סנותרפיה – סילוק תאים זומביים

תאים הם אבני הבניין הבסיסיות של החיים. יצורים רב-תאיים, כמונו, מורכבים ממספר רב של תאים בעלי התמחויות שונות, בהתאם לרקמות והאיברים שהם מרכיבים. תהליך חלוקת התא הוא הבסיס לגדילה ולחידוש הרקמות שלנו, ושל יצורים רב-תאיים אחרים. בגוף האנושי מוחלפים מיליוני תאים מידי יום!  הצורך בחלופה של תאים עולה כיוון שהתאים ניזוקים כל הזמן ברמה המולקולרית. בפוסט אחר הסברתי שלפי התיאוריה המקובלת ביותר של ההזדקנות, הזדקנות נגרמת בגלל הצטברות של נזקים כאלה, וגם הצטברות של נזקים בתווך שבין התאים (שהוא מרכיב משמעותי במסה שלנו).

במשך שנים רבות, חוקרים סברו שתאים, בניגוד לאורגניזם הרב-תאי שהם מרכיבים, הם אימורטליים. כלומר, הם חשבו שבתנאים הנכונים, תאים יכולים להתחלק עוד ועוד ללא גבול. אחד התימוכין המרכזיים לתיאוריה הזאת היה ניסוי שערך אלקסיס קרל, חתן פרס נובל לרפואה, שטען שהוא גידל בתרבית תאי סיב מלב של תרנגולת במשך 34 שנים, הרבה מעבר לתוחלת החיים של תרנגולת.

בשנת 1961, לאונד הייפליק עקב אחרי תאי סיב אנושיים בתרבית. הייפליק הראה שתאים אלה מפסיקים להתחלק לאחר כ-40 חלוקות, בלי קשר לתנאי התרבית. התגלית של הייפליק ניפצה את מיתוס האימורטליות של תאים, שהיווה את אחת הדוגמות המושרשות ביותר בפיזיולוגיה. החסם על מספר החלוקות נודע כ"גבול הייפליק". בגבול הייפליק, התאים עברו טרנספורמציה למצב יציב, שהיתה כרוכה בשינויים מבניים ומטאבוליים בלתי-הפיכים. לימים המצב הזה של התא זכה לשם Cellular senescence (להלן סנסנס) מהמילה היוונית senex שפירושה "זקן". בעיתונות אוהבים לקרוא לתאים סנסנטיים "תאים זומבים", משל היו תלויים בין חיים ומוות.

מתוך [9]. תאים פריטובולרים מהאשכים (!) לאחר 5 מחזורי חלוקה (שמאל) ולאחר 15 מחזורי חלוקה (ימין), כאשר הם נכנסים לסנסנס. שימו לב לשינוי במורפולוגיה. התאים הסנסנטיים הם גדולים יותר ושטוחים יותר. הצבע הכחול מסמן פעילות של האנזים בטא-גלקטוזידאז, שמאפיין תאים סנסנטיים.

המשמעות של התגלית של הייפליק היא שהתאים "זוכרים" כמה פעמים הם התחלקו. מחקרים נוספים הראו שהזכרון הזה, שהוא הבסיס של גבול הייפליק, נגזר מהתקצרות מטלומרים, מקטעים של דנא בקצוות הכרומוזומים שמתקצרים עם כל חלוקת תא. כשהטלומרים מתקצרים מעבר לגבול מסויים התא ממצה את פוטנציאל החלוקה שלו ונכנס לסנסנס.

