CMV saattaa vaikuttaa CD4+ T-solujen vanhenemiseen

CD4+ T-auttajasolut ovat immuunijärjestelmän soluja, jotka tehostavat soluvälitteistä immuniteettia ja vasta-ainetuotantoa. Yksi avainkomponentti tässä säätelyssä on Tfh-solujen (T-follikulaarinen auttajasolu) tuottama IL-21, joka on tyypin 1 sytokiiniperheeseen kuuluva tulehdusvälittäjäaine. Muita tämän ryhmän välittäjäaineita ovat mm. IL-2 ja IL-15. Näille on tyypillistä signalointi yhteisen γ-ketjun kautta, minkä lisäksi niille on myös omia reseptoreita, esimerkiksi IL-21R (IL-21-reseptori). Lähes kaikki lymfoidilinjan solut ilmentävät IL-21R:ää.

IL-21 aktivoi vasta-ainevälitteistä immuniteettia stimuloimalla B-lymfosyyttien proliferaatiota, kypsymistä ja IgG-tuotantoa ja ajaa niiden kehittymistä korkean affiniteetin plasmasoluiksi ja B-muistisoluiksi, mikä tuottaa pitkäaikaisen suojan infektioita vastaan. Se aktivoi myös soluvälitteistä immuniteettia stimuloimalla Th17- (T-auttajasolu 17) ja Tfh-solujen kehittymistä, säätelemällä luonnollisten tappajasolujen ja CD8+ tappaja-T-solujen sytotoksista aktiviteettia ja selviytymistä. Sillä on havaittu rooli allergioiden, autoimmuniteetin ja kasvainten ehkäisyssä.

Aktivoituneet dendriittisolut säätelevät IL-21-tuotantoa erittämällä IL-12:aa, joka saa naivit CD4+ T-solut erilaistumaan IL-21:a tuottaviksi Tfh:n kaltaisiksi soluiksi (lisäksi IL-12 aktivoi CD4+ T-solujen IFN-γ-tuotannon). IL-21 estää dendriittisoluja kypsymästä, joten IL-21-tuotannossa toimii negatiivinen palautesäätely.

IL-21-eritys lisääntyy elimistön vanhetessa. Agrawal ym. (2012) selvittivät Aging-lehdessä julkaistussa tutkimuksessaan, mitkä tekijät vaikuttavat tähän.

Dendriittisolujen vaikutus IL-21-tuotantoon ei muutu vanhenemisessa

Tutkijat viljelivät eri ikäisiä dendriitisoluja yhdessä eri ikäisten T-solujen kanssa ja mittasivat näiden sytokiinituotantoa. Vanhat CD4+ T-solut tuottivat enemmän IL-21:a kuin nuoret riippumatta niiden kumppaneina olevista dendriittisoluista. Ikä ei näyttänyt vaikuttavan dendriittisolujen IL-12-tuotantoon.

IL-12R:n toiminta ei muutu vanhenevissa CD4+ T-soluissa

Sama IL-12-pitoisuus herättää vanhoissa CD4+ T-soluissa voimakkaamman IL-21-vasteen kuin nuoremmissa. Vaikutus näkyy voimakkaimpana naiveissa T-soluissa, jotka vanhemmiten erilaistuvat herkemmin Tfh:n kaltaisiksi soluiksi.

IL-12R:n (IL-12-reseptori) ilmeneminen ja aktiivisuus CD4+ T-soluissa ei kuitenkaan muutu vanhenemisen myötä. Myöskään IFN-γ-tuotanto ei kasva vanhetessa, mikä puhuu sen puolesta, että vanhenemismuutokset CD4+ T-soluissa eivät vaikuta IL-12R:iin. Koska solujen herkkyys IL-12:lle kuitenkin kasvaa iän myötä, tutkijat arvelivat, että vanheneminen vaikuttaa johonkin IL-12R:n aktivoiman reaktiotien myöhäisempään komponenttiin.

STAT-4-fosforylaatio muuttuu vanhenevissa CD4+ T-soluissa

IL-12R aktivoi STAT-reaktiotien. Tutkijat havaitsivat, että tähän tiehen kuuluva STAT-4 pysyy vanhemmissa soluissa pidempään fosforyloituneena kuin nuoremmissa. Ihmisellä STAT-4:llä on kriittinen rooli IL-21:n erityksessä, joten muutokset sen fosforylaatiossa selittävät vanhempien ihmisten korkeammat IL-21-tasot.

Tutkijat varmistivat havainnon estämällä STAT-4:n fosforylaation JAK-2-inhibiittorilla. Näin käsiteltyjen solujen IL-21-eritys estyi yli 90%:sesti. Tämä vahvistaa, että pidentynyt STAT-4-aktivaatio vanhoissa soluissa nostaa IL-21-tasoja.

CMV-seropositiivisuus korreloi kasvaneen IL-21-erityksen kanssa

Aikaisemmat tutkimukset ovat osoittaneet yhteyden kroonisten virusinfektioiden ja Tfh-solujen määrän välillä. Yli 80-vuotiaista ihmisistä yli 90% on CMV:n (sytomegalovirus) kantajia. Tässä tutkimuksessa tutkijat havaitsivat yhteyden veriplasman korkeiden IL-21-pitoisuuksien ja CMV-positiivisuuden välillä vanhoilla koehenkilöillä.

