Голодные игры: кто проживет дольше? альфа-кетоглутарат

Как известно, жизнь - это вялотекущее смертельное заболевание, передающееся половым путем. 14 мая 2014 года в журнале Nature появилась статья, демонстрирующая, что вещество альфа-кетоглутарат способно примерно в 1.5 раза увеличить продолжительность жизни небольших круглых червей вида  Caenorhabditis elegan s [1]. Эта работа подтверждает некоторые современные представления о механизмах старения животных. Попробуем разобраться, что это за теория старения и есть ли надежда увеличить продолжительность жизни человека через изменение его диеты. Этот вопрос особенно актуален, учитывая, что мы уже сейчас стоим перед выбором: принимать ли препараты, предположительно увеличивающие продолжительность жизни, или нет.

Наблюдение, что слегка голодающие мыши имеют более высокую продолжительность жизни, чем мыши, имеющие неограниченный доступ к пище, впервые было сделано в 1935-ом году [2]. Этот эффект был воспроизведен в экспериментах с использованием разных видов животных, в том числе некоторых видов мышей, крыс, рыб и собак [3]. Но все оказалось не так однозначно: положительный эффект голодания не удалось обнаружить у нашего близкого родственника, макаки [4], а также у некоторых мух [5], некоторых пауков [6] и ряда других организмов [3]. Продолжительность жизни домашней мухи  Musca domestica , наоборот, уменьшалась в условиях сниженного потребления пищи [7].

Перечисленные различия между различными видами живых организмов свидетельствуют о том, что связь между количеством употребляемой пищи и продолжительностью жизни несколько более сложная. Возможно, дело не в положительном эффекте самого голодания, а в том, что голодание запускает какие-то биохимические процессы способствующие долгожительству в одних организмах, но не в других.

Считается, что одним из механизмов, через который голодание может увеличивать продолжительность жизни является активизация процесса аутофагии [8]. В ходе аутофагии клетка "переваривает" относительно ненужные внутренние компоненты, избавляется от "мусора". Обычную сытую клетку можно представить себе как своего рода "Плюшкина", человека который хранит всякий мусор, аргументируя это тем, что "это может пригодиться на черный день". Этот мусор вредит клетке, а его накопление может способствовать старению организма и развитию ряда старческих заболеваний. Когда клетка ощущает дефицит питательных веществ, она начинает избавляться от хлама, переваривая его. В таком случае для предотвращения старческих заболеваний и старения нужно заставить клетки чаще заниматься аутофагией. И, действительно, включение аутофагии позволяло увеличить продолжительность жизни некоторых модельных организмов, а ее выключение предотвращало увеличение продолжительности жизни в условиях голодания [9-12], что хорошо согласуется с данной гипотезой о механизме старения.

Один из главных путей включения аутофагии у животных идет через подавление работы белка TOR (target of rapamycin) [13]. Вещества, которые подавляют работу TOR, представляют интерес как потенциальные средства увеличения продолжительности жизни и предотвращения некоторых заболеваний, связанных с накоплением "мусора" в клетках, например, болезни Хантингтона (хорея Хантингтона) и болезни Альцгеймера. Эти заболевания центральной нервной системы сопровождаются накоплением агрегатов неправильно свернутых пептидов, которые клетки не в состоянии удалить. Недавно было показано, что подавление TOR приводит к активации аутофагии у мышей, служащих модельными организмами для изучения болезни Хантингтона, и уменьшает повреждение и гибель нервных клеток [14].

Наиболее известными ингибиторами TOR и, соответственно, активаторами аутофагии являются кофеин [15, 16], ресвератол (компонент красного вина) [16] и рапамицин [16]. Рапамицин, в честь, которого стоит буква R в названии белка TOR, заслуживает отдельного упоминания. Хотя это довольно дорогой противогрибковый антибиотик, подавляющий работу иммунной системы, рапамицин показывает воодушевляющие результаты в увеличении продолжительности жизни мышей [17, 18]. Рапамицин в перспективе является мечтой фармацевта: дорогое лекарство для самого распространенного в мире заболевания. Кроме того его используют для уменьшения отторжения органов при пересадке. Увы, то, что рапамицин подавляет иммунную систему существует затрудняет его постоянное использование для продление жизни.