במרוצת השנים סנסנס התגלה כתופעה הרבה יותר כללית מאשר תגובה להתקצרות טלומרים. כיום סנסנס מוכר כתגובת דחק למגוון רחב של גירויים ממקור פנימי (למשל נזק לדנא שעשוי להווצר בתהליך חלוקת התא) וחיצוני (למשל קרינה מייננת). כלומר כשהתא נפגע ולא יכול לתפקד כיאות, הוא עשוי להכנס לסנסנס, על מנת למנוע את הפצת הנזק. רק תאים סרטניים יכולים לחמוק מגבול הייפליק, וזה לא דבר טוב. לכן סנסנס מהווה את אחד ממספר מנגנונים שמשמשים כדי לבלום התפשטות של תאים סרטניים. מעבר לתפקידו כבקר נזקים, יש למנגנון הזה תפקיד חשוב גם בעיצוב מבנה רקמות במהלך ההתפתחות [1, 2].

מאז הגילוי של הייפליק רחשו ספקולציות שלסנסנס יש תפקיד בתהליך ההזדקנות. מחקרים שונים הראו שתאים סנסנטיים מצטברים עם הגיל במספר רקמות וכך הוכיחו את הקשר להזדקנות. אבל השאלה שמא מדובר בסיבה או תוצאה של הזדקנות נותרה פתוחה ועוררה סקרנות רבה. לבסוף, בשנת 2011 הגיעה התשובה ממעבדתו של יאן וואן דורסן (שעבד באותה העת במכון מחקר אמריקני בשם מיו קליניק) שחקר תאים סנסנטיים בזן מיוחד של עכברים שהונדסו גנטית. העכברים הונדסו כך שחשיפה לכימיקל מסויים (שעורבב במי השתייה שלהם) גורמת להרג של תאים שמבטאים את החלבון p16lnk4a, חלבון שאחראי על עצירת חלוקת התא ונוכח בעיקר בתאים סנסנטיים. ואן דורסן ותלמידיו הראו שכתוצאה של סילוק התאים האלה חל עיכוב בהתפרצות של קטרקט וגבנון (מלשון גבנת), שתי מחלות שקשורות לזקנה [3]. הניסוי המקורי נעשה על זן של עכברים שמתאפיין בהזדקנות מואצת (פרוגרואידי). כדי להוכיח את הכלליות של התופעה, ואן דורסן ושות' חזרו ב-2016 על הניסוי בשני זנים עכברים עם הזדקנות נורמלית, והראו שסילוק התאים הסנסנטיים האריך את משך החיים הן בזכרים והן בנקבות [4]. המחקר הזה הוכיח לראשונה בצורה משכנעת שתאים סנסנטיים גורמים להזדקנות. 

מתוך [4]. עקומות הישרדות מראות עלייה במשך החיים של עכברים המוטנטים של ואן דורסן. AP+ זה עם הטיפול. זכרים בכחול; נקבות באדום; משותף בשחור. האחוזים מסמנים את העליה במשך החיים החציוני (נקודת הזמן שעד אליה חצי מהעכברים מתו).

במילים פשוטות, אם מסלקים תאים סנסנטיים, מחלות זקנה נדחות ועכברים חיים יותר זמן. די מדהים כשחושבים על זה. כיוון שגם בבני אדם, כמו בעכברים, יש הצטברות תלויית-גיל של תאים סנסנטיים, ישנו בסיס סביר להניח שגם אנחנו יכולים להרוויח מסילוק שלהם מהגוף. אבל הניסויים של ואן דורסן התבססו על עכברים מהונדסים גנטית ולא על תכשיר רפואי. מסיבות טכניות (ואתיות :/), הנדסה גנטית אינה ישימה בבני אדם. כדי שנוכל להנות בעצמנו מהתגלית נדרש חומר שיתקוף באופן סלקטיבי תאים הסנסנטיים. חומרים שיש להם את התכונה הזאת נקראים חומרים סנוליטיים. מאז הניסוי של ואן דורסן התגלו כמה וכמה כאלה. דוגמא מצויינת היא התרכיב קוורצטין (Quercetin) ודסטיניב (Dasatinib). הראשון הוא חומר טבעי שנמכר כתוסף תזונה אנטי דלקתי; השני הוא תכשיר סינתטי שמשמש כתרופה נגד סרטן עצמות. Q+D, כפי שהוא נקרא, נמצא כרגע בשלב II של ניסוי קליני לאחר שהראה תוצאות מבטיחות כנגד פיברוזיס ריאתי, מחלת הזדקנות המאופיינת בהצתלקות וירידה פרוגרסיבית ובלתי הפיכה בתפקוד הריאות.