Kasvaneen IL-21-erityksen haitalliset vaikutukset

Kasvanut IL-21-eritys saattaa lisätä autovasta-ainetuotantoa, sillä se aktivoi B-soluja erilaistumaan vasta-aineita tuottaviksi plasmasoluiksi. Se myös aktivoi CD4+ T-solut erilaistumaan IL-17:aa tuottaviksi Th17-soluiksi, jotka toimivat haitallisesti monissa tulehdus- ja autoimmuunisairauksissa.

Teoriassa rapamysiini saattaa suojata IL-21:n haittavaikutuksilta, koska sen ajatellaan vähentävän solujen signaalireittien yliaktivaatiota. Rapamysiinin on todettu hiirikokeissa voivan nostaa maksimielinaikaa parhaimmillan 14% (Harrison, ym. 2009). On kuitenkin muistettava, että hiiren ja ihmisen immuunijärjestelmät ovat erilaiset, ja että rapamysiinin elinaikaa pidentäviä vaikutuksia ei ole osoitettu ihmisellä. Lisäksi rapamysiinillä on immunosuppressanttina omat haittavaikutuksensa, minkä vuoksi sitä ei pidä käyttää ilman lääketieteellistä indikaatiota.

Toistaiseksi jää spekulaatioksi, voidaanko kasvaneen IL-21-pitoisuuden haittavaikutuksia kumota rapamysiinillä ja että selittyykö sen elämää pidentävä vaikutus edes osittain tällä.

Lähteet:

Agrawal, A., Su, H., Chen, J., Osann, K., Agrawal, S., Gupta, S., (2012) Increased IL-21 secretion by aged D4+T cells is associated with prolonged STAT-4 acticvation and CMV seropositivity. Aging 4(9):648-659. [PMC] [Aging]

Harrison, D.E., Strong, R., Sharp, Z.D., Nelson, J.F., Astle, C.M., Flurkey, K., Nadon, N.L., Wilkinson, J.E., Frenkel, K., Carter, C.S., Pahor, M., Javors, M.A., Fernandez, E., Miller, R.A. (2009) Rapamycin fed late in life extends lifespan in genetically heterogeneous mice. Nature 460(7253):392-395. [Pubmed]

Immuunijärjestelmän vanheneminen: latentit virusinfektiot

Ihmisen elimistö puolustautuu ulkoisia hyökkäyksiä vastaan immuunijärjestelmän avulla. Immuunijärjestelmän teho heikkenee ajan kuluessa, ja heikkenemisen taustalla vaikuttavat sekä solujen sisäiset tekijät että ympäristötekijät kuten ravitsemus, aineenvaihdunnalliset muutokset ja mikrobikuormitus. Mikrobiokuormitus on vähentynyt hygienian kehittymisen myötä, mikä näkyy kasvaneena eliniänodotteena, mutta kaikkia patogeenejä ei ole vielä voitettu.

Lähes jokainen ihminen on sairastanut elämänsä aikana jonkun herpesvirusinfektion, jonka seurauksena virus on jäänyt latenttina elimistöön. Tällaisia viruksia ovat esimerkiksi HSV:t (herpes simplex virus; huuli- ja genitaaliherpes), VZV (Varicella-Zoster virus; vesirokko), (Ebstein-Barrin virus; mononukleoosi) sekä tärkeimpänä ja yleisimpänä CMV (sytomegalovirus; nuhakuumeen kaltainen yleisinfektio).

Jatkuva vuorovaikutus CMV:n ja elimistön immuuniinjärjestelmän välillä aktivoi CMV:lle spesifisiä antiviraalisia CD8+ T-soluja, jotka eivät CMV:n tehokkaan immuuniväistön vuoksi kuitenkaan täysin pysty hävittämään virusta elimistöstä. Nämä erikoistuneet T-solut kuitenkin jakaantuvat ja vievät tilaa muihin patogeeneihin erikoistuneilta soluilta. Ajan kuluessa näiden solujen suhteellinen osuus T-solupopulaatiossa kasvaa, ja elämän loppuvaiheella CMV:tä vastaan kohdistuneet T-solut voivat käsittää jopa puolet elimistön T-solupopulaatiosta. Tätä vuorovaikutusta kutsutaan T-solumuistin inflaatioksi. Inflaatiosolujen määrä korreloi kasvaneeseen mortaliteettiin elämän loppuvaiheessa, ja on mahdollista, että niillä on suora vaikutus ihmisen immuunijärjestelmän vanhenemisessa.

Smithey, ym. (2012) selvittivät The Journal of Immunology -lehdessä julkaistavassa tutkimuksessaan, miten elämänmittaiset herpesvirusinfektiot vaikuttavat hiiren immuunijärjestelmän kykyyn suojata elimistöä uusia patogeeneja vastaan elämän loppuvaiheessa.

22 kuukauden ikäinen C57BL/6-hiiri (http://en.wikipedia.org/wiki/File:Black_6_mouse_eating.jpg)

Kasvanut kokonaiskuolleisuus

Tutkimuksessa hiiret infektoitiin yhdeksän viikon iässä joko HSV-1:llä, MCMV:llä (jyrsijän CMV) tai molemmilla viruksilla, ja myöhemmin 23 kuukauden iässä tutkittiin niiden immuunivasteita uusia patogeeneja vastaan. Tähän aikapisteeseen mennessä kontrolliryhmän hiiristä oli hengissä 97,4%. Infektoitujen hiirien selviämisprosentit olivat hieman pienempiä ja molemmilla viruksilla infektoiduilla hiirillä ero kontrolliin oli juuri ja juuri tilastollisesti merkitsevä (84,8%, P = 0,05).

