Finde Ponce De Leons pille: Udfordringer i screening for anti-aldringsmolekyler

Abstrakt

Aldringer karakteriseret ved den progressive ophobning af degenerative forandringer, der kulminerer med nedsat funktion og øget sandsynlighed for død. Det er den største risikofaktor for mange menneskelige patologier - herunder kræft, type 2-diabetes og kardiovaskulær ogneurodegenerative sygdomme– og dermed en enorm social og økonomisk belastning. Dethovedmål for ældreforskninger at udvikle interventioner, der kanforsinke begyndelsen af ​​flere aldersrelaterede sygdommeogforlænge sund levetid(sundhedsgrad). Den observation, at forbedret levetid og sundhed kan opnås i modelorganismer veddiætrestriktionereller simpeltgenetiske manipulationerhar foranlediget jagten på kemiske forbindelser, der kanøge levetiden.De fleste af de veje, der modulerer aldringshastigheden hos pattedyr, har homologer i gær, fluer og orme, hvilket tyder på, at indledende screening for at identificere sådannefarmakologiske indgrebkan være muligt ved brug af hvirvelløse modeller. I de senere år er der blevet identificeret adskillige forbindelser, der kan forlænge levetiden hos hvirvelløse dyr og endda hos gnavere. Her opsummerer vi de anvendte strategier og de fremskridt, der er gjort med at identificere forbindelser, der er i stand til at forlænge levetiden i organismer lige fra hvirvelløse dyr til mus, og diskuterer de formidable udfordringer i at oversætte dette arbejde til humane terapier.

Klik for at kende de bedste farmakologiske interventioner og urter Cistanche til anti-aldring

Nøgleordaldring, anti-aging medicin,aldersrelaterede sygdomme

Introduktion

Aldring er karakteriseret ved molekylære, cellulære og organismemæssige ændringer, der kulminerer i en organismes manglende evne til at opretholde fysiologisk integritet1. Hos mennesker er aldring forbundet med en stærkt øget disposition for en lang række sygdomme, herunder kræft, type 2-diabetes (T2D), neurodegeneration og hjerte-kar-sygdomme, hvilket fører til øget sygelighed og dødelighed1,2. Det langsigtede mål med aldringsforskning er at udvikle interventioner, der kan forsinke debuten af ​​aldersrelaterede sygdomme og fremme lang levetid. Med dette mål er forskning i biogerontologi fokuseret på at belyse de grundlæggende mekanismer for aldring. Aktuelle beviser tyder på, at mange af disse mekanismer er bevaret blandt eukaryoter, fra gær til pattedyr.

I de seneste årtier har arbejde i forskellige organismer identificeret cellulære signalveje, der modulerer aldringshastigheden3,4 . Mange af disse veje fungerer normalt til at fornemme organismens ernæringsstatus (figur 1) og initierer signaleringskaskader, der modulerer specifikke inter- og intracellulære veje og ændrer målcellefysiologien i overensstemmelse hermed2. Disse næringsstofsansende veje, som inkluderer insulin og insulinlignende vækstfaktor (IGF) signalering (IIS)5 , målet for rapamycin (mTOR) signalering6, adenosinmonophosphat (AMP)-aktiveret proteinkinase (AMPK) signalering7, og sirtuiner8, koordinere cellulære vækst- og metabolisme-relaterede processer og integrere dem med niveauer af næringsstoffer, energi, vækstfaktorer og stress. Når næringsstofniveauer og vækstsignaler reduceres, ændres signalering gennem disse veje. Genetisk eller i nogle tilfælde farmakologisk manipulation af disse veje kan føre til forlængelse af levetiden, hvorimod deres aldersrelaterede dysregulering kan bidrage til ældning af organismer.

Diætrestriktioner (DR), en diætkur, der involverer enten en reduktion i det samlede kalorieindtag uden underernæring eller reduceret indtag af specifikke diætkomponenter såsom aminosyrer, er den bedst karakteriserede intervention, der bremser aldring og forsinker sygdom hos en lang række arter9,10. Molekylære effektorer, der er involveret i at formidle de bemærkelsesværdige virkninger af DR, inkluderer disse næringsstofsansningsveje9. Indledende beviser tyder på, at nogle af disse samme veje også kan påvirke aldring og sygdom hos mennesker. For eksempel genetiske varianter iFOXO3Agen, der koder for en transkriptionsfaktor nedstrøms for IIS, er blevet forbundet med menneskelig levetid11–16. Personer med Laron-dværgvækst har stærkt reduceret serum-IGF1-niveauer og dyb beskyttelse mod T2D og kræft17. Farmakologiske indgreb, der delvist efterligner DR ved at modulere aktiviteterne i disse næringsstofsansende veje, har potentialet til at forbedre sundheden og fremme lang levetid. For eksempel er rapamycin, en specifik hæmmer af mTOR, blevet foreslået for at fremkalde nogle af de gavnlige virkninger af DR under standard fodrings- og næringsforhold.18. Tilsvarende har en håndfuld andre molekyler såsom metformin og resveratrol vist sig at modulere næringsstofsignalering og fremme sundhed i flere modelorganismer og diskuteres i detaljer efterfølgende.

