В связи с улучшением качества жизни (рост благосостояния, повышение уровня медицинских услуг, включающих своевременную диагностику и применение новых высокоэффективных лекарственных препаратов) во всем мире увеличивается численность людей пожилого возраста, поэтому проблема слепоты и слабовидения пожилого человека приобрела острый, социально значимый характер. Согласно отчету Организации Объединенных Наций «Мировые демографические перспективы: пересмотренное издание 2019 года», к 2050 г. каждый шестой человек (16% населения) в мире будет старше 65 лет по сравнению с каждым одиннадцатым в 2019 г. (9% населения). К 2050 г. возраст каждого четвертого жителя Европы и Северной Америки будет 65 лет и старше. В 2018 г. впервые в истории число людей в возрасте 65 лет и старше превысило число детей в возрасте до 5 лет во всем мире. Согласно прогнозам, число людей в возрасте 80 лет и старше утроится: со 143 млн в 2019 г. до 426 млн в 2050 г. [1].
На уровне организма старение проявляется у всех людей в виде потери способности к воспроизводству, а также повреждения и потери функций органов, тканей и клеток. Предложено много теорий старения, но ни одна из этих теорий не может объяснить все клеточные, тканевые, органные и организменные изменения, которые происходят в процессе старения. Важно отметить, что наиболее вероятная непосредственная причина старения в настоящее время неизвестна, и еще не ясно, почему эпигенетические часы, которые так точно объясняют статус метилирования множества генов, могут предсказать старение, и как эти метилирования индуцируются и управляют процессом старения [2].
Старение населения усугубляет в том числе и проблему офтальмологических заболеваний во всем мире: не менее 1 млрд человек имеют нарушения зрения. Основными обратимыми причинами ухудшения зрения являются аномалии рефракции (123,7 млн) и катаракта (65,2 млн), среди необратимых причин снижения зрения лидирует возрастная макулярная дегенерация (ВМД) (200 млн заболевших, из них неоваскулярная форма 30 млн), глаукома (60 млн заболевших, из них 6,9 млн с выраженными нарушениями зрения) и диабетическая ретинопатия (3 млн невидящих пациентов). Отдельно можно рассматривать пациентов с пресбиопией (826 млн) [1, 3, 4]. Если рассматривать градацию по возрасту, то наибольшее число людей с проблемами зрения — старше 50 лет.
В настоящее время существует большое количество теорий старения, которые отражают изменения, происходящие в зрительной системе и ведущие к развитию перечисленных выше заболеваний.
ВМД, глаукома и катаракта являются мультифакторными заболеваниями. Несмотря на то что распространенность, факторы риска и клиническая картина достаточно известны, патогенез до конца не изучен. В его основе лежит множество различных молекулярных и клеточных механизмов. Метаболизм глаза характеризуется различными энергозависимыми механизмами, характеризующимися высоким потреблением кислорода и вовлекающими дыхательную цепь митохондрий (фототрансдукция, утилизация нейротрансмиттеров, внутриклеточный транспорт белков). Нарушения метаболизма в тканях глаза и окислительный стресс могут привести к нейрональной дегенерации и ретинопатии [5].
Теория соматических мутаций построена на предположении, что накопление мутаций ДНК может приводить к онкогенезу и старению [6]. В соответствии с этой теорией, исследования на прокариотах, дрожжах и клетках млекопитающих продемонстрировали, что окислители являются мутагенами, а антиоксидантные механизмы достаточно надежны и могут вернуть к нормальному состоянию окисленные липиды, белки и нуклеиновые кислоты, тем не менее нет аргументов в пользу того, что действительно точечные мутации в онкогенах или генах-супрессорах опухолей могут вызывать рак, а мутации в ДНК могут управлять всеми признаками старения [7].
