De pil van Ponce De Leon vinden: uitdagingen bij het screenen op antiverouderingsmoleculen

Abstract

Verouderingwordt gekenmerkt door de progressieve accumulatie van degeneratieve veranderingen, met als hoogtepunt een verminderde functie en een verhoogde kans op overlijden. Het is de belangrijkste risicofactor voor veel menselijke pathologieën, waaronder kanker, diabetes type 2 en hart- en vaatziektenneurodegeneratieve ziekten– en eist daardoor een enorme sociale en economische tol. Debelangrijk doel van verouderingsonderzoekis om interventies te ontwikkelen die dat wel kunnenvertragen het ontstaan ​​van meerdere ouderdomsziektenEnverlengen gezonde levensduur(gezondheidsspanne). De observatie dat verbeterde levensduur en gezondheid kan worden bereikt in modelorganismen doordieetbeperkingof eenvoudiggenetische manipulatiesheeft geleid tot de jacht op chemische verbindingen die dat wel kunnenlevensduur verhogen.De meeste routes die de verouderingssnelheid bij zoogdieren moduleren, hebben homologen in gist, vliegen en wormen, wat suggereert dat een eerste screening om dergelijkefarmacologische interventiesmogelijk met ongewervelde modellen. In de afgelopen jaren zijn verschillende verbindingen geïdentificeerd die de levensduur van ongewervelde dieren en zelfs knaagdieren kunnen verlengen. Hier vatten we de toegepaste strategieën en de geboekte vooruitgang samen bij het identificeren van verbindingen die in staat zijn de levensduur te verlengen in organismen, variërend van ongewervelde dieren tot muizen, en bespreken we de formidabele uitdagingen bij het vertalen van dit werk naar menselijke therapieën.

Klik om de beste farmacologische interventies en kruiden Cistanche voor anti-veroudering te kennen

Trefwoordenveroudering, anti-aging geneeskunde,ouderdomsziekten

Invoering

Veroudering wordt gekenmerkt door moleculaire, cellulaire en organismale veranderingen die uitmonden in het onvermogen van een organisme om de fysiologische integriteit te behouden1. Bij mensen wordt veroudering geassocieerd met een sterk verhoogde aanleg voor een breed scala aan ziekten, waaronder kanker, diabetes type 2 (T2D), neurodegeneratie en hart- en vaatziekten, wat leidt tot verhoogde morbiditeit en mortaliteit1,2. Het langetermijndoel van verouderingsonderzoek is het ontwikkelen van interventies die het ontstaan ​​van ouderdomsziekten kunnen vertragen en een lang leven kunnen bevorderen. Met dit doel is het onderzoek in de biogerontologie gericht op het ophelderen van de basismechanismen van veroudering. Huidig ​​​​bewijs suggereert dat veel van deze mechanismen behouden blijven bij eukaryoten, van gist tot zoogdieren.

In de afgelopen decennia heeft werk in diverse organismen cellulaire signaalroutes geïdentificeerd die de verouderingssnelheid moduleren3,4 . Veel van deze routes functioneren normaal gesproken om de voedingsstatus van het organisme te voelen (Figuur 1) en signaleringscascades initiëren die specifieke inter- en intracellulaire routes moduleren en de doelcelfysiologie dienovereenkomstig veranderen2. Deze voedingsroutes, waaronder insuline en insuline-achtige groeifactor (IGF) signalering (IIS)5 , het doelwit van rapamycine (mTOR) signalering6, adenosinemonofosfaat (AMP)-geactiveerde proteïnekinase (AMPK)-signalering7, en sirtuïnes8, coördineert cellulaire groei- en metabolismegerelateerde processen en integreert ze met niveaus van voedingsstoffen, energie, groeifactoren en stress. Wanneer nutriëntenniveaus en groeisignalen afnemen, verandert de signalering via deze routes. Genetische of, in sommige gevallen, farmacologische manipulatie van deze routes kan leiden tot verlenging van de levensduur, terwijl hun leeftijdsgebonden ontregeling kan bijdragen aan veroudering van het organisme.

Dieetbeperking (DR), een voedingsregime waarbij de totale calorie-inname wordt verminderd zonder ondervoeding of een verminderde inname van specifieke voedingscomponenten zoals aminozuren, is de best gekarakteriseerde interventie die veroudering vertraagt ​​en ziekte vertraagt ​​bij een breed scala van diersoorten9,10. Moleculaire effectoren die betrokken zijn bij het mediëren van de opmerkelijke effecten van DR omvatten deze voedingsstofdetectieroutes. Het eerste bewijs suggereert dat sommige van deze zelfde routes ook veroudering en ziekte bij mensen kunnen beïnvloeden. Bijvoorbeeld genetische varianten in deFOXO3Agen, dat codeert voor een transcriptiefactor stroomafwaarts van IIS, zijn in verband gebracht met de menselijke levensduur11–16. Personen met Laron-dwerggroei hebben sterk verlaagde serum-IGF1-spiegels en een diepgaande bescherming tegen T2D en kanker17. Farmacologische interventies die DR gedeeltelijk nabootsen door activiteiten van deze voedingsstof-detecterende routes te moduleren, hebben het potentieel om de gezondheid te verbeteren en een lang leven te bevorderen. Er is bijvoorbeeld voorgesteld dat rapamycine, een specifieke remmer van mTOR, enkele van de gunstige effecten van DR veroorzaakt onder standaard voedings- en voedingscondities18. Evenzo is aangetoond dat een handvol andere moleculen, zoals metformine en resveratrol, de signalering van voedingsstoffen moduleren en de gezondheidsspanne in meerdere modelorganismen bevorderen, en deze worden vervolgens in detail besproken.