Heikommat CD8+ T-soluvasteet bakteeri-infektioihin

Hiirten immuunijärjestelmät haastettiin 23 kuukauden iässä OVA-proteiinia ilmentävällä rekombinantilla Listeria monocytogenes -bakteerilla (Lm-OVA). Vanhoilla hiirillä CD8+ T-soluvaste oli odotetusti matalampi kuin nuorilla. Virusinfektion ei todettu heikentävän tätä kokonaisvastetta entisestään tilastollisesti merkitsevästi.

Virusinfektio kuitenkin heikensi kahta CD8+ T-solualapopulaatiota, I+T-G- (tuottavat IFN-γ:aa) ja I+T+G- (tuottavat IFN-γ:aa ja TGF-α:aa), ja tämä vaikutus oli tilastollisesti merkitsevä. I+T+G- -solut erosivat muista tutkituista solupopulaatioista siten, että niiden määrä ei laskenut kontrollihiirillä osana ns. normaalia vanhenemista. On siis mahdollista, että tämän populaation heikkeneminen vanhuusiässä johtuu herpesvirusinfektiosta.

Pitkäaikaisen MCMV-infektion aiheuttama immuunivasteen heikentyminen voitiin todeta myös suuremmasta bakteerikuormasta maksassa.

Tutkijat infektoivat osan hiiristä herpesviruksella vasta 23 kuukauden iässä ja Lm-OVA:lla 24 kuukauden iässä. Edellä kuvattuja muutoksia ei havaittu näissä hiirissä, mikä osoittaa, että herpesviruksen vaikutus immuunijärjestelmään on hidas.

T-soluskaalan muutokset immuunivasteessa

Lm-OVA-haasteen jälkeen tutkijat selvittivät aktivoituneiden CD8+ T-solujen TCR Vβ:n (T-cell receptor Vβ) CDR3 (complementarity determining region)-sekvenssit single-cell PCR:llä. Yksittäisten kontrollihiirien OVA-spesifiset T-solut vastasivat suurelta osin toisiaan ja keskimäärin 65-70% kaikista T-soluista oli tiettyjä neljää klonotyyppiä. Näitä klonotyyppejä ei havaittu lainkaan MCMV-infektoiduilla hiirillä, jotka olivat T-soluskaalaltaan heterogeenisempiä. Niidenkin ryhmässä nousi kuitenkin esiin viisi yleistä klonotyyppiä, joita ei havaittu kontrollihiirillä. Tutkijat kirjoittavat:

Although performed on a limited sample, these data nonetheless suggest that substantial repertoire changes occur in mice that have experienced lifelong persistent infection. In herpesvirus-free old mice, the diversity of the naive repertoire pool appears to become narrowed to a few shared dominant clonotypes. In contrast, these clonotypes are absent in animals with persistent, lifelong MCMV infection, and others emerge in their place.

Lähteet

Smithey, M. J., Li, G., Venturi, V., Davenport, M. P., Nikolich-Zugich, J., (2012) Lifelong Persistent Viral Infection Alters the Naive T Cell Pool, Impairing CD8 T Cell Immunity in Late Life. The Journal of Immunology. 189(11):5356-3566. [Pubmed]

Ikuinen vanhuus, eläkepommi, pitkästyminen?

Ihmisen elinaika on rajallinen ja elämää seuraa kuolema eli tietoisuuden katoaminen. Tämä on erittäin lopullista, ja yöunien säilyttämiseksi ihmiset ovat perinteisesti turvautuneet tarinoihin kuolemanjälkeisestä elämästä. Uskonnon menettäessä otettaan ihmiset ovat jälleen alkaneet tiedostaa katoavaisuutensa, ja monet sekularistit ovat nykyisin sitä mieltä, että tietoisuuden katoaminen pitäisi hyväksyä luonnollisena asiana. Ihmisten hyväksyessä katoavaisuutensa tarve uskonnolle poistuu, ja kun ihmiset eivät enää taistele väistämätöntä vastaan tehottomin poppakonstein, jää elämässä aikaa merkittävämpiin asioihin.

Vaikka oman katoavaisuuden hyväksyminen onkin älyllisesti rehellistä, voi se estää meitä näkemästä todellisia vaihtoehtoja. Usko siihen, että mitään ei ole tehtävissä, saa meidät keksimään mitä mielikuvituksellisimpia perusteluja, miksi emme edes haluaisi elää pitempään.

Tithonos-virhe

Tithonos oli Kreikan mytologian hahmo, jolle titaani Eos pyysi ylijumala Zeukselta ikuista elämää, mutta unohti pyytää ikuista nuoruutta. Tithonos kuihtui kuihtumistaan, kunnes hänestä jäi jäljelle vain loputtomasti pälättävä ääni.

Moni olettaa, että jos pidentäisimme elämäämme lääketieteen avulla, tarkoittaisi tämä vanhuuden raihnaisuuden ja sairastavuuden pitkittämistä. On totta, että nykyteknologia mahdollistaa kuolevan ihmisen elintoimintojen ylläpitämisen keinotekoisesti, mutta tällä ei ole mitään tekemistä vanhenemisen hidastamisen (tai estämisen) kanssa. Puuttumalla vanhenemisen syihin elämä ei pitene ”loppupäästä” vaan ”keskeltä”, jolloin ihmiset ovat pidempään nuoria ja terveitä. Sen lisäksi, että tämä on loogista, on tämä myös osoitettu eläinmalleilla.