Генетические факторы при ВМД и глаукоме способствуют развитию этих заболеваний и предопределяют ответ на лечение. Однако в патогенезе данных видов патологии принимают участие совершенно разные наборы генных мутаций. Так, в патогенезе ВМД важную роль играет ассоциация генетических полиморфизмов (гены CFH, CFB, CC2, CC3, ARMS2, HTRA1) [8]. В патогенезе глаукомы наиболее подробно изучены по крайней мере 20 хромосомных локусов (GLC1A-P), которые связаны с первичной открытоугольной глаукомой (ПОУГ), из них выделяют полиморфизмы генов миоцилина (MYOC), оптиневрина (OPTN), цитохрома P450 первого семейства подсемейства B полипептид 1 (CYP1B1), WD повторяющегося домена 36 (WDR36) и нейротрофина 4 (NTF4) [9]. Однако на эти гены приходится менее 10% случаев развития ПОУГ в общей популяции. Поэтому реально предположить, что наследственный аспект многих из оставшихся случаев ПОУГ обусловлен комбинированным действием нескольких генов (полигенное наследование) [10]. Связь между локусом CDKN2B (-AS1) на хромосоме 9p21 и ПОУГ широко установлена в разных популяциях и представляет собой главный генетический фактор риска развития ПОУГ [10]. В исследовании, проведенном H.T. Shin и соавторами, сообщается, что риску развития ПОУГ с высоким уровнем внутриглазного давления, обусловленному генетическими факторами, больше подвержены европейцы, американцы, выходцы из Южной и Восточной Азии и африканцы (в указанном порядке) [11].
Согласно теории свободных радикалов, предложенной D. Harman, окислительный стресс является одним из наиболее важных факторов старения [12]. Автор провел параллели между эффектами старения и эффектами, вызываемыми ионизирующим излучением, мутагенезом, раком и повреждением клеток [12]. Эта теория получила дальнейшее развитие с открытием фермента супероксиддисмутазы (SOD), которая предоставила первое неопровержимое доказательство того, что супероксид-анионы (О2(–)) могут образовываться in vivo и в результате последующей идентификации большого количества механизмов антиоксидантной защиты [13, 14]. Полученные данные согласуются с идеей, что виды с высокой скоростью метаболизма быстрее стареют и имеют более короткую продолжительность жизни [15, 16]. Эта теория согласуется с гипотезой «скорости жизни», согласно которой старение является результатом потребления энергии [16]. Эти две гипотезы объединили, когда выяснилось, что митохондрии являются основным источником эндогенных окислителей и генерируют О2(–), и что более быстрое дыхание приводит к образованию большего количества кислородных радикалов, которые приносят значительный ущерб клетке и ее составляющим [17]. В клетках млекопитающих активные формы кислорода (АФК) представлены в основном атомарным и синглетным кислородом, гидроперекисями и гидроксильными группами. АФК генерируются 5-липоксигеназой и НАДФН-оксидазой в митохондриях. В нормальных условиях повреждения, вызванные АФК, предотвращаются множеством антиоксидантных защитных механизмов, которые включают ферментативные: супероксиддисмураза (СОД), каталаза (КАТ), глутатион пероксидаза (ГПУ), в сочетании с коэнзимами: Медь (Cu), Цинк (Zn), Селен (Se), и неферментативные: витамины A, C, E, глутатион; меланин, лютеин, зеаксантин.
При ВМД данная теория подтверждается присутствием в составе друз окислительно-модифицированных белков и продуктов перекисного окисления липидов [18]. Перекисное окисление липидов приводит к образованию больших молекулярных цепочек, которые не распознаются ферментами клеток пигментного эпителия; не распадаются и накапливаются с возрастом, образуя друзы. В свою очередь, свободнорадикальное повреждение является одним из ключевых моментов патогенеза глаукомной оптиконейропатии (ГОН). Активацию глутамат-кальциевой эксайтотоксичности наряду с нарушением баланса в системах генерации и детоксикации АФК при ослаблении систем антиоксидантной защиты приводит к активации перекисного окисления липидов и токсическому повреждению клеточных структур [18].
Существуют различные доказательства, подтверждающие теорию D. Harman о влиянии АФК на процессы старения, но она не может объяснить все изменения, связанные с возрастом [19].
В настоящее время теломеразная теория старения (в литературе еще упоминается другое название — репликативное клеточное старение) нашла свое отражение и в офтальмологии. Понимание основных биологических механизмов функционирования теломеразы и теломер в медицине дает уникальную возможность изучать возрастные заболевания [20]. Теломеры — специальные структуры на концах хромосом, от длины которых зависит пролиферативный потенциал клетки, или число делений, которые клетка может совершить до своей гибели. Теломераза образует защитную «шапку» вокруг теломеры, предотвращая ее укорачивание. Молекула фермента состоит из 2 основных компонентов; Tert, каталитический компонент с активностью обратной транскриптазы [21], и Terc, который служит матрицей для синтеза теломерной ДНК [22]. За открытие и изучение теломер и теломеразы в 2009 г. присуждена Нобелевская премия по медицине.