Ud over dysregulering af næringsstofsansende veje omfatter andre bevarede mekanismer, der er impliceret i de skadelige manifestationer af aldring (figur 1) i)mitokondriel dysfunktion, hvilket fører til nedsat respiratorisk metabolisme, øget dannelse af reaktive oxygenarter (ROS) såvel som potentielt andre følgesygdomme,ii)øget ophobning af DNA-skader, induceret af eksogene fornærmelser og endogene farer, herunder DNA-replikationsfejl og ROS,iii)nedsat proteostase forbundet med øget proteinfejlfoldning og aggregering,iv)cellulær senescens, der bidrager til vævsdysfunktion,v)øget steril betændelse,vi)stamcelleslidning, ogvii)epigenetiske ændringer1,19. For en mere fuldstændig diskussion af bevarede ældningsmekanismer henvises læseren andetsteds1. Farmakologiske midler, der er rettet mod nogle af disse ændringer, repræsenterer kandidat-anti-aldringslægemidler. I denne gennemgang vil vi give et overblik over farmakologiske indgreb med de kendte eller potentielle evner til at forsinke aldring og fremme sundhed i det sene liv. Først opsummerer vi de vigtigste bidrag, som undersøgelser i hvirvelløse modelsystemer har givet til screeningsbestræbelser på at identificere små molekyle anti-aldringslægemidler. Derefter fokuserer vi i dybden på molekyler, der i øjeblikket er under undersøgelse for deres potentiale til at forlænge levetiden og forsinke sygdom. Afslutningsvis vil udfordringer i screening for nye anti-aldringslægemidler og med at oversætte dette arbejde til mennesker blive diskuteret.

Invertebrater som modelsystemer til at screene små molekyler med lang levetid

På grund af en række forskellige faktorer – især inklusiv let genetisk manipulation og fysiologi svarende til menneskers – er musen blevet den fremtrædende pattedyrsmodelorganisme i aldringsbiologien20. Men i lyset af de høje boligomkostninger og relativt lange levetid for mus, er storstilet objektiv screening for at identificere anti-aldringsmedicin ikke mulig i denne organisme. Med erkendelsen af, at mange aldringsrelaterede veje er evolutionært bevarede, selv blandt vidt divergerende arter, er kortlivede hvirvelløse modeller i stedet blevet brugt til sådan screening. Nematoden Caenorhabditis elegans – med sin korte levetid på ~3 uger, lette dyrkning og genetisk manipulation og velkarakteriseret aldringsbiologi – repræsenterer et meget attraktivt modelsystem til kemisk screening for at identificere forbindelser, der modulerer levetid og aldersrelaterede fænotyper. Faktisk har adskillige undersøgelser identificeret en række kandidat-anti-aldringsforbindelser, der anvender C. elegans som modelorganisme. Til dato er den mest omfattende skærm for små molekyler levetid ved hjælp af C. elegans udført af Petrascheck et al., som vurderede 88,{11}} kemikalier for deres evne til at forbedre levetiden21. De identificerede 115 forbindelser, der signifikant øgede ormens levetid. Interessant nok viste en af ​​disse en strukturel lighed med humane antidepressiva, der påvirker signalering fra neurotransmitteren serotonin. De fandt efterfølgende ud af, at mianserin, en serotoninreceptorantagonist brugt som et antidepressivum hos mennesker, forlænger C. elegans levetid, når det administreres ved 50 μM, sandsynligvis via mekanismer forbundet med DR21. I en evaluering af 19 forbindelser med kendte effekter på menneskets fysiologi har Evason et al. rapporterede, at de antikonvulsive midler ethosuximid (doseret ved 2 og 4 mg/ml), trimethadion (4 mg/ml) og 3,3-diethyl-2-pyrrolidinon (2 mg/ml) forsinkede aldersrelaterede ændringer og øget C. elegans levetid22.

Ved at bruge en bioinformatisk tilgang til at identificere DR-mimetik, Calvert et al. analyserede lægemidler, der inducerer genekspressionsændringer svarende til dem, der er forbundet med DR, og identificerede 11 små molekyler med denne egenskab23. Interessant nok, blandt fem testede lægemidler, fremkaldte fire – rapamycin (administreret ved 10 μM), allantoin (250 μM), trichostatin A (100 μM) og LY-294002 (100 μM) – øget levetid og helbred i vild- type (WT) C. elegans. Omvendt blev der ikke observeret nogen levetidseffekter i eat-2-mutantbaggrunden, en genetisk DR-model, hvilket tyder på, at de livsforlængende virkninger af disse lægemidler faktisk kan forekomme via DR-relaterede mekanismer23.

