formami stresu oraz zwiększoną podatnością na występowanie chorób. Choroby wieku starczego: choroba Alzheimera, miażdżyca, choroby autoimmunizacyjne, cukrzyca, włóknienie płuc, POChP, charakteryzuje podobny charakter zmian komórkowych. W patogenezie wszystkich wykazano nasilenie omawianych w artykule cech starzenia komórek (1).
Podstawowe elementy starzenia organizmu na poziomie molekularnym
Stres oksydacyjny i nagromadzenie jego produktów w największym stopniu są odpowiedzialne za uruchomienie komórkowych mechanizmów starzenia. Określenie „teoria starzenia wolnych rodników tlenowych” ma poparcie wyników wielu badań, w których wykazano, że stres oksydacyjny przyspiesza fizjologiczne procesy, a antyoksydanty je spowalniają. Dym papierosowy zawiera ponad 1015–17 cząstek wolnych rodników w jednym „pufie” i jest najsilniejszym czynnikiem stresu oksydacyjnego. Inne to: czynniki infekcyjne, szczególnie wirusowe, białka szoku termicznego, wdychanie substancji szkodliwych (np. produkty spalania biomasy). Wolne rodniki tlenowe (ROS) uruchamiają kaskady reakcji poprzez czynniki transkrypcyjne. Należą do nich reakcje zapalne, ale również naprawcze. Jednym z celów stresu oksydacyjnego są komórkowe szlaki starzenia.
Telomery to grupy nukleotydów na końcu nici DNA czuwające nad przestrzenną organizacją chromatyny po kolejnych podziałach komórki, które zapewniają zachowanie informacji genetycznej. Jednocześnie, przy każdym podziale komórkowym, telomery skracają się. Liczba podziałów komórek jest więc określona (średnio 60–70 razy) i po zaprzestaniu dzielenia komórka stopniowo przechodzi w stan programowanej śmierci – apoptozy. Zachowanie stałej długości telomerów zapewniłoby nieśmiertelność komórki. Nad właściwym odtworzeniem końcowej nici DNA czuwa kompleks enzymatyczny – telomeraza. Jest to matryca do syntezy brakującego odcinka nici DNA w jej końcowym odcinku, dzięki czemu zapobiega nadmiernemu skracaniu odcinka telomerowego DNA i przedwczesnemu starzeniu się komórki. Zachowanie telomerów w komórkach progenitorowych zapobiega przedwczesnym chorobom degeneracyjnym. Za badania nad telomerami i telomerazą przyznano w 2009 r. Nagrodę Nobla (E.H. Blackburn, C.W. Greider i J.W. Szostak) (2).
U podstaw nasilenia procesu zapalnego pod wpływem stresu oksydacyjnego związanego z paleniem papierosów leży acetylacja histonów i zwiększona ekspresja czynników transkrypcyjnych ze zwiększonym uwalnianiem mediatorów zapalnych. Proces acetylacji jest odwracalny przez deacetylazy (HDACs). Zapobiegając acetylacji histonów, deacetylazy regulują procesy apoptozy, cyklu komórkowego, metabolizmu i przedwczesnego starzenia komórek. Sirtuiny to proteiny o właściwościach deacetylazy aktywne w licznych procesach zapalnych i starzeniu się komórek. Wyodrębniono 7 klas sirtuin, najważniejszą rolę odgrywają SIRT1 i SIRT6 (3). Potwierdzono aktywność SIRT1 w odniesieniu do licznych czynników transkrypcyjnych w komórkach (4). Dym papierosowy redukuje SIRT1 przez co zwiększa się acetylacja białek naprawczych DNA, FOXO3, NF-κB, p53, co skutkuje przyspieszonym starzeniem komórek. SIRT1 występuje w dużej ilości w komórkach macierzystych, zapewniając ich właściwości rozrodcze i naprawcze.
Dobrze poznanym regulatorem starzenia jest gen Klotho. Białko Klotho ma zdolności regulacji szlaków sygnałowych oraz właściwości ochronne przed stresem oksydacyjnym. Myszy pozbawione Klotho żyją bardzo krótko i rozwijają rozedmę płuc. Podobne cechy antyoksydacyjne ma białko SMP30 (senescence marker protein-30) (3). Do innych elementów molekularnych starzenia należy aktywność kinaz (MAPK, PI3K, mTOR), dysfunkcja genów naprawczych DNA oraz zaburzenia transportu białkowego.