Интерес к ресвератолу был вызван "французским парадоксом" - низкой смертностью среди французов, потребляющих большое количество красного вина, прежде всего от ишемической болезни сердца. Эффект ресвератола на продолжительность жизни, действительно, был обнаружен в опытах на мышах [19], но концентрация ресвератола, при которой наблюдался эффект (от 5.2 до 22.4 мг на кг массы тела в день) примерно эквивалентна употреблению литра красного вина на килограмм массы тела в день (в красном вине содержится 0,2-5,8 мг/л ресвератола). То есть вино нужно пить в прямом смысле бочками, до смерти от интоксикации этанолом. Этот факт не отменяет ценность ресвератола, но не согласуется с идеей, что он может объяснить "французский парадокс". Впрочем, ценность самого ресвератола, особенно на фоне существования рапамицина тоже была недавно поставлена под сомнение [20].

Еще одно вещество, способное подавлять TOR - этанол. Возможно, это свойство этанола отчасти объясняет положительную ассоциацию между употреблением небольших доз алкоголя и увеличенной продолжительностью жизни [21, 22], в частности и "французский парадокс". Увы, большие дозы алкоголя, нивелируют положительный эффект, по-видимому, за счет токсичности основного метаболита этанола: ацетальдегида. Кстати, в лабораторных экспериментах на круглых червях Caenorhabditis elegans тоже наблюдалось положительное влияние на продолжительность жизни низких концентраций этанола и негативное влияние высоких концентраций [23].

Ингибитор TOR альфа-кетоглутарат [1], который и стал информационным поводом для данного обзора благодаря драматическому влиянию на увеличение продолжительности жизни круглого червя Caenorhabditis elegans и увеличение аутофагии в клетках млекопитающих, замечателен тем, что является важным метаболитом так называемого цикла Кребса. Альфа-кетоглутарат постоянно синтезируется и метаболизируется в организме любого животного, причем в большом количестве, и в отличие от рапамицина, который производится бактерией Streptomyces hygroscopicus, является достаточно дешевым и доступным веществом.

Предполагается, что механизм действия альфа-кетоглутарата похож на механизм действия рапамицина (подавление TOR). Альфа-кетоглутарат, по-видимому, обладает очень низкой токсичностью. В опытах на крысах было показано, что доза альфа-кетоглутарата, при которой у крыс не наблюдается никаких негативных эффектов, составляет 1г на кг массы тела [24]. Мне не удалось найти значений полулетальной дозы этого вещества (сколько его нужно съесть крысам, чтобы половина крыс погибла от отравления), но даже доза в 5г на кг массы тела не является опасной для жизни этих грызунов [21].

Сегодня альфа-кетоглутарат активно изучается как эффективный антидот от отравлений цианидами [25-27], как средство против повреждений клеток из-за нехватки кислорода при повреждениях [28] и как средство для стимулирования регенерации тканей при ожогах [29-31].

Альфа-кетоглутарат уже имеется в коммерческой продаже, чаще всего в форме креатин альфа-кетоглутарата или аргинин альфа-кетоглутарата (хотя вариантов много). Только не как средство для увеличения продолжительности жизни, а как "пищевая добавка для спортсменов", призванная улучшить результаты физических тренировок. Впрочем, я бы не спешил делать выводы о том, выполняет ли альфа-кетоглутарат обещанные поставщиками функции. В одних исследованиях находят некоторые положительные эффекты аргинин альфа-кетоглутарата на эффективность тренировок [32], в других такой эффект не обнаруживается [33]. Различия могут быть связаны с тем, что в первом исследовании проверяли долгосрочный эффект от тренировок при длительном использовании альфа-кетоглутарата (12г в день, на протяжении 8 недель), а во втором смотрели влияние препарата на физическое состояние человека вскоре после приема. В еще одном исследовании было показано, что аргинин альфа-кетоглутарат в краткосрочной перспективе негативно сказывается на мышечной выносливости, поэтому целесообразность его приема перед тренировкой сомнительна [34].

Кроме того, многие рекламируемые пищевые добавки с альфа-кетоглутаратом содержат и другие вещества, эффективность и безопасность которых находится под вопросом. В частности, есть одиночные случаи серьезных побочных эффектов возникших после приема некоторых из них [35-37]. Это не означает, что именно у альфа-кетоглутарата есть побочные эффекты (хотя и это не исключено), но означает, что нужно с осторожностью относиться к такого рода продукции. Использование чистого альфа-кетоглутарата, может помочь снизить возможные риски.

