Biologija staranja

Biologija staranja

A. Ihan

Kaj je staranje?

www.methuselahmouse.org/• Longevity Prize (Prize fund: 3,286,321 US $)• The Longevity Prize is won whenever the world record lifespan for a mouse of the

species most commonly used in scientific work, Mus musculus, is exceeded.• The amount won by a winner of the Longevity Prize is in proportion to the size of the

fund at that time, but also in proportion to the margin by which the previous record is broken. The precise formula is:

• Previous record: X daysNew record: X+Y daysLongevity Prize fund contains: $Z at noon GMT on day of death of record-breaker Winner receives: $Z x (Y/(X+Y))

• Thus, hypothetically, if the new record is twice the previous one, the winner receives half the fund. If the new record is 10% more than the old one, the winner receives 1/11 of the fund. The fund can thus never be exhausted, and the incentive to break the new record remains intact indefinitely. This is very different from a structure that specifies a particular mouse age at which the whole fund is awarded. We believe this to be a very important difference: public attention will be best engaged and maintained by a steady stream of record-breaking events that demonstrate scientists are taking progressively better control of the aging process.

Kaj je staranje?

Staranje je programiran biološki proces,ki omogoča optimalen obstoj vrste

Progresivni proces, ki spreminja zdrav, homeostatsko uravnan

organizem v manj zdrav, homeostatsko manj zmožen

organizem.

Kaj je staranje?

Aging is a process of general, irreversible, and progressive

physical deterioration that occurs over time.

Genes, Aging, and Immortality. Charlotte A. Spencer

Staranje in organizem

• Zmanjšana dejavnost tkiv in organov

• Povečana možnost nastanka bolezni

• Zmanjšana odpornost na stres

Dolžina življenja med vrstami

Staranje je programiran process, dolžina

življenja je nastala kot optimum za preživetje

vrste. Kratkoživeče vrste: večja

prilagodljivost, adaptibilnost na slabe razmere, vendar velika

potrošnja hranil v ekološki niši;.

Mehanizem staranja pri vseh vrstah podoben –

degeneracija celic, poškodbe DNA (rak) – nekatere vrste po nekaj

letih, druge po nekaj desetletjih.

Univerzalnost staranjaLjudje Miši

Glive Črvi

Celično staranje

•Zmanjšana količina energije proizvedene

v mitohondrijih

•Kopičenje poškodb DNA

•Kopičenje poškodovanih beljakovin

•Zmanjšana sinteza beljakovin

•Akumulacija netopnih molekul v celicah

Prezgodnje staranje (Progeria) – mutacija gena za strukturni protein celičnega jedra (pre)lamin A, ki se drži

jedrne membrane in povzroča njeno deformacijo

Sončni žarki - prezgodnje staranje kože

Kajenje >prezgodnje staranje

Genomika

~200 genov “staranja”

Teorije staranja

•Krajšanje telomer (biološka ura)

•Prosti radikali (metabolizem, vnetja)

•Nabiranje poškodb

•Evolucijski program

Kaj danes storimo zoper staranje?

Komaj kaj!

•Zdrav življenjki slog•Restrikcija kalorij?•Medicina – ne more vplivati na optimum, lahko povzroči,•da več ljudi doživi optimum vrste. Medicina popravlja motnje •(poškodbe, presnovne motnje, motnje pretoka krvi skozi žile), •ki bi sicer porušile ravnovesje fizioloških finkcij in vodile v •hitro dezorganizacijo telesno funkcij – smrt. 100 let nazaj je •večina večjih motenj (okužba, poškodba, tumor, odpoved •določene žleze) vodila v smrt; danes medicina motnjo •opredeli in jo skuša popraviti, še preden povzroči dezorganizacijo •drugih telesnih funkcij.

Kaj bi bilo mogoče storiti zoper staranje?