לצד ההבטחה של Q+D, הוכרז ממש לאחרונה (2020) על כשלון המחקר הקליני הגדול הראשון של חומר סנוליטי. חולי דלקת מפרקים ניוונית שטופלו ב-UBX0101 לא הראו שיפור לעומת קבוצת הביקורת. UBX0101 היא מולקולה קטנה שמדכאת את החלבון MDM2 בתוך התא. MDM2 מדכא את הפעילות של החלבון p53 בתאים סנסנטיים, ובכך מגן עליהם מפני מוות תאי מתוכנת (אפופטוזה) שהיה מסלק אותם מהרקמה. לכן דיכוי של MDM2 מעודד מוות של תאים סנסנטיים. בניסוי הזריקו את החומר ישירות למפרק החולה. אבל אפקט הסנוליטי החלש יחסית, בשילוב עם תגובת פלסבו חזקה של קבוצת הביקורת (מסתבר שגם להזריק מים עוזר לדלקת פרקים, וזה לא בדיוק פלסבו) הובילו לכשלון המחקר הקליני בשלב II. עקב הכשלון צנח ערך המניה של Unity Biotechnology, החברה שהובילה את המחקר, בכ-60%. Unity Biotechnology נוסדה על ידי יאן ואן דורסן, היזם נתנאל דויד והחוקרת ג'ודית' קמפיסי ממכון באק להזדקנות, לאחר הפרסום המכונן של ואן דורסן ב-2011, והצליחה לגייס משקיעים בעלי פרופיל גבוה ולתפוח לערך של 700M$ בשיאה. היא נחשבת לחברה הגדולה ביותר בנוף של הרפואה הרג'ובנטיבית, ולכן כשלונה מהווה מכה לתחום כולו. יחד עם זאת, רוב המומחים מסכימים שכשלון הניסוי הקליני קשור לאופי של הטיפול הספציפי ולא לקונספט של סילוק תאים סנסנטיים כטיפול רג'ובנטיבי, שנשען על יסודות ראייתיים מוצקים. כרגע החברה מצפה לתוצאות של ניסוי קליני במעכב BCL-xL, מולקולה נוספת שמגינה על תאים סנסנטיים מפני מוות תאי, בעוד שמספר אסטרטגיות נוספות נחקרות על ידי חברות מסחריות אחרות [7].

מתוך [7]. רשימה חלקית של חברות מסחריות במירוץ לקראת טיפול סנוליטי.

בעוד שרוב המאמצים המחקריים ממוקדים בגילוי מולקולות שיהרגו את התאים הסנסנטיים בצורה ישירה (בעיקר מולקולות קטנות שיחדרו את מעטפת התא וישפיעו עליו מבפנים), ישנה אפשרות תיאורטית להלחם בהם בדרכים נוספות. כמו תאים סרטניים, תאים סנסנטיים נתונים לשיטור חיסוני, כלומר תאים של מערכת החיסון מאתרים אותם ומסלקים אותם מהגוף. בעשור האחרון, אימונותרפיה,  היינו טיפול במחלה על ידי השראה, הגברה או דיכוי של תגובה חיסונית, הפכה לטיפול מקובל כנגד מספר סרטנים (למשל מלנומה). אם נשיג הבנה איך מערכת החיסון מזהה תאים סנסנטיים והורגת אותם, נוכל לגייס אותה כנגדם. ידוע למשל שתאי הרג טבעי (Natural killer cells) הורגים תאים סנסנטיים בסרטן ובפיברוזיס ריאתי, ויתכן שגם בהזדקנות, אז אפשר לחשוב על דרך לעזור להם.