En undersøgelse af Alavez et al. rapporterede, at amyloid-bindende forbindelser opretholder proteinhomeostase og forlænger levetiden hos C. elegans24. Eksponering af WT-orme for det amyloidbindende farvestof Thioflavin T (ThT) ved enten 50 eller 100 μM gennem voksenalderen øgede median levetid med 60 procent og maksimal levetid med 43-78 procent 24. ThT-behandling reducerede A-aggregation og bevarede muskelintegritet i C. elegans modeller af Alzheimers sygdom (AD), hvilket resulterer i en reduceret andel af lammede orme. ThT-administration undertrykte også toksiciteten forbundet med metastabile proteiner i mutante orme24. ThT-medieret undertrykkelse af proteinaggregering og levetidsforlængelse afhang af molekylære chaperoner, autofagi, proteasomal funktion, proteostaseregulatorens varmechokfaktor 1 (HSF-1) og stressresistens- og langtidstranskriptionsfaktoren SKN-124 . Forbindelser med strukturel lighed med ThT forlængede også ormens levetid med op til 40 procent, men i væsentligt lavere koncentrationer end ThT. Ydermere forlængede eksponering for andre proteinaggregatbindende forbindelser som curcumin (100 μM) og rifampicin (10-100 μM) ormens levetid med op til 45 procent 24. Disse resultater fremhæver vigtigheden af ​​proteostase i ormens helbred og levetid og giver yderligere impuls til udvikling af interventioner, der er i stand til at opretholde proteostase for at undertrykke aldring og aldersrelaterede sygdomme.

National Institute of Aging har for nylig sponsoreret et farmakologisk interventionsprogram, der bruger Caenorhabditis som et modelsystem, analogt med lignende igangværende indsats i musen. Caenorhabditis Intervention Testing Program (CITP) er en multi-institutionel indsats, der har til formål at identificere forbindelser med evnen til at forlænge levetiden og forbedre helbredstiden ved at bruge flere Caenorhabditis-arter og flere stammer af C. elegans. Identifikationen af ​​forbindelser, der er effektive i genetisk forskelligartede ormepopulationer, kan fremskynde opdagelsen af ​​indgreb, der kan forlænge levetiden/sundheden hos andre arter, potentielt inklusive mennesker.

Frugtfluen Drosophila melanogaster repræsenterer en anden model, der er egnet til screening af anti-aldringsforbindelser25. En lang række genetiske stammer af D. melanogaster er tilgængelige med forskellige gennemsnitlige levetider, nyttige til validering af sammensattes effektivitet på tværs af flere genetiske baggrunde. I lighed med C. elegans har Drosophila en kort levetid, og de mange genetiske værktøjer, der er tilgængelige i denne organisme, letter den mekanistiske undersøgelse af blyforbindelser25. Den første undersøgelse, der rapporterede levetidsforlængelse i Drosophila ved administration af et lægemiddel, blev udført af Kang et al., som viste, at fodring med Drosophila 4-phenylbutyrat ved 5-10 mM – et lægemiddel med flere aktiviteter, inklusive histon-deacetylase-hæmning – signifikant øget både median og maksimal levetid uden negativ indvirkning på bevægelse, stressmodstand eller reproduktion26. En nyere undersøgelse beskrev screeningen af ​​proteinkinasehæmmere for virkninger på Drosophilas levetid27. Blandt de 80 inhibitorer, der blev testet i denne undersøgelse, øgede 17 Drosophilas levetid signifikant uden at påvirke fødeindtagelse eller forbrug, hvilket indikerer, at virkningerne af disse hæmmere på Drosophilas levetid ikke involverer DR27. I denne henseende har en nylig undersøgelse af Slack et al. rapporterede, at dæmpning af RAS-Erk-ETS-signalering resulterer i reduceret IIS og fremkalder forlængelse af levetiden i Drosophila28. Trametinib (1,56-15,6 μM), en meget specifik MEK-hæmmer, der dæmper signalering nedstrøms for RAS, kan forlænge medianlevetiden for kvindelige Drosophila med op til 12 procent (p=1.92 × 10-10), og ved højere doser (156 μM), forbedrer overlevelsen i det sene liv28. Administration af trametinib var effektiv til at fremme fluens levetid, selv når det blev administreret til midaldrende dyr. Disse og lignende fund med andre lægemidler – jf. pkt. forlængelse af musens levetid ved rapamycinbehandling påbegyndt i middelalderen, se nedenfor – øge muligheden for, at anti-aldringsmedicin hos mennesker kan være effektive, selv når de administreres til ældre individer, og dermed undgå potentielle udviklingsmæssige bivirkninger af disse lægemidler.