Naast ontregeling van routes voor het waarnemen van voedingsstoffen, omvatten andere geconserveerde mechanismen die betrokken zijn bij de schadelijke manifestaties van veroudering (Figuur 1) i)mitochondriale disfunctie, leidend tot een verstoord ademhalingsmetabolisme, verhoogde vorming van reactieve zuurstofspecies (ROS), evenals mogelijk andere gevolgen,ii)verhoogde accumulatie van DNA-schade, veroorzaakt door exogene beledigingen en endogene gevaren, waaronder DNA-replicatiefouten en ROS,iii)verminderde proteostase geassocieerd met verhoogde misvouwing en aggregatie van eiwitten,iv)cellulaire senescentie, wat bijdraagt ​​aan weefseldisfunctie,v)verhoogde steriele ontsteking,vi)stamcelveroudering, envii)epigenetische veranderingen1,19. Voor een meer volledige bespreking van geconserveerde verouderingsmechanismen wordt de lezer elders verwezen1. Farmacologische middelen die zich op sommige van deze veranderingen richten, zijn kandidaat-geneesmiddelen tegen veroudering. In deze review zullen we een overzicht geven van farmacologische interventies met het bekende of potentiële vermogen om veroudering te vertragen en gezondheid op latere leeftijd te bevorderen. Eerst vatten we de belangrijkste bijdragen samen die studies in ongewervelde modelsystemen hebben geleverd aan screeningsinspanningen om anti-verouderingsgeneesmiddelen met kleine moleculen te identificeren. Vervolgens gaan we dieper in op moleculen die momenteel worden bestudeerd vanwege hun potentieel om de levensduur te verlengen en ziekte uit te stellen. Ten slotte zullen uitdagingen bij het screenen op nieuwe antiverouderingsgeneesmiddelen en bij het vertalen van dit werk naar de mens worden besproken.

Ongewervelde dieren als modelsystemen voor het screenen van pro-levensduur kleine moleculen

Vanwege een verscheidenheid aan factoren - met name het gemak van genetische manipulatie en fysiologie vergelijkbaar met die van mensen - is de muis het vooraanstaande zoogdiermodelorganisme geworden in de verouderingsbiologie . In het licht van de hoge huisvestingskosten en de relatief lange levensduur van muizen is grootschalige onbevooroordeelde screening om antiverouderingsmedicijnen op te sporen in dit organisme echter niet haalbaar. Met het besef dat veel aan veroudering gerelateerde routes evolutionair behouden blijven, zelfs bij zeer uiteenlopende soorten, zijn in plaats daarvan kortlevende ongewervelde modellen gebruikt voor een dergelijke screening. De nematode Caenorhabditis elegans - met zijn korte levensduur van ~ 3 weken, gemak van kweken en genetische manipulatie, en goed gekarakteriseerde verouderingsbiologie - vertegenwoordigt een zeer aantrekkelijk modelsysteem voor chemische screening om verbindingen te identificeren die de levensduur en leeftijdsgebonden fenotypes moduleren. Verschillende onderzoeken hebben inderdaad een aantal kandidaat-antiverouderingsverbindingen geïdentificeerd met behulp van C. elegans als modelorganisme. Tot nu toe werd de meest uitgebreide screening op de levensduur van kleine moleculen met behulp van C. elegans uitgevoerd door Petrascheck et al., die 88,{11}} chemicaliën evalueerden op hun vermogen om de levensduur te verlengen21. Ze identificeerden 115 verbindingen die de levensduur van wormen aanzienlijk verlengden. Interessant is dat een van deze een structurele gelijkenis vertoonde met menselijke antidepressiva die de signalering door de neurotransmitter serotonine beïnvloeden. Vervolgens ontdekten ze dat mianserin, een serotoninereceptorantagonist die wordt gebruikt als antidepressivum bij mensen, de levensduur van C. elegans verlengt wanneer het wordt toegediend met 50 μM, waarschijnlijk via mechanismen die zijn gekoppeld aan DR21. In een evaluatie van 19 verbindingen met bekende effecten op de menselijke fysiologie, Evason et al. rapporteerden dat de anticonvulsiva ethosuximide (gedoseerd in 2 en 4 mg/ml), trimethadion (4 mg/ml) en 3,3-diethyl-2-pyrrolidinon (2 mg/ml) leeftijdsgerelateerde veranderingen vertraagden en verhoogde levensduur van C. elegans22.

Met behulp van een bio-informaticabenadering om DR-mimetica te identificeren, Calvert et al. analyseerde geneesmiddelen die genexpressieveranderingen induceren die vergelijkbaar zijn met die geassocieerd met DR en identificeerde 11 kleine moleculen met deze eigenschap . Interessant is dat van de vijf geteste geneesmiddelen er vier – rapamycine (toegediend in een dosis van 10 μM), allantoïne (250 μM), trichostatine A (100 μM) en LY-294002 (100 μM) – een langere levensduur en een betere gezondheid veroorzaakten bij wilde dieren. type (WT) C. elegans. Omgekeerd werden er geen effecten op de levensduur waargenomen in de eet-2-mutantachtergrond, een genetisch DR-model, wat suggereert dat de levensverlengende effecten van deze medicijnen inderdaad kunnen optreden via DR-gerelateerde mechanismen23.