לפי קו מחשבה דומה, הצליחו לאחרונה להנדס תאי T שיתקפו תאים סנסנטיים. תאי T הם תאים של מערכת החיסון שיש להם קולטנים שמאפשרים לזהות חלבונים זרים. תאים נגועים בפתוגן (וירוס או חיידק) לעיתים מציגים מקטע של חלבון הזר שבודד מהפתוגן על פני המעטפת שלהם, וכך הם מאותתים לתאי T לחסל אותם ולמנוע את התפשטות הפתוגן לתאים שכנים. תאים סרטניים עשויים להציג חלבון שעבר מוטציה סרטנית ובכך להסגיר את עצמם. chimeric antigen receptor (CAR)-T cells הם תאי T שהונדסו במעבדה לזהות חלבון מסויים, ומשמשים כיום לטיפול בסרטן. חוקרים ב Memorial Sloan Kettering Cancer Center בניו יורק הנדסו תאי T כך שיזהו את החלבון uPAR שמבוטא ביתר על המעטפת של תאים סנסנטיים, ודיווחו כי הם מסלקים אותם בצורה אפקטיבית בעכברים [6]. הניסוי התמקד בתאים סנסנטיים בתוך גידול סרטני, אבל החוקרים הציעו שהוא יכול לשמש גם כנגד תאים סנסנטיים שקשורים בהזדקנות.

תאים סנסנטיים מאופיינים על ידי פרופיל הפרשות של חלבונים שונים, שתכליתם לתקשר עם תאים בסביבה הקרובה והרחוקה שלהם. מדובר בקוקטייל שכולל בין השאר הורמוני גדילה, כמוקינים (מולקולות שמכוונות תנועה של תאי חיסון) וגורמים פרו-דלקתיים אחרים, וכן גורמים שמפרקים חלבונים ומעצבים את התווך הבין תאי. קולקטיבית, קוקטייל החלבונים הזה מכונה SASP, קיצור של senescence-associated secretory profile. חוקרים סבורים שSASP מועיל בטווח קצר, למשל מסייע באיתור ופינוי של תאים סנסנטיים על ידי מערכת החיסון, אבל נעשה מזיק לאורך זמן. הSASP נקשר לתופעה של דלקתיות כרונית שמאפיינת זקנה ופוגעת בתפקוד התקין של הרקמות. יתכן שSASP אחראי גם להפצה של סנסנס, על ידי הדבקה של תאים שכנים. לאור זאת התפתחה פרדיגמה שלישית של טיפול בתאים סנסנטיים שמציעה לדכא ישירות את הSASP. חומרים בעלי תכונות כאלה מכונים סנוסטטיים. אם הSASP הוא סוכן הנזק העיקרי, הגישה הזאת היא מתבקשת ביותר. החסרון שלה הוא שכיוון שהתאים הסנסנטיים אינם מסולקים וממשיכים בפעילות שלהם, צריך ליטול את התרופות בצורה רציפה, לעומת טיפול סנוליטי שהוא תקופתי, בהתאם לקצב הצטברות התאים הסנסנטיים.

סנותרפיה היא קו טיפול מבטיח נגד הזדקנות ומחלות נלוות, אם כי נכון לעכשיו עדיין לא הראו שהממצאים מתרגמים מעכברים לבני אדם. פיתוח תרופות יעילות ובטוחות ניצב מול מספר אתגרים משמעותיים. אחד מהם הוא אפיון חסר של התאים הסנסנטיים בתוך הגוף, שכן רוב הידע מגיע מניסויים בתרביות תאים. בנוסף הדינמיקה של תאים אלה בתוך הגוף אינה ידועה. רוב החוקרים מסכימים שתא סנסנטי זה שם מטרייה שמתאר תופעה הטרוגנית. טיפול אפקטיבי ידע להבדיל בין תאים סנסנטיים "רעים" ו"טובים", ולפגוע במדוייק בתאים הרעים ובעיתוי הנכון. חשוב לציין שישנן צורות של הזדקנות תאית שאינן מובילות לסנסנס, ולכן אפילו לסנותרפיה מושלמת תהיה השפעה מוגבלת על מהלך ההזדקנות.

