Если мы не можем создавать воспоминания, мы не можем лечить.
В целом все что я потерял, почти… не имеет значения. Правда, это тяжело, и меня пробивает холодный пот от мыслей: кем я был? Что меня волновало? Что мне казалось классным, грустным, глупым, болезненным? Был ли я счастлив? Все эти накопленные мной воспоминания исчезли. Какое из них, если нужно было бы выбрать одно, я бы хотел сохранить?
Каким бы избитым ни был этот тезис, потеря памяти, вероятно, наша самая большая потеря в старости. Представление, что все мы состоим из жизненного опыта и способности его вспоминать, чрезвычайно важно для нашего понимания самих себя. Кто мы такие, если не помним свою жизнь и свою личную историю? В старости мне важно сохранить способность ходить и бегать, но, вероятно, еще важнее продолжать думать, создавать, рассуждать и помнить. Все эти качества необходимы для моей индивидуальности не только как ученого, но и как просто человека. Очевидно, что один из самых неприятных аспектов старости – наблюдать, как ускользает от нас, теряя память, любимый человек, который во всех других отношениях кажется абсолютно здоровым. Связь памяти с самоидентификацией – старая, хотя и дискуссионная концепция. Локк анализировал связь между идентичностью и памятью и считал, что с угасанием памяти теряется восприятие собственной личности. Как напоминает Борхес в рассказе “Фунес, чудо памяти”, мы знаем, что наличие исключительной памяти не обязательно означает наличие интеллекта или гарантирует успех, но мы все равно хотим как можно дольше сохранить хотя бы такую память, которая у нас есть.
Ирония в том, что, хотя мы с успехом справляемся с другими возрастными болезнями, такими как сердечно-сосудистые заболевания или рак, количество пожилых людей с нейродегенеративными расстройствами и деменциями продолжает расти просто по той причине, что все больше людей доживают до возраста, когда эти патологии проявляются. Поэтому замедление когнитивного старения представляется мне одной из самых насущных задач в области исследований старения. Несмотря на помешательство некоторых миллионеров и популярной прессы по поводу возможностей продления жизни, продление нашей способности мыслить и рассуждать играет гораздо более важную роль как для отдельных людей, так и для общества в целом. Как может подтвердить каждый человек, ухаживавший за больным с ослаблением когнитивных функций, это одно из самых тяжелых и дорогостоящих проявлений старости.
Есть разница между непатологическим когнитивным старением и возрастными нейродегенеративными проявлениями, и поэтому печально осознавать, как мало нам известно о нормальном замедлении функции нашего мозга с возрастом. Исследования (и финансирование) нормального когнитивного старения до самого последнего времени распадались на исследования старения, нейробиологии и нейродегенеративных заболеваний (вообще говоря, эта тема так важна для меня, что в 2019 году я возглавила программу Фонда Саймонса по пластичности стареющего мозга (SCPAB), которая финансирует пионерские исследования в области когнитивного старения).
Недостаток знаний о когнитивном старении отчасти объясняется тем, что возрастные изменения способности обучаться и запоминать изучать труднее, чем следить за увеличением продолжительности жизни. Еще одна проблема: многие исследователи, занимающиеся изучением продолжительности жизни, считают, что средства продления жизни автоматически улучшают когнитивную функцию, так что нет надобности разделять эти два вопроса. Неправильно считать, будто нет смысла отдельно исследовать угасание когнитивной функции при изучении продолжительности жизни (честно говоря, эта идея порождается ленью). Известно, что некоторые способы увеличения продолжительности жизни, такие как ослабление инсулинового сигнального пути, действительно помогают поддерживать когнитивную функцию при старении, однако другие продлевают жизнь, не оказывая заметного влияния на обучение и память, а третьи, что еще хуже, могут оказывать негативное действие. Кроме того, недавно мы обнаружили несколько способов улучшения памяти, которые не влияют на продолжительность жизни модельных организмов. Наконец, как я подробно расскажу позднее, многое из того, что нам известно об угасании когнитивной функции, выяснилось исключительно в результате изучения болезни Альцгеймера, и это ограничивает наши знания об изменении когнитивной функции в контексте нормального старения.
В этой главе я расскажу, что в настоящее время нам известно о возрастных изменениях когнитивной функции, представлю краткий обзор исследований болезни Альцгеймера и отмечу некоторые перспективные научные направления, которые способны помочь не только противостоять нормальному угасанию когнитивной функции, но и замедлить другие возрастные нейродегенеративные изменения, включая болезнь Альцгеймера.
На сегодняшний день благодаря работе многих лабораторий, проводящих исследования на людях и на модельных животных, мы довольно много знаем о том, как растут, развиваются и функционируют нервные клетки. Некоторые человеческие нейроны не обновляются на протяжении всей жизни, и поэтому важно понимать, как поддерживать их функцию (мы надеемся найти возможность заменять нейроны у взрослых людей, но реальность такого вмешательства горячо обсуждается). Так почему же мы не понимаем, как поддерживать функцию нейронов при старении? Мы достаточно хорошо изучили ранние стереотипные и сравнительно быстрые стадии формирования нейронов, но их возрастной распад все еще не изучен в таких подробностях. Старение – не просто процесс, обратный упорядоченному развитию, но независимый процесс, направляемый случайными сигналами, громом и молнией каждодневных испытаний. Мы не знаем, когда именно начинает угасать функция нейрона; этот момент может быть разным для нейронов разных типов и у человека может впервые проявляться через несколько десятилетий после рождения. Кроме того, в нейронах разных типов поначалу могут происходить разные изменения, если рассматривать ситуацию на молекулярном уровне. В целом изучение процесса старения нейронов отличается от изучения процесса превращения клеток в нервные клетки. Это вариабельный по своей природе процесс, который может начинаться в разные моменты в широком временном диапазоне, и его чрезвычайно сложно анализировать. Это означает, что для его полного понимания нам необходимо собрать гораздо больше данных, чем для понимания часто типичного, строго регулируемого и быстрого процесса раннего развития нейронов. Следовательно, очень важно различать, что требуется для развития нейрона и что происходит при его разрушении с возрастом; и этот процесс в ходе нормального старения, скорее всего, отличается от нейродегенеративного процесса, вызванного агрегацией специфических патологических белков.
Что происходит при разрушении нейрона? Наверное, не удивительно, что ответ звучит так: происходит много всего. На внутриклеточном уровне, когда перестают работать такие органеллы, как лизосомы (это означает, что pH в них уже не меняется и они теряют способность правильно обрабатывать и расщеплять поступающие в них поврежденные белки), прекращается аутофагия и нормальные процессы очистки (уборка мусора), которые использует клетка. Накапливаются разрушенные белки и другой клеточный мусор, образуя бесполезные и даже токсичные агрегаты, в том числе зачатки нейродегенеративных бляшек. Если транскрипционные факторы перестают получать обычные сигналы активации, они уже не попадают в ядро в правильное время, или связываются с ДНК, не вызывая транскрипцию, или по ошибке активируют транскрипцию не генов нейронов, а генов развивающихся клеток. Клетка перестает производить нормальные новые транскрипты мРНК и соответствующие молекулы белков, в том числе тех, которые могли бы заменить поврежденные белки и белки, участвующие в репарации. В это же время в стареющих клетках раздувается ядрышко (ядерная фабрика по производству рибосом) – вероятно, из-за того, что клетка безуспешно пытается произвести новые компоненты рибосом для преодоления нехватки функциональных белков. Вытекание хроматина или двунитевой ДНК из ядра в цитоплазму детектируется сигнальным путем cGAS-STING, что свидетельствует о повреждении клетки и индуцирует старение. Поврежденные митохондрии не только не могут производить достаточное количество АТФ (которого нейронам требуется очень много), но также выделяют опасные радикалы кислорода, поскольку теряют целостность, и посылают сигналы бедствия, усиливающие дальнейшие разрушения.
Но все эти события происходят во всех старых клетках, а каковы специфические проявления старения нейронов? Конечно же, одной из специфических характеристик нейронов является наличие синапсов – специализированных компартментов, через которые происходит обмен информацией с другими нейронами[1]. Для работы синапсов нужны не только белки, которые там локализуются, но также постоянный приток новых белков, рецепторов, мРНК, нейропептидов и нейромедиаторов. Отсутствие любого из этих важнейших компонентов вызывает нарушение функции синапса[2], что, понятное дело, означает, что нейрон больше не может воспринимать и передавать информацию. Белки и мРНК поступают в синапсы по аксонам, а также за счет оборота внутри самих синапсов при помощи строго регулируемой системы доставки. Моторные белки кинезины, такие как KIF1A/UNC104, переносят в синапсы везикулы с соответствующим грузом, проходя по микротрубочкам аксонов. В нейронах старых червей система KIF1A/UNC-104 перестает работать, так что везикулы и их содержимое не попадают к месту назначения, но у долгоживущих мутантов daf-2, дольше сохраняющих память и способность обучаться, эта система тоже функционирует дольше, помогая поддерживать функцию синаптического трафика[3]. Благодаря ослаблению сигнальных систем мутанты daf-2 не только дольше живут, но и дольше поддерживают функцию нейронов. Вообще говоря, память у этих мутантов продлевается пропорционально увеличению продолжительности жизни (илл. 7).
Илл. 7. Мутанты daf-2 при старении сохраняют способность обучаться и запоминать лучше, чем черви дикого типа. Эта способность продлевается пропорционально продлению жизни (неопубликованные результаты, полученные в нашей лаборатории).