Een studie van Alavez et al. rapporteerden dat amyloïde-bindende verbindingen de eiwithomeostase behouden en de levensduur verlengen in C. elegans24. Blootstelling van WT-wormen aan de amyloïde-bindende kleurstof Thioflavine T (ThT) bij 50 of 100 μM tijdens de volwassenheid verhoogde de mediane levensduur met 60 procent en de maximale levensduur met 43-78 procent 24. ThT-behandeling verminderde de A-aggregatie en behield de spierintegriteit in C. elegans-modellen van de ziekte van Alzheimer (AD), resulterend in een verminderd aandeel verlamde wormen. ThT-toediening onderdrukte ook de toxiciteit geassocieerd met metastabiele eiwitten in mutante wormen24. ThT-gemedieerde onderdrukking van eiwitaggregatie en levensduurverlenging hing af van moleculaire chaperonnes, autofagie, proteasomale functie, de proteostaseregulator hitteschokfactor 1 (HSF-1) en de stressbestendigheid en levensduurtranscriptiefactor SKN-124 . Verbindingen met structurele gelijkenis met ThT verlengden ook de levensduur van wormen met maximaal 40 procent, maar in aanzienlijk lagere concentraties dan ThT. Bovendien verlengde blootstelling aan andere eiwit-aggregaat-bindende verbindingen zoals curcumine (100 μM) en rifampicine (10–100 μM) de levensduur van wormen met wel 45 procent 24. Deze resultaten benadrukken het belang van proteostase in de gezondheid en levensduur van wormen en bieden verdere impuls voor de ontwikkeling van interventies die proteostase kunnen handhaven om veroudering en leeftijdsgerelateerde ziekten te onderdrukken.

Het National Institute of Aging heeft onlangs een farmacologisch interventieprogramma gesponsord waarbij Caenorhabditis als modelsysteem werd gebruikt, analoog aan vergelijkbare lopende inspanningen bij de muis. Het Caenorhabditis Intervention Testing Program (CITP) is een multi-institutionele inspanning gericht op het identificeren van verbindingen met het vermogen om de levensduur te verlengen en de gezondheid te verbeteren, met behulp van meerdere Caenorhabditis-soorten en meerdere stammen van C. elegans. De identificatie van verbindingen die effectief zijn in genetisch diverse wormpopulaties kan de ontdekking versnellen van interventies die de levensduur/gezondheidsspanne van andere soorten, mogelijk inclusief de mens, kunnen verlengen.

De fruitvlieg Drosophila melanogaster vertegenwoordigt een ander model dat geschikt is voor het screenen van antiverouderingsverbindingen25. Er is een grote verscheidenheid aan genetische stammen van D. melanogaster beschikbaar, met verschillende gemiddelde levensduur, nuttig voor de validatie van de werkzaamheid van verbindingen over meerdere genetische achtergronden. Net als bij C. elegans heeft Drosophila een korte levensduur en de vele genetische hulpmiddelen die in dit organisme beschikbaar zijn, vergemakkelijken de mechanistische studie van loodverbindingen . De eerste studie waarin melding werd gemaakt van verlenging van de levensduur van Drosophila door toediening van een medicijn, werd uitgevoerd door Kang et al., die aantoonden dat het voeden van Drosophila 4-fenylbutyraat met 5–10 mM – een medicijn met meerdere activiteiten, waaronder remming van histondeacetylase – significant verhoogde zowel de mediane als de maximale levensduur zonder negatieve gevolgen voor voortbeweging, stressbestendigheid of reproductie26. Een recentere studie beschreef de screening van proteïnekinaseremmers op effecten op de levensduur van Drosophila27. Van de 80 remmers die in dit onderzoek werden getest, verlengden er 17 significant de levensduur van Drosophila zonder de voedselinname of -consumptie te beïnvloeden, wat aangeeft dat de effecten van deze remmers op de levensduur van Drosophila geen betrekking hebben op DR27. In dit verband heeft een recente studie van Slack et al. meldde dat verzwakking van RAS-Erk-ETS-signalering resulteert in een verminderde IIS en een verlenging van de levensduur veroorzaakt bij Drosophila28. Trametinib (1,56–15,6 μM), een zeer specifieke MEK-remmer die de signalering stroomafwaarts van RAS verzwakt, kan de mediane levensduur van vrouwelijke Drosophila met wel 12 procent verlengen (p=1.92 × 10-10), en bij hogere doses (156 μM), verbetert de overleving op latere leeftijd28. Toediening van trametinib was effectief in het bevorderen van de levensduur van vliegen, zelfs bij toediening aan dieren van middelbare leeftijd. Deze en gelijkaardige bevindingen met andere drugs – vgl. verlenging van de levensduur van muizen door behandeling met rapamycine die op middelbare leeftijd is gestart, zie hieronder - de mogelijkheid verhogen dat antiverouderingsgeneesmiddelen bij mensen effectief kunnen zijn, zelfs wanneer ze worden toegediend aan oudere personen, waardoor mogelijke ontwikkelingsbijwerkingen van deze geneesmiddelen worden vermeden.

Verbindingen die veroudering en leeftijdsgebonden fenotypes bij zoogdieren moduleren

De mTOR-remmer rapamycine

mTOR is een geconserveerde serine/threoninekinase die de beschikbaarheid van voedingsstoffen, groeifactoren en omgevingsstress waarneemt en daarop reageert en een sleutelrol speelt bij het op gang brengen van groei6,29. In meercellige eukaryoten bestaat mTOR in twee verschillende multi-eiwitcomplexen, mTORC1 en mTORC2, die zich onderscheiden door hun associatie met respectievelijk het regulerende geassocieerde eiwit van mTOR (RAPTOR) en rapamycine-ongevoelige metgezel van mTOR (RICTOR)30,31. Rapamycine vormt een complex met het eiwit FKBP12, dat zich bindt aan mTORC1 en de activiteit ervan remt 32. Belangrijk is dat chronische behandeling met rapamycine ook mTORC233 remt. mTORC1-activiteit wordt gereguleerd door voedingsstoffen (glucose en aminozuren), cytokines, hormonen (insuline of IGF1), energie (ATP-niveaus) en oxidatieve stress via PI3K-, AKT- en AMPK-signalering6. Belangrijke stroomafwaartse bemiddelaars van mTORC1-signalering zijn routes die celgroei, proliferatie, stressrespons en autofagie regelen. mTORC1 integreert daarom op kritische wijze cellulaire groei en onderhoud met de beschikbaarheid van voedingsstoffen, hormonale signalen en andere omgevingsstimuli.