Forbindelser, der modulerer aldring og aldersassocierede fænotyper hos pattedyr

mTOR-hæmmeren rapamycin

mTOR er en konserveret serin/threoninkinase, der registrerer og reagerer på tilgængelighed af næringsstoffer, vækstfaktorer og miljøstress og spiller en nøglerolle i at udløse vækst6,29. I multicellulære eukaryoter eksisterer mTOR i to forskellige multiproteinkomplekser, mTORC1 og mTORC2, kendetegnet ved deres association med det regulatoriske associerede protein af mTOR (RAPTOR) og rapamycin-ufølsom følgesvend af mTOR (RICTOR), henholdsvis30,31. Rapamycin danner et kompleks med FKBP12-proteinet, som binder til mTORC1 og hæmmer dets aktivitet 32. Det er vigtigt, at kronisk behandling med rapamycin også hæmmer mTORC233. mTORC1-aktivitet reguleres af næringsstoffer (glukose og aminosyrer), cytokiner, hormoner (insulin eller IGF1), energi (ATP-niveauer) og oxidativt stress via PI3K-, AKT- og AMPK-signalering6. Nøgle downstream mediatorer af mTORC1 signalering er veje, der kontrollerer cellevækst, proliferation, stress respons og autophagy29,34. mTORC1 integrerer derfor kritisk cellulær vækst og vedligeholdelse med tilgængelighed af næringsstoffer, hormonelle signaler og andre miljømæssige stimuli.

En række undersøgelser har etableret en sammenhæng mellem mTOR-signalveje og levetid i organismer lige fra gær til pattedyr. Hæmning af mTOR-signalering med genetiske eller farmakologiske midler forlænger levetiden hos gær35-37, nematoder38,39, frugtfluer40 og mus33,41-47. Ligeledes øger genetisk deletion i mus af nedstrøms mTORC1-effektoren, S6 kinase 1, oxidativ metabolisme, beskytter mod alders- og diætinduceret fedme og øger kvindens levetid47,48. Konsekvent resulterer øget aktivitet af mTORC1 target 4E-BP1 i skeletmuskulatur i øget oxidativ metabolisme og beskytter mus mod diæt- og aldersinduceret metabolisk dysfunktion49. I et skelsættende studie viste NIA's Interventions Testing Program (ITP), at behandling af en genetisk heterogen musestamme med mTOR-hæmmeren rapamycin (indgivet med 14 mg/kg mad; 2,24 mg/kg kropsvægt/dag) startede ved enten 9 måneder eller 20 måneders alder forlænget levetid hos begge køn43,50. En opfølgende undersøgelse viste, at stigningen i musens levetid induceret af rapamycin er dosis- og kønsafhængig. Ved en given foderkoncentration af rapamycin viste hunmus en større stigning i levetid end hanner, hvilket korrelerede med højere blodniveauer af rapamycin opnået hos hunner i forhold til hanner51. Rapamycin-behandling inducerede helt forskellige genekspressionsændringer hos mænd og kvinder, hvilket indebærer eksistensen af ​​kønsspecifikke responser på mTOR-hæmning51. Ydermere afveg ekspressionsmønstrene for xenobiotiske metaboliserende enzymer i leveren af ​​rapamycin-behandlede (14 mg/kg mad) mus slående fra dem i DR-eksponerede dyr ved 12 måneders alderen51. Faktisk er DR mindre effektiv til forlængelse af levetiden, når den påbegyndes senere i livet52-54, mens rapamycinbehandling forlænger levetiden for mus, selv når den startes i middelalderen43,55. Afgørende er rapamycin-induceret levetidsforlængelse hos mus også blevet observeret i forskellige genetiske baggrunde41,42,44,56.

I et skelsættende studie viste NIA's Interventions Testing Program (ITP), at behandling af en genetisk heterogen musestamme med mTOR-hæmmeren rapamycin (indgivet med 14 mg/kg mad; 2,24 mg/kg kropsvægt/dag) startede ved enten 9 måneder eller 20 måneders alder forlænget levetid hos begge køn43,50. En opfølgende undersøgelse viste, at stigningen i musens levetid induceret af rapamycin er dosis- og kønsafhængig. Ved en given foderkoncentration af rapamycin viste hunmus en større stigning i levetid end hanner, hvilket korrelerede med højere blodniveauer af rapamycin opnået hos hunner i forhold til hanner51. Rapamycin-behandling inducerede helt forskellige genekspressionsændringer hos mænd og kvinder, hvilket indebærer eksistensen af ​​kønsspecifikke responser på mTOR-hæmning51. Ydermere afveg ekspressionsmønstrene for xenobiotiske metaboliserende enzymer i leveren af ​​rapamycin-behandlede (14 mg/kg mad) mus slående fra dem i DR-eksponerede dyr ved 12 måneders alderen51. Faktisk er DR mindre effektiv til forlængelse af levetiden, når den påbegyndes senere i livet52-54, mens rapamycinbehandling forlænger levetiden for mus, selv når den startes i middelalderen43,55. Afgørende er rapamycin-induceret levetidsforlængelse hos mus også blevet observeret i forskellige genetiske baggrunde41,42,44,56.