Сегодня существуют способы существенно продлить жизнь некоторых модельных организмов с помощью генной инженерии. Так, подавление ряда генов  Caenorhabditis elegans  (в том числе подавление TOR) позволяет добиться пятикратного увеличения продолжительности жизни этих круглых червей [38]. Увы, генная инженерия крайне затруднена для уже взрослых организмов (мы пока не умеем изменять ДНК в каждой отдельной клетке многоклеточного). Поэтому, даже если бы эти механизмы аналогичным образом работали у человека, они представляли бы интерес скорее как возможность выведения долгоживущих людей в далеком светлом будущем. Толку для уже живущих людей от этих технологий было бы мало. Ингибитор TOR рапамицин замечателен тем, что он, по-видимому, продлевает жизнь, даже если им начинают кормить мышей в возрасте [39]. Если быть точным: в возрасте 600 дней при обычной продолжительности жизни мышей в 2-3 года. Но вопрос пить или не пить рапамицин для большинства людей не стоит: курс обошелся бы человеку в несколько тысяч долларов в месяц, а принимать его теоретически нужно всю оставшуюся (возможно долгую) жизнь. Постоянное употребление альфа-кетоглутарата в разумных количествах обойдется в 10-20$ в месяц, а его механизм действия, по-видимому, похож на механизм действия рапамицина, поэтому тут вопрос "пить или не пить" уже актуален для широкой публики.

Одна из проблем препаратов, потенциально продлевающих жизнь, заключается в том, что большинству людей придется начать принимать их сейчас, чтобы (при условии, что эти препараты на самом деле работают) дожить до тех времен, когда их эффективность будет окончательно доказана. С другой стороны в ближайшем будущем могут появиться дополнительные данные о возможных побочных эффектах и данные о продлении жизни в экспериментах на мышах. В противовес также стоит отметить, что в свое время большие надежды на увеличение продолжительности жизни возлагались на аскорбиновую кислоту, рекомендованную дважды нобелевским лауреатом Лайнусом Полингом. Увы, до сих пор результаты исследований крайне противоречивые и не позволяют сделать однозначный вывод о том продлевает ли этот витамин жизнь хотя бы в животных моделях [40]. Независимо от того, продлевает ли альфа-кетоглутарат жизнь человека, можно ожидать, что продажи этого вещества существенно вырастут в ближайшее время. Желающие попробовать обязательно найдутся. Приведет ли это к глубоким разочарованиям или же к увеличению продолжительности жизни по всему миру и к необходимости серии новых пенсионных реформ мы узнаем, хоть и не очень скоро.