В старости нейроны перестают функционировать в качестве нейронов. Как человек с амнезией, они могут терять свою транскрипционную “идентичность” и забывать, чем они являются. А клетки, которые не знают, кто они такие, не могут правильно работать. Исследования экспрессии генов (включая исследования нейронов старых червей, проведенные в нашей лаборатории)[4] показывают, что гены “домашнего хозяйства” и другие гены, ответственные за общие клеточные функции, по-прежнему экспрессируются, однако специфические гены нейронов с возрастом могут отключаться, а гены развития, которые в норме молчат во взрослом возрасте, напротив, могут активироваться. Это интересное наблюдение, поскольку оно показывает, что некоторые специфические транскрипционные факторы, регулирующие экспрессию генов нейронов, особенно чувствительны к старению. Изменения экспрессии генов в стареющих нейронах вполне могут быть консервативным явлением у разных животных, поскольку мы наблюдаем похожее возрастное ослабление функций у многих животных – от червя до человека[5]. Есть надежда, что в результате регистрации изменений экспрессии генов в мозге многих животных (C. elegans, киллифиш, мыши, нечеловекообразных приматов, а также человека после смерти) в разные возрастные периоды мы идентифицируем некоторые самые ранние и консервативные изменения экспрессии генов, которые впоследствии приводят к нарушению функции нервов, и это может стать хорошей мишенью для клинического вмешательства[6].
В целом нейроны – постмитотические клетки, однако иногда они могут заменяться новыми благодаря активности нейральных стволовых клеток (НСК)[7]. Усиленная активность НСК способствует замедлению возрастного угасания когнитивной функции, особенно в области гиппокампа – главного хранилища воспоминаний[8]. На этом направлении исследований имеются некоторые разногласия. Признаки нейрогенеза часто наблюдают у взрослых грызунов (главным образом с помощью методов иммунного окрашивания), однако исследования с применением секвенирования РНК в отдельных клетках мозговой ткани умерших людей показывают, что в гиппокампе взрослых людей нейрогенез не происходит[9]. Вероятно, эти споры будут продолжаться до тех пор, пока мы не получим документальных свидетельств нейрогенеза в живых тканях. Мы надеемся, что какая-то активность НСК в мозге человека существует и ее можно направить или усилить для замедления когнитивного старения или для замены нейронов, потерянных в результате нейродегенеративных расстройств. В этом могут помочь технологии, способные активировать хотя бы небольшое количество НСК и с их помощью обновить стареющий мозг.
Еще одна возможность – перепрограммировать клетки для регенерации стареющих нейронов, особенно в случае возрастного ухудшения функции или нейродегенеративных заболеваний, с помощью технологии индуцированных плюрипотентных стволовых клеток (иПСК). Такие иПСК можно получить из соматических клеток самого пациента, перепрограммировав их с помощью факторов Яманаки – транскрипционных факторов, позволяющих клетке превращаться в плюрипотентную (способную производить любые другие клетки), а затем вызвать дифференцировку в новые нервы и клетки глии (подробности в главе 10)[10]. Недавно с помощью клеток сетчатки, измененных путем трансфекции трех из четырех факторов Яманаки, удалось добиться сохранения функций, ослабевающих в клетках сетчатки при старении, включая зрение[11]. Еще поразительнее, что удалось перепрограммировать даже нейроны зубчатой извилины мыши, что указывает на потенциальную возможность перепрограммирования нейронов мозга (а не только периферических нейронов, как в сетчатке) для замены погибающих клеток[12]. Возможно, в один прекрасный день мы сможем обновлять наш мозг, индуцируя регенерацию нейронов. Мы пока не понимаем, как эти новые клетки смогут поддерживать наши долгосрочные воспоминания, но если в мозге взрослого человека удастся заменить хотя бы несколько нейронов[87], понимание того, как это происходит в естественных условиях, поможет нам разработать новые методы регенерации при старении.
На сегодняшний день нам очень важно понять, каковы самые первые этапы возрастного изменения нейронов – какой комочек снега вызывает сход снежной лавины? Как окрашивание седых волос не возвращает молодость, так финальные патологические проявления – наиболее очевидные характеристики стареющего или умершего мозга – легко идентифицировать и изучать, но их устранение вряд ли является эффективной стратегией для замедления старения. Нужно найти причины старения нейронов и действовать на них, а не на более поздние симптомы.
Один из малоизученных факторов угасания когнитивной функции – старение микрососудистых сетей[13]. Недавние исследования на млекопитающих позволяют предположить, что нарушения гематоэнцефалического барьера и сосудов предшествуют другим, более заметным изменениям в стареющем мозге. С возрастом может происходить разрушение защитного гематоэнцефалического барьера, что провоцирует вытекание внутреннего содержимого и повышенную чувствительность к клеткам, которые приходят извне и которых внутри быть не должно, таким как аномально активированные воспалительные клетки. Поскольку сосудистая система отвечает за снабжение мозга кислородом, ее повреждение – одновременно и причина, и следствие старения мозга и может запускать целый каскад последующих событий в разрушении нейронов. Многие из этих сосудистых проблем происходят на микроскопическом уровне, но в конечном итоге приводят к видимым нарушениям, таким как повышение жесткости сосудов, сужение просвета сосудов, способствующее росту бляшек, а также ослабление стенок сосудов, что, в свою очередь, ведет к воспалению и ишемии (недостаточности кровотока и подачи кислорода). Мы часто рассматриваем диабет, высокое кровяное давление и высокий уровень холестерина (а также курение) как проблемы всего стареющего организма, но на самом деле эти нарушения циркуляции и свертывания крови повреждают кровеносные сосуды и повышают риск инсульта, который, в свою очередь, может стать причиной сосудистой деменции. Недостаток кислорода в сочетании с проникновением иммунных клеток, бактерий и других разрушающих факторов в значительной степени способствует повреждению нейронов. По мере возрастного снижения активности иммунной системы эта чувствительность начинает сказываться особенно сильно, и невозможность тщательно удалять клеточный мусор тоже приводит к повреждениям. Следовательно, разработка стратегий для предотвращения разрушения гематоэнцефалического барьера и сосудистых нарушений, возможно, является более важной задачей, чем считалось ранее. На интуитивном уровне это понятно, поскольку мы знаем, что мозгу нужно много кислорода, но идея, похоже, недооценивается, поскольку при исследовании старения нейронов принято изучать только нейроны, тогда как сосуды состоят из других клеток. Замедление развития сосудистых нарушений может быть ключевым элементом для предотвращения ослабления когнитивной функции у многих людей. Когнитивные нарушения, связанные с сосудами и микротромбами, грозят стать еще более серьезной проблемой по мере того, как COVID (который, судя по всему, оказывает долгосрочное влияние на состояние сосудистой системы в целом) поражает все большее количество людей[14].
Физические упражнения – прекрасный способ для поддержания функции сосудистой системы при старении, но еще более простой путь защиты мозга – это сон. Недостаток сна связан с усилением хронических нарушений и ускоренным старением клеток[15]. В часы бодрствования мы накапливаем метаболический мусор, и теперь активно распространяется идея, что сон играет важную роль в “очистке” мозга за счет активности глиальных клеток и лимфы (“глимфатическая система”)[16]. Сон также помогает восстанавливать синапсы и “перезагружать” мозг в целом. Если учесть эти важные функции, становится понятно, что проблема уменьшения продолжительности сна и нарушения регулярных циклов сна и бодрствования может не только усугубляться с возрастом, но и становиться причиной накопления в мозге вредных метаболитов, ведущего к дальнейшему ослаблению мозговых функций.
Нам приятно думать, что люди – уникальный вид, обладающий особенным интеллектом, поэтому вас может удивить, что мы не только не единственный вид животных, способный усваивать и запоминать информацию, но также не единственный вид, страдающий от возрастных когнитивных нарушений. Конечно, в дикой природе, при наличии хищников, большинство животных живут недостаточно долго, чтобы испытывать когнитивные нарушения; когда животное теряет способность заботиться о себе, оно не выживает, и не существует эволюционного давления, позволяющего избежать когнитивного старения у животных после завершения репродуктивного периода. Вообще говоря, гены, благоприятствующие росту и выживанию в раннем возрасте, в старости способны наносить вред (вспомните о теории антагонистической плейотропии, которую мы обсуждали в первых главах), и это может объяснять, почему мы наблюдаем рост числа пожилых людей с подобными деменциями. Однако в лабораторных условиях мы видим, что у стареющих животных тоже проявляются многие аналогичные признаки угасания, которые мы хотели бы затормозить у человека, в том числе потеря способности к обучению и ослабление памяти.