Mekanismer for forlængelse af levetiden med rapamycin forbliver et meget omdiskuteret emne i aldringsbiologi 56,57. Rapamycin har anti-neoplastiske egenskaber58-60, og kræft er den vigtigste dødsårsag i de fleste musestammer, der viser rapamycin-medieret levetidsforlængelse43,61. I denne sammenhæng er en plausibel forklaring på forlængelsen af ​​musens levetid med rapamycin, at dette lægemiddel undertrykker starten og/eller aggressiviteten af ​​dødelige kræftformer. Nogle efterforskere har dog rapporteret, at rapamycin også hæmmer aldersassocierede fænotyper udover neoplasi62,63, hvilket kraftigt tyder på, at dette lægemiddel har bredere anti-aldringseffekter. I modsætning hertil har en nylig udtømmende undersøgelse af Neff et al. hævdede, at virkningerne af rapamycin på ældningsfænotyper i sig selv var ret begrænsede56. I denne henseende er der foretaget modstridende observationer vedrørende virkningerne af rapamycinbehandling i musemodeller af AD64. Langtidsbehandling med rapamycin førte til adfærdsforbedringer i muse-AD-modeller og inducerede et autofagi-medieret fald i A- og hyperphosphoryleret tau-niveauer65,66. Omvendt har rapamycin vist sig at fremme A-produktion67,68 og førte til en stigning i A-induceret celledød69.

Rapamycin har betydelige bivirkninger - især metabolisk dysfunktion, katarakt og testikelatrofi - som kan begrænse dets langsigtede anvendelighed som anti-aldringsbehandling hos mennesker70,71. Vigtigst er det, på grund af de immunmodulerende virkninger af mTOR-hæmmere, er behandling af humane patienter med det rapamycin-lignende lægemiddel everolimus/RAD001 forbundet med en højere forekomst af infektion hos personer med sygdomme som cancer72,73 og tuberøs sklerosekompleks (TSC)74 . Omvendt viste en nylig undersøgelse, at kortvarig administration af everolimus/RAD001 til raske ældre individer øgede det immunologiske respons på influenzavaccination med beskedne bivirkninger 75. Nedsat influenzavaccinerespons er en stor klinisk udfordring i ældre populationer76. Disse resultater tyder på, at intermitterende eller kortvarig administration af rapamycin eller andre mTOR-hæmmere kan undertrykke visse funktionelt vigtige virkninger af aldring, såsom dårlig immuniseringsrespons, mens de negative konsekvenser forbundet med kronisk brug af disse midler undgås. En nylig undersøgelse i mus er i overensstemmelse med dette synspunkt, der identificerer et intermitterende rapamycin-administrationsregime i mus, der minimerer metabolisk dysfunktion, samtidig med at kronisk mTORC1-undertrykkelse i fedtvæv opretholdes, dog ikke i andre væv77. Det vil være af stor interesse at evaluere virkningerne af sådanne intermitterende doseringsregimer på en lang række aldersassocierede fænotyper og på levetiden.

Metformin og andre biguanider

Metformin, et oralt biguanid antiglykæmisk middel, er det mest udbredte lægemiddel til behandling af metabolisk syndrom og T2D. Metformins virkningsmekanisme er ikke fuldstændigt forstået og vil sandsynligvis være multifaktoriel. Det blev rapporteret at reducere serumglucoseniveauer ved at hæmme respiratorisk kædekompleks I i hepatocytter78, hvilket resulterede i reduceret ATP-produktion, hvilket førte til aktivering af LKB1- og AMPK-kinaserne, hvilket undertrykker hepatisk gluconeogenese79,80. Metformin er blevet rapporteret at aktivere AMPK i mange andre væv, herunder fedt, skeletmuskulatur, hjerte, pancreas-celler og hypothalamus med potentielle gavnlige fysiologiske effekter hos patienter med T2D81,82. Metformin udøver imidlertid også vigtige virkninger uafhængigt af AMPK og LKB183, fx ved at modvirke virkningen af ​​glucagon84. For nylig er en anden AMPK-uafhængig mekanisme blevet afsløret for metformin. En undersøgelse af Madiraju et al. viste, at metformin ikke-kompetitivt hæmmer redox-shuttle-enzymet mitokondriel glycerofosfat dehydrogenase, øger den cytosoliske redoxtilstand og mindsker mitokondriel redoxtilstand 85. Dette undertrykker hepatisk gluconeogenese ved at reducere omdannelsen af ​​laktat og metseform glycerol til glucoform glycerol i øjeblikket er godkendt til glucosform glycerol. behandling af T2D, tyder en stor litteratur på effektiviteten af ​​metformin modandre tilstande, især hjerte-kar-sygdommeog kræft78. I denne forbindelse viste en nylig undersøgelse, at metformin reducerer tumordannelsen ved at hæmme mitokondriekompleks I i cancerceller86.

