Аутофагия: можно ли замедлить старение, если заставить клетки очищаться?

Очистить клетки от накопившегося мусора и запустить процессы самообновления — звучит почти как идея «вывести токсины и шлаки». Однако у клеток действительно есть встроенный механизм самоочищения — аутофагия. В экспериментах на животных усиление аутофагии защищает от некоторых заболеваний и даже продлевает жизнь. Чтобы добиться похожего эффекта, люди голодают и принимают специальные добавки. Но можно ли действительно усилить аутофагию такими способами? Приносит ли это реальную пользу здоровью? И есть ли способ измерить эффект?

Эти вопросы мы задали двум экспертам: 

• Алексею Москалеву, доктору биологических наук, члену-корреспонденту РАН, директору Института биологии старения и медицины здорового долголетия РНЦХ имени Б. В. Петровского. 
• Екатерине Гусевой, исследовательнице из Сколтеха и НИИ физико-химической биологии имени А. Н. Белозерского МГУ, в которой разрабатываются стимуляторы аутофагии.

Что такое аутофагия и зачем она нужна 

«Аутофагия» переводится с греческого как «самопоедание». Но это не значит, что клетка буквально сама поедает себя. На самом деле процесс скорее напоминает разборку старой техники, из которой извлекают детали и материалы, пригодные для повторного использования. 

Поврежденные белки, вышедшие из строя митохондрии и другие ненужные компоненты клетка заключает в особый мембранный пузырек — аутофагосому. Затем он сливается с лизосомой — своеобразным пищеварительным отделом клетки. Там под воздействием ферментов белки распадаются на аминокислоты, жиры — на жирные кислоты, а другие вещества — на более мелкие молекулы. Полученное молекулярное сырье клетка может снова пустить в дело: использовать как строительный материал для создания новых белков и клеточных структур или как источник энергии. 

О существовании аутофагии ученые знали еще с 1960-х годов, когда бельгийский биолог Кристиан де Дюв дал ей название. Однако как именно клетка осуществляет этот процесс и управляет им, долгое время оставалось загадкой. 

Разобраться в этом помогли опыты японского биолога Есинори Осуми, который в начале 1990-х годов обнаружил у пекарских дрожжей гены, задействованные в этих клеточных процессах. Позднее выяснилось, что аналогичные механизмы действуют в клетках человека. Открытие Осуми позволило перейти от простого наблюдения к экспериментальному изучению аутофагии: исследователи получили возможность отключать отдельные гены, изучать их роль и искать способы регулировать клеточную переработку.

У аутофагии две основные задачи.

1. Уборка клеточного «мусора». Речь идет не буквально об отходах деятельности клетки, а скорее о ее компонентах, которые по какой-то причине вышли из строя. Часто это происходит с белками. Белок состоит из длинной цепочки аминокислот, которая изгибается и сворачивается, образуя сложную объемную структуру. От ее формы зависит, как белок взаимодействует с другими молекулами и какую работу выполняет. Иногда цепочка укладывается неправильно, и тогда белок может утратить свою функцию. «Он не работает, просто накапливается. Некоторые такие белки склонны объединяться в агрегаты, которые клетке становится сложнее удалять», — объясняет Гусева. Аутофагия — один из механизмов, позволяющих избавляться от подобных скоплений, расщепляя белки на аминокислоты, которые можно использовать повторно. Таким же образом клетка перерабатывает поврежденные митохондрии, если их невозможно восстановить.
2. Перераспределение ресурсов. При нехватке питательных веществ клетка может перерабатывать не только поврежденные, но и вполне исправные компоненты, которые ей временно не нужны. Например, во время голодания клетка прекращает делиться. Поэтому белковые комплексы, необходимые для деления, могут разрушаться в процессе аутофагии, а полученные вещества используются для поддержания жизненно важных функций. Когда питание восстанавливается, клетка может создать эти комплексы заново.

Аутофагия происходит в клетках постоянно, но может значительно усиливаться при нехватке питательных веществ, энергетическом стрессе, физической нагрузке или повреждении клеточных структур. Причем с возрастом эта система часто работает все хуже. Из-за мутаций и окислительных повреждений неисправных клеточных компонентов становится больше, а механизмы регуляции аутофагии дают сбои. А поскольку эти сбои связаны с нарушениями метаболизма, болезнью Паркинсона и некоторыми другими нейродегенеративными заболеваниями, возникла идея: нельзя ли через аутофагию затормозить возрастные изменения в целом?

Можно ли с помощью аутофагии замедлить старение?

Похоже, да. Еще в 1998 году американская исследовательница Бет Левин открыла Beclin 1 — один из ключевых белков, необходимых для запуска аутофагии. Обычно его работу сдерживает другой белок, BCL2, который связывается с ним. При голодании или физической нагрузке эта связь ослабевает, и аутофагия усиливается. Двадцать лет спустя в лаборатории Левин изменили в Beclin 1 всего одну аминокислоту — именно в том месте, где он соединяется с BCL2. В результате BCL2 перестал тормозить аутофагию. И — продолжительность жизни мышей, на которых ставили эксперименты, увеличилась, а возрастные повреждения сердца и почек стали менее выраженными. 

Другой подход применили в 2013 году исследователи из Сеульского национального университета. Они вывели мышей с повышенной выработкой белка Atg5, без которого невозможно собрать аутофагосому — мембранный мешок, куда клетка складывает отходы перед отправкой на переработку. Аутофагосом стало больше, уборка «мусора» пошла активнее. Итог: продолжительность жизни у мышей выросла в среднем на 17%. 

Еще один интересный подход предложила молекулярный биолог Ана Мария Куэрво из Медицинского колледжа имени Альберта Эйнштейна в Нью-Йорке. Она изучает особую разновидность аутофагии — шаперон-опосредованную. При обычной аутофагии клетка окружает ненужные компоненты мембраной, образуя пузырек, который затем сливается с лизосомой. В случае шаперон-опосредованной аутофагии все происходит немного иначе: специальные белки распознают отдельные белки, подлежащие переработке, и доставляют их непосредственно к лизосоме. Белки проходят через ее оболочку и расщепляются внутри.

С возрастом этот механизм работает все хуже. Группа Куэрво показала, что его ослабление способствует накоплению в организме стареющих клеток. Их называют «клетками-зомби»: из-за повреждений они перестают делиться, но не погибают. Более того, они выделяют белки и другие соединения, которые поддерживают воспаление и могут вызывать старение соседних клеток. Обычно от таких клеток организм избавляется с помощью макрофагов — клеток иммунной системы, которые поглощают и уничтожают поврежденные и отжившие клетки. Но при нарушении аутофагии выделения стареющих клеток подавляют аутофагию в самих макрофагах. В результате макрофаги хуже справляются с их удалением, и популяция «зомби» в тканях продолжает расти. 

Исследователи попытались восстановить работу этого механизма с помощью экспериментального препарата CA77.1. Через пять месяцев ежедневного приема у старых мышей в нескольких органах уменьшилось количество стареющих клеток, а признаки воспаления ослабли. В другом эксперименте препарат уменьшил развитие фиброза легких. 

Продление жизни, защита от опухолей и фиброза, избавление от «клеток-зомби» — из подобных результатов нетрудно составить целую серию сенсационных заголовков. Неудивительно, что аутофагия стала модной темой. 

Но у этой истории есть существенный нюанс: все эти впечатляющие результаты получены в экспериментах на мышах или отдельных клетках в лаборатории. А что известно о влиянии аутофагии на здоровье человека? Можно ли усилить ее доступными способами и действительно замедлить старение или защититься от болезней?

Можно ли усилить аутофагию голоданием?

Дэйв Эспри

Биохакер

Просто пропустите завтрак — и в клетках запустится аутофагия. 

Голодание действительно считается одним из самых естественных стимуляторов аутофагии: при нехватке питательных веществ снижается активность системы mTOR, регулирующей рост и синтез новых компонентов, и активируется AMPK, датчик энергетического дефицита. У мышей голодание усиливало аутофагию в большинстве тканей, а у червей ограничение питания продлевало жизнь, только если нормально работали гены аутофагии. 

Но насколько это применимо к человеку? Клетки в лабораторной чашке, объясняет Екатерина Гусева, сразу ощущают нехватку питательных веществ, а у человека есть сложная система поддержания их стабильного уровня: печень, например, снабжает организм глюкозой, даже когда человек давно ничего не ел. Не вполне подходят для сравнения и мыши: они расходуют энергию гораздо быстрее и без пищи живут всего несколько суток. Поэтому сутки голода для мыши — совсем не то же самое, что для человека. 

Популярные рекомендации утверждают, что аутофагия запускается через 16 часов без еды и достигает максимума к 24 часам. По словам Алексея Москалева, научного основания у этих цифр нет. В одном из исследований активность аутофагии в клетках крови регистрировали уже после обычного ночного перерыва в еде продолжительностью около 12 часов. Более того, даже после приема 35 граммов белка аутофагия в исследуемых клетках крови не прекращалась в течение первого часа после еды. Поэтому, объясняет Москалев, представление, что она включается после определенного времени голодания и выключается сразу после еды, неверно. 

Может быть, тогда стоит голодать не сутки, а несколько дней? Гусева предостерегает от подобных экспериментов. 

«Наиболее физиологичным» подходом эксперт считает умеренное интервальное голодание. Но оговаривается: «Насколько сильно оно стимулирует аутофагию у человека и приносит ли это дополнительную пользу здоровью, пока не установлено». 

Москалев еще осторожнее: «Я бы не рекомендовал человеку высчитывать часы голода специально ради аутофагии». Доказанного режима голодания, который за счет усиления аутофагии продлевал бы человеку жизнь, пока нет.

Можно ли усилить аутофагию добавками?

Бен Гринфилд

Биохакер

Спермидин активирует аутофагию и помогает избавляться от поврежденных клеточных компонентов. Принимаю ли я его сам? Да.

Кроме спермидина, который содержится, например, в зародышах пшеницы и грибах, как активаторы аутофагии продают ресвератрол из винограда, берберин из барбариса, кверцетин из лука и яблок, уролитин А. «Все они действительно являются доказанными активаторами аутофагии, но прежде всего в клеточных системах», — говорит Екатерина Гусева, которая сама занимается разработкой стимуляторов аутофагии. Клеточные системы — это культуры клеток, специально выращенные в лаборатории. Результаты таких экспериментов еще не означают, что прием этих веществ усиливает аутофагию у человека.

Все перечисленные вещества испытывали и на людях, но большинство исследований касалось не аутофагии, а других возможных эффектов. 

• Спермидин. В одном из исследований 100 пожилых людей в течение года получали спермидин или плацебо. Ученые проверяли, способен ли он улучшить память. Существенных различий между группами не обнаружили. 
• Ресвератрол. Клинические исследования показали, что он способен умеренно снижать артериальное давление у людей с диабетом второго типа и уровень холестерина у людей с избыточным весом. 
• Берберин. По результатам клинических испытаний, снижает уровень сахара, триглицеридов и «плохого» холестерина в крови. В среднем уровень сахара натощак уменьшался примерно на 0,4 ммоль/л. 
• Кверцетин. Анализ 17 клинических испытаний показал, что он снижает систолическое давление в среднем примерно на 3 мм рт. ст., но заметного влияния на уровень сахара и холестерина не обнаружили. 
• Уролитин А. В отличие от остальных веществ, его напрямую исследовали как стимулятор митофагии — переработки поврежденных митохондрий. Уролитин А образуется в кишечнике под действием бактерий из соединений, содержащихся в гранатах, грецких орехах и некоторых ягодах. В клинических испытаниях у пожилых людей повысилась выносливость отдельных мышц, а у людей среднего возраста мышечная сила выросла примерно на 12%. В мышцах обнаружили также больше белков, связанных с митофагией. Правда, непосредственно скорость переработки митохондрий исследователи не измеряли. 

Екатерина Гусева хорошо знакома с действием уролитина А: именно его она использует в лабораторных экспериментах как эталон, с которым сравнивают новые соединения. Проблема в том, что даже генетически почти одинаковые мыши реагируют на активаторы аутофагии по-разному. У одних результаты бывают впечатляющими, у других эффект практически отсутствует. По словам Гусевой, похожую картину можно видеть и в исследованиях с участием людей: 

Иными словами, положительный средний результат испытания еще не означает, что добавка точно так же подействует на конкретного человека. Так что, как предупреждает Гусева, «не будет такого, что по щелчку пальца у нас все сработало».

Еще одно слабое место добавок — дозировка. Она точно не определена. «А если съесть, скажем, не одну таблетку, а десять, могут быть уже неприятные последствия», — предупреждает Гусева. Насколько важно соблюдать дозировку, хорошо видно на примере более сильных стимуляторов аутофагии, которые применяют в лабораторных экспериментах. Многие из них, по словам Гусевой, токсичны: их концентрацию приходится строго контролировать, поскольку при превышении определенной дозы клетка может просто погибнуть.

Можно ли усилить аутофагию спортом?

Марк Сиссон

Автор книг о ЗОЖ

Проведите интенсивную тренировку: силовые упражнения, спринты, много коротких нагрузок. Это запустит аутофагию. 

«Да, физическая нагрузка — наиболее физиологичный вариант стимуляции аутофагии», — считает Алексей Москалев. В опытах на мышах бег усиливал очищение от клеточного мусора в мышцах и сердце. У людей также обнаружены изменения, свидетельствующие об усилении аутофагии после физических упражнений. Например, у тренированных спортсменов такие признаки появлялись после двух часов интенсивной работы на велотренажере, но не после легкой нагрузки.

Эффект зависит не только от интенсивности упражнений, но и от их типа и регулярности. Обзор 26 исследований показал, что после одной силовой тренировки показатели аутофагии в мышцах могут временно снижаться, а после нескольких месяцев регулярных занятий, наоборот, повышаются. Поэтому, предупреждает Москалев, нельзя утверждать, что любая тренировка усиливает аутофагию. 

Точной «дозы» для людей ученые пока не установили. Исследований мало, в них участвовали несколько человек, а аутофагию оценивали по косвенным маркерам в образцах мышц. Но судя по имеющимся данным, важны регулярность и время: эффект видели после нескольких недель или месяцев занятий хотя бы три раза в неделю, а не после одной тренировки. В опытах на животных легкие и редкие нагрузки до нужного порога не дотягивали.

Гусева считает упражнения одним из самых естественных способов стимулировать клеточную переработку: при регулярных тренировках ускоряется обмен веществ, а клеточные компоненты интенсивнее работают и чаще нуждаются в обновлении. Из доступных способов она предпочитает силовые упражнения: «Потому что это в любом случае положительно влияет на организм, и приятный бонус — еще немного активируется аутофагия».

Как понять, что аутофагия усилилась?

«По самочувствию — никак», — отвечает Алексей Москалев. Никаких ощущений, по которым можно определить, насколько активно клетки перерабатывают ненужные компоненты, не существует. Не поможет и обычный анализ крови. «Нельзя пойти, предположим, в "Инвитро", сдать анализ на какой-то маркер и убедиться, что вы достигли цели», — говорит Екатерина Гусева. 

Даже в лаборатории измерить аутофагию непросто. Ученые могут определить количество участвующих в ней белков, например LC3, или подсчитать аутофагосомы — пузырьки, в которых клетка доставляет ненужный материал на переработку. Но сами по себе эти показатели мало что говорят об интенсивности процесса. Например, если аутофагосом стало больше, это может означать, что они образуются быстрее обычного. Или наоборот: что их содержимое перестало нормально разрушаться и аутофагосомы просто накапливаются. 

Поэтому, объясняет Москалев, исследователям важно измерять не количество отдельных белков или клеточных структур, а так называемый поток аутофагии — скорость, с которой ненужный материал проходит весь путь от захвата до разрушения. Для этого нужны специальные лабораторные методы, а иногда и образцы тканей. Например, в исследованиях физических нагрузок ученые проводили биопсию мышц. Но и здесь есть ограничение: результат показывает, что происходит только в исследованной ткани. В других органах, по словам Гусевой, аутофагия может реагировать на то же воздействие совершенно иначе. 

Недавно исследователи разработали способ измерять поток аутофагии по образцу крови и применили его в эксперименте с интервальным голоданием. Это существенно упрощает исследования, однако метод пока остается экспериментальным. К тому же он позволяет оценивать аутофагию лишь в определенных клетках крови, а не во всем организме.

Нужно ли вообще усиливать аутофагию?

Но даже если есть данные о том, что аутофагия усилилась, остается вопрос: действительно ли именно благодаря этому улучшаются параметры здоровья? Например, при интервальном голодании активируется аутофагия и одновременно снижается уровень триглицеридов в крови, избыток которых связан с повышенным риском сердечно-сосудистых заболеваний. Но является ли это прямым следствием усиления аутофагии? «Вот этого как раз мы пока сказать не можем», — отвечает Алексей Москалев. Голодание само по себе влияет на десятки параметров — от уровня глюкозы и инсулина до состава кишечной микробиоты. То же касается физических нагрузок и лекарств.

Есть и менее очевидная проблема. «Повышенная аутофагия иногда может быть не признаком "омоложения", а компенсаторной реакцией клетки на неблагополучие», — объясняет Москалев. Иными словами, клетки могут перерабатывать больше собственных компонентов не потому, что стали здоровее, а потому, что в них накопилось больше повреждений. 

Поэтому, считает ученый, стремиться к постоянно высокой аутофагии бессмысленно. «Нужна нормально работающая, гибкая система клеточного обновления, которая усиливается тогда, когда это требуется, и возвращается к базовому состоянию, когда стресс устранен». Самым экологичным способом поддержания этой системы оба эксперта считают регулярную физическую активность.