Как анализировать способность к обучению и память у модельных организмов? Конечно, мы намного умнее мышей, дрозофил и червей, поэтому мы не просим их решать дифференциальные уравнения или даже собрать книжную полку из “Икеи”. Однако все эти животные преуспели в эволюционном плане. Их успех подразумевает, что они научились выживать в своей среде, принимать решения в отношении пищи, патогенов, хищников и партнеров для спаривания и хранить в памяти эту информацию столько, сколько она может быть полезной. Помните о собаках Павлова, которые пускали слюни при звуке колокольчика, предвосхищавшего появление мяса? Такую же стратегию мы применили при постановке экспериментов по изучению способности учиться и запоминать у наших любимых модельных животных. Например, грызуны могут обучаться решать самые разные задачи, если получают вознаграждение (воду или кусочки пищи) или иногда негативные стимулы (например, удар электрошоком). Нам не забыть отвратительный вкус морепродуктов, которыми мы когда-то отравились, вот и электрический удар по конечностям и другие негативные стимулы часто запоминаются лучше, чем стимулы положительные, и это оправдано, если помогает избежать смертельной опасности, а в лабораторных условиях задания с такими негативными стимулами могут служить моделью для изучения посттравматических стрессовых расстройств. Под действием слабых электрических разрядов, направленных на конечности, мыши обучаются проходить через лабиринт, по визуальным признакам находить площадку, утопленную под мутной водой, или предвосхищать звуковой или обонятельный сигнал. Измеряя скорость их обучения в подобных экспериментах и длительность соответствующих воспоминаний, мы получаем показатели когнитивных способностей и имеем возможность проанализировать их изменение с возрастом. Такие поведенческие задачи – основа анализа когнитивной функции в модельных системах.
Беспозвоночные животные, как и мыши, воспринимают запахи и другие сигналы и сопрягают эту информацию с положительными (пища) или отрицательными (голод) последствиями, и это позволяет нам изучать подобные связи “по Павлову”. Дрозофилы обучаются многим поведенческим реакциям, и на модели этих животных можно анализировать различные варианты краткосрочной и долгосрочной ассоциативной памяти. Например, можно поместить в пробирки пахучие вещества и дать мухам возможность выбрать, по какому из ходов Т-образного лабиринта следует двигаться. Для идентификации многих важных элементов в механизмах обучения и памяти у дрозофил исследователи использовали генетический скрининг[17]. Работа с морскими улитками Aplysia сыграла решающую роль в определении функции транскрипционного фактора CREB (белка, связывающего элемент CRE) в формировании долгосрочной памяти[18]. Люди всегда удивляются, когда я рассказываю, что C. elegans способны обучаться и запоминать, но они никогда бы не преуспели в эволюционном плане, если бы не могли воспринимать и обрабатывать информацию. Удивительно, насколько консервативны молекулярные механизмы обучения и памяти среди червей, дрозофил, Aplysia и млекопитающих[19].
Червей в жизни мало что интересует, кроме еды, поэтому мы в лаборатории тренировали их связывать появление пищи (бактерий) с запахом, на который обычно они не обращают внимания (например, запах бутанона в нейтральной концентрации)[20][88]. Мы выращивали червей до взрослого возраста на обычной бактериальной пище, затем оставляли их голодать в течение часа, а затем вновь давали им бактерий, но одновременно помещали на крышки чашек капельки бутанона, так что черви питались, чувствуя этот запах. После воздействия запаха бутанона во время кормления на протяжении одного часа или в нескольких тренировочных опытах мы проводили “эксперименты по хемотаксису”, проверяя способность червей связывать запах бутанона с пищей. Мы помещали всех червей в исходную точку и через час подсчитывали количество червей в точке с бутаноном и в контрольной точке, вычитая тех, которые не сдвинулись из исходной позиции, чтобы не смешивать проблемы локомоции и памяти. Если черви все еще двигались в сторону бутанона, мы знали, что они продолжают помнить связь между бутаноном и пищей. Черви умнее, чем вы думаете. Чтобы удержать червей там, куда они приползли, мы использовали вещество с парализующим действием, поскольку в противном случае, достигнув точки с бутаноном и не найдя там еды, они обнаруживали обман и немедленно уползали. Если оставлять червей на чашке с едой без бутанона на некоторое время после тренировки, можно определить, как долго они помнят эту исходную связь между запахом и пищей[21].
Такие сравнительно простые опыты с червями, дрозофилами, Aplysia и другими беспозвоночными позволили нам проверить влияние отдельных генов и белков на сложные процессы обучения и формирования краткосрочных и долгосрочных воспоминаний, которые, как выяснилось, различаются на клеточном и молекулярном уровне[22]. Например, мы знаем, что всем животным для создания долгосрочных воспоминаний необходимо транскрибировать новые молекулы мРНК и синтезировать новые белки и для решения этой задачи требуется несколько часов и множество тренировок. Дело в том, что в формировании долгосрочных воспоминаний принимает участие специфический транскрипционный фактор CREB, образующий новые молекулы мРНК, которые затем должны транслироваться в белки. Медленное формирование долгосрочных воспоминаний только после многократных попыток вполне осмысленно: зачем надолго заучивать и запоминать что-то, например связь между запахом или местоположением и едой, если эта связь мимолетна? Не стоит растрачивать энергию на усвоение временной информации. А вот для создания краткосрочных воспоминаний достаточно лишь однократного опыта (ассоциативное обучение) и молекул мРНК, которые уже транслируются в белки, главным образом в синапсах[23]. Обучение происходит быстрее и требует присутствия уже существующих и функционирующих белков, например, как раз в синапсах. Одна из самых удивительных вещей, которую мы обнаружили: остановка трансляции белков не дает забыть усвоенное, из чего можно сделать вывод, что краткосрочные воспоминания активно переписываются и это, возможно, позволяет животным обновлять устаревшую информацию. Отсюда еще один вывод: некоторые воспоминания можно сохранять дольше, если как-то замедлить трансляцию определенных белков. Возвращаясь к теме нашего повествования, заметим, что все эти процессы ослабевают с возрастом, но в разном возрасте с разной скоростью: обычно чем сложнее процесс, тем быстрее он теряется при старении[24]. Такие опыты, не связанные с изучением нейродегенеративных заболеваний, помогают узнать, что нужно, чтобы стареющие животные дольше сохраняли свои способности.
Несмотря на сравнительную простоту модельных животных, они чрезвычайно полезны для изучения механизмов обучения и памяти, поскольку в экспериментах наблюдаются строгие аналогии с механизмами обучения и памяти у “высших” животных. Из самого неожиданного, что мы обнаружили при изучении ассоциативного обучения и памяти у C. elegans, – насколько консервативны эти процессы на молекулярном уровне у всех животных, вплоть до млекопитающих. Мы не удивляемся каждый раз, когда вновь открываем для себя проявления эволюционных процессов, однако есть нечто уничижительное в том, что маленькие червячки имеют такие же транскрипционные факторы, нейромедиаторы, нейропептиды и синаптические белки для запоминания усвоенного материала (“запах бутанона означает близость еды!”), как и мы. Еще более удивительный результат получается, если привязать эту информацию к временнóй шкале, поскольку становится понятно, что их способность запоминать информацию на день (а это примерно одна двенадцатая часть их жизни) соответствует нашей способности хранить информацию на протяжении нескольких лет. У них эта способность реализуется путем настройки все того же транскрипционного фактора CREB лишь в одной паре нейронов, а мы для запоминания информации используем CREB в гиппокампе. Наверное, многие думают, что, раз у червей всего несколько нейронов, они должны использовать иной механизм для выполнения той же функции, но это не так. Конечно, они не способны на такие же вычисления, как мы, но они успешны в эволюционном плане, поскольку обнаруживают, заучивают, интегрируют и запоминают сигналы (позитивные и негативные), позволяющие им принимать необходимые для выживания решения, так что сходство обнаруживается повсюду.
Быть может, с человека как вида это несколько сбивает спесь, но для исследователей это хорошая новость. Она означает, что мы можем использовать эксперименты по анализу обучения и памяти не только для идентификации генов, задействованных в аналогичных процессах, но также для понимания того, что происходит при старении, и быстро провести исследования с мутантами и с небольшими молекулами, чтобы попытаться остановить угасание этих функций. Мы быстрее определим, какие именно гены и потенциальные лекарства способны замедлить старение нейронов или восстановить угасающую с возрастом память, если сначала проделаем это с червями, мухами и мышами, прежде чем начнем сложный в этическом плане и чрезвычайно медленный процесс исследований на человеке.
Каждый новый эксперимент углубляет наше понимание ситуации на функциональном уровне. На настоящий момент нам известно, что все перечисленные животные при старении теряют способность учиться и запоминать и что эти функции угасают с разной скоростью. Например, мы установили, что молодые черви могут запоминать связь между запахом бутанона и пищей и сохранять эту информацию до следующего дня, но в конце репродуктивного периода они уже на это не способны. Почему? С возрастом снижается уровень критически важного транскрипционного фактора CREB; повышая его уровень либо за счет усиления синтеза, либо за счет включения активаторов CREB, мы можем восстановить долгосрочную память старых червей еще на несколько дней[25]. Понятно, что люди не теряют память сразу после завершения репродуктивного периода, и, судя по всему, сначала начинает разрушаться наша краткосрочная память (по крайней мере, мы замечаем, когда она начинает отказывать). Но в конечном итоге при старении мы утрачиваем всякую способность к обучению и формированию долгосрочных воспоминаний. Поскольку млекопитающие тоже используют CREB для функционирования памяти и уровень этого фактора тоже снижается с годами, в настоящее время мы пытаемся определить, нельзя ли использовать аналогичный подход для восстановления памяти у старых мышей за счет усиления выработки активатора CREB под названием Gnaq (аналог соответствующего гена у червей[26]) в гиппокампе мыши и проверить возможность улучшения памяти. Поскольку обучение и формирование краткосрочной памяти происходят с участием других белков, регулируются иначе и с привлечением других нейронов и угасают в другом возрасте, нежели в случае долгосрочной памяти, нужно определить возрастные ограничения для каждого из этих механизмов и проверить возможность восстановления способности к обучению и краткосрочной памяти аналогичным образом за счет восстановления функции генов и белков у стареющих людей. И поэтому понятно, какую важную роль модельные системы сыграют в поиске путей замедления возрастной потери памяти у человека.