Список литературы

1. Chin RM, Fu X, Pai MY, Vergnes L, Hwang H, Deng G, Diep S, Lomenick B, Meli VS, Monsalve GC et al: The metabolite alpha-ketoglutarate extends lifespan by inhibiting ATP synthase and TOR. Nature 2014.
2. McCay CM, Crowell MF, Maynard LA: The effect of retarded growth upon the length of life span and upon the ultimate body size. 1935. Nutrition 1989, 5(3):155-171; discussion 172.
3. Szafranski K, Mekhail K: The fine line between lifespan extension and shortening in response to caloric restriction. Nucleus 2014, 5(1):56-65.
4. Mattison JA, Roth GS, Beasley TM, Tilmont EM, Handy AM, Herbert RL, Longo DL, Allison DB, Young JE, Bryant M et al: Impact of caloric restriction on health and survival in rhesus monkeys from the NIA study. Nature 2012, 489(7415):318-321.
5. Carey JR, Liedo P, Harshman L, Zhang Y, Muller HG, Partridge L, Wang JL: Life history response of Mediterranean fruit flies to dietary restriction. Aging cell 2002, 1(2):140-148.
6. Kasumovic MM, Brooks RC, Andrade MC: Body condition but not dietary restriction prolongs lifespan in a semelparous capital breeder. Biology letters 2009, 5(5):636-638.
7. Cooper TM, Mockett RJ, Sohal BH, Sohal RS, Orr WC: Effect of caloric restriction on life span of the housefly, Musca domestica. FASEB journal : official publication of the Federation of American Societies for Experimental Biology 2004, 18(13):1591-1593.
8. Madeo F, Tavernarakis N, Kroemer G: Can autophagy promote longevity? Nature cell biology 2010, 12(9):842-846.
9. Eisenberg T, Knauer H, Schauer A, Buttner S, Ruckenstuhl C, Carmona-Gutierrez D, Ring J, Schroeder S, Magnes C, Antonacci L et al: Induction of autophagy by spermidine promotes longevity. Nature cell biology 2009, 11(11):1305-1314.
10. Morselli E, Maiuri MC, Markaki M, Megalou E, Pasparaki A, Palikaras K, Criollo A, Galluzzi L, Malik SA, Vitale I et al: Caloric restriction and resveratrol promote longevity through the Sirtuin-1-dependent induction of autophagy. Cell death & disease 2010, 1:e10.
11. Hansen M, Chandra A, Mitic LL, Onken B, Driscoll M, Kenyon C: A role for autophagy in the extension of lifespan by dietary restriction in C. elegans. PLoS genetics 2008, 4(2):e24.
12. Jia K, Levine B: Autophagy is required for dietary restriction-mediated life span extension in C. elegans. Autophagy 2007, 3(6):597-599.
13. Lum JJ, DeBerardinis RJ, Thompson CB: Autophagy in metazoans: cell survival in the land of plenty. Nature reviews Molecular cell biology 2005, 6(6):439-448.
14. Ravikumar B, Vacher C, Berger Z, Davies JE, Luo S, Oroz LG, Scaravilli F, Easton DF, Duden R, O'Kane CJ et al: Inhibition of mTOR induces autophagy and reduces toxicity of polyglutamine expansions in fly and mouse models of Huntington disease. Nature genetics 2004, 36(6):585-595.
15. Saiki S, Sasazawa Y, Imamichi Y, Kawajiri S, Fujimaki T, Tanida I, Kobayashi H, Sato F, Sato S, Ishikawa K et al: Caffeine induces apoptosis by enhancement of autophagy via PI3K/Akt/mTOR/p70S6K inhibition. Autophagy 2011, 7(2):176-187.
16. Zhou H, Luo Y, Huang S: Updates of mTOR inhibitors. Anti-cancer agents in medicinal chemistry 2010, 10(7):571-581.
17. Leontieva OV, Paszkiewicz GM, Blagosklonny MV: Weekly administration of rapamycin improves survival and biomarkers in obese male mice on high-fat diet. Aging cell 2014.
18. Fok WC, Chen Y, Bokov A, Zhang Y, Salmon AB, Diaz V, Javors M, Wood WH, 3rd, Zhang Y, Becker KG et al: Mice fed rapamycin have an increase in lifespan associated with major changes in the liver transcriptome. PloS one 2014, 9(1):e83988.
19. Baur JA, Pearson KJ, Price NL, Jamieson HA, Lerin C, Kalra A, Prabhu VV, Allard JS, Lopez-Lluch G, Lewis K et al: Resveratrol improves health and survival of mice on a high-calorie diet. Nature 2006, 444(7117):337-342.
20. Miller RA, Harrison DE, Astle CM, Baur JA, Boyd AR, de Cabo R, Fernandez E, Flurkey K, Javors MA, Nelson JF et al: Rapamycin, but not resveratrol or simvastatin, extends life span of genetically heterogeneous mice. The journals of gerontology Series A, Biological sciences and medical sciences 2011, 66(2):191-201.
21. Elmadhun NY, Sabe AA, Lassaletta AD, Sellke FW: Alcohol Consumption Mitigates Apoptosis and Mammalian Target of Rapamycin Signaling in Myocardium. Journal of the American College of Surgeons 2014.
22. Foster DA: Reduced mortality and moderate alcohol consumption: the phospholipase D-mTOR connection. Cell cycle 2010, 9(7):1291-1294.