Eläkepommi ja huoltosuhteen romahtaminen

Suurten ikäluokkien siirtyessä eläkkeelle on ajankohtaista olla huolissaan huoltosuhteesta. Voidaan esittää, että huoltosuhteen kannalta olisi parasta, jos ihmiset kuolisivat mahdollisimman pian eläkkeelle päästyään eivätkä kuluttaisi terveydenhuollon vähäisiä resursseja (mielestäni näin ei pitäisi ajatella). Tietenkin kaikille on selvää, että raha ei saa olla peruste kieltää olemassa olevaa hoitoa sitä tarvitsevalta. Kuitenkin samaan rahaan saa vedota perustellessaan, miksi pitää vanhenemisen hidastamista epäeettisenä…

Lisäksi ajatus eläkepommista on virheellinen. Vanhenemisen hidastaminen ei johda ikuiseen vanhuuteen, vaan pidempään nuoruuteen ja parempaan terveyteen, jolloin jaksaa töissä pidempään. Jos pysyisimme pidempään nuorina, meidän ei tarvitsisi jäädä eläkkeelle. Vai kuvitteleeko joku, että eläkeiän nostaminen on vaikeampaa kuin vanhenemisen hidastaminen?

Pitkästyminen

Ei-kontrolloituun, ei-tieteelliseen havainnointiin perustuen näyttää siltä, että yleisin esitetty perustelu vanhenemisen hidastamisen vastustamiselle on pitkästyminen. Oletko sitä mieltä, että et edes jaksaisi elää yli 100 vuotta? Mikäli vastaus on kyllä, niin esitän jatkokysymyksen: Miksi et? Mikä elämässäsi sitten on vikana?

Yhteenveto

Suurimmalle osalle meistä elämän päättyminen on niin itsestään selvää, että emme ole edes vaivautuneet tosissaan miettimään ajatusta biologisesta kuolemattomuudesta. Lisäksi alalla mellastavat puoskarit, pseudotieteilijät ja kaupallinen Anti Aging-huuhaa saavat koko ajatuksen tuntumaan epäuskottavalta. Koska vanhenemisen hidastaminen assosioidaan välittömästi tähän huuhaasirkukseen, tyydymme helposti toteamaan, että tavoite varmaan on mahdoton. Tämä taas saa meidät keksimää selityksiä sille, miksi vanheneminen ja kuoleminen olisivat meille ihan ok.

Olisi hyvä herätä siihen, että jotain saattaa olla tehtävissä, ennen kuin tilaisuus menee sukupolveltamme ohi.

C. elegans-sukkulamadon elämänpidennyskokeilu

Monet suhtautuvat vanhenemisen hidastamiseen nihkeästi, koska uskovat tehtävän olevan mahdoton tai ainakin niin monimutkainen, että tulosten odottaminen nykyteknologialla ei ole realistista. Yleisen käsityksen mukaan vanhenemiseen ei pysty vaikuttamaan ennen kuin siihen johtavat reaktiotiet tunnetaan täydellisesti. Vanhenemiseen liittyviin reaktioteihin puuttuminen on lisäksi riskialtista toimintaa, ja voi aiheuttaa erilaisia haittoja, kuten pienikasvuisuutta tai hedelmättömyyttä.

Sagin, ym. (2012) PLoS-geneticsissä kesäkuussa julkaistu tutkimus havainnollistaa, että eliön elämän pituuteen vaikuttaminen on mahdollista jo nykyteknologialla, vaikka kaikkia reaktioteitä ei vielä täysin ymmärretä. Kokeessa tutkijat yliekspressoivat tiettyjä C. elegans-madon omia geenejä ja siirsivät sille geenejä seeprakalalta.

Caenorhabditis elegans

Caenorhabditis elegans (http://en.wikipedia.org/wiki/File:Enlarged_c_elegans.jpg)

C. elegansin omat geenit

Hsf-1 koodaa lämpöshokki-transkriptiotekijää, joka saa aikaan useiden elinikää pidentävien stressinsietogeenin ilmentymisen. Sen yliekspressio yksistään pidensi elämää ~30%.

Aakg-2 koodaa AMP-aktivoitava proteiinikinaasi γ-alayksikköä. Se on säätelymolekyyli, joka reagoi matalaan ATP/AMP-suhteeseen stressivasteissa. Sen yliekspressio yksistään pidensi elämää ~45%.

Sod-1 koodaa soluliman superoksididismutaasia, joka on solunsisäinen antioksidantti. Se vähentää oksidatiivisten vaurioiden kertymistä. Sen yliekspressio yksistään pidensi elämää ~25%.

Lmp-2 (nisäkkäiden lamp2A:n ortologi) tehostaa proteostaasia eli vanhojen vahingoittuneiden proteiinien hävittämistä. Se aktivoi kaperoni-välitteistä autofagiaa. Sen yliekspressio yksistään pidensi elämää ~35%.

Muilta lajeilta siirretyt geenit

Seeprakalan sod-1 vastaa toiminnaltaa C. elegansin sod-1:ä. Yksisttäisenä siirtogeeninä se pidensi elämää ~25%.

Seeprakalan ucp2 koodaa proteiinia, joka purkaa mitokondrion sisäkalvon protonigradienttia, mikä vähentää vapaiden radikaalien tuotantoa. C. elegansilta puuttuu tämä ominaisuus, ja sen ainoa ucp-luokan proteiini on ucp-4, joka toimii madolla sukkinaattikuljettimena (sinänsä mielinkiintoinen tieto evoluution kannalta). Yksisttäisenä siirtogeeninä seeprakalan ucp2 pidensi elämää ~40%.