Более неожиданный подход к усилению активности CREB был найден в результате изучения факторов, содержащихся в крови. Вспомните о сумасшедших опытах с парабиозом, когда исследователи соединяли кровеносные системы мышей, что приносило пользу старой мыши (и наносило вред молодой). В лабораториях Тони Висс-Кори (Университет Стэнфорда) и Сола Вилледы (Калифорнийский университет в Сан-Франциско) эти эксперименты были выполнены в более сложном варианте. Кровеносные системы мышей не объединяли друг с другом, но вместо этого старой мыши вводили плазму крови молодой мыши. Вилледа установил, что мыши, получившие плазму крови от молодых животных, обучались и запоминали лучше, чем их обычные сверстники[27]. Интересно, что за это улучшение отвечают несколько факторов[28]. Некоторые факторы крови поддерживают уровень CREB, другие улучшают регенерацию нейральных стволовых клеток, помогая заменять старые нейроны новыми. Как минимум одним из таких “элементов молодости” может быть фактор, имеющийся также у XX-животных (поскольку самки в целом живут дольше и дольше сохраняют функциональность). А некоторые факторы, по-видимому, поддерживают циркуляцию крови и метаболизм. Но это, скорее всего, неполный список, и некоторые вещества поддерживают функцию мозга по сложным механизмам.
Подобно гормонам, факторы крови действуют через неавтономные эффекты: это означает, что сигналы одних клеток влияют на функцию других. Еще один источник неавтономных стимулов для старения мозга и угасания нейронов – иммунная система, что проявляется через аномальное возрастное воспаление (“инфламмейджинг”). Мы обсуждали это явление в связи с другими фенотипами старения, но растет количество данных, подтверждающих пагубное влияние воспаления на функционирование мозга[29]. Активация микроглии и астроглии вызывает неавтономное воспаление нервных клеток – неконтролируемый процесс повреждения мозга. И в этой связи сейчас исследуется роль в угасании когнитивной функции не только нейронов, но и других клеток, которые раньше мы считали “вспомогательными”, в частности, изучается положительное влияние сна на “очистку” мозга за счет работы глиально-лимфатической (“глимфатической”) системы[30].
Исследователи из группы Вилледы сделали удивительное открытие: в плазме крови физически активных мышей образуются белки, которые полезны для старых малоподвижных мышей[31]. Они показали, что при физической активности в плазме крови у мышей и у людей повышается содержание фермента печени Gpld1, и его уровень коррелирует с состоянием когнитивной функции. При повышении уровня Gpld1 у старых мышей наблюдалось улучшение регенеративной и когнитивной функции. Позднее исследователи из лаборатории Висс-Кори обнаружили, что плазма крови “бегающих” мышей может улучшать память и ослаблять воспаление нервов при участии ингибитора воспалительного каскада кластерина. У пациентов с когнитивными нарушениями, которым предлагают выполнять структурированные упражнения, уровень кластерина повышен[32]. Плазма крови активного животного или, скорее, коктейль очищенных факторов из такой плазмы, может сыграть ключевую роль в замедлении как патологического, так и нормального когнитивного старения. Быть может, однажды в старости и вы используете белки “кровавых мальчиков” для усиления памяти, если сами будете вести малоподвижный образ жизни.
Исследования нормального когнитивного старения отстают по сравнению с исследованиями старения и продолжительности жизни в целом, несмотря на большой интерес к изучению болезни Альцгеймера и хорошее финансирование таких работ. Вообще говоря, злые языки могут заявить, что гигантские инвестиции в исследования БА (для которой пока у нас есть только симптоматическое лечение) замедлили изучение нормального процесса старения, поскольку Национальные институты здравоохранения направляют большинство средств, отпущенных на исследования когнитивного старения, именно на изучение БА, причем исторически в основном на изучение одного аспекта этого заболевания. Хотя почти каждый из нас, если проживет достаточно долго, столкнется с проблемами нормального когнитивного старения, до последнего времени эта тема не была в числе приоритетов. Если нам повезет, некоторые открытия в области возрастных нейродегенеративных изменений могут оказаться справедливыми и для когнитивных нарушений, не связанных с БА, или умеренных когнитивных изменений, однако подавляющее большинство исследований БА строится вокруг идеи, что причиной болезни являются бляшки амилоидного белка (“амилоидная гипотеза”), поэтому маловероятно, что эти исследования помогут разработать методы борьбы с когнитивными нарушениями, не связанными с амилоидом.
Два термина, “когнитивные нарушения” и “болезнь Альцгеймера”, часто считают взаимозаменяемыми, однако эти процессы различаются на молекулярном и клеточном уровне. Например, люди, не страдающие от нейродегенеративных расстройств и не имеющие бляшек бета-амилоида, все же могут страдать от когнитивных нарушений (и наоборот). Тем не менее большая часть информации о старении мозга поступает из интенсивных исследований БА, и, честно говоря, наша боязнь старости в значительной степени связана с риском возникновения БА. Я бы хотела вкратце рассказать о том, что нам известно о БА на сегодняшний день, прояснить разницу между БА и другими формами деменции и возрастных когнитивных нарушений, описать как перспективные, так и обескураживающие методы лечения и предложить варианты новых направлений исследований в будущем.
Существуют и другие типы тяжелых нейродегенеративных расстройств, кроме болезни Альцгеймера, и некоторые из них хотя бы отчасти связаны с возрастом. Считается, что большинство нейродегенеративных нарушений возникают из-за накопления каких-либо белковых агрегатов. Например, в патогенезе деменции с тельцами Леви (также известной как болезнь Лу Герига, которая чаще всего поражает мужчин молодого и среднего возраста), болезни Хантингтона (она имеет значительный генетический компонент и поражает целые семьи и даже совсем молодых людей) и болезни Паркинсона, по-видимому, задействованы белковые агрегаты. Болезнь Паркинсона имеет семейную и спонтанную форму, и, в то время как семейную форму связывают с такими генами, как α-синуклеин, паркин и PINK1, причины возникновения спонтанной формы все еще неизвестны и могут быть разными[33]. Различаются также возраст начала заболевания, затрагиваемая область мозга и нарушения, вызванные этими нейродегенеративными заболеваниями. Болезни Паркинсона и Альцгеймера возникают в преклонном возрасте, однако первая в большей степени сопровождается двигательными нарушениями, а когнитивные проблемы возникают гораздо позже, тогда как БА характеризуется деменцией, часто при отсутствии других возрастных нарушений. Считается, что такие различия определяются чувствительностью специфических отделов мозга к этим двум заболеваниям. Это тяжелые болезни, которые необходимо изучать, и они различаются на молекулярном уровне, но они также отличаются от нормального возрастного угасания когнитивной функции, которое ждет многих из нас по мере старения. О каждой из этих болезней можно написать целую книгу, так что я не буду описывать их здесь во всех подробностях.
Принято считать (хотя этот вопрос все еще активно обсуждается), что БА связана с накоплением внутри клеток агрегатов (бляшек) бета-амилоида и (или) нейрофибриллярных клубков (НФК), состоящих из гиперфосфорилированного тау-белка (белка, стабилизирующего микротрубочки, который кодируется геном MAPt). Но мы все еще не знаем, являются ли они истинной причиной болезни или только ее биологическим маркером. Эти два патологических агрегата (бляшки бета-амилоида и клубки тау-белка) в большом количестве обнаруживают в головном мозге пациентов с БА после их смерти, и долгое время посмертный диагноз был единственным способом отличить БА от других форм деменции. Накопление укороченной формы амилоидного бета-пептида токсично для клетки, и НФК тоже оказывают токсическое действие. Их экспрессия в модельных системах вызывает ряд нарушений – от гибели клеток до поведенческих проблем, а значит, они могут быть причиной БА.
Но какой именно из этих двух белков является причиной заболевания? На протяжении многих десятилетий в исследованиях БА доминировала амилоидная гипотеза, и исследователи потратили много сил на разработку методов для устранения бляшек бета-амилоида. Амилоидная гипотеза подтверждается многочисленными данными, но есть также немало причин для скептического отношения к этой идее. Во многих экспериментах показано, что бляшки бета-амилоида не вызывают нарушений памяти, – следовательно, амилоидный белок не причина БА, а лишь ее биологический маркер. Исследования, проведенные на нескольких видах животных, показывают, что олигомерная форма бета-амилоида более токсична, чем окончательная бляшка[34]. Поэтому сдвиг равновесия за счет удаления сравнительно доброкачественных бляшек и усиления образования более токсичных олигомеров может оказывать пагубное действие, поскольку бляшки служат “мусорной корзиной” для более токсичных олигомеров, и это серьезная проблема, если терапевтический подход основан на удалении бляшек и сдвиге равновесия в сторону формирования олигомеров.
Удивительно, но мы все еще не понимаем, что именно предшественник бета-амилоида делает в нейронах, хотя и считается, что он играет какую-то роль в миграции нейронов и в синапсах, в том числе влияя на пластичность, рост аксонов и выживание клеток[35]. На самом деле вполне вероятно, что некоторые из этих агрегирующих белков важны для нормального функционирования нейронов, так что истинный корень проблемы кроется в их исчерпании, а не в их агрегации. Судя по всему, предшественник бета-амилоида необходим для нормального функционирования эндолизосом в нейронах мухи, и его удаление вызывает гибель нервных клеток[36]. У мух этот белок также опосредует взаимодействие между нейронами и клетками глии. Мы все еще не установили окончательно, зачем предшественник бета-амилоида нужен в клетках и как он и его фрагменты связаны с БА. И все же одна терапевтическая стратегия основана на отключении синтеза этого белка, поскольку он, судя по всему, не является необходимым для выживания (мне этот план кажется неудачным, поскольку мы не знаем, не играет ли он в клетке какую-то важную роль)[37].