References: 

[1] Gorgoulis, Vassilis, et al. "Cellular senescence: defining a path forward." Cell 179.4 (2019): 813-827.

[2] Borghesan, M., et al. "A Senescence-Centric View of Aging: Implications for Longevity and Disease." Trends in Cell Biology (2020).

[3] Baker, Darren J., et al. "Clearance of p16 Ink4a-positive senescent cells delays ageing-associated disorders." Nature 479.7372 (2011): 232-236.

[4] Baker, Darren J., et al. "Clearance of p16 Ink4a-positive senescent cells delays ageing-associated disorders." Nature 479.7372 (2011): 232-236.

[5] Baar, Marjolein P., et al. "Targeted apoptosis of senescent cells restores tissue homeostasis in response to chemotoxicity and aging." Cell 169.1 (2017): 132-147.

[6] Amor, Corina, et al. "Senolytic CAR T cells reverse senescence-associated pathologies." Nature 583.7814 (2020): 127-132.

[7] Dolgin, Elie. "Send in the senolytics." Nature Biotechnology (2020).

[8] Muñoz-Espin, Daniel, and Marco Demaria, eds. Senolytics in Disease, Ageing and Longevity. Springer International Publishing, 2020.

Schmid, Nina, et al. "Insights into replicative senescence of human testicular peritubular cells." Scientific reports 9.1 (2019): 1-14.

9 סימני ההיכר של ההזדקנות

לפי התיאוריה המקובלת ביותר, הזדקנות היא תוצאה של הצטברות נזקים מיקרוסקופיים בגוף, בתוך ומחוץ לתאים, באופן שפוגע בתפקוד של רקמות ואיברים. למרות שהתהליכים והמבנים בהם חלים נזקים קשורים אחד בשני, ישנה חשיבות גדולה לסיווג שלהם לפי סכמה מוסכמת. סכמה כזאת תהווה מסגרת שתאפשר לקהילה המדעית לדון בתוצאות של מחקרים שונים ולפרש אותן ואת היחסים ביניהן. בשנת 2013 התפרסם בכתב העת היוקרתי Cell מחקר ספרותי מקיף [1] שנערך על ידי קבוצה של חוקרים בולטים במטרה לייצר מסגרת כזאת. במאמר, שהתפרסם תחת הכותרת The hallmarks of aging, החוקרים תיארו 9 "סימני היכר" (תרגום שלי למילה hallmarks) של הזדקנות ביונקים (בהשראת המאמר משנת 2000 The hallmarks of cancer שזכה להצלחה רבה [2], ובו מתוארים 6 גורמים של סרטן). בתור סימני היכר הם החשיבו רק שינויים תלויי-גיל שענו על 3 תנאים: 1. הם מופיעים בהזדקנות נורמלית; 2. הגברה שלהם בניסוי מאיצה את ההזדקנות; 3. צמצום שלהם בניסוי מאט את ההזדקנות ומאריך את משך החיים.

נכון לספטמבר 2021, המאמר צוטט יותר מ-8,000 פעמים, והוא נחשב לאבן דרך בביוגרונטולוגיה. מעבר לזה שהוא מהווה סקירה מוצלחת של התחום כולו, הוא מאפשר לכל מדען למקם את עצמו על מפת הדרכים של הביוגרונטולוגיה. כמעט כל הרצאה מדעית על מחקר בהזדקנות נפתחת בהתייחסות למאמר הזה, ושיוך של המחקר לאחת מ-9 הזרועות.

המאמר עצמו הוא עמוס, טכני ויבש, ולא נגיש להדיוטות. בפוסט הזה אני מנסה לתאר בקצרה את כל 9 סימני ההיכר של ההזדקנות בליווי הסבר של המושגים הביולוגיים הבסיסיים. האיורים באדיבות ויקיפדיה.