Seeprakalan lyz koodaa proteiinia, joka liuottaa bakteerien soluseiniä. C. elegansilla tämä ominaisuus on puutteellinen, ja E.coli-bakteerin patogeeniset ominaisuudet rajoittavat madon elinikää. Yksisttäisenä siirtogeeninä lyz pidensi elämää ~30%.

Elämää pidentävien geenien yhteisvaikutukset

Tutkimuksen kiintoisimmat tulokset saatiin aktivoimalla useita toimiviksi todettuja geenejä yhtä aikaa. Aktiiviseen aakg-2:n ja seeprakalan ucp2:n yhdistelmä pidensi elämää jopa ~80% eli niiden elämää pidentävät vaikutukset summautuivat keskenään. Tämä osoittaa, että geenit vaikuttavat elinajanodotteeseen toisistaan rippuumatta! Myös hsf-1:n ja seeprakalan lyz:n elämää pidentävät vaikutukset summautuivat antaen yhteensä ~60% pidennyksen.

Kaikkien neljän (aakg-2, hsf-1, seeprakalan ucp2 ja seeprakalan lyz) yhdistelmä pidensi elämää yhteensä ~130% (toistettaessa ~125%). Huomattavaa oli, että nämä madot olivat ”keski-iässään” fyysisesti paremmassa kunnossa kuin kontrollimadot. Lisäksi mikään siirtogeeneista ei aiheuttanut pienikasvuisuutta, hedelmättömyyttä tai muuta ei-toivottavaa vaikutusta. Tutkijat siis onnistuivat pidentämään matojen elämän tervettä vaihetta, mikä onkin toivottavaa, sillä kuka nyt vanhuuden raihnaisuutta haluaisi pitkittää?

Lähteet:

Sagi, D., Kim, S. K., (2012) An Engineering Approach to Extending Lifespan in C. elegans. PLoS Genetics. 8(6):e1002780. [Pubmed]

Nano-SOD hidastaa kantasolujen vanhenemista

Oksidatiivinen stressi on haitallista kaikille solun rakenteille ja yksi tärkeimmistä soluja vanhentavista tekijöistä. Solut puolustautuvat oksidatiiviselta stressiltä antioksidaation avulla. Tärkeimpiä solunsisäisiä antioksidantteja ovat superoksididismutaasi (SOD), katalaasi sekä glutationiperoksidaasi. Myös esimerkiksi C- ja E-vitamiini ovat antioksidantteja, ja näiden saaminen ravinnosta on terveydelle välttämätöntä.

Suojamekanismeista huolimatta oksidatiivinen stressi pääsee ajan myötä vaurioittamaan solua niin paljon, että solusykli pysähtyy ja solu vanhenee. Antioksidaation tehostaminen oikealla tavalla voisi hidastaa tätä vaikutusta ja estää solua vanhenemasta. Ikävä kyllä ratkaisuksi ei riitä vitamiinivalmisteiden ylenmääräinen nauttiminen, sillä suurina pitoisuuksina ravinnosta saatavat antioksidantit kumoavat oman vaikutuksensa toimimalla pro-oksidantteina. Ravinnosta saatavien antioksidanttien sijaan huomion tulisikin kiinnittyä solunsisäisiin antioksidantteihin. Haasteena on kuitenkin tarvittavien molekyylien toimittaminen solun sisään.

Choi, ym. (2012) selvittivät International Journal of Nanomedicine -lehdessä julkaistussa tutkimuksessaan antioksidaation tehostamisen mahdollisuuksia ihmisen hammasytimen kantasoluissa. Normaalisti hammasytimen kantasolujen potentiaali erilaistua ympäröivää kudosta paikkaaviksi soluiksi laskee iän myötä ja oksidatiivisen stressin vaikutuksesta. Ryhmä kehitti tavan tehostaa antioksidaatiota yhdistämällä kaksi molekyyliä, SOD1:n ja LMWP:n (low-molecular weight protamine). SOD1 kuuluu solunsisäisiin antioksidantteihin ja sillä on tunnetusti oksidatiiviselta stressiltä suojaava vaikutus. LMWP taas on soluun kulkeutuva peptidi, joka voisi toimia yhdistelmämolekyylissä ”veturina”, joka kuljettaa SOD1:n mukanaan solun sisään.

Tutkimuksessa LMWP-SOD1:lla hoidetuissa soluissa ilmeni vähemmän vanhuuteen liittyvää β-galaktosidaasin aktiivisuutta ja solut näyttivät morfologialtaan nuoremmilta. Lisäksi ne kestivät vetyperoksidikäsittelyä kontrollisoluja enemmän. Normaalitilanteessa vetyperoksidi pysäyttää solusyklin, mikä näkyy solusyklin säätelijäproteiinien p53:n ja p21:n vaikutuksen kasvuna, ja estää soluja erilaistumasta luun kantasoluiksi. LMWP-SOD1 vähensi näitä kaikkia vaikutuksia. Se ei kuitenkaan palauttanut hampaan uusiutumiskykyä vetyperoksidikäsittelyä edeltävälle tasolle.