AMPK-aktivering fremkalder lang levetid hos fluer og orme 87,88. En række undersøgelser tyder på, at metforminbehandling kan rekapitulere nogle virkninger af DR. I denne sammenhæng har adskillige undersøgelser undersøgt virkningerne af metformin og andre biguanider på levetiden og rapporteret om en række forskellige resultater. Metformin og andre biguanider forlænger C. elegans levetid på en dosisafhængig måde89-91. Stigningen i C. elegans levetid af metformin medieres gennem hæmning af bakteriel folat- og methioninmetabolisme, hvilket igen ændrer methioninmetabolismen i ormen, hvilket resulterer i reduceret S-adenosylmethionin og øgede S-adenosylhomocystein-niveauer89. Men metformin forlænger tilsyneladende ikke levetiden hos D. melanogaster92,93. På trods af robust aktivering af AMPK reducerer høje doser metformin faktisk levetiden for både han- og hunfluer93, måske på grund af forstyrrelse af tarmvæskehomeostase93. Imidlertid undertrykte metforminbehandling aldersrelaterede fænotyper i intestinale mellemtarmstamceller94 og udøvede også gavnlige effekter i en fluefedmemodel95. En nylig undersøgelse viste, at metforminbehandling forårsager en signifikant forlængelse af gennemsnitlig og maksimal levetid hos begge køn af cricket Acheta domesticus96. Adskillige undersøgelser er blevet udført på gnavere for at teste virkningerne af metformin og andre biguanider på levetiden; resultaterne har varieret med genotype, køn og dosis og varighed af behandlingen97. Kronisk behandling med metformin (100 mg/kg i drikkevandet) øgede den gennemsnitlige levetid for kræfttilbøjelige HER-2/neu transgene, udavlede SHR- og indavlede 129/Sv hunmus med 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.

Hos rotter førte buforminbehandling (5 mg/rotte i 1 ml drikkevand) til en ikke-signifikant stigning på 7,3 procent i middellevetiden for LIO hundyr, mens phenformin (5 mg/rotte i 1 ml drikkevand) ikke havde nogen effekt105. Imidlertid øgede administration af både buformin og phenformin den maksimale levetid for LIO hunrotter med henholdsvis 5,5 procent og 9,8 procent105. Behandling med metformin (300 mg/kg/dag) øgede hverken gennemsnitlig eller maksimal levetid for F344 hanrotter107. Men i samme rapport udviste en parallel gruppe af F344-hanrotter, der blev udsat for DR, heller ikke levetidsforlængelse107, hvilket efterlod metforminresultaterne i denne undersøgelse noget usikre. Mekanistisk er behandling med metformin blevet foreslået for at efterligne nogle virkninger af DR, især ved at øge AMPK-aktivitet og også aktivere antioxidantresponser, hvilket fører til en reduktion i både ophobning af oxidativ skade og kronisk inflammation104.

Selvom ingen undersøgelse formelt har analyseret virkningerne af langvarig metforminbehandling på levetiden hos raske mennesker, viste randomiserede kliniske forsøg med metformin gavnlige effekter på sundhed og overlevelse hos overvægtige/fede patienter med T2D, som vist ved nedsat forekomst af hjerte-kar-sygdomme og cancer. og reduceret overordnet dødelighed108-110. Men når det kombineres med sulfonylurinstof, øgede metformin risikoen for diabetesrelateret død og dødelighed af alle årsager i en blandet gruppe af ikke-overvægtige og overvægtige/fede personer med T2D78,108. I overensstemmelse med disse observationer har en nylig undersøgelse af Bannister et al. rapporterede, at patienter med T2D behandlet med metformin udviste forbedret overlevelse sammenlignet med matchede, ikke-diabetiske kontroller, hvorimod patienter behandlet med sulfonylurinstoffer viste reduceret overlevelse111.

I betragtning af de relativt lovende gnaverdata, hints om, at metformin kan undertrykke kræft og andre aldersrelaterede tilstande hos mennesker, og metformins relativt godartede sikkerhedsprofil, er der i øjeblikket stor interesse for formelt at teste dette lægemiddels evne til at forsinke den aldersassocierede sygdom hos mennesker112. Faktisk godkendte US Food and Drug Administration (FDA) for nylig en undersøgelse kaldet Targeting Aging With Metformin (TAME) til evaluering af metformin som et lægemiddel mod aldring. TAME-projektet vil involvere cirka 3000 deltagere mellem 70 og 80 år, som enten allerede har en, to eller alle tre tilstande: kræft, hjertesygdomme eller kognitiv svækkelse eller er i risiko for at udvikle dem. Retssagen vil finde sted på omkring 15 centre rundt om i USA over 5-7 år, og det vil koste cirka 50 millioner dollars113. Målet med undersøgelsen er at afgøre, om metformin kan forhindre debut af aldersrelateret sygdom. Dette skelsættende forsøg vil repræsentere den første afprøvning af en kandidat anti-aldringsforbindelse hos mennesker.

