Biomarkery stárnutí a metylace DNA při buněčné senescenci

Biomarkers of Aging: The Science Tracking Your Biological

Úvod

Pochopení biomarkerů stárnutí je klíčové pro porozumění procesu stárnutí a vývoj účinných strategií pro podporu délky života ve zdraví a dlouhověkosti. Tyto biomarkery poskytují měřitelné ukazatele biologického věku, díky nimž mohou výzkumníci i klinici posoudit, jak dobře tělo funguje nad rámec chronologického věku.

Hodnocení procesu stárnutí z více úhlů nabízí komplexní pohled, od molekulárních markerů, jako je délka telomer a epigenetické hodiny methylace DNA, až po fenotypové ukazatele, například sílu stisku ruky a rychlost chůze. Tento článek se zabývá relevantními biomarkery stárnutí, včetně molekulárních, fenotypových, diagnostických a epigenetických markerů, a jejich významem pro porozumění, predikci a případnou modifikaci průběhu stárnutí.

Biomarkery stárnutí mohou vycházet z fenotypových dat (tělesná funkce a antropometrie) a molekulárních dat (např. délka telomer, epigenetické hodiny & laboratorní krevní biomarkery). Rutinní laboratorní biomarkery se běžně měří v akreditovaných klinických laboratořích na základě standardizovaných metod. Kombinace komplexních laboratorních, epigenetických, neepigenetických a biomarkerů fyzické výkonnosti a funkce orgánů, stejně jako markerů senescence, je pravděpodobně klíčem k sestavení validního kompozitního biomarkeru stárnutí.

Standardizovaný (kompozitní) biomarker stárnutí, který by specificky měřil všechny důležité aspekty stárnutí, však dosud nebyl stanoven ani plně validován.

Molekulární biomarkery stárnutí

Molekulární biomarkery stárnutí jsou založeny na vysokokapacitních analýzách, jejichž prediktivní hodnota je často neznámá a které se využívají především pouze ve výzkumném kontextu. Jde většinou o takzvané biomarkery na úrovni celého genomu, neboli „omics“ biomarkery.

Kategorie biomarkeru	Podkategorie biomarkeru	Biomarker	Trend s věkem
DNA a chromozom	Telomer	Délka telomer leukocytů	Pokles
DNA a chromozom	Oprava DNA	Imunohistochemie γ-H2A.X	Nárůst
DNA a chromozom	Epigenetická modifikace	Methylace DNA	Globální hypomethylace a lokální hypermethylace
RNA transkriptom	Profily transkriptomu	Heterogenita CD38 v CD4+ & CD27+ T buňkách	Snížení
RNA transkriptom		Heterogenita CD197 v CD4+ & CD25+ T buňkách	Zvýšení
RNA transkriptom	Cirkulující mikroRNA (miRNAs)	miR-34a, miR-21, miR-126-3p	Zvýšení
RNA transkriptom		miR-151a-3p, miR-181a-5p, miR-1248	Snížení
RNA transkriptom	Dlouhé nekódující RNA	MIR31HG	Zvýšení buněčné senescence
RNA transkriptom		AK156230	Snížení buněčné senescence
RNA transkriptom		Meg3	Zvýšení buněčné senescence
Metabolismus	Snímání živin	Růstový hormon a inzulin/insulinu-podobný růstový faktor 1 (IGF-1)	Snížení
Metabolismus		Mechanistický cíl rapamycinu (mTOR) a pS6RP	Zvýšení
Metabolismus		NAD+, SIRT1, SIRT2, SIRT3, SIRT6	Snížení
Metabolismus	Metabolismus bílkovin	Proteinová karbamylace, jako například míra homocitrulinu	Zvýšení
Metabolismus		Konečné produkty pokročilé glykace a N-glykany	Zvýšení
Metabolismus	Metabolismus lipidů	Triglyceridy	Zvýšení
Oxidační stres a mitochondrie		o-tyrosine, 3-chlorotyrosine, 3-nitrotyrosine, 8-iso prostaglandin F2α, 8-hydroxy-2′-deoxyguanosine, 8-hydroxyguanosine	Zvýšení
Buněčná senescence		Senescencí asociovaná β-galaktosidáza	Zvýšení buněčné senescence
Buněčná senescence		p16INK4A	Zvýšení buněčné senescence
Zánět a mezibuněčná komunikace		Sekreční fenotyp spojený se senescencí	Zvýšení

Tabulka: Molekulární biomarkery stárnutí.