W starzejących się organizmach potwierdzono obecność toczącego się na pewnym podstawowym poziomie zapalenia. Od wielu lat przedmiotem badań są zjawiska starzenia się komórek układu odpornościowego, zwane “immun-aging” lub “inflamm-aging”. Opis tych złożonych zjawisk zawdzięczamy Franceschi i wsp. (5). Autorzy zwrócili uwagę na fakt, że w toku ewolucji czynniki stresu stały się antygenami nieustannie stymulującymi układ immunologiczny. Podnosząc rolę stresu, autorzy twierdzą, że obrona przed stresem jest równa zdolności do przeżycia. Jako czołową komórkę zapalną należy w tym kontekście traktować makrofaga (makroph-aging). Makrofagi należą do najliczniejszych komórek w narządach, cechuje je wielofunkcyjność, od nich się zaczyna i na nich kończy proces zapalenia: od prezentacji antygenu poprzez wydzielanie najsilniejszych mediatorów (cytokin prozapalnych i wolnych rodników) po fagocytozę, czyli oczyszczanie z produktów zapalenia. W procesie starzenia immunologicznego obserwuje się zanikanie funkcji makrofagów i przybywanie ich liczby, niejako kompensacyjne.
Jedną z kluczowych cytokin zapalnych jest interleukina 6 (IL-6). Jej stężenie rośnie z wiekiem, razem z CRP należy do wspólnych wykładników stanu zapalnego w chorobach wieku starczego. O ile wykrywana jest w śladowych ilościach w surowicy osób młodych, to istotnie wzrasta w wieku 50–60 lat. Ponadto wykazano, że stymulowane limfocyty wydzielają znacznie więcej IL-6 u osób starszych. Równocześnie występuje zwiększone stężenie białek zapalnych: CRP, fibrynogenu, homocysteiny, ale także związków lipidowych: lipoprotein, natomiast obserwuje się spadek stężenia HDL, frakcji o właściwościach przeciwzapalnych (1,5). U podstaw starzenia układu immunologicznego leży aktywacja czynników transkrypcyjnych pod wpływem stresu oksydacyjnego. Czynniki transkrypcyjne, szczególnie NF-κB i kinazy (PI3K, MAPK), wpływają na uwolnienie molekuł zapalnych. W toku starzenia układu odporności zwiększa się znacznie stężenie wspomnianej już IL-6, ale również IL-8, IL-1β, TNF-α. Z kolei jest obserwowany spadek stężenia IL-2, co przemawia za niedoborem klonalnych populacji limfocytów T i obniżeniem specyficznej odporności komórkowej. Zmienia się też polaryzacja limfocytów T w kierunku odpowiedzi Th2. Fenotyp komórek NK ulega zmianie, czemu towarzyszy zmniejszenie ich zdolności cytotoksycznych. Pewne zaburzenia dotyczą także komórek odporności nabytej: przybywa komórek regulatorowych, zwiększa się odsetek wysoko dojrzałych limfocytów T bez ważnej molekuły kostymulacyjnej – CD28 (CD4/CD28null). Wyrazem starzenia układu odporności jest utrata umiejętności rozpoznawania obcych i własnych antygenów, czego objawem obserwowanym w praktyce jest brak odpowiedzi na szczepienia. Liczba granulocytów obojętnochłonnych produkujących enzymy proteolityczne zwiększa się w narządach osób starszych. Zwiększona liczba granulocytów i makrofagów jest niejako mechanizmem kompensującym upośledzenie ich funkcji (6). Należy podkreślić, że wymienione zmiany nie są odosobnione i uruchamiają krąg wzajemnie potęgujących się zależności.