Een aantal onderzoeken hebben een verband gelegd tussen mTOR-signaalroutes en een lange levensduur in organismen, variërend van gist tot zoogdieren. Remming van mTOR-signalering door genetische of farmacologische middelen verlengt de levensduur in gist35-37, nematoden38,39, fruitvliegen40 en muizen33,41-47. Evenzo verhoogt genetische deletie bij muizen van de stroomafwaartse mTORC1-effector, S6-kinase 1, het oxidatieve metabolisme, beschermt het tegen door leeftijd en voeding veroorzaakte obesitas en verlengt het de levensduur van vrouwen47,48. Consequent resulteert verhoogde activiteit van het mTORC1-doelwit 4E-BP1 in skeletspieren in een verhoogd oxidatief metabolisme en beschermt het muizen tegen door voeding en leeftijd veroorzaakte metabole disfunctie49. In een baanbrekende studie toonde het Interventions Testing Program (ITP) van NIA aan dat de behandeling van een genetisch heterogene muizenvoorraad met de mTOR-remmer rapamycine (toegediend met 14 mg/kg voedsel; 2,24 mg/kg lichaamsgewicht/dag) begon na 9 maanden of 20 maanden oud verlengde levensduur bij beide geslachten43,50. Een vervolgstudie toonde aan dat de door rapamycine geïnduceerde toename van de levensduur van muizen dosis- en geslachtsafhankelijk is. Bij een bepaalde chow-concentratie van rapamycine vertoonden vrouwelijke muizen een grotere toename in levensduur dan mannetjes, wat correleerde met hogere bloedspiegels van rapamycine die werden bereikt bij vrouwtjes in vergelijking met mannetjes51. Behandeling met Rapamycine induceerde volledig verschillende genexpressieveranderingen bij mannen en vrouwen, wat het bestaan ​​van seksespecifieke reacties op mTOR-remming impliceert51. Bovendien verschilden de expressiepatronen van xenobiotische metaboliserende enzymen in de levers van met rapamycine behandelde (14 mg/kg voedsel) muizen opvallend van die in DR-blootgestelde dieren op een leeftijd van 12 maanden51. Inderdaad, DR is minder effectief in het verlengen van de levensduur wanneer het later in het leven wordt gestart52-54, terwijl behandeling met rapamycine de levensduur van muizen verlengt, zelfs wanneer het op middelbare leeftijd wordt gestart43,55. Cruciaal is dat door rapamycine geïnduceerde levensduurverlenging bij muizen ook is waargenomen bij verschillende genetische achtergronden41,42,44,56.

In een baanbrekende studie toonde het Interventions Testing Program (ITP) van NIA aan dat de behandeling van een genetisch heterogene muizenvoorraad met de mTOR-remmer rapamycine (toegediend met 14 mg/kg voedsel; 2,24 mg/kg lichaamsgewicht/dag) begon na 9 maanden of 20 maanden oud verlengde levensduur bij beide geslachten43,50. Een vervolgstudie toonde aan dat de door rapamycine geïnduceerde toename van de levensduur van muizen dosis- en geslachtsafhankelijk is. Bij een bepaalde chow-concentratie van rapamycine vertoonden vrouwelijke muizen een grotere toename in levensduur dan mannetjes, wat correleerde met hogere bloedspiegels van rapamycine die werden bereikt bij vrouwtjes in vergelijking met mannetjes51. Behandeling met Rapamycine induceerde volledig verschillende genexpressieveranderingen bij mannen en vrouwen, wat het bestaan ​​van seksespecifieke reacties op mTOR-remming impliceert51. Bovendien verschilden de expressiepatronen van xenobiotische metaboliserende enzymen in de levers van met rapamycine behandelde (14 mg/kg voedsel) muizen opvallend van die in DR-blootgestelde dieren op een leeftijd van 12 maanden51. Inderdaad, DR is minder effectief in het verlengen van de levensduur wanneer het later in het leven wordt gestart52-54, terwijl behandeling met rapamycine de levensduur van muizen verlengt, zelfs wanneer het op middelbare leeftijd wordt gestart43,55. Cruciaal is dat door rapamycine geïnduceerde levensduurverlenging bij muizen ook is waargenomen bij verschillende genetische achtergronden41,42,44,56.

Mechanismen van verlenging van de levensduur door rapamycine blijven een fel bediscussieerd onderwerp in de verouderingsbiologie 56,57. Rapamycine heeft antineoplastische eigenschappen58-60, en kanker is de belangrijkste doodsoorzaak bij de meeste muizenstammen die door rapamycine gemedieerde levensduurverlenging vertonen43,61. In deze context is een plausibele verklaring voor de verlenging van de levensduur van muizen door rapamycine dat dit medicijn het begin en/of de agressiviteit van dodelijke kankers onderdrukt. Sommige onderzoekers hebben echter gemeld dat rapamycine naast neoplasie ook leeftijdsgebonden fenotypes remt62,63, wat sterk suggereert dat dit medicijn bredere antiverouderingseffecten heeft. Een recente uitgebreide studie van Neff et al. beweerden dat de effecten van rapamycine op verouderende fenotypes als zodanig vrij beperkt waren56. In dit verband zijn tegenstrijdige waarnemingen gedaan met betrekking tot de effecten van behandeling met rapamycine in muismodellen van AD64. Langdurige behandeling met rapamycine leidde tot gedragsverbeteringen in AD-modellen van muizen en veroorzaakte een autofagie-gemedieerde afname van A- en hypergefosforyleerde tau-niveaus65,66. Omgekeerd is aangetoond dat rapamycine de A-productie bevordert67,68 en leidde tot een toename van A-geïnduceerde celdood69.