Tulokset osoittavat, että solunsisäistä antioksidaatiota on mahdollista tehostaa yhdistämällä antioksidantteihin oikeanlaisia kuljetusproteiineja. LMWP-SOD1 suojasi soluja melko hyvin vetyperoksidilta ja hidasti solujen vanhenemista. Se ei yksin riitä täydellisesti pysäyttämään solun vanhenemista eikä korjaamaan vanhenemiseen liittyviä vaurioita, mutta on askel siihen suuntaan. Tulevaisuus näyttää, millaisia tuloksia saavutetaan muilla vastaavilla yhdistelmillä sekä näiden kombinaatioilla.

Lähteet

Choi, Y. J., Lee, J. Y., Chung, C. P., Park, Y. J., (2012) Cell-penetrating superoxide dismutase attenuates oxidative stress-induced senescence by regulating the p53-p21Cip1 pathway and restores osteoblastic differentiation in human dental pulp stem cells. International Journal of Nanomedicine. 7:5091-5106. [Pubmed]

Lääkkeitä kuljettavien nanopartikkelien kohdistaminen vanhoihin soluihin

Nanoteknologia on ala, joka sisältää hypetystä niin hyvässä kuin pahassa. Optimistisimmat visiot sisältävät älykkäitä nanorobotteja, jotka tulevaisuudessa korjaavat kehomme vauriot molekyylin tarkkuudella ja pessimistisimmät uhkakuvia kaiken peittävästä harmaasta mönjästä. Totuus on ikävä kyllä varsin arkinen. Nanoteknologia tarkoittaa yksinkertaisesti mitä tahansa nanomittakaavalla valmistettavia rakenteita (nanometri on miljardisosa metristä). Nano ei sisällä mitään taikavoimia.

Lääketieteessä nanoteknologiaa voidaan hyödyntää esimerkiksi lääkkeiden annostelussa. Tällöin tavoitteena on valmistaa lääkkeen sisältävä kuljetin, joka vapauttaa sisältönsä vasta tietyissä olosuhteissa, esimerkiksi vain yhden tyyppisissä soluissa. Erilaisia kuljetusmuotoja ovat mikrokapselit, polymeerit, dendrimeerit, misellit ja nanopartikkelit.

Agostini, ym. (2012) selvittivät Angewandte Chemie International Edition -lehdessä julkaistussa tutkimuksessaan nanoluokan kuljetusmolekyylien kohdistamista vanhoihin soluihin. Tutkimuksessa käytettiin MSN (mesoporous silica nanoparticle) nanopartikkelia, johon tutkijat olivat liittäneet GOS (galakto-oligosakkaridi) peitteen, joka normaalitilanteessa estää partikkelia avautumasta ja vapauttamasta sisältöään. Vanhojen solujen sisältämä SA-β-Gal hydrolysoi eli liuottaa GOS:n, jolloin partikkeli pääsee avautumaan ja vapauttamaan sisältönsä vanhaan soluun.

Testatessaan MSN-nanopartikkelia soluilla, tutkijat havaitsivat sen vapauttavan sisältönsä vanhoihin ihmisen fibroblastisoluihin, β-galaktosidaasipositiivisiin hiivasoluihin sekä Dyskeratosis Congenita -tautia sairastavilta potilailta kerättyihin soluihin, mutta ei kontrolleina käytettyihin keuhkosyöpäsoluihin eikä luonnonkannan hiivasoluihin. Koe osoitti, että GOS-päällystetyllä MSN-partikkelilla on mahdollista kohdistaa lääkeaineita spesifisesti vanhoihin soluihin. Tulevaisuuden sovellutuksia voisivat olla esimerkiksi telomeraasia uudelleenaktivoivien tai ohjelmoitua solukuolemaa aktivoivien lääkeaineiden siirtäminen vanhoihin soluihin. Vaikka käytännön sovellutuksiin on edelleen matkaa, tutkijat toivovat, että heidän tuloksensa avaisi uusia ovia vanhuuteen liittyvien sairauksien hidastamiseen tai pysäyttämiseen johtaville terapeuttisille innovaatioille.

Lähteet

Agostini, A., Mondragón, L., Bernardos, A, Martínez-MμÇez, R., Marcos, M. D., Sancenón, F., Soto, J., Costero, A., Manguan-García, C., Perona, R., Moreno-Torres, M., Aparicio-Sanchis, R., Murguía, J. R., (2012) Targeted Cargo Delivery in Senescent Cells Using Capped Mesoporous Silica Nanoparticles. Angewandte Chemie International Edition. 51(42):10556-10560. [Pubmed]

β-galaktosidaasi paljastaa vanhat solut

Blogin avauksessa mainitsin, että tavotteeni on nostaa esiin vanhenemistutkimuksen viimeisimpiä saavutuksia. Välillä on kuitenkin hyvä tehdä pieni katsaus historiaan, jotta ymmärtäisimme paremmin, missä tänään ollaan.

Solujen vanheneminen on ilmiönä tunnettu jo pitkään. Vanhat solut ovat jakaantumiskyvyttömiä, joten solun vanhuus on solujen kasvun kannalta käänteinen ilmiö syövälle, jossa solut jakaantuvat hallitsemattomasti. Tämän vuoksi on loogista, että solujen vanhenemista pidettiin elimistön suojakeinona syöpää vastaan. (Myöhemmin on tosin opittu, ettei asia ole näin yksinkertainen.)