•Nadomeščanje iztrošenih celic•Regeneracija•Matične celice•Genska terapija•Telomerazna reaktivacija•Zdravila in druge učinkovine

Kaj je staranje?• Biokemijski in fiziološki proces• Povečana produkcija ROS• ROS povzroča poškodbe DNA• Zmanjšana produkcija celične energije• Zmanjšana vsebnost vode v celicah• Zmanjšana homeostatska zmožnost celic in tkiv

• Večja občutljivost za nastanek bolezni

Intenzivnost tkivnega metabolizma in življenska doba posameznih vrst

Oksidativna poškodba DNA je sorazmerna intenzivnosti tkivnega metabolizma

Kaj so ROS?

• Vsaka molekula z nesparjenimi elektroni

• Ekstremno kemijsko reaktivna

• Poškodba celičnh membran

• Povezava z nad 100 boleznimi

• Staranje, rak, ateroskleroza, artritis...

• Nekatere koristi (ubijanje mikrobov)

Tvorba ROS• Produkcija energije v mitohondrijih• Vnetja• Okolje• Ionizirajoče in UV sevanje• Stanja zmanjšanega pretoka krvi (ateroskleroza,

srčni infarkt)• Prehrana (mastna hrana)

Število zadetkov ROS

• Vsaka celica 10,000 poškodb dnevno

• 7,000,000,000,000 poškodb na sekundo v celem telesu

Celice imunskega sistema proizvajajo reaktivne kisikove

molekule in proste radikale (H2O2, OH., O2-.), ki lahko pobegnejo

nadzoru:

poškodbe makromolekul (DNA - mutacije, lipidi - peroksidacija, občutljive so zlasti celice imunskega sistema).

Oksidativna obremenitev se pojavlja pri boleznih, kot so:• staranje• artritis• rak• kardiovaskularna obolenja• diabetes• infekcije...

Tvorba ROS

Encimska

Superoksid dismutaza

2O2-. + 2H+ → H2O2 (mitohondrijska vsebuje Mn, citosolna pa Cu

in Zn)

Katalaza

2H2O2 → 2H2O + O2 (vsebuje Fe)

Glutation peroksidaza

GSH + H2O2 → GSSH + 2H2O (vsebuje Se)

Neencimska

Vitamini E, C in karotenoidi

Zaščita pred ROS

Membranska hipoteza staranja

• Mitohondriji tvorijo energijo, stranski produkt so ROS

• ROS poškodujejo mitohondrijsko DNA• Poškodbe se kopičijo• Produkcija energije se manjša• Funkcionalnost in homeostatska zmožnost celic

se manjša

Hipoteza – programirano staranje

• Geni, ki programirajo staranje

• Zaviraje genov, ki omogočajo “mladost”

• Kombinacija enega in drugega

• Bcl-2, Bcl-xL, Bax

Telomerazna teorija

• Telomere na koncu kromosomov tvorijo ponavljajoči doseki DNA

• Telomeraze so encimi, ki z delitvijo celic povzročajo krajšanje telomer

• S starostjo se telomere krajšajo in celica izgblja zmožnost delitve

• Krajšanje se lahko modificira z gensko tehnologijo

• Rakaste celice izgubijo možnost krajšanja telomer

Vnetna teorija – ROS zaradi kroničnih vnetij

• Dolgotrajne okužbe zaradi narave mikrobov (TBC, sifilis, bruceloza, malarija, aids...) ali imunske pomankljivosti (podaljšan potek okužbe)

• Preobčutljivost (“pomota” imunskih mehanizmov zaradi odzivanja proti neškodljivim tujkom (npr. Hrana, cvetni prah, mikrobna flora v črevesju)

• Avtoimunost (“napaka” v mehanizmih tolerance in imunsko odzivanje proti lastnim molekulam)

• Genske napake pri uravnavanju vnetja (deficiti komplementnih proteinov, citokinov...)