Своим высказыванием я могу нажить себе врагов, но мне кажется, что эта дискуссия между противодействующими сторонами (“БАтисты против ТАУистов”), которые поддерживают исследования только под своим знаменем, замедлила прогресс в этой области. Если вы на протяжении десятилетий поддерживали амилоидную гипотезу БА, естественно, в ваших интересах показать, что бета-амилоид является главной причиной БА, и вы вряд ли с радостью воспримете данные о том, что удаление бляшек не помогает пациентам с БА. Важное недостающее звено можно найти, если обращать внимание одновременно на бета-амилоид и на тау-белок, а также на их пространственную и временную экспрессию и возможность прямого взаимодействия[38].
Недавно Национальные институты здравоохранения признали, что в исследованиях БА требуется развивать новые направления, кроме самого популярного и наиболее активно финансируемого направления тридцатилетней давности, поддерживающего амилоидную гипотезу, и ученых призвали к поиску новых идей в связи с БА. В одной из новых гипотез главной причиной возникновения БА называют воспаление и вирусную или микробную инфекцию, при этом бета-амилоид и тау-белок все же могут быть задействованы в патологическом процессе, но не обязательно в качестве болезнетворных агентов. Также интересна гипотеза о связи БА с другими метаболическими заболеваниями, особенно с диабетом, поскольку у них много общих признаков, включая повреждение сосудистой системы, и диабет второго типа является одним из важных факторов риска развития БА[39]. Быть может, эти новые направления исследований помогут разгадать загадки БА.
Как и в случае когнитивного старения, существует связь между БА и воспалением и инфекцией. Исследования воспаления нейронов и активации микроглии (что выражается в экспрессии таких маркеров, как IL-1β, IL-6, CCL2, CXCL1 и CXCL10) показывают, что клетки микроглии “запрограммированы” на производство IL-1β благодаря близости к амилоидным бляшкам[40]. Кроме того, у пациентов с БА острые инфекции приводят к изменению нейровоспалительного профиля мозга. Более детальное изучение связи между инфекцией и БА позволит понять, не могут ли инфекции и последующее воспаление служить причиной заболевания и повышать риск развития БА.
Значительная часть исследований БА и испытаний лекарственных препаратов (см. ниже) была посвящена выяснению роли бета-амилоида и амилоидных бляшек, однако тау-белок тоже способен агрегировать и играет важную роль в развитии БА и других нейродегенеративных заболеваний, называемых “таупатиями”[41]. Тау-белок связывается с микротрубочками (его еще называют microtubule associated protein, MAP). Микротрубочки в изобилии присутствуют в большинстве клеток, но особенно их много в нейронах, где они служат и структурными компонентами, и проводящими путями в аксонах для доставки синаптических везикул к синапсам. Сейчас активно изучаются возможные механизмы патогенного действия тау-белка – за счет образования клубков агрегированных белковых молекул или спаренных спиральных волокон. Легко себе представить, что отсоединение белка от микротрубочек может оказывать пагубное влияние, даже если он не накапливается, поскольку это дестабилизирует микротрубочки. Таким образом, можно предположить, что дисфункция нейронов – результат фенотипа с потерей функции. Однако патологическое образование клубков тау-белка связано с атрофией нейронов и угасанием когнитивной функции, и это говорит о том, что патологическое накопление или агрегация тау оказывают токсичное влияние[42]. Например, накопление тау-белка может приводить к потере синаптической активности. Недавно было показано, что он способен распространяться между клетками – подобно прионам или за счет внеклеточного везикулярного транспорта. Следовательно, тау-белок в незащищенной внеклеточной форме может стать мишенью для иммунотерапии[43].
Диссоциированный тау-белок локализуется неправильно и присутствует в разных частях нейронов, в том числе в синаптических везикулах[44]. Кроме того, он связан с аномальной активацией глиальных клеток при воспалении нервной ткани. При таупатиях имеют место специфические патогенные мутации белка (например, мутация P301S)[45]. Еще один фенотип в модели таупатии – потеря синапсов[46], которая, понятное дело, приводит к инактивации нейронов, однако мы все еще не до конца понимаем связь между тау-белком, инактивацией синапсов и воспалительными процессами в нервных клетках. Недавние исследования на мышах позволяют предположить, что удаление синаптического белка синаптогирина-3, с которым взаимодействует тау, предотвращает потерю синаптической активности при патологиях, связанных с тау-белком[47]. Если распространить этот подход на медицинские исследования, синаптогирин-3 может стать хорошей мишенью для фармацевтических исследований.
Недавно выяснилось, что транспозоны играют важную роль в процессах старения: их активность усиливается с возрастом и вызывает дополнительные возрастные изменения. Клетки обычно не позволяют этим потенциально опасным паразитическим элементам ДНК (см. главу 10 о гомеостазе ДНК) экспрессироваться и встраиваться в разные участки генома[48]. Важно удерживать их в “молчащем” состоянии, поскольку активные транспозоны способны встраиваться в ДНК и нарушать последовательность генов, необходимых для нормального функционирования клетки, и это может приводить к клеточной дисфункции. С помощью различных модельных организмов и образцов человеческих тканей было показано, что транспозоны активизируются в стареющих клетках по мере ослабления механизмов сайленсинга. Эта схема лежит в основе так называемой транспозонной теории старения. Нейроны не защищены от этого влияния, и активность транспозонов связывают как минимум с четырьмя нейродегенеративными нарушениями, включая БА, особенно в нейронах гиппокампа и коры – основных участках мозга, повреждающихся при БА[49]. Было показано, что с возрастом в мозге мыши появляются транскрипты транспозонов, и в обширном посмертном исследовании мозга была продемонстрирована корреляция между активацией транспозонов и количеством нейрофибриллярных клубков, что указывает на некую связь между тау-белком и транспозонами[50]. Конечно, корреляция не обязательно подразумевает причинность, однако некоторые исследователи предполагают, что старение и индукция тау-белка приводят к активизации транспозонов, особенно эндогенных ретровирусов (ретротранспозонов)[51]. Усиленная экспрессия тау-белка в мозге стареющих мух приводит к потере гетерохроматина и активации экспрессии эндогенных ретровирусов, наблюдаемых также и при посмертном исследовании мозга пациентов с БА, что указывает на возможную связь между этими процессами в результате отказа механизма сайленсинга. Пока мы не знаем молекулярных принципов, связывающих избыточную экспрессию тау-белка и патогенных форм тау-белка при БА со структурой хроматина, однако корреляция между накоплением тау-белка, исчезновением гетерохроматина и активацией транспозонов, судя по всему, воспроизводится в модельных системах и в мозге пациентов с БА.
Интересный аспект этой новой гипотезы об индукции БА под действием транспозонов заключается в том, что он позволяет предложить новый подход к лечению – антиретровирусную терапию. Возможно, вы слышали об антиретровирусных препаратах для борьбы с вирусом HIV (ВИЧ), который вызывает СПИД, а сравнительно недавно – об использовании комбинированного препарата паксловид на основе двух антиретровирусных лекарств для лечения больных ковидом. Если подавление активации транспозонов может замедлять угасание когнитивной функции у людей, антиретровирусная терапия может стать новой мощной альтернативой в лечении пациентов с БА, и уже сейчас проверяется гипотеза, что с этой целью можно применять препараты, предназначенные для борьбы с ВИЧ[52]. Недавно стали известны результаты клинических испытаний по применению антиретровирусных препаратов для лечения больных с боковым амиотрофическим склерозом – еще одним нейродегенеративным заболеванием, связанным с агрегацией белков[53]. Может быть, подобное лечение аналогичными антиретровирусными препаратами окажется полезным и для пациентов с БА.
Полногеномный поиск ассоциаций (GWAS) и другие генетические анализы позволили найти еще несколько генов, связанных с БА, кроме генов бета-амилоида и тау-белка. Среди них ген презенилина (фермента, участвующего в превращениях предшественника белка-амилоида) и ген аполипопротеина E (APOE). APOE относится к числу генов, которые постоянно обнаруживаются у очень старых людей (глава 3) при проведении GWAS, поскольку некоторые аллели этого гена, судя по всему, оказывают защитное действие, тогда как другие коррелируют с малой продолжительностью жизни. Чаще всего в популяции встречается аллель ε3, которую в методе GWAS считают “стандартом”. Аллель ε2 (“хорошая” аллель) связана с более медленным угасанием когнитивной функции и пониженным риском возникновения БА. Наличие аллели ε4 – плохая новость, особенно если человек унаследовал от родителей две такие аллели, но даже при наличии одной аллели ε2 аллель ε4 может увеличивать риск возникновения БА с ранним и поздним началом, вероятность патологий тау-белка, усиленного отложения бляшек бета-амилоида, усиления когнитивных нарушений сосудистой природы и синаптических патологий, а также целого ряда других деменций (деменции с тельцами Леви, деменции при болезни Паркинсона и TDP43-связанной деменции).