Многие считают, что теломеры — это молекулярные часы, которые подсчитывают количество делений клеток и состоят из повторяющихся последовательностей TTAGGG на концах хромосом. Длина теломер является надежным маркером клеточного старения и патогенеза заболеваний [23] и часто считается косвенным показателем биологического старения. В клетках млекопитающих концы теломер имеют защитную «t-петлю» — структуру более высокого порядка [24]. Основоположниками этой теории можно считать А.М. Оловникова и J.D. Watson [25, 26]. А.М. Оловников предположил, что существует специальный фермент — теломераза, который может компенсировать «проблему концевой недорепликации», а сам фермент открыт в 1987 г. C.W. Greider, E.H. Blackburn [27]. Длину теломер поддерживает фермент теломераза. К примеру, в эмбриональных клеточных линиях теломераза активна, и длина теломер в них остается постоянной, т.е. эти клетки обладают неограниченным потенциалом деления. В стволовых клетках активность теломеразы ниже, что позволяет лишь частично компенсировать укорачивание теломер. В соматических клетках активность теломеразы обычно отсутствует. Укорачивание теломер продолжается до тех пор, пока теломера не теряет способность защищать концы хромосомы, тогда клетка достигает определенного предела, описанного Л. Хейфликом и названного его именем, переходит в состояние старения, а после этого наступает кризис, сопровождающийся массовой гибелью клеток [28, 29]. Стареющая клетка меняет свою морфологию, становится более плоской и широкой, увеличивает экспрессию галактозидазы, уровня p16 и очагов гетерохроматина (плотные точки ДНК, наблюдаемые in vitro после старения), которые в совокупности представляют собой достоверные биомаркеры клеточного старения [30].
Короткая длина теломер связана с распространенными возрастными заболеваниями: ишемической болезнью сердца [31], хронической обструктивной болезнью легких [32], остеопорозом [33] и болезнью Альцгеймера [30, 34]. Недавно к этому списку добавлена ВМД [35].
Вследствие окислительного стресса, связанного с воздействием света на рецепторы сетчатки, и высокой скорости метаболизма при фоторецепции, как полагают, макулярная область становится особенно восприимчивой к дегенеративным изменениям [36].
Ранняя стадия ВМД характеризуется образованием различных типов друз, но процесс друзообразования до сих пор остается нераскрытым. Некоторые исследователи полагают, что друзы могут быть нефагоцитированными остатками, которые перемещаются из апикальной области ретинального пигментного эпителия (РПЭ) в пространство между РПЭ и мембраной Бруха, в то время как другие считают, что друзы могут быть результатом экзоцитоза фагоцитированных материалов неразлагаемых клеток РПЭ [37]. Клетки РПЭ переносят процессы старения, что сопровождается увеличением активности бета-галактозидазы и свидетельствует не только о клеточном старении, но и о лизосомной дисфункции, приводящей к неэффективному фагоцитозу [38].
По мнению академика РАН Л.К. Мошетовой, современные модели прогнозирования развития ВМД не включают молекулярные факторы риска, в то время как эти факторы могут быть измерены количественно. Возможная корреляция длины теломер и активности теломеразы с формой и стадией ВМД может быть использована в качестве фактора, способного обеспечить более точное определение генетического риска для отдельных лиц. Это подтверждает необходимость дополнительных исследований и испытаний в данной области [39].
Из множества функций РПЭ одной из наиболее важных является макрофагальная, реализующаяся в апикальной части клетки, благодаря которой поддерживается работа фоторецепторов сетчатки за счет фагоцитоза отработанных дисков (мембран) наружных сегментов фоторецепторов поддерживать работу фоторецепторов сетчатки. В сетчатке человека около 150 млн фоторецепторов, которые «теряют» до 100 внешних дисков в день, а клетка РПЭ в норме должна «переработать» до 4 000 дисков в день [40].