Rapamycine heeft significante bijwerkingen – met name metabole disfunctie, cataract en testiculaire atrofie – die de bruikbaarheid op de lange termijn als antiverouderingsbehandeling bij mensen kan beperken70,71. Het belangrijkste is dat vanwege de immunomodulerende effecten van mTOR-remmers de behandeling van menselijke patiënten met het rapamycine-achtige geneesmiddel everolimus/RAD001 wordt geassocieerd met een hogere incidentie van infectie bij personen met ziekten zoals kanker72,73 en tubereuze sclerosecomplex (TSC)74 . Omgekeerd toonde een recente studie aan dat kortdurende toediening van everolimus/RAD001 aan gezonde oudere personen de immunologische respons op griepvaccinatie versterkte, met bescheiden bijwerkingen 75. Een verminderde respons op het griepvaccin is een grote klinische uitdaging bij oudere populaties76. Deze bevindingen suggereren dat intermitterende of kortdurende toediening van rapamycine of andere mTOR-remmers bepaalde functioneel belangrijke effecten van veroudering, zoals een slechte immunisatierespons, zou kunnen onderdrukken, terwijl de negatieve gevolgen die gepaard gaan met chronisch gebruik van deze middelen worden vermeden. Een recent onderzoek bij muizen komt overeen met deze opvatting en identificeert een intermitterend toedieningsregime van rapamycine bij muizen dat metabole disfunctie minimaliseert, terwijl chronische mTORC1-onderdrukking in vetweefsel wordt gehandhaafd, maar niet in andere weefsels77. Het zal van groot belang zijn om de effecten van dergelijke intermitterende doseringsregimes op een breed scala van leeftijdsgebonden fenotypes en op de levensduur te evalueren.

Metformine en andere biguaniden

Metformine, een oraal biguanide-antiglycemisch middel, is het meest gebruikte geneesmiddel bij de behandeling van metabool syndroom en T2D. Het werkingsmechanisme van metformine wordt niet volledig begrepen en is waarschijnlijk multifactorieel. Er werd gemeld dat het de serumglucosespiegels verlaagt door Respiratoire Chain Complex I in hepatocyten te remmen78, resulterend in verminderde ATP-productie, wat leidt tot activering van de LKB1- en AMPK-kinases, waardoor de hepatische gluconeogenese wordt onderdrukt79,80. Van metformine is gemeld dat het AMPK activeert in veel andere weefsels, waaronder vetweefsel, skeletspier, hart, pancreascellen en hypothalamus met mogelijk gunstige fysiologische effecten bij patiënten met T2D81,82. Metformine oefent echter ook belangrijke effecten uit onafhankelijk van AMPK en LKB183, bijvoorbeeld door de werking van glucagon84 tegen te werken. Onlangs is een ander AMPK-onafhankelijk mechanisme onthuld voor metformine. Een studie van Madiraju et al. toonde aan dat metformine niet-competitief het redox-shuttle-enzym mitochondriaal glycerofosfaatdehydrogenase remt, waardoor de cytosolische redoxtoestand wordt verhoogd en de mitochondriale redoxtoestand wordt verlaagd 85. Dit onderdrukt de hepatische gluconeogenese door de omzetting van lactaat en glycerol in glucose te verminderen 85. Hoewel metformine momenteel is goedgekeurd voor de behandeling van T2D suggereert een grote literatuur de werkzaamheid van metformine tegenandere aandoeningen, met name hart- en vaatziektenen kanker78. In dit opzicht heeft een recent onderzoek aangetoond dat metformine het ontstaan ​​van tumoren vermindert door mitochondriaal Complex I in kankercellen te remmen86.