Resveratrol og andre sirtuin-aktiverende forbindelser

Sirtuinerne er en familie af NAD plus-afhængige deacetylaser/ADP-ribosyltransferaser/deacetylaser, der er involveret i regulering af næringsstofresponser og adskillige andre aspekter af cellebiologi8. Overekspression af Sir2, det stiftende medlem af sirtuin-familien, forlænger replikativ levetid i den spirende gær Saccharomyces cerevisiae ved at undertrykke akkumuleringen af ​​ekstrakromosomale rDNA-plasmider, fremme segregering af et ubeskadiget proteom til dattercellen, gennemtvinge subtelomere, mekanismer14 og måske andre mekanismer14. 115. Flere, men ikke alle, har efterforskere fundet ud af, at overekspression af sirtuiner i orme og fluer øger levetiden i disse organismer beskedent116-123. Interessant nok kan Sir2-homologen Sir-2.1 forlænge C. elegans levetid på en måde, der er uafhængig af dens deacetylaseaktivitet116. Faktisk er nikotinamid (NAM), et produkt af sirtuin-aktivitet, og dets metabolit, 1-methylnikotinamid (MNA), i stand til at forlænge ormens levetid, potentielt ved at inducere forbigående ROS-signalering116. Hos pattedyr er SIRT1 den nærmeste Sir2-homolog; overekspression af dette protein i hjernen (men ikke hele organismen) forlænger levetiden124, sandsynligvis ved at forbedre hypothalamusfunktionen under aldring125. Global overekspression af en anden sirtuin, SIRT6, forlænger musens levetid hos mænd specifikt, i det mindste delvist via undertrykkelse af lungekræft, en væsentlig dødsårsag hos hanner af den anvendte musestamme126,127. SIRT2-overekspression stabiliserer niveauer af det mitotiske checkpoint-protein BubR1 i progeroid BubR1H/H-mus og forlænger både median og maksimal levetid hos hanmus af denne stamme128. Der er ingen tilgængelige oplysninger om de potentielle virkninger af kronisk SIRT2-overekspression hos WT-dyr. Akkumulerende beviser tyder på, at NAD plus-niveauer kan falde under aldring, hvilket forringer sirtuin-aktivitet, og at evnen af ​​sirtuin-overekspression til at øge levetiden delvist modvirker denne effekt ved at opretholde sirtuin-funktionen i lyset af en formindsket NAD plus-pulje i ældre organismer129.

Resveratrol og visse andre polyphenoler blev oprindeligt identificeret som Sir2/SIRT1-aktivatorer, der forlængede den gennemsnitlige og maksimale levetid for gær130. Det er vigtigt at bemærke, at resveratrol er et meget promiskuøst lægemiddel og udøver funktionelt vigtige virkninger på mange cellulære mål131. Behandling af orme og fluer med res veratrol (doseret ved 100 μM hos orme og 10-100 μM hos fluer) er også blevet rapporteret at forlænge levetiden, afhængigt af tilstedeværelsen af ​​henholdsvis funktionel Sir-2.1 og dSir2132. En undersøgelse af Bass et al. hævdede, at resveratrolbehandling (1-1000 μM) ikke havde nogen signifikant effekt på Drosophilas levetid133. Den samme undersøgelse rapporterede også, at resveratrolbehandling ved 100 μM kun inducerede en lille og sporadisk stigning i C. elegans levetid hos både WT og sir-2.1 mutante dyr, hvilket tyder på, at disse små stigninger i C. elegans levetid induceret af resveratrol kan være Sir-2.1 uafhængig133. Resveratrol beskytter orme mod oxidativ stress, strålingsinduceret skade og amyloid toksicitet134-136 og inducerer også strålebeskyttelse hos fluer137. Resveratrolbehandling øger middel og maksimal levetid hos honningbien138 og de kortlivede fisk Nothobranchius furzeri og Nothobranchius guentheri139–141.

Det blev rapporteret, at resveratrol og andre sirtuin-aktiverende forbindelser (STAC'er) aktiverer Sir2/SIRT1 allosterisk130. Imidlertid har andre grupper fundet ud af, at disse forbindelser ikke var i stand til at øge SIRT1-aktiviteten mod native peptider in vitro142,143. I denne sammenhæng er det blevet foreslået, at øget SIRT1-aktivitet induceret af resveratrol afhænger af tilstedeværelsen af ​​en ikke-nativ fluorofor konjugeret til den peptidsekvens, der oprindeligt blev brugt til screening for SIRT1-aktivatorer142,143. Nylige rapporter har imidlertid vist, at resveratrol og andre STAC'er direkte binder til SIRT1 og allosterisk øger dets deacetylaseaktivitet mod ikke-mærkede peptidsubstrater144.145. Resveratrol er også blevet rapporteret at hæmme den katalytiske aktivitet af human tyrosyl transfer-RNA (tRNA) syntetase (TyrRS), hvilket resulterer i dets nukleare translokation og stimulering af NAD plus-afhængig aktivering af poly (ADP-ribose) polymerase 1 (PARP1)146 . PARP1 spiller vigtige roller i både DNA-reparation og transkription147.