Vitamin E

O

OH

R3

R1

R2 CH3

CH3CH3 HH

tokoferoli (R=H ali Me)

O

OH

R3

R1

R2 CH3

CH3 CH3

tokotrienoli (R=H ali Me)

Glede na število in položaj Me skupin jih delimo na , , in tokoferole in tokotrienole.

Fiziološka vloga vitamina E

Vitamin E je najpomembnejši antioksidant, ki je topen v maščobah.

Vitamin E je lociran v celični membrani, kjer ščiti maščobne kisline in druge sestavine pred oksidacijo zaradi napada prostih radikalov.

Pomanjkanje je pri človeku redko (pri motnjah absorpcije in transporta lipidov).

Preventivno delovanje vitamina E?

• epidemiološke študije: ↑ plazemske konc. vitamina E zmanjšajo tveganje za razvoj kardiovaskularnih bolezni do 40%; klinične študije tega ne potrjujejo.

• živalski modeli: vit. E preprečuje nastanek tumorjev; človek: rezultati kliničnih študij so si nasprotujoči.

Toksičnost vitamina E je nizka (do 100x RDA).

Viri vitamina E: hrana rastlinskega izvora, predvsem rastlinska olja (olje pšeničnih kalčkov, sončnično olje, krouzno olje, margarina).

Več študij na ljudeh in živalih dokazuje, da je vitamin E pomemben za delovanje celic imunskega sistema.

Karotenoidi

Βeta-karoten, likopen, lutein...

• lovilci prostih radikalov v lipidni fazi

• beta-karoten spodbuja celično imunost (povezavo med monociti in limfociti)

• 18 od 20 epidemioloških študij dokazalo, da beta-karoten zmanjšuje incidenco raka na pljučih

• 3 klinične študije tega ne dokažejo; 2 študiji dokažeta celo povišano verjetnost razvoja raka pri kadilcih, ki jemljejo prehranska dopolnila z beta-karotenom

CH3

CH3

CH3

CH3

CH3

CH3

CH3

CH3 CH3

CH3

CH3

CH3

CH3

CH3

CH3

CH3

CH3

CH3 CH3

CH3

CH3

CH3

CH3

CH3

CH3

CH3

CH3

CH3 CH3

CH3

OH

OH

Beta-karoten

Likopen

Lutein

Vitamin C

Vitamin C in imunski sistem

• vitamin C je v visokih konc. prisoten v levkocitih in se med infekcijo hitro porablja

• antioksidantna zaščita plazemskih lipidov in lipidnih membran

• antioksidantna zaščita tkiva pred oksidanti, ki jih izločajo fagociti (mesto vnetja)

• spodbujanje sinteze citokinov itd.

• vitamin C in prehlad ??

Povečane potrebe: peptična razjeda, diabetes, karcinom, infekcije, po operaciji, stres, alkoholiki, kadilci, oralni kontraceptivi.

Vitamin C je močan reducent, ki se zelo hitro oksidira do dehidroaskorbinske kisline, ki razpade. Oksidacija poteče ob prisotnosti:

• kisika (čas shranjevanja in kuhanja)

• sledov kovinskih ionov (kuhanje)

• toplote (čas in način kuhanja)

• nevtralnega ali alkalnega pH

S kuhanjem na 100 °C lahko krompir izgubi do 40 % vitamina C.

Čas skladiščenja krompirja Izgube

50%65%

5 mesecev8 mesecev

Hrana

4 °C 20 °C

Fižol 33 53Cvetača 8 26Zelena solata 36 42Peteršilj 13 70Grah 10 36Špinača 7 22

Izguba (%)

Izgube vitamina C po samo dveh dneh:

Prehrana Slovencev pogosto vsebuje manj kot 30 mg vit.C/dan!!!Prehrana Slovencev pogosto vsebuje manj kot 30 mg vit.C/dan!!!