AMPK-activering veroorzaakt een lange levensduur bij vliegen en wormen 87,88. Een aantal onderzoeken suggereert dat behandeling met metformine sommige effecten van DR kan recapituleren. In deze context hebben verschillende onderzoeken de effecten van metformine en andere biguaniden op de levensduur onderzocht en verschillende resultaten gerapporteerd. Metformine en andere biguaniden verlengen de levensduur van C. elegan op dosisafhankelijke wijze89-91. De toename van de levensduur van C. elegans door metformine wordt gemedieerd door remming van het bacteriële folaat- en methioninemetabolisme, wat op zijn beurt het methioninemetabolisme in de worm verandert, wat resulteert in verlaagde S-adenosylmethionine- en verhoogde S-adenosylhomo-cysteïnespiegels89. Metformine verlengt blijkbaar echter de levensduur niet bij D. melanogaster92,93. Ondanks de krachtige activering van AMPK, verkorten hoge doses metformine inderdaad de levensduur van zowel mannelijke als vrouwelijke vliegen93, mogelijk als gevolg van verstoring van de homeostase van het darmvocht93. Behandeling met metformine onderdrukte echter leeftijdsgerelateerde fenotypen in stamcellen van de middendarm van de darm94 en oefende ook gunstige effecten uit in een vliegobesitasmodel95. Een recente studie toonde aan dat behandeling met metformine een significante verlenging van de gemiddelde en maximale levensduur veroorzaakt bij beide geslachten van de krekel Acheta domesticus96. Er zijn verschillende onderzoeken uitgevoerd bij knaagdieren om de effecten van metformine en andere biguaniden op de levensduur te testen; de uitkomsten varieerden met genotype, geslacht en dosis en duur van de behandeling97. Chronische behandeling met metformine (100 mg/kg in het drinkwater) verhoogde de gemiddelde levensduur van kankergevoelige HER-2/neu transgene, outbred SHR en inteelt 129/Sv vrouwelijke muizen met 8 procent (p<0.05), 37.8% (p<0.01), and 4.4% (p<0.05), respectively98–100. Metformin treatment also extended the maximum lifespan of HER-2/neu transgenic and outbred SHR female mice by 9% and 10.3%, respectively, while no effect was observed on maximal lifespan in inbred 129/Sv female mice98–100. Conversely, treatment of inbred 129/Sv male mice with a similar dose of metformin actually reduced mean lifespan by 13.4%100. However, metformin treatment (2 mg/mL in drinking water) in a transgenic mouse model of Huntington's disease (HD) prolonged male mean lifespan by 20.1% (p=0.017), but did not affect female survival101. It has been reported that metformin treatment (100 mg/kg in the drinking water) of female outbred SHR mice initiated at 3 months of age-induced a trend towards increased mean lifespan102. Metformin treatment also postponed the onset of detectable tumors when started at young or middle ages, but not at old age102. Neonatal metformin treatment of 129/Sv mice (100 mg/kg via subcutaneous injection) led to a 20% (p<0.001) increase in male mean lifespan and also slightly increased maximum lifespan by 3.5%103. However, in females, the mean and maximum lifespan in metformin-treated groups were decreased by 9.1% and 3.8%, respectively103. In a recent study by MartinMontalvo et al., male C57BL/6 mice supplemented with 0.1% metformin in the diet showed a 5.8% increase in mean lifespan (p=0.02, Gehan–Breslow survival test), whereas supplementation with 1% metformin was toxic and reduced mean lifespan by 14.4%104. However, supplementation of B6C3F1 male mice with 0.1% metformin resulted in the extension of mean lifespan only by 4.2% (p=0.064, Gehan–Breslow)104. Treatment with another biguanide, phenformin (2 mg/mouse in 0.2 mL of drinking water), significantly reduced spontaneous tumor development in female C3H/Sn mice and prolonged mean lifespan by 21% or more (p<0.05)105,106 and maximum lifespan by 26%105. Evaluation of the lifespan effects of metformin in mice by the ITP consortium is ongoing, and the results should be available soon.

Bij ratten leidde behandeling met buformine (5 mg/rat in 1 ml drinkwater) tot een niet-significante toename van 7,3 procent in de gemiddelde levensduur van vrouwelijke LIO-dieren, terwijl fenformine (5 mg/rat in 1 ml drinkwater) geen effect105. Toediening van zowel buformine als fenformine verhoogde echter de maximale levensduur van vrouwelijke LIO-ratten met respectievelijk 5,5 procent en 9,8 procent105. Behandeling met metformine (300 mg/kg/dag) verhoogde de gemiddelde of maximale levensduur van mannelijke F344-ratten niet107. In hetzelfde rapport vertoonde een parallelle groep mannelijke F344-ratten die waren blootgesteld aan DR echter ook geen levensduurverlenging107, waardoor de metformineresultaten in dit onderzoek enigszins onduidelijk bleven. Mechanisch is voorgesteld dat behandeling met metformine sommige effecten van DR nabootst, met name door de AMPK-activiteit te verhogen en ook antioxidantreacties te activeren, wat leidt tot een vermindering van zowel de accumulatie van oxidatieve schade als chronische ontsteking104.

Hoewel geen enkele studie de effecten van langdurige behandeling met metformine op de levensduur van gezonde mensen formeel heeft geanalyseerd, toonden gerandomiseerde klinische onderzoeken met metformine gunstige effecten op de gezondheid en overleving bij patiënten met T2D met overgewicht/obesitas, zoals blijkt uit een verminderde incidentie van hart- en vaatziekten en kanker. en verminderde algehele mortaliteit108-110. In combinatie met sulfonylureum verhoogde metformine echter het risico op diabetesgerelateerde sterfte en sterfte door alle oorzaken in een gemengde groep van personen zonder overgewicht en personen met overgewicht/obesitas met T2D78,108. In overeenstemming met deze observaties, een recente studie van Bannister et al. rapporteerden dat patiënten met T2D die werden behandeld met metformine een verbeterde overleving vertoonden in vergelijking met gematchte, niet-diabetische controles, terwijl degenen die werden behandeld met sulfonylureumderivaten een verminderde overleving vertoonden111.

Gezien de relatief veelbelovende gegevens over knaagdieren, de aanwijzingen dat metformine kanker en andere aan leeftijd gerelateerde aandoeningen bij mensen zou kunnen onderdrukken, en het relatief goedaardige veiligheidsprofiel van metformine, is er momenteel grote belangstelling voor het formeel testen van het vermogen van dit medicijn om de aan leeftijd gerelateerde ziekte uit te stellen. bij mensen112. Inderdaad, de Amerikaanse Food and Drug Administration (FDA) heeft onlangs een studie goedgekeurd met de naam Targeting Aging With Metformin (TAME) voor de evaluatie van metformine als een middel tegen veroudering. Bij het TAME-project zullen ongeveer 3000 deelnemers tussen de 70 en 80 jaar betrokken zijn die ofwel al één, twee of alle drie de aandoeningen hebben: kanker, hartaandoeningen of cognitieve stoornissen, of het risico lopen deze te ontwikkelen. De proef zal gedurende 5 tot 7 jaar plaatsvinden in ongeveer 15 centra in de Verenigde Staten en zal ongeveer $ 50 miljoen kosten113. Het doel van de studie is om te bepalen of metformine het ontstaan ​​van leeftijdsgebonden ziekten kan voorkomen. Deze baanbrekende proef zal de eerste test zijn van een kandidaat-antiverouderingsmiddel bij mensen.

