Сердце - поразительная рабочая лошадка органа. С каждой минутой человеческое сердце извергается над галлоном крови, которая питает весь организм кислородом и питательными веществами. В жизни среднего человека сердце будет биться более трех миллиардов раз, качая достаточно крови, чтобы заполнить около 1200 бассейнов олимпийского размера.
Однако после многих лет напряженной работы мышцы, как правило, изнашиваются. Как чрезмерно растянутый эластик, сердце в конечном итоге теряет свою эластичность, неуклонно увеличивая риск сердечной недостаточности.
Сегодня ученые из Калифорнийского университета в Сан-Диего сообщают, что плодовые мушки, разработанные для поддержания высокого уровня белка, восстанавливающего сердце, имеют гораздо более продолжительный срок службы. Их результаты первыми связывают структурные изменения в мышечной ткани с метаболическими последствиями, которые в конечном итоге влияют на продолжительность жизни.
В то время как сердечные клетки не обладают регенеративной способностью других органов, таких как печень, сердце снабжено полным набором для ремонта. Человеческое сердце может заряжаться десятилетиями сверх ожидаемой гарантии, применяя множество методов резервного копирования для восстановления и реконструкции старых структур, даже когда клетки начинают терять свою форму. Когда структурная целостность сердца нарушается, набор белков быстро проникает в трещины в основании.
Одним из наиболее мощных инструментов, имеющихся в распоряжении сердца, является винкулин - белок, сродни супер-клею клеток. По мере того, как клетки в стенах сердечной эры, они начинают изнашиваться друг от друга и умирают, что затрудняет сердцу выполнение каждого ритмического сжатия. Винкулин прикрепляет клетки друг к другу и в окружающей матрице, что позволяет сердцу общаться с внешней средой. Этот белок становится все более необходимым после десятилетий стресса для мышц, и с возрастом увеличивается производство в сердце, что позволяет клеткам расщеплять трещины в состарившейся ткани. Как грызуны, так и пациенты с нарушенными копиями гена винкулина подвергаются особенно высокому риску сердечной недостаточности в более позднем возрасте.
В конечном счете, однако, ремоделирование заходит так далеко: в некоторых состояние плохого состояния подавляет даже восстановительную силу винкулина, и сердце может перестать работать. По мере увеличения средней средней продолжительности жизни возрастают и проблемы с сердечными осложнениями у пожилых людей. К 2030 году четверть американцев будет старше 65 лет. Чтобы продолжать предотвращать возникновение сердечно-сосудистых заболеваний в старшем поколении, развитие технологий должно ускориться, чтобы идти в ногу с человеческим населением.
Чтобы изучить взаимосвязь между функцией сердца и долголетием, биоинженеры Ayla Sessions и Адам Энглер решили использовать уже разработанные инструменты, расширив возможности исцеления сердца до его пределов.
Три года назад группа старшего автора Адама Энглера продемонстрировала важность винкулина в поддержании сердцебиения животных в пожилом возрасте. Показав, что пожилые сердца мышей и приматов, не являющихся людьми, производят больше винкулина, они задались вопросом о последствиях увеличения количества винкулина или его полного удаления.
Чтобы обойти дорогостоящие и трудоемкие ловушки генетически манипулирующих грызунов или обезьян, исследователи смоделировали свои эксперименты на плодовых мушках. С продолжительностью жизни чуть более месяца эти насекомые могут перейти от ювенильного к гериатрическому в течение нескольких недель. И хотя мы склонны рассматривать насекомых как чужеродных вредителей, у людей и мух действительно много общего. Органы плодовой мухи имеют удивительное структурное сходство с млекопитающими, такими как мыши и приматы, и более 80 процентов генов, которые содержат инструкции по созданию сердца мухи, отражаются на людях.
«Сердца плодовой мушки структурно похожи на клетки человека», - объясняет Энглер. «Но их физиология так проста. Это делает их идеальными для обучения ».
И, как и у людей, сердца старых мух, как правило, терпят неудачу.
В своей оригинальной работе Энглер и его команда разводили мух, чтобы пускать производство винкулина в перегрузку сердечной ткани. Как и ожидалось, сердца, усиленные большим количеством винкулина, оставались сильными даже при старении мух, имитируя эффективность накачки здоровых тканей.