Почему один белок несет в себе такую большую опасность? APOE – это секретируемый усеченный гликопротеин, который синтезируется во многих клетках, связанных с нейронами, таких как клетки микроглии, астроциты и клетки сосудов, а также в нейронах в состоянии стресса[54]. APOE связывается с липидами, образуя липопротеиновые частицы, которые обнаруживаются в спинномозговой жидкости. Я уже упоминала о метаболизме холестерина и липидов в главе 3, посвященной долгожителям, поскольку некоторые самые важные гены, связанные с долгожительством (включая APOE, но также CETP и другие), участвуют в регуляции метаболизма холестерина. Однако мы до сих пор не знаем, как именно они связаны с продолжительностью жизни. Судя по всему, разные аллели APOE влияют на этот механизм по-разному. Считается, что с этими липидами связываются зародыши бета-амилоидных агрегатов, что способствует образованию бляшек, а это, в свою очередь, влияет на состояние стенок сосудов. Последствием отложения бляшек на стенках сосудов может стать церебральная амилоидная ангиопатия.
Вполне возможно, что у БА есть несколько причин, аналогично тому, как утверждает теория “семян и почвы”, объясняющая возникновение рака. Это означает, что специфическая аллель может предрасполагать к возникновению БА, а второй фактор (высокий уровень холестерина или плохое состояние сердечно-сосудистой системы) сдвигает равновесие. Например, хотя БА с ранним началом строго коррелирует с APOE, мы меньше знаем о генетических причинах БА с поздним началом и о причинах других типов деменции. Возможно, в этих процессах играет роль не APOE, а какие-то другие гены, которые выявляются методом GWAS при экспрессии генов человеческого мозга или в других аналогичных исследованиях. Быстро проверить функцию этих генов сложно, поскольку отключать человеческие гены невозможно, а исследования старения на модели мышей продвигаются медленно (даже при применении технологии CRISPR). Кроме того, раннее отключение гена может повлиять на развитие мозга мыши, что интересно само по себе, но не является хорошей моделью для изучения прогрессирования БА у стареющего человека. Специалист по генетике человека из Университета Колумбии Юсинь Су и я надеемся, что за счет сочетания GWAS и исследования экспрессии генов человека с быстрой проверкой способности к обучению и памяти у C. elegans нам удастся выявить новые гены, задействованные в возникновении БА. Идентификация в крови дополнительных ранних биомаркеров БА также будет способствовать более быстрому развитию методов диагностики и лечения[55]. Если нам удастся вывести исследования БА из туннеля, проложенного в свете бета-амилоидной гипотезы, возможно, мы сумеем найти способы замедления этого заболевания и других форм старческой деменции.
В настоящий момент на фармацевтическом рынке нет препаратов, позволяющих излечивать от БА[56]. Самые лучшие современные лекарства только ослабляют симптомы и по возможности поддерживают передачу сигналов нейронами, но не способствуют выздоровлению и не устраняют болезнь (однако, возможно, могут применяться и при других когнитивных нарушениях, кроме БА). Например, замедление расщепления ацетилхолина – важнейшей сигнальной молекулы в передаче нервного импульса – помогает поддерживать когнитивную функцию у пациентов с БА. В норме ацетилхолин расщепляется под действием фермента холинэстеразы, и ингибиторы холинэстеразы замедляют расщепление и способствуют высвобождению дополнительного количества ацетилхолина путем активизации никотиновых рецепторов. Таков механизм действия нескольких разных препаратов, назначаемых при БА, в том числе арисепта (донепезила), ривастигмина и галантамина. Другой подход – блокировать влияние избыточного глутамина с помощью антагонистов рецепторов N-метил-D-аспартата, таких как мемантин. Часто пациентам предписывают комбинации этих препаратов. Ингибиторы ацетилхолинэстеразы помогают и при сосудистой деменции – наиболее распространенной форме старческой деменции. Хотя это дорогие препараты, которые оказывают побочное действие и не излечивают от БА, замедление прогрессирования заболевания имеет огромное значение для поддержания качества жизни. Состояние пациентов можно оценивать с помощью визуализации мозга и проверки когнитивной функции. Например, в Японии в 2005 году было проведено обследование пациентов с БА, которым назначали донепезил, и тех, кому его не назначали, и, судя по результатам, ингибиторы ацетилхолинэстеразы действительно способны замедлять атрофию гиппокампа[57]. Но в практическом плане еще важнее, что, даже если эти препараты не излечивают от болезни, ранняя диагностика и начало лечения способны отсрочить необходимость в круглосуточном уходе за пациентом на срок от двух до пяти лет.
Фармакогенетические методы помогли установить, что у разных пациентов разная активность фермента цитохрома P-450, который участвует в метаболизме лекарств и тем самым влияет на их эффективность и побочное действие, что усиливает вариабельность ответа на предлагаемое лечение[58]. Возможно, более активное использование генетического профиля пациентов в сочетании с применением лекарств способно повысить эффективность лечения пациентов с БА.
Поскольку на протяжении нескольких десятилетий бета-амилоидная гипотеза была основной версией в объяснении причин возникновения БА, казалось бы, на сегодняшний день у нас уже должны быть препараты, избавляющие от бляшек и позволяющие излечивать от БА, ведь так? Однако это не так. На самом деле несколько потенциально эффективных препаратов, предназначенных для устранения амилоидных бляшек, потерпели неудачу в клинических испытаниях: либо оказались бесполезными, либо, как минимум в одном случае, привели к трагическим последствиям, дополнительно ухудшив мыслительные способности пациентов[59]. Нет сомнений, что поиски эффективных методов лечения от любого заболевания – чрезвычайно сложная задача, однако испытания лекарственных препаратов против БА оказались особенно неудачными. Были проведены испытания ингибиторов бета- и гамма-секретаз, расщепляющих амилоид, таких как ингибитор гамма-секретазы семагацестат, а также испытания направленной и пассивной иммунотерапии против бета-амилоида (например, с помощью соланезумаба). Быть может, лекарства были неэффективны, или дозы были подобраны неправильно, или, еще более вероятно, пациенты находились на такой продвинутой стадии заболевания, что лекарство уже не действовало, однако мы до сих пор не уверены в том, что делаем правильный выбор, считая истинной мишенью для терапевтического воздействия амилоидные бляшки. Может быть, самое последнее лекарство против бляшек на основе антител адуканумаб (см. текст в рамке) в конечном итоге докажет правоту БАтистов, однако его эффективность тоже была поставлена под сомнение еще до получения разрешения Управления по контролю качества пищевых продуктов и лекарственных средств США (FDA), что вызвало определенное беспокойство[60].
Может быть, ключ к решению задачи в том, чтобы создать такое лекарство, которое одновременно воздействует и на нейрофибриллярные клубки тау-белка, и на бляшки бета-амилоида, а не рассматривать эти два белка как конкурентов. Например, сейчас проходит испытание вакцина AADvac1, мишенью которой является патологический тау-белок[61]. В любом случае назрела острая необходимость в разработке нового подхода к изучению БА – по крайней мере, такое впечатление складывается в свете отставания этой области исследований.
Пока я писала эту главу летом 2021 года, FDA неожиданно объявило об одобрении препарата адуканумаб (адухельм), несмотря на протесты 10 из 11 членов консультативного комитета[89]. В течение нескольких дней некоторые члены комитета подали в отставку, а один из консультантов, Аарон Кессельхейм, назвал это решение FDA “худшим одобрительным решением в современной истории США”[90]. Почему столь долгожданный препарат для замедления БА вызвал такое недовольство? Судя по всему, адуканумаб действительно уменьшает размер амилоидных бляшек, однако клинические испытания препарата не показали никакого улучшения когнитивной функции – иными словами, пациенты по-прежнему теряли память. Более того, на некоторых сканах мозга были выявлены новые аномалии, что вызвало дополнительное беспокойство по поводу безопасности препарата. Консультанты справедливо полагали, что при отсутствии улучшений когнитивной функции нет смысла назначать препарат, даже если уменьшается размер амилоидных бляшек. Еще одна проблема связана со стоимостью ежемесячных вливаний препарата. Обычно считается, что стоимость лекарства меньше стоимости ухода за больным, но если пациент по-прежнему теряет память и проявляет признаки деменции, в таком лечении нет смысла; хотя, конечно, в моральном плане семье больного может быть легче, если ему назначают лечение. Жестоко добавлять еще и эту этическую дилемму ко всей тяжести ухода за пациентом с БА. Принятие этого решения повредило репутации FDA, призванного обеспечивать выпуск исключительно безопасных и эффективных препаратов, а адуканумаб, по-видимому, неудачен в обоих отношениях: это ужасно, но почти у 40 % пациентов наблюдалось опасное побочное действие в отношении головного мозга (кровотечения, отеки). На протяжении девяти лет FDA не запрашивает результатов клинических испытаний, так что пациенты без всякого основания должны принимать это дорогое и, возможно, даже опасное лекарство в течение многих лет. Я надеюсь, вскоре будет найдено новое средство, обладающее более очевидными преимуществами, что исправит эту ошибку FDA по отношению к пациентам с БА. В декабре 2021 года европейский эквивалент FDA отказался разрешить использование адухельма, рассудив, что он не улучшает клиническую картину и недостаточно безопасен.