Resveratrol en andere sirtuin-activerende verbindingen

De sirtuïnes zijn een familie van NAD plus-afhankelijke deacetylasen/ADP-ribosyltransferasen/deacetylasen die betrokken zijn bij het reguleren van reacties op voedingsstoffen en tal van andere aspecten van de celbiologie8. Overexpressie van Sir2, het stichtende lid van de sirtuin-familie, verlengt de replicatieve levensduur in de ontluikende gist Saccharomyces cerevisiae door de accumulatie van extrachromosomale rDNA-plasmiden te onderdrukken, de segregatie van een onbeschadigd proteoom naar de dochtercel te bevorderen, subtelomere silencing af te dwingen, en misschien andere mechanismen114, 115. Verschillende, maar niet alle, onderzoekers hebben ontdekt dat overexpressie van sirtuïnes in wormen en vliegen de levensduur van deze organismen enigszins verlengt116-123. Interessant is dat de Sir2-homoloog Sir-2.1 de levensduur van C. elegan kan verlengen op een manier die onafhankelijk is van zijn deacetylase-activiteit116. Nicotinamide (NAM), een product van sirtuin-activiteit, en zijn metaboliet, 1-methylnicotinamide (MNA), zijn inderdaad in staat de levensduur van wormen te verlengen, mogelijk door tijdelijke ROS-signalering te induceren116. Bij zoogdieren is SIRT1 de dichtstbijzijnde Sir2-homoloog; overexpressie van dit eiwit in de hersenen (maar niet in het hele organisme) verlengt de levensduur124, waarschijnlijk door de hypothalamische functie tijdens het ouder worden te versterken125. Wereldwijde overexpressie van een andere sirtuin, SIRT6, verlengt met name de levensduur van muizen bij mannetjes, althans gedeeltelijk door onderdrukking van longkanker, een belangrijke doodsoorzaak bij mannetjes van de gebruikte muisstam126,127. Overexpressie van SIRT2 stabiliseert de niveaus van het mitotische checkpoint-eiwit BubR1 in progeroïde BubR1H/H-muizen en verlengt zowel de mediane als de maximale levensduur bij mannelijke muizen van deze stam128. Er is geen informatie beschikbaar over de mogelijke effecten van chronische overexpressie van SIRT2 bij WT-dieren. Steeds meer bewijs suggereert dat NAD plus-niveaus kunnen afnemen tijdens veroudering, waardoor de activiteit van sirtuin wordt aangetast en dat het vermogen van sirtuin-overexpressie om de levensduur te verlengen dit effect gedeeltelijk tegengaat door de sirtuin-functie te behouden in het licht van een verminderde NAD plus-pool in oudere organismen.

Resveratrol en bepaalde andere polyfenolen werden oorspronkelijk geïdentificeerd als Sir2/SIRT1-activatoren die de gemiddelde en maximale levensduur van gist verlengden130. Het is belangrijk op te merken dat resveratrol een zeer promiscue drug is en functioneel belangrijke effecten uitoefent op veel cellulaire doelwitten131. Behandeling van wormen en vliegen met res veratrol (gedoseerd op 100 μM in wormen en 10–100 μM in vliegen) verlengt ook de levensduur, afhankelijk van de aanwezigheid van respectievelijk functioneel Sir-2.1 en dSir2132. Echter, een studie van Bass et al. beweerde dat behandeling met resveratrol (1–1000 μM) geen significant effect had op de levensduur van Drosophila133. Dezelfde studie rapporteerde ook dat behandeling met resveratrol bij 100 μM slechts een lichte en sporadische toename van de levensduur van C. elegans veroorzaakte bij zowel WT- als sir{15}}.1 mutante dieren, wat suggereert dat deze kleine toename van de levensduur van C. elegans veroorzaakt door resveratrol kan Sir-2.1 onafhankelijk133 zijn. Resveratrol beschermt wormen tegen oxidatieve stress, door straling veroorzaakte schade en amyloïde-toxiciteit134-136 en wekt ook radioprotectie op bij vliegen137. Behandeling met resveratrol verhoogt de gemiddelde en maximale levensduur van de honingbij138 en de kortlevende vissen Nothobranchius furzeri en Nothobranchius guentheri139–141.

Er werd gemeld dat resveratrol en andere sirtuin-activerende verbindingen (STAC's) Sir2/SIRT1 allosterisch activeren130. Andere groepen hebben echter ontdekt dat deze verbindingen in vitro niet in staat waren om de activiteit van SIRT1 ten opzichte van natieve peptiden te versterken142,143. In deze context is gesuggereerd dat verhoogde SIRT1-activiteit geïnduceerd door resveratrol afhangt van de aanwezigheid van een niet-natuurlijke fluorofoor geconjugeerd aan de peptidesequentie die oorspronkelijk werd gebruikt bij het screenen op SIRT1-activatoren142,143. Recente rapporten hebben echter aangetoond dat resveratrol en andere STAC's direct binden aan SIRT1 en allosterisch de deacetylase-activiteit ervan ten opzichte van niet-gelabelde peptidesubstraten versterken144,145. Van resveratrol is ook gemeld dat het de katalytische activiteit van humaan tyrosyltransfer-RNA (tRNA)-synthetase (TyrRS) remt, wat resulteert in zijn nucleaire translocatie en stimulering van NAD plus-afhankelijke activering van poly (ADP-ribose) polymerase 1 (PARP1)146 . PARP1 speelt een belangrijke rol bij zowel DNA-herstel als transcriptie147.

Bij muizen beschermt resveratrol tegen enkele schadelijke effecten van vetrijke/calorierijke diëten148-151, vermindert het de groei en ontwikkeling van meerdere soorten kanker aanzienlijk152-154 en vertraagt ​​of voorkomt het de aanvang van AD155,156. Bovendien biedt resveratrol bij knaagdieren en mensen bescherming tegen diabetes type 1 en T2D157,158 en hart- en vaatziekten159 en heeft het ontstekingsremmende160 en antivirale activiteiten161. Van suppletie met resveratrol (ofwel 0.016–0,1 procent van het dieet of 25 mg/kg/dag) is gerapporteerd dat het de levensduur verlengt in muismodellen van obesitas148, AD162, HD163 en amyotrofische laterale sclerose164,165. Behandeling met resveratrol (2–8 mg/kg/dag) verlengt de levensduur van met LPS behandelde muizen166 en vermindert de door catecholamine geïnduceerde mortaliteit bij zwaarlijvige ratten (20 mg/kg/dag)167. Bovendien verlengt resveratrol (10 mg/ml, intraperitoneale injectie) de overleving in een muismodel van sepsis-geïnduceerd acuut nierletsel en herstelt het de niermicrocirculatie168. Toediening van resveratrol (18 mg/kg/dag in de voeding) verbetert ook de overleving in een hypertensiemodel bij ratten169. Belangrijk is echter dat behandeling met resveratrol (100–1200 mg/kg voedsel) de levensduur niet verlengt bij muizen die normaal voedsel krijgen50,170,171. Suppletie met resveratrol induceert veranderingen in genexpressie in verschillende weefsels die lijken op die geassocieerd met calorierestrictie bij muizen171,172

Bij mensen veroorzaakte 30-dagelijkse suppletie met resveratrol (150 mg/dag) bij zwaarlijvige mannen metabole veranderingen, waaronder verlaging van de slaap- en ruststofwisseling, intrahepatisch lipidengehalte, circulerende glucosespiegels, ontstekingsmarkers en systolische bloeddruk173. Skeletspieren van met resveratrol behandelde voorwerpen vertoonden verhoogde AMPK-activiteit, verhoogde SIRT1- en PGC-1-eiwitniveaus en verbeterde mitochondriale ademhaling van vetzuren173. Daarentegen veroorzaakte suppletie van 12 weken met resveratrol (75 mg/dag) bij niet-zwaarlijvige, postmenopauzale vrouwen met normale glucosetolerantie geen duidelijke verandering in lichaamssamenstelling, insulinegevoeligheid, metabolisme in rust, plasmalipiden of ontstekingsmarkers174. Bovendien had suppletie met resveratrol geen effect op zijn vermeende moleculaire doelen, waaronder AMPK, SIRT1, NAMPT en PPARGC1A, in skeletspieren of vetweefsel174.

Een belangrijke recente studie van Cai et al. toonden een niet-lineaire dosisrespons aan voor de beschermende effecten van resveratrol bij mensen en muizen175. Bij gelijktijdige toediening met een vetrijk dieet (HFD) bleek een lage dosis resveratrol (~0.{{10}}7 mg/kg/dag) effectiever te zijn dan een hoge dosis -dosis (14 mg / kg / dag) bij het verminderen van het aantal adenoom en het verminderen van de algehele tumorbelasting bij Apcmin-muizen, een model van darmcarcinogenese. Interessant is dat vrouwelijke muizen op de lagere dosis resveratrol een significant hogere expressie en activatie van AMPK in darmmucosa vertoonden dan die in de groep met de hoge dosis175. Consequent vertoonden menselijke colorectale weefsels die werden blootgesteld aan lage voedingsconcentraties (0,01 tot 0,1 μM) van resveratrol ex vivo snelle AMPK-activering en verhoogde autofagie bij lage concentraties en een minder uitgesproken of zelfs geen effect bij hogere doses (1 tot 10 μM)175. Dit ongebruikelijke effect kan de tegenstrijdige rapporten over de werkzaamheid van resveratrol bij mensen helpen rationaliseren, en toekomstige studies bij mensen met resveratrol moeten worden opgezet met zorgvuldige aandacht voor dosering en serumspiegels en voor een grondige beoordeling van effecten op de vermeende moleculaire doelen van resveratrol.

Andere STAC's zijn gesynthetiseerd en er wordt gemeld dat ze de gezondheid en levensduur van muizen verbeteren. Van de STAC SRT1720 (100 mg/kg/dag) is gemeld dat het de gemiddelde levensduur verlengt van volwassen mannelijke C57BL/6J-muizen die een standaarddieet krijgen met 8,8 procent (p=0.096) en tot 21,7 procent ( p=0.0193) op een HFD, zonder de maximale levensduur in beide contexten te verlengen176,177. SRT1720-behandeling verbeterde fysiologische parameters bij HFD-gevoede dieren, verminderde leversteatose, verhoogde insulinegevoeligheid, verbeterde locomotorische activiteit en veroorzaakte ook een genexpressieprofiel dat vergelijkbaar is met dat van een standaarddieet176. SRT1720-suppletie remde pro-inflammatoire genexpressie in de lever en spieren van muizen die een standaard voer kregen en vertraagde het begin van leeftijdsgerelateerde stofwisselingsziekten177. Evenzo verhoogde voedingssuppletie (100 mg / kg) met SRT2104, een andere synthetische STAC, zowel de gemiddelde als de maximale levensduur van mannelijke C57BL / 6J-muizen die een chow-dieet kregen met 9,7 procent (p<0.05) and 4.9% (p<0.001), respectively, and increased insulin sensitivity and motor coordination while reducing inflammation178. Short-term treatment with SRT2104 preserves bone and muscle mass in an experimental atrophy model178. These findings indicate that resveratrol and other STACs can exert beneficial effects on health, particularly in the context of HFD, and that some STACs can modestly extend lifespan under normal feeding conditions; however, additional studies are warranted to better evaluate their effects on longevity in females and other strains of mice. In this regard, there is great current interest in evaluating the effects of NAD+ precursors as therapies for metabolic disease and candidate anti-aging drugs129.