Przyspieszone starzenie w patomechanizmie chorób płuc
Opisane powyżej elementy starzenia komórek strukturalnych i krążących komórek układu odpornościowego występują w układzie oddechowym. Fizjologicznie starzejące się płuca charakteryzuje usztywnienie tkanki podporowej i zmniejszenie powierzchni oddechowej. Te cechy morfologiczne odpowiadają tzw. rozedmie starczej. Wykazano, że POChP można opisać jako wywołane nadmiernym stresem oksydacyjnym, przyspieszone starzenie naśladujące procesy fizjologiczne. POChP i samoistne włóknienie płuc (IPF) to dwie najpoważniejsze choroby występujące jedynie u osób dorosłych i starszych, w których rozwoju występuje wiele wspólnych cech o typie przyspieszonego starzenia (7).
Przewlekła obturacyjna choroba płuc (POChP) jest jednym z największych problemów zdrowotnych nie tylko w zakresie chorób płuc, ale i w znaczeniu ogólnoustrojowym (8,9). Choroba jest nieuleczalna i nieuchronnie prowadzi do śmierci poprzez wieloletnie inwalidztwo. Dodatkowo w przebiegu POChP daje się zauważyć współwystępowanie z większą częstością innych poważnych chorób wieku podeszłego: choroby niedokrwiennej serca, miażdżycy, osteoporozy. Ponadto POChP jest stanem zagrożonym wystąpieniem raka płuca, a ostatnio podkreśla się współistnieje rozedmy i włóknienia płuc, które łączy się w jedną „nową” jednostkę chorobową (10). Dane epidemiologiczne uzasadniają rozwój badań nad patomechanizmem POChP. Ostatnio podsumowano wyniki licznych badań wskazujących na to, że zmiany patofizjologiczne w przebiegu POChP naśladują fizjologiczny proces starzenia, są wręcz przyspieszonym starzeniem na poziomie komórkowym (3,11). Potwierdzono m.in. zarówno skrócenie telomerów, jak i niedobór telomeraz. Zmiany dotyczą komórek strukturalnych: pneumocytów, śródbłonka, fibroblastów oraz komórek immunologicznych. Stwierdzono istotne skrócenie telomerów w limfocytach u chorych na POChP, korelujące z upośledzeniem funkcji płuc. W POChP występuje również niedobór deacetylaz (3,11).
W istocie, analizując zmiany patomorfologiczne w przebiegu rozedmy, można zauważyć, że są one podobne w tzw. rozedmie starczej i w POChP (tabela 1, rycina 1). Należy zaznaczyć i odróżnić te dwa procesy. POChP jest chorobą postępującą, charakteryzuje się szeregiem objawów klinicznych, także ogólnoustrojowych, dobrze zdefiniowanych, ze stałą, postępującą destrukcją miąższu płuc i obturacją dróg oddechowych. Z kolei fizjologiczne starzenie się układu oddechowego również manifestuje się pewnym stopniem obturacji, ale o powolnym przebiegu w czasie (klasyczny przykład ilustruje krzywa Fletchera). Przyspieszona destrukcja tkanki płucnej w wyniku procesów starzenia i upośledzonej odnowy prowadzi z jednej strony do rozedmy ze zmniejszeniem powierzchni czynnej wymiany gazowej, a z drugiej do nagromadzenia produktów tej destrukcji. Produkty te mogą stanowić rodzaj autoantygenu, uruchamiając mechanizmy nasilonej obrony z udziałem komórek cytotoksycznych CD8+, jednocześnie są nieefektywnie usuwane przez mało wydolne, przedwcześnie „stare” komórki fagocytujące (12). W ten sposób uruchomiony proces zapalny trwa latami, nawet po usunięciu działania czynnika sprawczego, czyli po zaprzestaniu palenia papierosów (13). Włączone są w ten proces komórki zapalne: makrofagi, neutrofile, limfocyty CD8+, komórki regulatorowe i interleukiny prozapalne: IL-8, IL-6,IL-1β, TNF-α, wymieniane w procesach starzenia układu immunologicznego.