Одна из серьезных неразрешенных до сих пор проблем в клинических испытаниях препаратов против БА – невозможность вмешательства на ранних стадиях заболевания. Вполне вероятно, что некоторые препараты могли бы успешно замедлить развитие болезни, если бы их начали применять на ранней стадии. Например, если лекарство эффективно на самой ранней стадии молекулярного процесса, скажем, еще до образования зачатков патологических агрегатов, но ничего не может исправить позднее, когда агрегаты уже образовались, оно покажет себя полностью бесполезным в клинических испытаниях на пациентах с продвинутой стадией БА. Но из-за возможного риска такого лечения и, что еще важнее, отсутствия ранней диагностики БА мы не в состоянии в этом разобраться.
Удивительно простой метод анализа, который может ускорить прогресс в области диагностики БА, был разработан в 2013 году и уже завоевал популярность: это тест с арахисовым маслом[91]. Считается, что первые проявления болезни могут затрагивать обонятельную кору, причем левая сторона мозга поражается в большей степени, чем правая. У пациентов с БА может наблюдаться асимметрия восприятия запахов разными ноздрями.
Для привлечения к испытаниям пациентов на ранних стадиях заболевания нужно найти способы идентифицировать людей, у которых пока нет никаких симптомов, но у которых в какой-то момент болезнь начнет прогрессировать. Как минимум можно включать в испытания пациентов с самыми первыми признаками заболевания, поскольку препараты, активные на ранних стадиях, возможно, уже не действуют на пациентов позже. Для этого надо научиться идентифицировать ранние стадии БА, найти маркеры, которые позволят отличить БА от других типов деменции, и получить разрешение FDA на проведение таких испытаний. Новые неинвазивные методы анализа когнитивного старения, включая анализ крови и мыслительных способностей, сканирование мозга, наблюдение за движениями глаз (особенно при наличии языкового барьера) в сочетании с генетическими и доклиническими маркерами БА помогли бы врачам идентифицировать пациентов из групп риска и включить их в клинические испытания новых препаратов. Этому будут способствовать более чувствительные методы анализа умеренных когнитивных нарушений и аномального присутствия тау-белка и бета-амилоида в спинномозговой жидкости. Для привлечения к испытаниям пациентов на ранних стадиях развития заболевания до возникновения очевидной деменции могут помочь генетические анализы, позволяющие идентифицировать людей из групп риска по наличию аллели APOEε4, которая, судя по всему, способствует возникновению БА (см. выше), в сочетании с когнитивными тестами, сканированием мозга и т. д. Кроме тау-белка, в крови и спинномозговой жидкости могут быть и другие факторы, предсказывающие развитие БА. Комбинированное использование всех этих факторов для предсказания начала заболевания станет важнейшим этапом на пути к проведению клинических испытаний на ранних этапах БА.
Принято считать, что БА вызвана внутренними (генетическими) факторами, однако факторы внешней среды тоже играют роль. Ученый из Университета Южной Калифорнии и один из основоположников современных исследований в области старения Калеб Финч заинтересовался ролью загрязнений воздуха, половой принадлежности и аллелей APOE в нейротоксичности, развитии БА и последующем угасании когнитивной функции. Вероятно, связь между сосудистой системой, приносящей кислород к мозгу, и аллелями APOE может объяснить, почему загрязнение воздуха, которое, как известно, является одним из важнейших факторов риска смертельных заболеваний, также связано с вырождением нейронов, угасанием когнитивной функции и БА[62]. Мы пока не знаем, способствуют ли те же факторы обычному возрастному нарушению когнитивной функции, но было бы странно, если бы они специфическим образом вызывали только БА.
В числе факторов внешней среды необходимо учитывать расовое неравенство, проявляющееся в вероятности возникновения БА и других деменций[63]. Перепланировка городов на протяжении жизни нескольких поколений людей привела к уничтожению “черных кварталов” и к непропорционально высокой подверженности меньшинств населения и людей с низким доходом воздействию загрязненной окружающей среды[64]. Например, снос “черных кварталов” в связи со строительством магистралей в больших городах привел не только к потере жилых домов и процветающего бизнеса, но в сочетании с практикой выборочного расселения (практика “красной черты”) это привело к возникновению районов с ограниченной возможностью передвижения и ограниченной коммуникацией с другими районами (представьте себе зоны между городскими эстакадами). В этих зонах живут малообеспеченные семьи, которые подвергаются воздействию грязного воздуха от скоростных дорог. Аналогичным образом малообеспеченное население чаще проживает вблизи предприятий, производящих опасные газовые выбросы и загрязненные сточные воды, а в кварталах, организованных по принципу расовой сегрегации, обычно более ветхое жилье, часто в плохом состоянии (плесень, свинцовые красители и др.). Наконец, в таких неблагополучных кварталах меньше магазинов, здоровой пищи, парков и возможностей для занятий спортом, и, следовательно, жизнь в них сопряжена с повышенным риском возникновения метаболических заболеваний[65]. Последствиями загрязнения окружающей среды могут быть астма у маленьких детей, недостаточная масса тела при рождении, преждевременные роды и другие патологии[66]. Стрессовые условия также оказывают негативное влияние на продолжительность жизни и когнитивное старение, и афроамериканцы и другие группы населения США, с давних времен проживающие в неблагоприятных условиях, на протяжении всей жизни в большей степени подвергаются стрессу, чем белое население[67]. В некоторых исследованиях было установлено, что наличие стресса более строго коррелирует со скоростью потери когнитивной функции, чем другие факторы (такие как аллели APOE, возраст, уровень образования и др.). БА и угасание когнитивной функции связывают с неблагоприятными условиями проживания, и в штатах с высоким уровнем детской смертности среди афроамериканцев имеет место более высокий риск возникновения деменции (80 %), особенно у чернокожих.
В соответствии с данными Ассоциации по изучению болезни Альцгеймера, в США более 60 % выходцев из Латинской Америки и афроамериканцев страдают от БА. Кроме того, пациентам из этой группы высокого риска с большой вероятностью диагноз ставят на поздних стадиях заболевания, уже при более тяжелой форме деменции, когда труднее замедлить развитие болезни даже с помощью упомянутого выше ограниченного набора препаратов, имеющихся в нашем распоряжении в настоящее время. Отчасти различия в подверженности БА, возможно, объясняются повышенным риском гипертензии и диабета, которые тоже имеют отношение к угасанию когнитивной функции. Таким образом, расовые различия в подверженности заболеваниям, включая БА, могут быть как минимум в такой же степени связны с местом проживания (и с воздействием загрязненной окружающей среды), вероятностью правильной диагностики и стрессовыми условиями, как и с генетическими факторами.
Как использовать наши знания о замедлении когнитивного старения с учетом того, что нам известно на настоящий момент о нормальном когнитивном старении и о БА? Поскольку это и есть наша главная задача, очень важно, чтобы специалисты не просто искали возможности продления жизни, но и постоянно задавали себе вопрос: как мы продвигаемся в этом направлении? Исследования модельных систем и основных клеточных механизмов позволили нам узнать кое-что о том, как замедлить угасание когнитивной функции.
Результаты изучения долгоживущих мутантов и режима пищевых ограничений
Как всегда при изучении старения, большой объем информации можно получить за счет исследования мутантов в модельных системах. Мало того что мутанты-долгожители в старости могут выглядеть лучше и дольше оставаться здоровыми, но некоторые из них (не все) также дольше сохраняют когнитивную функцию. Например, с помощью описанного выше метода “по Павлову” в нашей лаборатории было показано, что долгоживущие черви daf-2 с мутацией инсулинового сигнального пути демонстрируют более высокие показатели во всех отношениях: краткосрочная и долгосрочная память у них лучше не только в молодости, но и лучше сохраняются при старении[69]. Некоторые исследователи заявляли (и даже писали об этом, но без каких-либо доказательств), что мутанты daf-2 должны хуже справляться с заданиями, чем черви дикого типа (нельзя обладать всеми достоинствами!), но из наших данных следует, что черви с мутациями инсулинового сигнального пути сохраняют память непропорционально дольше, чем можно предположить исходя из их продолжительности жизни. Хотя эти животные живут дольше и можно было бы ожидать некоего “компромисса” с их функциональностью, они показывают более высокие результаты, даже в масштабе их более продолжительной жизни.
Мы уже неплохо понимаем, как молодые животные daf-2 поддерживают когнитивную функцию – за счет регуляции экспрессии специфического для нейронов набора мишеней DAF-16[70]. Это позволяет им дольше сохранять функциональность нейронов. Мы также знаем, что у мутантов daf-2 выше уровень экспрессии CREB, который является лимитирующим фактором для сохранения долгосрочной памяти[71]. Еще удивительнее, что, как мы установили, путем “включения” гена, активирующего транскрипционный фактор CREB (EGL-30), можно полностью избежать потери памяти у старых животных дикого типа[72]. Поскольку в мозге млекопитающих присутствует ортолог EGL-30, в настоящее время мы проверяем, нельзя ли аналогичным образом предотвратить возрастную потерю памяти за счет активации мозга старой мыши (и я скажу вам: да, можно!). Если такой механизм сработает, это означает, что можно использовать лекарства с аналогичным действием. Для таких исследователей, как я, которые работают с C. elegans, это означает, что мы начинаем с постановки эксперимента по изучению памяти у червей (а ведь до наших экспериментов люди сомневались в том, что у этих животных вообще существует долгосрочная память), выясняем, что у них функционируют такие же молекулы, как у нас, и что их память, как и наша, ослабевает с возрастом, а затем обнаруживаем несколько генетических мишеней и проверяем их в экспериментах с млекопитающими. Так мечта воплощается в реальность: мы находим лекарства путем высокоэффективного скрининга малых молекул в модельных экспериментах с червями. Именно по этой причине я впервые включилась в эту работу. Я смею надеяться, что данный подход позволит нам подобрать такие методы лечения, которые мы не смогли бы найти, если бы в исследованиях ограничивались только посмертным анализом мозга стариков.