К удивлению Энглера, выведение дополнительного количества винкулина в сердце также привело к появлению «суперкрылок» с удивительно увеличенной продолжительностью жизни, иногда более чем удвоенной продолжительностью жизни мух. Но в то время как это поддержало идею, что винкулин был критическим для настройки сердечной ткани, исследователи не поняли, как или почему это помогало мухам жить дольше.
Стремясь разгадать тайну, ведущий автор Ayla Sessions следил за здоровьем и долголетием одного и того же штамма суперпокрылых с разных точек зрения. Опять же, стрекозы пережили своих постоянных сверстников - но Сессии также обнаружили, что они также продемонстрировали превосходные спортивные способности, используя свои вновь обретенные способности, чтобы перемещаться по этажам и масштабировать значительные стены.
Более того, как и человеческие атлеты, суперплячи были более эффективны в использовании кислорода и сахара для усиления своих движений. Когда Сессии кормили мух меченой формой глюкозы, она увидела, что сахара из рациона мух направляются в гипер-эффективные пути, которые производят дополнительное топливо для клеток. На самом деле, эти супер-мухи выглядели жутко, как долгоживущие мухи прошлых работ других групп, за исключением тех, которые подверглись изменениям образа жизни (например, ограничение калорийности), а не генетическим. Каким-то образом, хотя дополнительный структурный клей винкулина был отнесен только к определенной части тела, это изменение имело сильные и далеко идущие последствия для общего состояния здоровья.
«Из миллионов клеток [на лету] только 102 клетки [в сердце] в конечном итоге создают этот системный эффект», - говорит Энглер. «И это было довольно удивительно для нас».
Впервые исследователи связывают изменения в механике клеток с метаболизмом и могут дать представление о том, как сильное сердце поддерживает здоровый обмен веществ. Сессии и Энглер теоретизируют, что увеличенная сила сердца супер-мухи - вот что имеет значение. С большим количеством винкулина, чтобы связать их вместе, клетки даже старшего сердца нуждаются в меньшем количестве топлива, чтобы эффективно сокращаться - это означает, что сердце в целом лучше использует энергию. Это не только освобождает сахара для других тканей, но и позволяет сердцу лучше распределять это топливо по всему телу. И вуаля: выносливость superfly.
«[Это хорошо] сосредоточиться на том, чтобы жить дольше, но если качество жизни низкое, это не приносит никакой пользы», - говорит Сессион. «Мы не только увеличиваем продолжительность жизни, но и повышаем метаболизм и использование энергии в дальнейшем».
Поскольку профили мух, продуцирующих винкулин, очень похожи на характеристики, скажем, мух с ограниченной калорийностью, Энглер считает, что эта работа сильно подтверждает выводы других исследований долголетия. «Вы настраиваете одни и те же пути, только через разные механизмы, но они достигают одних и тех же целей», - объясняет он.
«Игнорирование роли системы кровообращения в обмене веществ немного односторонне», - добавляет Сессион. «Метаболизм и работа сердца идут рука об руку».
В будущей работе команда Энглера планирует продолжить выяснение связей между структурой ткани и метаболизмом, помня о том, что эта информация может когда-нибудь способствовать синтезу препаратов, способствующих долголетию, некоторые из которых могут даже предназначаться для таких белков, как винкулин.
Кристин ДеЛеон-Пеннелл, профессор сердечно-сосудистых наук в Медицинском университете Южной Каролины, который не был связан с исследованием, высоко оценивает работу по открытию новых дверей в будущих клинических контекстах. «С ростом метаболических синдромов у пациентов с сердечно-сосудистыми заболеваниями действительно интересно, что винкулин может быть связующим звеном с тем, что мы на самом деле наблюдаем в клинике», - говорит она, добавляя, что это может помочь врачам лучше контролировать пожилых пациентов с низким уровнем винкулин.
Но Энглер предупреждает, что еще предстоит проделать большую работу: мы далеки от того, чтобы извлекать выгоду из винкулина в сердцах людей. «Мы не пытаемся предположить, что есть таблетка, которую вы можете принять, или что вам нужно начать изменять свою диету, чтобы вы дольше поддерживали свой метаболизм», - объясняет он. «И это, конечно, не источник молодости».
ДеЛон-Пеннелл также подчеркивает, что работа должна быть подтверждена в более сложных организмах, таких как млекопитающие, прежде чем исследование сможет продолжаться.
Пока есть еще хорошие новости: мух можно разводить, чтобы жить дольше.
Плохие новости? Мух можно разводить, чтобы жить дольше.