Zdroj: Xia, X. & Chen, W. & McDermott, J. & Han, J. (2017). Molecular and phenotypic biomarkers of aging. F1000Research 6: 860.

Krevní test GlycanAge

GlycanAge je domácí krevní test, který analyzuje glykany (cukry, které pokrývají buňky) v těle, aby určil váš biologický věk. Sleduje složení vašeho IgG glykomu (který reguluje nízkostupňový chronický zánět a přispívá ke stárnutí). Technologie GlycanAge jde nad rámec stávajících testů biologického věku tím, že integruje genetické, epigenetické a environmentální aspekty stárnutí.(1)

ZJISTĚTE VÍCE O TESTU GLYCANAGE ZDE

Fenotypové biomarkery stárnutí

Nemolekulární fenotypové biomarkery popisují fyziologické funkce těla, konkrétně tělesnou výkonnost a funkci orgánů. Stárnutí vede ke změnám na strukturální, funkční i molekulární úrovni ve většině buněk, tkání a orgánových systémů. Progresivní a postupná ztráta udržovacích funkcí tkání je pro stárnutí typická.(2)

Kategorie biomarkeru	Biomarker	Trend s věkem
Tělesná funkce	Rychlost chůze	Pokles
	Vstávání ze židle	Pokles
	Rovnováha ve stoji	Pokles
	Síla úchopu	Pokles
Antropometrie	Svalová hmota	Pokles
	Index tělesné hmotnosti	Nárůst
	Obvod pasu	Nárůst
Rysy obličeje	Šířka úst	Nárůst
	Šířka nosu	Nárůst
	Vzdálenost mezi ústy a nosem	Nárůst
	Sklon očních koutků	Pokles

Tabulka: Fenotypové biomarkery stárnutí.

Zdroj: Xia, X. & Chen, W. & McDermott, J. & Han, J. (2017). Molecular and phenotypic biomarkers of aging. F1000Research 6: 860.

Diagnostické biomarkery stárnutí

Diagnostické biomarkery pomáhají diagnostikovat, potvrdit nebo vyloučit onemocnění. Mohou být prognostické pro úmrtí (mortalitu) nebo pro vznik a progresi onemocnění (morbiditu). Diagnostické biomarkery mohou být také prediktivní pro sledování úspěchu nebo neúspěchu některé léčby. Tyto biomarkery se také používají v preventivní zdravotní péči k predikci a, což je ještě důležitější, k prevenci vzniku onemocnění.

Potenciální biomarker	Proces spojený s věkem	Výsledek možná spojený se stárnutím
Lymfocyty/WBC (v kompletním krevním obrazu) [PA]	Zánět a autoimunitní poruchy	Chronicky snížené nebo zvýšené
Inzulin	Inzulinová rezistence & diabetický stav	Chronicky zvýšené
Glukóza & glukóza nalačno	Inzulinová rezistence & diabetický stav	Chronicky zvýšené
C-reaktivní protein (CRP/hs-CRP) [IA & PA]	Zánět, rakovina & kardiovaskulární onemocnění	Chronicky zvýšené
Cholesterol	Kardiovaskulární onemocnění	Chronicky snížené nebo zvýšené
Albumin [PA]	Porucha funkce ledvin a jater	Snížené
IL-6 [PA]	Zánět	Zvýšené
Alfa nádorového nekrotického faktoru (TNF-α)	Zánět a rakovina	Zvýšené
Hemoglobin	Anémie a další hematopoetické poruchy	Chronicky snížené nebo zvýšené
Inzulínu podobný růstový faktor 1 (IGF-1)	Metabolické onemocnění	Zvýšené
LDL-cholesterol	Kardiovaskulární onemocnění	Chronicky snížené nebo zvýšené
Triglyceridy	Kardiovaskulární onemocnění	Chronicky zvýšené
HDL-cholesterol	Kardiovaskulární onemocnění	Chronicky snížené
Kreatinin [PA]	Porucha funkce ledvin	Zvýšené
Monocyty	Zánět	Chronicky zvýšené
Glykovaný hemoglobin (HbA1C)	Inzulinová rezistence & diabetický stav	Zvýšené
Cystatin C	Porucha funkce ledvin	Zvýšené
NT-proBNP	Srdeční selhání	Zvýšené
Alkalická fosfatáza [PA]	Poškození jater & onemocnění kostí	Chronicky zvýšené
Hematokrit/RBC (v kompletním krevním obraze)	Anémie	Chronicky snížené nebo zvýšené
D-dimer	Hyperkoagulační stav	Zvýšené
IL-8 [IA]	Zánět	Zvýšené
Inhibitor aktivátoru plazminogenu-1 (PAI1)	Protrombotický stav u rakoviny a dalších akutních fází	Chronicky zvýšené
Bilirubin	Jaterní dysfunkce	Chronicky zvýšené
Močovina	Renální dysfunkce	Chronicky zvýšené
IL-15	Zánět	Chronicky zvýšené
MCV (v kompletním krevním obraze)	Anémie a další hematopoetické poruchy	Chronicky snížené nebo zvýšené
MCHC (v kompletním krevním obraze)	Anémie a další hematopoetické poruchy	Chronicky snížené nebo zvýšené
Poměr CD4/CD8	Imunodeficience a autoimunita	Chronicky snížené
C-peptid (vhodnější než inzulin)	Inzulinová rezistence & diabetický stav	Chronicky zvýšené
IL1-β	Zánět	Chronicky zvýšené