Ameriški Nacionalni onkološki inštitut priporoča:

Uživajte vsaj 5 kosov sadja ali zelenjave na dan (210-280 mg vit. C).

• zmanjšano tveganje za razvoj različnih oblik raka

• manj ishemičnih bolezni srca in možganskih kapi

Več vitamina C = boljše zdravje ???

Megaodmerki vitamina C

Pauling: zdravljenje prehlada z več grami vit. C/dan.

Danes: klinične študije teorijo ovrgle. Izjema: + vpliv 600 mg/dan pri maratoncih.

Toksičnost visokih odmerkov: napenjanje, driska, nevarnost nastanka oksalatnih kamnov.

Odmerki, večji od 1g niso priporočljivi.

Cink

V telesu 2-3 g (vezan na proteine).

Viri cinka: meso (AK ↑ abs.), ribe, mleko, mlečni izdelki, soja, polnozrnate žitarice (fitati ↓ abs.).

Fiziološka vloga: sestavni del več kot 200 encimov, zato pomemben pri rasti in delitvi celic, spolno dozorevanje, razmnoževanje, celjenje ran, delovanje imunskega sistema.

Cink in imunski sistem

• antioksidantna obramba (superoksidna dismutaza)• sestavni del timulina – hormona timusa (zorenje T limfocitov)• ključen za razvoj in delovanje nevtrofilcev, monocitov, celic NK, limfocitov B in T, itd....• pomanjkanje Zn močno poviša dovzetnost za infekcije (ki jo preparati s Zn spet znižajo)• povišane konc. Zn delujejo imunosupresivno

Selen

Viri: morska hrana, meso.

V hrani kot ion, v organizmu pa kovalentno v selenoproteinih (kot selenocistein ali selenometionin).

Najpomembnejši selenoprotein je glutation peroksidaza (redukcija H2O2 ali lipidnih peroksidov).

Študije zadnjih 30 let dokazujejo, da je zadosten vnos Se ključen za celično in humoralno imunost.

Membranska hipoteza staranja

• Mitohondriji tvorijo energijo, stranski produkt so ROS

• ROS poškodujejo mitohondrijsko DNA• Poškodbe se kopičijo• Produkcija energije se manjša• Funkcionalnost in homeostatska zmožnost celic

se manjša

Parametri staranja celic

• Zdravih celic (več kot 60 %)*• Nekrotičnih celic (manj kot 40 %)*• Apoptotičnih celic (manj kot 25 %)*• Celic s fragment. DNA (manj kot 10 %)*• Indeks (N + Ap) / Z (manj kot 1 )*• Celični drobir (delež) (manj kot 30%)• PMA indeks ROS/ celico: (manj kot 1,2 )*

Hipoteza – programirano staranje

• Geni, ki programirajo staranje

• Zaviraje genov, ki omogočajo “mladost”

• Kombinacija enega in drugega

• Bcl-2, Bcl-xL, Bax

STAROSTNIK

MOTNJE IMUNOSTI celična in humoralna imunost refleks kašlja, prekrvavitev organov, celjenje ran

PROBLEMI• sečila: enterobakterije, G+ bakterije

• pljuča: influenca, S. pneumoniae, H. influenzae, S. aureus, G-bakt.

• tbc• preleženine• endokarditis, prolongirane driske, vnetja sklepov, FUO

OD KJE OKUŽBE?oportunisti

bolnišnične okužbe: na oddelkukontaminacija zraka, vode: aspergilus, legionela, GNB, P. aeruginosa prenos z osebe na osebo: MRSA, VRE, ESBL, CD pri transportu, kri (herpesv., hepatitis, HIV, HTLV 1)

domače okolja: “hišni ljubljenčki” (salmonele, C. jejuni, L. monocytogenes), psi (DF 2, E. granulosus), mačke (bartonele, T. gondii, mikrosporiaza, C. burneti), ptiči (C. psittaci, C. neoformans), domače živali (R. equi, tularemija), sveža, slabo umita zelenjava, delikatesna hrana (L. monocytogenes), surovo meso (T. gondii),ribolov (A. hydrophyla, V. vulnificus), whirlpool (P. aeruginosa) dežele v razvoju (tbc, ošpice, S. stercoralis, G. lamblia, hepatitis), ZDA (H. capsulatum,), STD (CMV, HIV, HSV), ljudje (respiratorni virusi, enterični mikroorg.), okolje (Aspergillus, Nocardia, Legionella)

Presejalni imunski testi (spodnje mejne vrednosti pri 18 let)

zmanjšan protitelesni imunski odziv

  elektroforeza plazemskih beljakovin (gamaglobulini: <17 g/L)

  koncentracije imunoglobulinov: IgG (<8.0 g/L), IgM (<0.54 g/L), IgA (<1.15 g/L)

  izohemaglutininski titri (anti –A in anti –B): <1 : 8

  koncentracije ali titri specifičnih protiteles po imunizaciji (<4-kratni porast titra)

Presejalni imunski testi (spodnje mejne vrednosti pri 18 let)

zmanjšan celični imunski odziv  diferencialna bela krvna slika: koncentracija vseh limfocitov (<1200

celic/mm3)  koncentracija limfocitov B: <200 celic /mm3 koncentracija limfocitov T: (<1000 celic/mm3) podskupine limfocitov T: (<700 CD4+celic/mm3; <600 CD8+celic/mm3)  kožna reakcija pozne preobčutljivosti: (premer infiltrat <5-10 mm)  test blastnega preoblikovanja z mitogeni (znižan)

Presejalni imunski testi (spodnje mejne vrednosti pri 18 let)

okvare fagocitoze   diferencialna bela krvna slika: koncentracija

nevtrofilcev (<1000

celic/mm3)   kemiluminescenca (tvorba superoksidov): <1.5 V

(volta)   fagocitni test (<80 %) in mikrobicidni test (<70 %)

Presejalni imunski testi (spodnje mejne vrednosti pri 18 let)

okvara komplementa  celokupna hemolitična aktivnost komplementa

po klasični

poti (CH50): <72 %

hemolitična aktivnost komplementa po alternativni poti (APH50): <80 %

oportunisti (znotrajcelični paraziti, komenzali, običajna flora, okolje)

bakterije: tbc mikobakterije, L. monocytogenes, legionele, salmonele, enterokoki, netuberkulozne mikobakterije (npr.MAC)

virusi: herpes virusi, papilomavirus, virus ošpic, hepatitis B itd.glive: Candida spp, Aspergillus spp, Cryptococcus spp, Mucoraceae, Pneumocystis carinii praživali in paraziti: T. gondii, Cryptosporidium, Isospora belli, Strongyloides stercoralis, Encephalitozoon intestinalis/hellum, Enterocytozoon

Imunski status - limfocitne populacije

Imunski status – dolgoročno zaželjeni parametri

• Koncentracija limfocitov T pomagalk naj bo več kot 1000/mm3 – pomanjkanje pomeni več dela za makrofage in tvorbo ROS.

• Neugodna je trajno povečana koncentracija aktiviranih limfocitov T.

• Koncentracija limfocitov B naj po 30tem letu izrazito ne upada

• Neugodna je prisotnost avtoprotiteles (fosfolipidnih in drugih) - vzročni dejavnik za vnetja in produkcijo ROS

• Neugoden je povečan delež aktiviranih (CD23 in CD5) limfocitov B, ki pomenijo več vnetja, poliklonskih aktivacij in večjo možnost nastanka limfomov.

• Neugodna je zmanjšana koncentracija serumskih IgG in pojavljanje oligoklonalnih zobcev IgG.

Imunski status – starostni profil mediatorjev vnetja

• Mehanizem staranja - presežek v nastajanju ROS (reaktivnih kisikovih zvrsti, RKZ), ki oksidirajo proteine in jih ob presežku glukoze glikozilirajo ter s tem okvarjajo (»starajo«) tkiva; vir ROS so zlasti vnetne celice

• Potreba po večjemu nastajanju molekul ROS nastane z manjšo učinkovitostjo (staranjem) T celične imunosti – zato morajo tujke odstranjevati makrofagi, ki to delajo manj učinkovito, dalj časa in s stranskimi učinki (ROS)

• Za preprečevanje pojavov staranja je potrebno imeti “mlad” profil limfocitov, in imeti čim nižje koncentracije glukoze (glikozilacija beljakovin!!), CRP (vnetje), LDL (ateroskleroza), ROS (nespecifično vnetje), ščitničnega hormona in prostega kortizola

Imunostimulatorji

• Dopolnjevanje prehrane v primeru povečanih potreb ali pomankljive prehrane oz. presnove (vitaminski in mineralni pripravki, antioksidansi, aminokisline)

• Spodbujanje imunskega odziva v primeru pričakovanih okužb (rastlinski izvlečki, izvlečni bakterijskih in glivičnih sten, probiotiki)

• Spodbujanje imunskega odziva v primeru prizadetega imunskega odziva, napr. ob okužbah zaradi terapije s kortikosteroidi, citostatiki, zaradi hudih poškodb, kroničnih bolezni, hudih stresov (timusni hormoni in sintetični peptidi napr. timopoetin, timopentin; mikobakterijski muramilpeptidi; glivični glukani; interferoni, CSF-ji in drugi citokini ter njihovi analogi;

Probiotični mikroorganizmi

• Probiotični mikroorganizmi, ki so na voljo danes na policah trgovin z živili, imajo v glavnem učinek zaščite črevesne sluznice, ki je dobrodošla zlasti med črevesnimi vnetji, zlasti virusnimi.

• Blag imunostimulatorni učinek verjetno koristi za preventivo v času epidemij prehladnih virusov.

• Naslednje generacije probiotičnih mikrorganizmov bodo selekcionirane za večje in bolj določene učinke na stimulacijo imunskega sistema in bodo učinkovala pri zdravljenju alergij, kroničnih črevesnih vnetij, imunskih pomankljivosti. Vendar bodo v tem primeru neizbežni tudi potencialni neželjeni učinki, zato jih bo mogoče dobiti le v lekarnah za točno določene namene.

Rastlinski izvlečki • Škrlatna ehinaceja (Echinacea purpurea) Učinkovine škrlatne ehinaceje povečajo

število belih krvnih telesc in izboljšajo njihovo delovanje ter tako pospešijo odstranjevanje mikrobov in širjenje okužbe.

• Navadna barvilnica (Phytolacca americana) Njen koreninski izvleček fitohemaglutinin se uporablja v imunoloških eksperimentih kot močan stimulator in aktivator imunskih celic. Izvlečki (tinkture) so razmeroma močna tradicionalna zdravila s temu ustreznimi stranskimi učinki.

• Elevterokok (Eleutherococcus santicosus) Ginsengu podoben bršljan, deluje imunostimulatorno. Zmerno poveča aktivacjo imunskih celic, proizvodnjo protiteles in protivirusnih snovi – interferonov. Primeren kot preventiva v obdobjih, ko se obetajo epidemije virusnih obolenj. Delovanje je tako blago, da ni nevarnosti stranskih učinkov. Podobno velja tudi za izvlečke ginseng (Panax ginseng).

• Česen (Allium sativum) je močan antiseptik črevesja pri črevesnih okužbah, učinkuje tudi kot blag imunostimulant.

• Šitake (Cortinellus shiitake) je goba, vsebuje protivirusne snovi, deluje blago imunostimulatorno.

• Bradovec (Usnea barbata) je lišaj z močnim antiseptičnim delovanjem, tudi blago imunostimulatorno