Yksi haaste solujen vanhenemisen tutkimisessa on ollut erottaa vanhat (senescent) solut muista jakaantumattomista (quiescent) soluista. Goberdhan P. Dimri ym. (1995) osoittivat, että solujen vanhenemisella on yhteys tietyn β-galaktosidaasi isoformin, SA-β-Gal:n (senescence associated β-galactosidase) kertymiseen. Kokeessaan he mittasivat β-galaktosidaasin tasoja histokemiallisesti ihmisen fibroblasti- ja ihosoluviljelmissä, ja havaitsivat, että yhdisteen määrä nousee vanhoissa, mutta ei muissa jakaantumattomissa- eikä terminaalisesti erilaistuneissa soluissa. Tämän jälkeen he tutkivat ihonäytteitä eri ikäisiltä luovuttajilta ja osoittivat, että β-galaktosidaasia ilmentäviä vanhoja soluja on enemmän vanhoilla kuin nuorilla luovuttajilla.

Nykyisin SA-β-Gal:ia käytetään rutiininomaisesti yhtenä merkkiaineena vanhojen solujen tunnistamisessa. Käsittelemällä kudosnäytteet SA-β-Gal:iin kohdistuvilla värjäystekniikoilla, pystytään vanhat solut tunnistamaan näytteestä tavallisella valomikroskoopilla.

Lähteet:

Dimri, G. P., Lee, X., Basile, G., Acosta, M., Scott, G., Roskelley, C., Medrano, E. E., Linskens, M., Rubelj, I., Pereira-Smith, O., Peacock, M., Campisi, J., (1995) A biomarker that identifies senescent human cells in culture and in aging skin in vivo. PNAS 92(20):9363-9367. [Pubmed]

Solujen vanheneminen – ketjureaktio?

Solun vanhuus (cellular senescence) on tila, jossa solusykli on pysähtynyt peruuttamattomasti. Vanhat solut aktivoivat signaalireittejä, jotka saavat aikaan monien bioaktiivisten molekyylien, kuten reaktiivisten happiyhdisteiden eli ROS:ien (reactive oxygen species) sekä tulehdusvälittäjäaineiden ja kasvutekijöiden tuotantoa ja vapautumista. Tämä luo sopivat kasvuolosuhteet premaligneille ja maligneille kasvaimille ja vahingoittaa solun kasvuympäristöä.

Nelson, ym. (2012) selvittivät Aging Cell -lehdessä julkaistussa tutkimuksessaan, miten vanhat solut vaikuttavat terveisiin nuoriin soluihin. Tutkimuksessa nuoria ja vanhoja fibroblastisoluja kasvatettiin samalla maljalla, ja soluista mitattiin vanhuuteen liittyviä muutoksia, kuten DNA:n kaksoiskierteen katkoksia. Tutkijat havaitsivat, että niissä alun perin nuorissa soluissa, jotka sijaitsivat maljalla vanhojen solujen ympärillä, tällaisia muutoksia ilmeni enemmän kuin muissa soluissa. Ilmiötä ei havaittu soluissa, jotka sijaitsivat vanhojen solujen kanssa eri kerroksissa, eikä niissä soluissa, jotka olivat vanhojen kanssa yhteydessä ainoastaan soluväliaineen tai kasvatusmediumin välityksellä. Kun tutkijat estivät solujen välisten aukkoliitosten toimintaa sekä aktiivisesti puhdistivat soluja ROS-yhdisteistä, vanhenemismuutoksia ei ilmentynyt tavallista enempää myöskään vanhoja soluja ympäröivissä nuorissa soluissa.

Tuloksista on pääteltävissä, että vanhat solut saavat ympäröivissä nuoremmissa soluissa aikaan solujen vanhenemiseen johtavia muutoksia, ja tämä vaikutus välittyy ROS-yhdisteiden avulla ja solujen välisten aukkoliitosten kautta.

Lisäksi tutkijat etsivät merkkejä ilmiöstä elävässä kudoksessa tutkimalla hiiren maksakudosta valomikroskoopilla. Tällöin he havaitsivat, että ilmiasultaan vanhat solut eivät olleet levittäytyneet tasaisesti ympäri kudosta, vaan sijaitsivat siellä täällä tiiviinä ryppäinä. Tämä havainto sopii hyvin yhteen soluviljelmillä saatujen tulosten kanssa, sillä kuvatun kaltaisia vanhojen solujen ryppäitä voisi syntyä juuri yksittäisten vanhojen solujen naapurisoluja vanhentavan vaikutuksen avulla.

Tutkimus ei suoraan kerro, miten vanhenevat solut käyttäytyvät ihmiskehossa, sillä se antaa tuloksia ainoastaan solu- ja eläinkokeista. Mikäli vastaava soluja vanhentava ketjureaktio tapahtuu myös ihmisessä, voidaan sitä ehkä hyödyntää tulevaisuudessa yhtenä kohteena vanhenemista estävälle tai hidastavalle hoidoille.

Lähteet:

Nelson, G., Wordsworth, J., Wang, C., Jurk, D., Lawless, C., Martin-Ruiz, C., von Zglinicki, T., (2012) A Senescent Cell Bystander Effect: senesncence-induced senescene. Aging Cell 11:345-349. [Pubmed]

Elämän puu, osa 2

Ikuinen elämä on käsitteenä ainakin yhtä vanha kuin kirjoitettu historia. Suurin osa uskonnoista sisältää ajatuksen elämän jatkumisesta kuoleman jälkeen, joko tuonpuoleisessa tai sitten sielunvaelluksen kautta tässä maailmassa. Tarinat ovat omiaan rauhoittamaan meitä väistämättömän katoavaisuuden edessä, mutta rehellisyyden nimissä on syytä kysyä, kuinka pitkälle lohduttavat tarinat voivat lopulta kantaa?