Tabulka: Potenciální rutinní laboratorní krevní markery.

Zdroj upravený podle: Hartmann, A. et al. (2021). Ranking biomarkers of aging by citation profiling and effort scoring. Frontiers in Genetics 12: 797.

Epigenetické laboratorní biomarkery

Epigenom je dynamický systém, který hraje zásadní roli ve stárnutí. Metylace DNA a modifikace histonů se s chronologickým věkem a v průběhu chronických onemocnění časem mění.(3) Stárnutí je spojeno s obecnou hypomethylací a lokální hypermethylací. Pro vhodnou analýzu metylace DNA byly vyvinuty různé „epigenetické hodiny“ (například Horvathovy hodiny, Weidnerovy hodiny a Hannumovy hodiny).(4)

Potenciální biomarker	Materiál & metoda	Předpověď
Metylace DNA a hodiny stárnutí:
Horvathovy hodiny	DNA (analýza metylace)	Chronologický věk
Hannumovy hodiny	DNA (analýza metylace)	Chronologický věk
DNAm GrimAge	DNA (analýza metylace)	Biologický věk
DNAm PhenoAge	DNA (analýza metylace)	Biologický věk
Weidnerovy hodiny	DNA (analýza metylace)	Chronologický věk
EpiTOC	DNA (analýza metylace)	Biologický věk
miRNA (mikroRNA)	RNA (sekvenování nové generace, mikročipy)	Nemocnost, úmrtnost
Expresní profily nekódující RNA	RNA (sekvenování)	Chronologický věk
exRNA (extracelulární RNA)	Krev/plazma (sekvenování nové generace)	Nemocnost, úmrtnost
Modifikace histonů:
Metylace H4K20	Krev/plazma (různé metody)	Buněčný stres
Acetylace H4K16	Krev/plazma (různé metody)	Buněčný stres
Metylace H3K4	Proteinový extrakt (různé metody)	Buněčný stres
Metylace H3K9	Tkáňová DNA (různé metody)	Buněčný stres
Metylace H3K27	Tkáňová DNA (různé metody)	Buněčný stres
Remodelace chromatinu	DNA (testy remodelace chromatinu)	Chronologický věk

Tabulka: Potenciální epigenetické biomarkery.

Převzato a upraveno z: Hartmann, A. et al. (2021). Ranking biomarkers of aging by citation profiling and effort scoring. Frontiers in Genetics 12: 797.

Stručně řečeno: Stárnutí je mimořádně složitý a vysoce individuální proces, kterému zatím plně nerozumíme. Proto mnohé biomarkery spojené se stárnutím mohou zachycovat jen jeho povrch a poskytovat pohled z určitého úhlu na to, co se se stárnutím pojí. Nejvhodnějším řešením pro posouzení komplexního obrazu individuálního procesu stárnutí tak může být kombinace široce zaměřených rutinních laboratorních testů, epigenetických testů, molekulárních biomarkerů a fenotypových markerů.