В 2013 г. I. Immonen и соавторы опубликовали работу, в которой указали на отсутствие связи между длиной теломер и ВМД. Так, средняя длина теломер составляла 7,76 kb (0,68) у пациентов с ВМД и 7,83 (0,69) в контроле (p=0,485) [41]. Несмотря на это, X. Weng и соавторы уже в 2015 г. на выборке с участием 197 пациентов с ВМД и 259 здоровых людей контрольной группы обнаружили статистически значимую связь между ВМД и длиной теломер лейкоцитов (OR 2,24; 95% ДИ=1,68—3,07; p=0,0001), кроме того, результаты показали сильную статистически значимую связь между географической атрофией и длиной теломер лейкоцитов (OR 4,81; 95% ДИ=3,15—7,82; p=0,0001) и отсутствие связи с экссудативной ВМД [35]. Таким образом, при ВМД, особенно при географической атрофии, наблюдается низкая способность клеток сохранять длину теломер, что, в свою очередь, влияет на продолжительность жизни и здоровье пациентов с ВМД. Известно, что окислительный стресс может приводить к уменьшению длины теломер, что сопровождается ускоренными темпами старения клеток.
Из-за отсутствия теломеразы в клетках РПЭ они подвергаются ускоренному старению за счет окислительного стресса. В эксперименте показано, что экспрессия экзогенной теломеразы в клетках РПЭ поддерживает длину теломер и предотвращает репликативное старение клеток в культуре [42].
C.T. Dow и C.B. Harley в 2016 г. опубликовали результаты первого рандомизированного двойного слепого плацебо-контролируемого исследования, влияния активатора теломеразы (8 мг очищенного экстракта корня Astragalus membranaceus) на течение ВМД. В результате авторы отметили достигнутое функциональное превосходство у пациентов, получавших препарат, однако убедительных морфологических данных (доказанных оптической когерентной томографией) не представили. К недостаткам исследования можно отнести и небольшую выборку (38 человек), и незначительный срок наблюдения — 1 год [43].
Болезнь Альцгеймера (БА) — это прогрессирующее нейродегенеративное заболевание центральной нервной системы людей пожилого возраста. При этом заболевании постепенно поражаются все области, отвечающие за когнитивные функции, включая кратковременную и долговременную память, способность к обучению и поведение. Этим заболеванием болеет около 47 млн человек в мире, и, по прогнозам, к 2050 г. их число увеличится до 152 млн [44].
Легкое когнитивное расстройство (ЛКР), считающееся переходной стадией между нормальным старением и деменцией, определяется как снижение когнитивных функций, более выраженное, чем ожидаемое для возраста и уровня образования, но не оказывающее заметного влияния на повседневную деятельность [44].
Новые потенциальные маркеры перехода от ЛКР к БА включают повышенные уровни воспалительных цитокинов [45] и укороченную длину теломер лейкоцитов [46].
В исследовании, проведенном R.M. Corbo и соавторами, обнаружено, что средняя длина теломер лейкоцитов значительно различается (p<0,0001) у пациентов трех групп (пациенты группы контроля > пациенты группы с ЛКР > пациенты группы с БА), что указывает на определенную взаимосвязь между уменьшением длины теломер и развитием БА [44]. На данную взаимосвязь указывают и другие результаты, которые in vivo демонстрируют зависимость между укорочением теломер и уровнями IL-1β в сыворотке крови, маркером, который, по-видимому, связан с образованием Aβ бляшек (бета-амилоидов) в мозге при БА уже на ранних стадиях [47].
В исследованиях показано, что участки коры мозга более предрасположены к развитию БА [48]. Следовательно, наблюдаемое ускоренное укорочение теломер в коре головного мозга может быть ведущим фактором его восприимчивости к возрастной нейродегенерации, которая специфически поражает области коры мозга [49].
В мозге пациентов с БА в микроглиальных клетках содержится значительное количество биомаркеров старения, а также выявлены более короткие теломеры по сравнению с контролем [50].
Глаукома, одна из основных причин необратимой слепоты на сегодняшний день, также является нейродегенеративным заболеванием, характеризующимся дегенерацией ганглиозных клеток сетчатки. В последние годы попытка связать эти два заболевания была в центре внимания многих исследований. Установление такой связи на основе доказанных фактов может стать ключом для лучшего клинического поиска, профилактики и ранней диагностики деменции у пациентов с глаукомой, и наоборот, это также позволило бы использовать новые терапевтические подходы, основанные на знании общей этиологии или причинно-следственной связи между этими двумя заболеваниями.
В исследовании, проведенном A.U. Bayer и соавторами, обнаружена более высокая распространенность глаукомы среди пациентов с БА (25,9%) по сравнению с контрольной группой лиц без БА (5,2%) [51].