| Tabela 1. Mechanizmy starzenia, które mogą mieć znaczenie w patogenezie POChP i IPF – zaznaczono kierunki i nasilenie zmian wynikające z aktualnych badań (objaśnienia skrótów w tekście) (3,6,11,17) | |||
| Starzenie fizjologiczne | POChP | IPF | |
| Czynność płuc | ↓ | ↓↓ | ↓↓ |
| Stres oksydacyjny | Makrofagi, neutrofile, monocyty wykazują zwiększoną produkcję ROS, nasila się skracanie telomerów | ↑↑ | ↑↑ |
| Długość telomerów | ↓ w leukocytach | ↓ zależnie od palenia | Mutacje telomerazy w rodzinnym IPF |
| Limfocyty T | ↑ liczby CD28null | ↑ liczby CD28null | ↑ liczby CD28null, profil Th2 |
| IL-6, IL-8, TNF-α, IL-1β | ↑ | ↑↑ | ↑ |
| IL-2 | ↓ | → | |
| Neutrofile | ↑ | ↑↑↑ | ↑ w BAL |
| Makrofagi | ↓ wydzielania cytokin prozapalnych | wydzielania cytokin prozapalnych | wydzielania CCL18, IL-8, CCL2, S100A9, MIF |
| ECM | Zmiany składu – ubytek białek podporowych | Zmiany składu, ↑ TGF-β, przebudowa, włóknienie | |
| Cechy starzenia B-MSC | Zwiększa ryzyko włóknienia | ||
| Aktywacja czynników transkrypcyjnych | ↑ | ↑↑ | |
| Molekuły hamujące starzenie | ↓ ekspresja Klotho w CD4 | W modelach mysich Klotho „–” rozedma W płucach rozedmowych ↓ SIRT1, HDAC |
Nieznane |
Potwierdzone znaczenie elementów przyspieszonego starzenia w patogenezie POChP znajduje implikacje praktyczne w próbach wprowadzenia nowych środków spowolnienia przebiegu tej nieuleczalnej choroby (11,14). Wykazano, że aktywację SIRT1 można osiągnąć wzbogaceniem diety w naturalne polifenole: resweratrol, kurkumę. Proponowane działania o aktywności hamującej przyspieszone starzenie obejmują stosowanie środków niefarmakologicznych i farmakologicznych (zmniejszenie dowozu kalorii, wysiłek, rapamycyna, resweratrol, pobudzenie p53, metformina). Silne działanie antyoksydacyjne ma acetylocysteina, która zwiększa produkcję glutationu i neutralizuje oksydanty, ma właściwości naprawcze także w makrofagach, fibroblastach i nabłonkach. Podobne właściwości ma karbocysteina i erdosteina. Nowe leki hamujące zapalenie mają punkt uchwytu w hamowaniu inflamm-aging: roflumilast i inhibitory czynników transkrypcyjnych. Podstawowe jest oczywiście zapobieganie opisanym procesom poprzez unikanie wpływu dymu papierosowego. Zaprzestanie palenie jest nadal jedyną interwencją, która może wpłynąć na zmianę naturalnego przebiegu POChP.
Samoistne włóknienie płuc (idiopathic pulmonary fibrosis, IPF) jest chorobą przewlekłą, postępującą, o niewyjaśnionej etiologii. Stanowi najczęściej występującą grupę samoistnych chorób śródmiąższowych (15). IPF jest chorobą ludzi starszych – po 75. roku życia występuje ok. 50 razy częściej, niż poniżej 35. roku życia. Również śmiertelność jest istotnie większa u osób starszych. Molekularne cechy starzenia rozpoznano szczególnie w rodzinnie występujących przypadkach IPF. Za udziałem mechanizmów starzenia przemawia też wpływ stresu oksydacyjnego związanego z paleniem papierosów i zaostrzeń wirusowych na rozwój choroby. Opisano częste współistnienie włóknienia i chorób degeneracyjnych o podłożu genetycznym związanym ze skróceniem telomerów.
Elementy przedwczesnego starzenia w patomechanizmie IPF mają nieco odmienny charakter niż w POChP, jakkolwiek wspólnym wykładnikiem jest stres oksydacyjny i mutacje zmieniające układ telomerów. IPF charakteryzuje się nadmiernym włóknieniem miąższu płuc i nieprawidłową odnową po, nieznanym dotychczas, uszkodzeniu. Najnowsze teorie przedstawiają IPF jako odpowiedź na uszkodzenie pneumocytów, zwanych obecnie komórkami nabłonkowymi pęcherzyków typu II (alveolar epithelial cells II, AECII) (7). Proponowana sekwencja zmian obejmuje kolejno: mutacje i skrócenie telomerów nasilone przez stres oksydacyjny. Uszkodzenie dotyczy głównie prekursorowych komórek nabłonka, które przedwcześnie zanikają i odbudowują się w sposób nieprawidłowy, co pociąga za sobą nieprawidłowe procesy naprawcze prowadzące do włóknienia (7). Nie tylko zmniejszenie liczby komórek AECII, ale też niedobór surfaktantu wywołuje spaczone procesy naprawcze – nadmierne włóknienie i powstawanie zmian o typie „plastra miodu”.