מתוך [1]. תשע סימני ההיכר של הזדקנות.

אי-יציבות גנומית 

"גנום" הוא כינוי לכלל המידע הגנטי של האורגניזם, שהוא גם החומר התורשתי, כלומר שאנחנו מעבירים אותו לצאצאים שלנו. מידע גנטי מקודד במולקולת דנא (DNA), שבנויה משני גדילים ארוכים מאוד שמורכבים מיחידות חוזרות שנקראות חומצות גרעין, וכרוכים ביחד במבנה של סליל כפול. יש 4 סוגים של חומצות גרעין (שנקראות בקיצור C, G, A, ו-T), ולכן הקוד הגנטי הוא כמו מחרוזת ארוכה שבנויה מ-4 אותיות. שני הגדילים בסליל משלימים אחד את השני ומכילים בעצם את אותו מידע, כיוון שכל חומצת גרעין בסליל אחד נקשרת עם בת הזוג שלה בסליל השני (C תמיד הולכת עם G וA תמיד הולכת עם T).

מימין, קטע קצר ממולקולת דנא ו-4 חומצות הגרעין. משמאל, מולקולת רנא (יוסבר בהמשך). מתוך הערך חומצת גרעין בויקיפדיה.

בבני אדם, מדובר במחרוזת באורך 3 מיליארד תווים! כל תא בגוף מכיל עותק אחד של מולקולת דנא, שמקופל וארוז ביחידות שנקראות כרומוזומים (לבני אדם יש 46 כרומוזומים). האריזה הקומפקטית מאפשרת למולקולת הדנא שאורכה הכולל כשני מטר (בבני אדם), להתאים אל תוך גרעין התא שגודלו מיקרומטרים אחדים (מכאן השם חומצות גרעין, אם כי בחיידקים למשל יש דנא אבל אין גרעין תא).

הדנא (ביחד עם קלטים מהסביבה) קובע את התכונות של האורגניזם. כל אורגניזם רב-תאי מתחיל את החיים כתא בודד (ביצית מופרית) ומתפתח על בסיס הוראות שמקודדת בדנא של התא הזה. בהתאם להוראות האלה התא מתחלק שוב ושוב וכך נבנים כל האיברים והמערכות של הגוף. כלומר הדנא משמש כתוכנית בנייה. גם לאחר ההתפתחות, באורגניזם הבוגר, הדנא ממשיך לשמש כדי לתאם את הפעילות הפנימית של כל התאים. מרכיבים שונים בתא "קוראים" את ההוראות בדנא, ומייצרים חלבונים בהתאם להוראות האלה. החלבונים מבצעים את כל משימות הביולוגית – חלוקת תא, נשימה תאית, מטבוליזם וכו' וכו'.

בכל תא בגוף יש עותק זהה של מולקולת דנא, והיא מהווה את ספר ההוראות של התא. לכן, פגיעה בדנא יכולה לשנות את הפעילות של התא. כאן טמון פוטנציאל לנזק שיכול להיות חלק מתהליך ההזדקנות. הדנא ניזוק באופן תדיר על ידי גורמים חיצוניים ופנימיים. למשל, כשהתא מתחלק יש חלבונים שמשכפלים את הדנא (כדי ליצור עוד עותק שלו – אחד לכל תא). התהליך הזה הוא לא מושלם והעותק המשוכפל יכול להיות שונה במקצת מהעותק המקורי, כלומר בחלק מחומצות הגרעין. חומצת הגרעין במיקום מסויים ברצף הדנא החדש יכולה להשתנות מ-C ל-A, למשל, או אפילו להיות חסרה ברצף החדש (כמו לשמוט אות בספר). זה נקרא מוטציה. תוצאה אפשרית של מוטציה היא שינוי בחלבון או בחלבונים שהתא מייצר, ולכן שינוי בתפקוד שלו. בנוסף יכולות לקרות "תאונות" כימיות בתוך התא (למשל חמצון), שבמהלכן מולקולת הדנא נשברת. גם גורמים חיצוניים כמו קרינת UV מהשמש יכולים לשבור את הדנא. התא מצוייד בשלל מנגנונים שנועדו לטפל בנזק לדנא, אבל הם לא מושלמים. שבר בדנא שלא מתוקן יכול לעורר תגובת נזק כרונית וגם עשוי לעצור את הבניה של חלבונים מסויימים. תיקון לקוי יכול להוביל למוטציה.