Hos mus er resveratrol beskyttende mod nogle skadelige virkninger af diæter med højt fedtindhold/højt kalorieindhold148-151, reducerer væksten og udviklingen af ​​flere typer kræft152-154 væsentligt, og forsinker eller forhindrer begyndelsen af ​​AD155,156. Hos gnavere og mennesker er resveratrol desuden beskyttende mod både type 1-diabetes og T2D157,158 og hjerte-kar-sygdomme159 og har antiinflammatoriske160 og antivirale aktiviteter161. Resveratroltilskud (enten ved 0.016-0.1 procent af kosten eller 25 mg/kg/dag) er blevet rapporteret at øge levetiden i musemodeller af fedme148, AD162, HD163 og amyotrofisk lateral sklerose164.165. Resveratrolbehandling (2-8 mg/kg/dag) øger levetiden for LPS-behandlede mus166 og dæmper katekolamin-induceret dødelighed hos overvægtige rotter (20 mg/kg/dag)167. Endvidere forlænger resveratrol (10 mg/ml, intraperitoneal injektion) overlevelsen i en musemodel af sepsis-induceret akut nyreskade og genopretter nyremikrocirkulationen168. Resveratrol-administration (18 mg/kg/dag i kosten) forbedrer også overlevelsen i en rottehypertensionsmodel169. Det er dog vigtigt, at resveratrolbehandling (100-1200 mg/kg foder) ikke forlænger levetiden hos normale chow-fodrede mus50.170.171. Resveratrol-tilskud inducerer genekspressionsændringer i flere væv, der ligner dem, der er forbundet med kaloriebegrænsning hos mus171.172

Hos mennesker inducerede 30-dages resveratroltilskud (150 mg/dag) hos overvægtige mænd metaboliske ændringer, herunder reduktioner i søvn- og hvilestofskifte, intrahepatisk lipidindhold, cirkulerende glukoseniveauer, inflammatoriske markører og systolisk blodtryk173. Skeletmuskler fra resveratrol-behandlede objekter viste øget AMPK-aktivitet, øgede SIRT1- og PGC-1-proteinniveauer og forbedret mitokondriel respiration af fedtsyrer173. I modsætning hertil inducerede 12 ugers tilskud med resveratrol (75 mg/dag) hos ikke-overvægtige, postmenopausale kvinder med normal glukosetolerance ingen synlig ændring i kropssammensætning, insulinfølsomhed, hvilestofskifte, plasmalipider eller inflammatoriske markører174. Desuden havde resveratroltilskud ingen effekt på dets formodede molekylære mål, herunder AMPK, SIRT1, NAMPT og PPARGC1A, i hverken skeletmuskulatur eller fedtvæv174.

En vigtig nylig undersøgelse af Cai et al. viste et ikke-lineært dosisrespons for resveratrols beskyttende virkning hos mennesker og mus175. Når det administreres sammen med en diæt med højt fedtindhold (HFD), så lavdosis resveratrol (~0.{{10}}7 mg/kg/dag) ud til at være mere effektiv end høj -dosis (14 mg/kg/dag) til at reducere antallet af adenomer og reducere den samlede tumorbyrde i Apcmin-mus, en model for tarmkarcinogenese. Interessant nok udviste hunmus på den lavere dosis af resveratrol signifikant højere ekspression og aktivering af AMPK i tarmslimhinden end dem i højdosisgruppen175. Konsekvent viste humane kolorektale væv udsat for lave diætkoncentrationer (0,01 til 0,1 μM) af resveratrol ex vivo hurtig AMPK-aktivering og øget autofagi ved lave koncentrationer og en mindre udtalt eller endda ingen effekt ved højere doser (1 til 10 μM)175. Denne usædvanlige effekt kan hjælpe med at rationalisere de modstridende rapporter om resveratrols effektivitet hos mennesker, og fremtidige humane undersøgelser med resveratrol skal udformes med omhyggelig opmærksomhed på dosering og serumniveauer og til en grundig vurdering af virkningerne på resveratrols formodede molekylære mål.

Andre STAC'er er blevet syntetiseret og rapporteres at øge helbredstiden og forlænge levetiden hos mus. STAC SRT1720 (100 mg/kg/dag) er blevet rapporteret at forlænge middellevetiden for voksne C57BL/6J-hanmus fodret med en standarddiæt med 8,8 procent (p=0.096) og op til 21,7 procent ( p=0.0193) på en HFD uden at øge den maksimale levetid i nogen af ​​sammenhængene176.177. SRT1720-behandling forbedrede fysiologiske parametre hos HFD-fodrede dyr, reducerede leversteatose, øgede insulinfølsomhed, øgede lokomotorisk aktivitet og inducerede også en genekspressionsprofil svarende til den, der er forbundet med en standarddiæt176. SRT1720-tilskud hæmmede pro-inflammatorisk genekspression i leveren og musklerne hos mus fodret med en standard foderdiæt og forsinkede begyndelsen af ​​aldersrelateret metabolisk sygdom177. Tilsvarende øgede kosttilskud (100 mg/kg) med SRT2104, en anden syntetisk STAC, både den gennemsnitlige og maksimale levetid for C57BL/6J-hanmus fodret med en foderdiæt med 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.