У млекопитающих уровень циркулирующего ИФР-1 снижается с возрастом, и параллельно возникают различные нарушения памяти (например, дефицит пространственной и рабочей памяти)[73]. Конечно же, эта ситуация противоположна той, которую мы наблюдаем у C. elegans и у мутантов daf-2 (с мутацией сигнального пути инсулина/ИФР-1), однако у млекопитающих все гораздо сложнее. Отсутствие ИФР-1 у старых млекопитающих коррелирует с ухудшением функции сосудов головного мозга и изменениями глиальных клеток, которые могут приводить к нарушению доставки к нейронам кислорода и других элементов. Снижение уровня ИФР-1 также сопровождается разрушением гематоэнцефалического барьера, ослаблением тока крови, усилением воспаления и другими проблемами. Хотя некоторые нарушения могут быть связаны со снижением уровня циркулирующего ИФР-1, часть ИФР-1 производится самой нервной системой и может оказывать специфическое и локальное действие, например влиять на функцию синапсов. Это больше напоминает ситуацию у C. elegans: нейроны мутантов daf-2 имеют совершенно иной набор транскрипционных мишеней, чем другие соматические клетки, и именно эти мишени в нейронах (а не гены долгожительства, действующие в других клетках) играют ключевую роль в сохранении способности обучаться и запоминать в пожилом возрасте.
Не все, что помогает жить дольше, позволяет сохранять память; в наших экспериментах по изучению способности обучаться и запоминать другие долгоживущие мутанты проявили себя неважно. Отключение митохондриального гена в раннем возрасте продлевает срок жизни C. elegans[74], однако мы выяснили, что эти мутанты фактически не способны обучаться и запоминать[75]. Мы также проанализировали способности мутантов с пищевыми ограничениями eat-2, которые живут примерно на 30 % дольше, чем черви дикого типа. Этим мутантам нужно больше времени на обучение, и в молодом возрасте их объем памяти составляет лишь 60 % от объема памяти животных дикого типа. Однако на четвертый день жизни, когда черви дикого типа уже теряют память, черви eat-2 сохраняют такой же объем памяти, как в первый день жизни[76]. Этот показатель коррелирует с уровнем CREB, который сначала ниже, но дольше сохраняется на постоянном уровне. Я не хочу переоценивать значение этих данных, поскольку в наших экспериментах по обучению для формирования ассоциативных воспоминаний червей кормили бактериями, и результаты для животных, которые не пережевывают пищу, могут отличаться от других. Однако тот факт, что эти мутанты дольше сохраняют память, позволяет предположить, что режим ограничения питания в старости может приносить пользу… Мне бы только не хотелось переходить на этот режим слишком рано! Некоторые эксперименты по изучению влияния ограничения питания на других животных дали положительные результаты. Например, при ограничении калорийности питания у макак-резусов образуется больше серого вещества, наблюдается более высокая чувствительность к инсулину, их гиппокамп кажется лучше защищенным от старения, и их мозг проявляет более высокую активность по потреблению глюкозы, что видно по результатам ПЭТ-сканирования[77].
Фармакологические средства для замедления угасания когнитивной функции
Поиски методов замедления когнитивных нарушений являются приоритетной задачей, и один из способов ее решения – проанализировать уже известные механизмы, регулирующие старение и продолжительность жизни. Интегрированный ответ на стресс (ISR) – это особый механизм, отличный от развернутого белкового ответа и других реакций на стресс. Как следует из названия, этот путь интегрирует сигналы различных клеточных стрессов, и в ответ снижается скорость инициации трансляции и усиливается экспрессия нескольких специфических мРНК, что приводит к изменениям в трансляции белков и в конечном итоге к гибели клеток. Судя по всему, ISR представляет собой отчаянную смертоносную реакцию на множественные сигналы. Возможно, это противоречит интуиции, но ингибирование интегрированного ответа помогает организму выжить и оправиться после повреждения (мне это до сих пор кажется странным). Сюзанна Роузи и Питер Уолтер из Калифорнийского университета в Сан-Франциско предположили, что ISR является причиной различных нейродегенеративных процессов[78] и поэтому его остановка позволит замедлить возрастные нарушения когнитивной функции. По-видимому, связь между этими механизмами заключается в синтезе белка, который, как вы помните, необходим для механизма памяти, но нарушается с возрастом. Поскольку ISR отключает трансляцию почти всех белков, он препятствует формированию долгосрочных воспоминаний. Исследователи занялись поиском небольших молекул, ингибирующих ISR (ISRIB), и установили, что введение старым мышам этих молекул ослабляет возрастные изменения в нейронах гиппокампа, снижает воспаление и слегка улучшает память[79]. Судя по всему, ISRIB оказывают небольшое, но выраженное влияние на возрастное угасание когнитивной функции – и это чрезвычайно важный шаг в правильном направлении, который открывает путь к поиску других небольших молекул, способных оказывать аналогичное, но более сильное влияние на когнитивную функцию.
Манипуляции с иммунной системой и метаболизмом для замедления когнитивных нарушений
Изучение связи иммунитета и метаболизма с возрастным ослаблением когнитивной функции даст нам дополнительные инструменты для замедления или даже обращения этого процесса. Например, недавно исследователи из лаборатории Кэтрин Андреассон в Стэнфорде занялись изучением роли нарушений метаболизма в угасании когнитивной функции; с этой целью они изменяли активность иммунных клеток и функцию митохондрий. С возрастом происходит накопление липидных сигнальных молекул PGE2, регулирующих процесс воспаления по пути с участием циклооксигеназы COX2, что способствует нарушению функции митохондрий. Изменение метаболизма нефункциональных митохондрий приводит к запасанию энергии в виде гликогена вместо образования АТФ из глюкозы, и в результате этого сдвига с возрастом ухудшается пространственная память. Пагубное действие может объясняться тем, что в результате такой перестройки метаболизма нейроны лишаются АТФ, необходимого для их нормального функционирования, и вместо этого ввергаются в аномальный процесс воспаления[80]. Логично предположить, что ослабление сигнала PGE2 или предотвращение сдвига в сторону запасания гликогена поможет замедлить возрастную потерю когнитивной функции. Для остановки этого опасного метаболического сдвига, инициируемого избытком PGE2, авторы работы разными способами снижали уровень PGE2 или блокировали его рецептор EP2 в образованных из моноцитов макрофагах или же перекрывали путь накопления гликогена. Ингибирование этого миелоидного пути с участием COX2/PGE2/EP2 или перехода к накоплению гликогена восстанавливает функцию митохондрий и метаболизм глюкозы, омолаживает нейроны и восстанавливает память. Возможно, этот многообещающий способ восстановления метаболической функции применим не только в иммунных, но и в других стареющих клетках организма.
Метаболизм, старение и противодействие угасанию когнитивной функции
Многие аспекты старения нейронов специфичны именно для этих клеток, однако угасание когнитивной функции отчасти зависит от метаболических и генетических путей, контролирующих продолжительность жизни. У людей с диабетом и преддиабетом наблюдается дефицит когнитивной функции (затрагивается вербальная память, внимание и исполнительные функции), и диабет второго типа является одним из факторов риска развития БА – возможно, в связи с сосудистыми проблемами, о чем я уже упоминала. Таким образом, не исключено, что лекарства для лечения больных диабетом могут помочь не только при ожирении, гипергликемии и устойчивости к инсулину, но также при когнитивных нарушениях. Пациенты с диабетом (ИМТ > 30 с нарушением переносимости глюкозы, принимавшие метформин) либо следовали советам по изменению образа жизни (контрольная группа), либо на протяжении трех – шести месяцев принимали лираглутид (аналог человеческого глюкагоноподобного пептида-1), пока не худели до определенной степени, а затем проходили проверку по ряду когнитивных и биохимических показателей[81]. При одинаковом снижении массы тела у пациентов, принимавших лираглутид, наблюдалось небольшое улучшение краткосрочной памяти и других показателей памяти по сравнению с пациентами из контрольной группы.
Активатор протеинкиназы AMPK метформин уже давно используется для лечения больных диабетом. Метаанализ результатов лечения метформином показал, что у больных диабетом, принимающих этот препарат, снижается уровень когнитивных нарушений и вероятность развития деменции. В этом исследовании не были подтверждены преимущества данного подхода для лечения пациентов без диабета, однако мы больше узнаем о влиянии метформина на когнитивную функцию после завершения крупномасштабных клинических испытаний TAME[82].
Сохранение памяти и способности функционировать в старости имеет чрезвычайно большое значение для качества нашей жизни. Нам важно изучать не только очевидные нейродегенеративные процессы и болезнь Альцгеймера, но и угасание когнитивной функции при “нормальном” старении, поскольку это позволит всем сохранять высокое качество жизни и в преклонном возрасте. Я настроена оптимистично и надеюсь, что благодаря новым клиническим возможностям, возникающим в результате многочисленных комплементарных исследований, направленных на изучение влияния старения на когнитивную функцию, вскоре мы найдем новые терапевтические подходы. Вполне вероятно, что эти методы лечения для поддержания когнитивной функции в старости окажут гораздо более заметное влияние на нашу повседневность, чем любые попытки просто продлить жизнь, однако эти две задачи вполне могут дополнять друг друга.