DNAm PhenoAge - Jednoduše proveditelný biomarkerový test biologického stárnutí

Studie Levine et al. z roku 2018 představila nový přístup k vývoji epigenetického biomarkeru stárnutí pomocí metylace DNA (DNAm). Tento nový biomarker, DNAm PhenoAge, představuje významný pokrok oproti předchozím markerům, protože se zaměřuje na fenotypový věk, nikoli na chronologický věk, což vede k přesnějším předpovědím délky zdravého života a rizika mortality. DNAm PhenoAge vykazuje pozoruhodnou schopnost predikovat široké spektrum výsledků morbidity a mortality, zejména kardiovaskulární onemocnění a ischemickou chorobu srdeční. Na rozdíl od dřívějších biomarkerů rozšiřuje DNAm PhenoAge svou predikční sílu i za hranice vzorků krve na další tkáně.(4)

Mírně dědičná povaha tohoto biomarkeru souvisí s markery imunosenescence, prozánětlivými procesy a různými faktory spojenými se stárnutím. DNAm PhenoAge překonává dřívější epigenetické biomarkery díky svému specifickému výběru CpG míst optimalizovaných pro predikci fyziologické dysregulace. Ačkoli není určen k nahrazení klinických biomarkerů při lékařském rozhodování, DNAm PhenoAge nabízí cenné poznatky o mechanismech stárnutí a do hodnocení intervencí zaměřených na stárnutí.

Biomarker má navíc potenciál rozlišovat preklinické stárnutí a rychlost stárnutí specifickou pro jednotlivé buňky či tkáně, což z něj činí užitečný nástroj pro různé studie související s věkem. Studie se zabývá souvislostmi mezi DNAm PhenoAge a transkripčními drahami a odhaluje vazby na prozánětlivé dráhy, interferonové dráhy a dráhy opravy poškození. Dědičnost DNAm PhenoAge je možná, což vyžaduje další výzkum k odhalení jeho genetické architektury.

Zajímavé je, že DNAm PhenoAge zůstává v čase relativně stabilní, což vyvolává otázky ohledně vlivu genetiky a přetrvávání sociálních a behaviorálních charakteristik. Mezi potenciální aplikace tohoto biomarkeru patří hodnocení intervencí zaměřených na stárnutí a získávání poznatků o dynamice procesu stárnutí. DNAm PhenoAge se ukazuje jako slibný biomarker s významem pro základní výzkum mechanismů stárnutí i pro praktické translační aplikace.

Seznam biomarkerů zahrnutých v testu DNAm PhenoAge:

Albumin (g/L) – játra
Kreatinin (μmol/L) – ledviny
Glukóza v séru (mmol/L) – metabolické
C-reaktivní protein (mg/dL) – zánět
Střední objem erytrocytu (fL) – imunitní
Šíře distribuce erytrocytů (%) – imunitní
Alkalická fosfatáza (U/L) – játra
Počet bílých krvinek (1000 buněk/μL) - imunitní

Vypočítejte si zde svůj DNAm PhenoAge zde (pokud máte vyšetřeny všechny výše uvedené biomarkery).

Závěr

Stárnutí je mnohostranný a vysoce individualizovaný proces, který ovlivňují molekulární, buněčné a fyziologické změny. Biomarkery stárnutí, od délky telomer a vzorců metylace DNA až po fyzickou výkonnost a ukazatele funkce orgánů, poskytují cenný rámec pro studium a řízení této složitosti. Přes významný pokrok zatím žádný jediný standardizovaný biomarker plně nezachycuje všechny dimenze stárnutí, což zdůrazňuje potřebu integrativních přístupů kombinujících více typů biomarkerů. Nástroje, jako je DNAm PhenoAge, představují slibný krok vpřed, protože nabízejí vhled do biologických mechanismů stárnutí a do možných intervencí. S dalším vývojem, vědeckým výzkumem a zkušenostmi budou tyto biomarkery nadále sloužit jako důležité nástroje pro rozvoj precizní medicíny, podporu zdravého stárnutí a optimalizaci strategií dlouhověkosti.

Vědecké reference:

Další reference pro tabulky a biomarkery:

Xia, X. & Chen, W. & McDermott, J. & Han, J. (2017). Molecular and phenotypic biomarkers of aging. F1000Research 6: 860.
Hartmann, A. et al. (2021). Ranking biomarkers of aging by citation profiling and effort scoring. Frontiers in Genetics 12: 797.