Многие ученые сосредоточили свои исследования на роли бета-амилоидов в развитии глаукомы. L. Guo и соавторы с помощью экспериментального исследования на крысиной модели индуцировали повышенный уровень внутриглазного давления у самцов крыс и обнаружили усиленную агрегацию бета-амилоида в пораженных ганглиозных клетках сетчатки, которая отсутствовала в аналогичных клетках контралатеральных, непораженных глаз [52].
Исследователи использовали образцы тканей глаза человека, полученные в ходе антиглаукоматозных операций, и сравнили их иммуногистохимические характеристики с таковыми у живых и кадаверных контрольных образцов ткани. Они обнаружили, что у пациентов с неконтролируемым уровнем внутриглазного давления наблюдались пониженная концентрация нормального тау-белка (BT2) и повышенная концентрация аномальных гиперфосфорилированных молекул тау-белка (AT8), особенно в сетчатке; такие молекулы также обнаружены в спинномозговой жидкости пациентов с БА.
Таким образом, на сегодняшний день появляется все больше данных, свидетельствующих о взаимосвязи развития глаукомы и БА. Есть надежда, что появятся исследования, посвященные изучению теломер при глаукоме.
У всех людей старение происходит постепенно и устойчиво. Старение ведет к значительному увеличению заболеваемости и смертности к концу жизни и ложится серьезным бременем на общество и мировую экономику. Следовательно, предотвращение или обращение вспять процесса старения имеет первостепенное значение для всех людей, а искоренение старения, несомненно, приведет к более процветающему обществу во всем мире. В течение последних нескольких десятилетий предложено много гипотез о том, что старение связано с постепенным и прогрессирующим снижением функций клеток, которое возникает в результате повреждения клеточных компартментов, органелл и биоинформационных молекул. Однако эти клеточно-ориентированные гипотезы не учитывают все признаки старения, и в настоящее время наиболее близкая причина клеточного повреждения остается невыявленной.
Дальнейшие исследования патогенеза, связанные с возрастом заболеваний глаз, нацелены на открытие лекарств, убивающих стареющие клетки (сенолитики) и прекращающих проявления побочных эффектов старения (сеностатики).
Заключение
Геронтология по мере роста продолжительности жизни становится важнейшей медико-социальной дисциплиной, которая порождает сложные теоретические вопросы (изучение процесса старения) и практические задачи (повышение эффективности лечения, прежде всего, инволюционно зависимых заболеваний). Существующие теории старения чаще носят противоречивый характер, но в ряде случаев дополняют друг друга. Молекулярно-генетическая теория предлагает рассматривать процесс старения как наследственно запрограммированное изменение генома или как результат накопления случайных мутаций. Из этого следует, что процесс старения может являться или закономерным результатом роста и развития организма, или следствием накопления случайных ошибок в системе хранения и передачи генетической информации.
Согласно теории свободных радикалов, одновременно выдвинутой D. Harman (1956) и Н.М. Эмануэлем (1958) [53], причиной нарушения функционирования клеток являются необходимые для многих биохимических процессов свободные радикалы — активные формы кислорода, синтезируемые главным образом в митохондриях — энергетических «фабриках» клеток. Если очень агрессивный, химически активный свободный радикал случайно покидает то место, где он нужен, он может повредить и ДНК, и РНК, и белки, и липиды. Эта теория объясняет не только механизм старения, но и широкий круг связанных с ним заболеваний, таких как глаукома, катаракта, возрастная макулярная дегенерация и некоторые другие.
Академик В.П. Скулачев, изучив процесс самоликвидации митохондрий и назвав его митоптозом, выдвинул теорию старения как теорию клеточного апоптоза. Митоптоз происходит тогда, когда в митохондриях образуется слишком много свободных радикалов, в результате чего число погибших митохондрий становится слишком большим, продукты их распада отравляют клетку и приводят к ее апоптозу. Старение, с точки зрения В.П. Скулачева, — результат того, что в организме гибнет больше клеток, чем рождается, а отмирающие функциональные клетки заменяются соединительной тканью. Предсказанное советским ученым М. Оловниковым наличие теломер на концах хромосом позволило сформулировать так называемую теломерную теорию старения. Современные исследования показали, что окислительный стресс может влиять на утрату теломер, значительно ускоряя процесс старения в определенных тканях.
Отсутствие единой теории старения позволяет делать разные предположения в этой области. И если согласиться с мнением о том, что процесс старения — это болезнь, тогда и отношение к нему должно быть как к болезни, т. е. необходим поиск эффективного лечения.
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.