23. Yu X, Zhao W, Ma J, Fu X, Zhao ZJ: Beneficial and harmful effects of alcohol exposure on Caenorhabditis elegans worms. Biochemical and biophysical research communications 2011, 412(4):757-762.
24. Bhattacharya R, Gujar N, Singh P, Rao P, Vijayaraghavan R: Toxicity of alpha-ketoglutarate following 14-days repeated oral administration in Wistar rats. Cellular and molecular biology 2011, 57 Suppl:OL1543-1549.
25. Bhattacharya R, Vijayaraghavan R: Promising role of alpha-ketoglutarate in protecting against the lethal effects of cyanide. Human & experimental toxicology 2002, 21(6):297-303.
26. Bhattacharya R, Rao P, Singh P, Yadav SK, Upadhyay P, Malla S, Gujar NL, Lomash V, Pant SC: Biochemical, oxidative and histological changes caused by sub-acute oral exposure of some synthetic cyanogens in rats: Ameliorative effect of alpha-ketoglutarate. Food and chemical toxicology : an international journal published for the British Industrial Biological Research Association 2014, 67:201-211.
27. Hariharakrishnan J, Satpute RM, Bhattacharya R: Cyanide-induced changes in the levels of neurotransmitters in discrete brain regions of rats and their response to oral treatment with alpha-ketoglutarate. Indian journal of experimental biology 2010, 48(7):731-736.
28. Bienholz A, Petrat F, Wenzel P, Ickerott P, Weinberg JM, Witzke O, Kribben A, de Groot H, Feldkamp T: Adverse effects of alpha-ketoglutarate/malate in a rat model of acute kidney injury. American journal of physiology Renal physiology 2012, 303(1):F56-63.
29. Coudray-Lucas C, Le Bever H, Cynober L, De Bandt JP, Carsin H: Ornithine alpha-ketoglutarate improves wound healing in severe burn patients: a prospective randomized double-blind trial versus isonitrogenous controls. Critical care medicine 2000, 28(6):1772-1776.
30. Donati L, Ziegler F, Pongelli G, Signorini MS: Nutritional and clinical efficacy of ornithine alpha-ketoglutarate in severe burn patients. Clinical nutrition 1999, 18(5):307-311.
31. De Bandt JP, Coudray-Lucas C, Lioret N, Lim SK, Saizy R, Giboudeau J, Cynober L: A randomized controlled trial of the influence of the mode of enteral ornithine alpha-ketoglutarate administration in burn patients. The Journal of nutrition 1998, 128(3):563-569.
32. Campbell B, Roberts M, Kerksick C, Wilborn C, Marcello B, Taylor L, Nassar E, Leutholtz B, Bowden R, Rasmussen C et al: Pharmacokinetics, safety, and effects on exercise performance of L-arginine alpha-ketoglutarate in trained adult men. Nutrition 2006, 22(9):872-881.
33. Wax B, Kavazis AN, Webb HE, Brown SP: Acute L-arginine alpha ketoglutarate supplementation fails to improve muscular performance in resistance trained and untrained men. Journal of the International Society of Sports Nutrition 2012, 9(1):17.
34. Greer BK, Jones BT: Acute arginine supplementation fails to improve muscle endurance or affect blood pressure responses to resistance training. Journal of strength and conditioning research / National Strength & Conditioning Association 2011, 25(7):1789-1794.
35. Young C, Oladipo O, Frasier S, Putko R, Chronister S, Marovich M: Hemorrhagic stroke in young healthy male following use of sports supplement Jack3d. Military medicine 2012, 177(12):1450-1454.
36. Prosser JM, Majlesi N, Chan GM, Olsen D, Hoffman RS, Nelson LS: Adverse effects associated with arginine alpha-ketoglutarate containing supplements. Human & experimental toxicology 2009, 28(5):259-262.
37. Randhawa S, Abowd M, Sharma A, Weiss JS: Anterior segment complications of a nutritional supplement. Journal of cataract and refractive surgery 2007, 33(5):918-920.
38. Chen D, Li PW, Goldstein BA, Cai W, Thomas EL, Chen F, Hubbard AE, Melov S, Kapahi P: Germline signaling mediates the synergistically prolonged longevity produced by double mutations in daf-2 and rsks-1 in C. elegans. Cell reports 2013, 5(6):1600-1610.
39. Harrison DE, Strong R, Sharp ZD, Nelson JF, Astle CM, Flurkey K, Nadon NL, Wilkinson JE, Frenkel K, Carter CS et al: Rapamycin fed late in life extends lifespan in genetically heterogeneous mice. Nature 2009, 460(7253):392-395.
40. Pallauf K, Bendall JK, Scheiermann C, Watschinger K, Hoffmann J, Roeder T, Rimbach G: Vitamin C and lifespan in model organisms. Food and chemical toxicology : an international journal published for the British Industrial Biological Research Association 2013, 58:255-263.