Kimmokkeeni tämän blogin kirjoittamiselle syntyi vieraillessani eräällä luterilaisen kirkon järjestämällä raamattuluennolla (tästä huolimatta blogi ei ole millään muotoa uskonnollinen, joten jatka rauhassa lukemista). Raamattuopettaja vertasi ateistista maailmankuvaa lentokoneeseen, joka lentää Tyynen valtameren yllä ja syöksyy hetken kuluttua mereen jättäen matkustajien ainoaksi vaihtoehdoksi käyttää lyhyt elämänsä merkityksettömään juhlimiseen, jota seuraa väistämätön kuolema. Vaihtoehtona tälle on uskoa, että Jeesus tulee ja vie meidät kaikki perille Mallorcalle, jossa pidetään todelliset (merkityksellisemmät?) juhlat.

Kuvittelen itseni lentokoneeseen, jonka kapteeni ilmoittaa syöksyvän tunnin kuluttua mereen. Minua ei lohduta yhtään, vaikka joku kanssamatkustaja nousisi ja sanoisi, että ei tarvitse huolehtia, Jeesus odottaa pelastusveneessä ja vie meidät kaikki Mallorcalle, jos me vain oikein kovasti uskomme niin. Vaikka tällainen uskomus voi tuoda toivoa joillekin, näen sen hyvin ongelmallisena. Meillä ei ole mitään näyttöä pelastusveneen olemassaolosta, emmekä voi saada siitä mitään tietoa ennen kuin olemme jo meressä. Entä, jos pelastusveneessä odottaakin vaikka Väinämöinen, joka ottaa kyytiin vain ne, jotka uskovat Kalevalaan niin kuin se on kirjoitettu? Entä, jos meressä odottaakin ajatuksia lukeva ateistinen merihirviö, joka rankaisee kaikkia niitä, jotka naiivisti laittoivat toivonsa pelastusveneen olemassaoloon? Tarkoitukseni ei ole vähätellä kenenkään uskoa, mutta mielestäni rationaalisin teko kuvatussa tilanteessa on yrittää selvittää, miksi kone on ensinnäkään putoamassa, ja millä keinoin putoaminen voidaan estää.

Viimeisten kahden vuosisadan aikana ihmisen eliniänodote on noussut selvästi. Tärkeitä saavutuksia taistelussa ikääntymistä vastaan ovat olleet hygienian kasvu, viemärijärjestelmä ja yleisen turvallisuuden lisääntyminen, mutta enenevissä määrin myös lääketieteelliset saavutukset. Ihmisen geneettistä koodia on alettu ymmärtää 1950-luvulla ja lukuisat tieteelliset saavutukset tämän jälkeen ovat avartaneet käsitystämme ihmiskehon toiminnasta biologisena koneena. Monia vanhenemiseen liittyviä molekyylitason muutoksia on kuvattu ja näiden avulla on luotu jo joitakin teorioita vanhenemisen perimmäisistä mekanismeista, joskaan yksiselitteistä syytä vanhenemiselle ei ole onnistuttu vielä löytämään. Tieteen kehittyessä kuvamme tarkentuu, ja ennemmin tai myöhemmin tulemme myös aktiivisesti vaikuttamaan soluissamme tapahtuviin muutoksiin ja ensin hidastamaan, sitten pysäyttämään ja lopulta korjaamaan kehomme rappeutumisen.

On hyvin mahdollista, että elämän puu tai nuoruuden lähde ei löydy meidän elinaikanamme. On hyvin mahdollista, että vielä moni sukupolvi meidän jälkeemmekin tulee edeltäjiensä tapaan rapistumaan ja kuolemaan. Lentokonevertaus on sikäli osuva, että on epätodennäköistä, että tunnin aikana lentokoneellinen ihmisiä kykenee keksimään tavan syntetisoida lentokoneen sisältämistä tavaroista riittävästi polttoainetta pitämään konetta ilmassa kovinkaan kauaa. Tieteelle on kuitenkin luonteenomaista, että läpimurtoja tapahtuu. Jokainen ongelman miettimiseen käytetty henkilötyötunti on askel lähemmäs ratkaisua.

Elämän puu

Tämän blogin tarkoitus on tuoda suomalaisen yleisön tietoisuuteen vanhenemiseen liittyvän tutkimuksen viimeisimpiä saavutuksia. Liikkeellä on paljon uskomuksia, pseudotiedettä ja varsinaisia huijauksia, jotka voivat tuudittaa meidät harhaisiin kuvitelmiin siitä, että ikuinen nuoruus on saavutettavissa helposti. Ikävä kyllä helppoja ratkaisuja ei ole.

Pidän vähimmäisvaatimuksena uskottavalle tiedolle tutkimustuloksia, jotka on julkaistu vertaisarvioidussa tiedelehdessä. Toisaalta yksi onnistunut solu- tai hiirikoe ei takaa nuoruuspilleriä lähitulevaisuudessa, sillä matka laboratoriosta apteekin hyllylle on pitkä ja kivinen. Viimeisimpien tutkimustulosten seuraaminen antaa kuitenkin kuvan siitä, mitä voi olla odotettavissa.

Toivon, että tämä blogi innostaa lukijoita ottamaan asioista itse selvää ja pysymään kriittisenä. Toivotan antoisia lukuhetkiä.