W przebiegu starzenia, szczególnie przyspieszonego, dochodzi do aktywacji i wyczerpania puli komórek macierzystych. Wykazano udział dwóch populacji komórek macierzystych szpiku w patogenezie IPF: hematopoetyczne – B-HSC (posiadają markery CD45, CD34) i mezenchymalne – B-MSC. Badania eksperymentalne wykazały udział obu populacji w procesie włóknienia po bleomycynie (16,17). B-HSC mają właściwości fibrocytów, są zdolne do migracji do płuc pod wpływem CXCL12, a ich zwiększona liczba w krążeniu jest złym czynnikiem rokowniczym w IPF. B-MSC pochodzące od osób starszych wykazują takie cechy starzenia, jak: uszkodzenie DNA, skrócenie telomerów, zwiększoną produkcję ROS, apoptozę, niedobór białek naprawy DNA (ERCC1). U osobników starszych następuje niedobór i wyczerpanie populacji B-MSC.
Ważną strukturą w rozwoju włóknienia jest macierz międzykomórkowa (extracellular matrix, ECM) (18), zbudowana z kolagenów, elastyny, proteoglikanów oraz fibronektyny, aktywnego składnika bliznowacenia. W procesie starzenia obserwuje się zwiększoną aktywność TGF-β, cytokiny o silnym działaniu profibrotycznym. Zmianie ulega również skład kolagenu ECM, co stanowi nowe podłoże dla napływających komórek macierzystych B-MSC o „starzejącym” fenotypie. Z jednej strony zmienia się środowisko rozwoju włóknienia, z drugiej występuje niedobór fenotypowo starych komórek macierzystych mezenchymalnych i nadmiar fibrocytów. W modelu mysim wykazano, że infuzja B-MSC hamuje włóknienie oraz zmienia profil cytokinowy ECM. Te zdolności immunomodulacyjne B-MSC mogą znaleźć zastosowanie w terapii.
Włóknienie płuc z charakterystycznym obrazem histologicznym UIP (zwykłego zapalenia śródmiąższowego), takim jak w IPF, jest częstym i poważnym powikłaniem reumatoidalnego zapalenia stawów (rzs). W przebiegu rzs udokumentowano występowanie wymienionych wyżej elementów starzenia. Chorobę uważa się za bardzo dobry przykład schorzenia o typie przedwczesnego starzenia (selman). Wiek jest najważniejszym czynnikiem ryzyka rozwoju rzs. Wykazano m.in. zmniejszoną ekspresję Klotho i jego supresję w komórkach CD4+ oraz korelację z liczbą komórek CD4/CD28null. Powyższe obserwacje dostarczają dodatkowych argumentów za znaczeniem teorii starzenia w rozwoju włóknienia płuc (17).
Wydaje się, że odkrycie znaczenia szkodliwości stresu oksydacyjnego w punkcie przestrojenia mechanizmów komórkowych na przyspieszone starzenie może mieć kluczowe znaczenie w zbliżeniu się do zrozumienia przyczyn chorób przebiegających z destrukcją miąższu płuc. Przyczyny POChP i IPF są nieznane, palenie papierosów w przypadku obu chorób jest czynnikiem sprawczym, ale tylko u tych osób, które mają pewne podłoże genetyczne. Być może nowym kierunkiem terapii będzie możliwość przestrojenia tych zmian, do czego podstawą mogą być przedstawione wyniki aktualnych badań.
Adres do korespondencji:
prof. Joanna Domagała-Kulawik
Katedra i Klinika Chorób Wewnętrznych, Pneumonologii
i Alergologii WUM
ul. Banacha 1a, 02–097 Warszawa, tel./fax 22 599 25 62
e-mail:kchwpa@amwaw.edu.pl
Piśmiennictwo:
