Nová zjištění v oblasti senolytik: Mastné kyseliny a eliminace stárnoucích buněk
Nová studie identifikovala dvě polynenasycené mastné kyseliny, α-eleostearic acid (α-ESA) a α-ESA methyl ester (α-ESA-me), které vykázaly senolytickou aktivitu v buněčných kulturách a na myším modelu.
Role senescentních buněk ve stárnutí
Stárnoucí buňky, známé také jako senescentní buňky, představují jeden z klíčových procesů souvisejících se stárnutím. Tyto buňky se s věkem hromadí, zastavují se v buněčném cyklu a jsou odolné vůči buněčné smrti. Uvolňují zánětlivé faktory, souhrnně označované jako senescence-associated secretory phenotype (SASP), které mají nepříznivé účinky na okolní buněčné prostředí a přispívají k rozvoji mnoha chorob souvisejících s věkem, jako je diabetes, rakovina, osteoartritida a Alzheimerova choroba.
Eliminace senescentních buněk je proto předmětem rozsáhlého výzkumu jako strategie proti stárnutí. Ačkoliv bylo identifikováno několik senolytik, která dokáží senescentní buňky odstranit, mnohá z nich mají významné vedlejší účinky, což brání jejich širokému použití. Existuje tak nadále potřeba identifikovat bezpečnější a účinnější možnosti. Vědci této studie se zaměřili na mastné kyseliny, přírodní sloučeniny s různými terapeutickými účinky, a zkoumali jejich potenciál jako senolytik.
Hledání senolytik
Vědci zahájili studii screeningem mastných kyselin, u kterých byly dříve popsány zdravotní přínosy a dietní funkce, za použití kultur senescentních buněk. Bylo zjištěno, že strukturní rysy určitých mastných kyselin korelují s jejich potenciální senolytickou aktivitou.
Přestože se nezdálo, že by existovala jednoduchá korelace mezi senolytickou aktivitou a délkou uhlíkového řetězce, jiné strukturní prvky, jako je poloha a konfigurace dvojných vazeb v mastných kyselinách, ovlivňovaly senolytickou aktivitu. Některé mastné kyseliny vykazovaly senolytickou aktivitu v jedné konfiguraci, ale nikoliv v druhé. Esterifikace a konjugace, při níž dvojné vazby nejsou odděleny více jednoduchými vazbami, ale objevují se v alternujícím vzoru, rovněž ovlivňovaly senolytickou aktivitu; například většina nekonjugovaných mastných kyselin postrádala senolytickou aktivitu.
Na základě tohoto screeningu byly vybrány dvě mastné kyseliny: nejúčinnější senolytikum, α-eleostearic acid (α-ESA), a nejselektivnější senolytikum, α-ESA methyl ester (α-ESA-me). Obě jsou 18uhlíkové konjugované mastné kyseliny.
Senolytická aktivita bez známek toxicity
Identifikované mastné kyseliny byly dále testovány na různých modelech, včetně myší a lidských buněčných linií, u nichž byla senescence vyvolána různými stresory. Tyto testy potvrdily výraznou senolytickou aktivitu α-ESA a α-ESA-me; nicméně byla zaznamenána určitá buněčně specifická variabilita. Byly také pozorovány rozdíly mezi oběma mastnými kyselinami. Například α-ESA vykazovala vyšší účinnost a vyvolávala senolýzu rychleji, zatímco α-ESA-me demonstrovala vyšší selektivitu a stabilnější, dlouhodobější účinek.
Kromě testování v buněčných kulturách vědci testovali obě mastné kyseliny na přirozeně stárnoucích myších (20–22 měsíců věku) po dobu 5 dnů. α-ESA-me byla účinnější při snižování tkáňové senescence, zejména v játrech a srdci. U ještě starších myší (32 měsíců) α-ESA-me významně snížila senescenci a faktory SASP v mnoha tkáních, přičemž nejsilnější účinky byly pozorovány v tkáních ledvin, jater a plic.
Jelikož byl účinek α-ESA-me silnější, byla tato látka dále testována na myších s progerií. Krátkodobá léčba (3 dny) vedla ke snížení markerů senescence a faktorů SASP. Dlouhodobá léčba α-ESA-me (třikrát týdně po dobu 6 týdnů, počínaje 10. týdnem věku) vedla ke snížení poškození DNA, senescence a markerů SASP, snížení komplexního skóre symptomů stárnutí a ke zvýšení počtu proliferujících buněk, a to vše bez systémových toxických účinků. Tato zjištění naznačují senolytickou aktivitu α-ESA-me a její potenciál ovlivnit procesy spojené s regenerací.
Zkoumání mechanismu účinku
Dále vědci zkoumali mechanismus, který je základem buněčné smrti senescentních buněk indukované α-ESA a α-ESA-me. Nejprve vyloučili možnost, že buňky přeměňují α-ESA a α-ESA-me na metabolity, které hrají roli v senolytické aktivitě těchto sloučenin.
Další směr výzkumu se zaměřil na to, zda α-ESA a α-ESA-me působí vyvoláním programované buněčné smrti (apoptózy), jako je tomu u většiny senolytik. Zkoumání různých forem buněčné smrti ukázalo, že se nejednalo o apoptózu, nýbrž o ferroptózu, formu programované buněčné smrti závislé na železe, spuštěné akumulací reaktivních forem kyslíku (ROS) a peroxidace lipidů. Blokování drah souvisejících s ferroptózou zastavilo α-ESA v indukci buněčné smrti. Navíc analýza genové exprese v ošetřených senescentních buňkách naznačila, že α-ESA a α-ESA-me mohou iniciovat transkripční program spojený s ferroptózou a potvrdila ferroptózu jako klíčového hráče v selektivní eliminaci senescentních buněk léčených těmito mastnými kyselinami.
Pro získání dalších poznatků vědci použili přístup strojového učení, který naznačil, že tyto dvě α-ESA měly profily interakce s molekulárními drahami podobné několika známým senolytickým sloučeninám, jako je dasatinib a quercetin, a induktorům ferroptózy, jako je erastin a sulfasalazin, na globální úrovni. Nicméně ve srovnání s těmito sloučeninami měly α-ESA nízkou pravděpodobnost systémové toxicity, zatímco vykazovaly vysokou perorální biologickou dostupnost a propustnost přes hematoencefalickou bariéru. Výsledky rovněž naznačily, že α-ESA nemusí přímo interagovat s proteiny zapojenými do zástavy buněčného cyklu a signalizace senescence, ale mohou vyvíjet nepřímý vliv.
In silico analýza identifikovala potenciální roli drah souvisejících s ferroptózou a několika proteinů (ACSL4, LPCAT3 a ALOX15) jako nezbytných pro senolýzu indukovanou α-ESA. Inhibice každého z těchto enzymů významně chránila buňky před ferroptózou indukovanou α-ESA, což experimentálně potvrdilo, že každý z těchto enzymů je nezbytný pro senolytický účinek α-ESA.
Tyto výsledky, kombinované s dalšími lipidomickými experimenty, naznačily možný mechanismus senolytické aktivity α-ESA a α-ESA-me. Zdálo se, že senescentní buňky mají zvýšené hladiny iontů železa (ferrous ions) a ROS ve srovnání s nesenescentními buňkami, a zvýšené hladiny železa v senescentních buňkách usnadňují zvýšenou produkci ROS.
Tento proces je zesílen α-ESA a α-ESA-me, protože jejich chemické struktury je činí vysoce náchylnými k tvorbě a šíření radikálů, čímž přispívají k produkci lipidových radikálů. V tomto procesu jsou α-ESA použity jako vysoce oxidovatelné „palivo“, které je dále využíváno osou ACSL4-LPCAT3-ALOX15 a začleněno do membrány, což vede ke ztrátě integrity membrány a ferroptotické senolýze.
„Tato práce jako první ukazuje, že lipidy mohou fungovat jako senolytika spuštěním odlišné formy buněčné smrti, nazývané ferroptóza, na rozdíl od většiny současných senolytických strategií,“ uvedl Paul Robbins, korespondenční autor studie, Ph.D., profesor na University of Minnesota Medical School and College of Biological Sciences a přidružený ředitel Masonic Institute on the Biology of Aging and Metabolism. „Naše studie odhaluje, že ferroptóza představuje zřetelnou a cílitelnou zranitelnost u určitých typů senescentních buněk. Tato práce tak otevírá nový směr pro navrhování senolytických terapií, které využívají biologii ferroptózy, a demonstruje terapeutický potenciál specifických bioaktivních mastných kyselin.“