בגלל המרכזיות של דנא בתהליכי החיים, לא קשה להבין למה נזק לדנא (אי-יציבות גנומית) יכול לתרום לתהליך ההזדקנות. ואכן, נזק מצטבר בדנא מקושר עם הזדקנות ביצורים רבים. אצל מספר בעלי חיים עם תוחלת חיים ארוכה במיוחד, כמו החולד העירום, נמדדה השקעה יתרה בתיקון נזקים לדנא. מאידך, תסמונת וורנר, שמשפיעה על 1 מכל 100,000 בני אדם, היא סוג של הזדקנות מואצת (פרוגריה) שנובעת מתיקון לקוי של נזק לדנא.

הצטברות של חלבונים פגומים

התא הוא מפעל של חלבונים, שמסונתזים (נבנים) על בסיס הדנא. לפי הדוגמה (dogma) המרכזית של הביולוגיה המולקולרית, מקטעים של מולקולת הדנא (שנקראים גנים) משמשים כתבנית לסינתזה של חלבונים (בתהליך רב שלבי מורכב שכולל גם סינתזה (שעתוק) של רנא כשלב ביניים). תהליך זה נקרא ביטוי גנים.

תרשים של סינתזת חלבונית. מתוך הערך חלבון בויקיפדיה.

הדנא הוא תוכנית העבודה הביולוגית, והחלבון הוא סוס העבודה. החלבונים מרכיבים את רוב המבנים בתא ומבצעים את רוב התהליכים הביוכימיים בתא. חלבונים הם שרשראות ארוכות של חומצות אמינו. בעוד שיש 4 סוגים של חומצות גרעין, יש 20 סוגים של חומצות אמינו. כדי למלא את התפקיד שלהם, כל חלבון מתקפל למבנה תלת-מימדי ייחודי, בהתאם לרצף חומצות האמינו שמרכיבות אותו. חלבון מקופל הוא בעל צורה מרחבית ייחודית והוא "דביק" בנקודות מסויימות. אפשר לחשוב על חלבון כעל "מפתח" לביצוע של תהליכים תאיים מסויימים.

תהליך הקיפול של החלבון הוא ספונטני ומכיל אלמנט אקראי, ולכן מידי פעם מתקבל חלבון בעל מבנה לא תקין (חלבונים לא תקינים יכולים להיווצר גם כתוצאה של מוטציות בדנא, כאמור). חלבון שלא קיבל את הצורה המרחבית הנכונה לא יכול לבצע את הפעילות המיועדת שלו, כמו שמפתח פגום לא יכול לפתוח כספת. בתא יש מנגנונים שמייצבים חלבונים תקינים ומתקנים או מסלקים חלבונים בלתי תקינים, כך שבין השנים נשמר שיווי משקל. עם ההזדקנות שיווי המשקל הזה מופר, וחלבונים לא תקינים מצטברים כפסולת. לפעמים החלבונים האלה, בשל הפגם שלהם, הם עמידים במיוחד לפירוק. לפעמים הם גם בעלי נטייה ליצור צברים. צברים של חלבונים פגומים מפריעים לפעילות של התא.

מחקרים בחיות הראו כי ירידה ברמות של חלבונים סוככים, שנועדו לסייע בקיפול תקין של חלבונים אחרים, תורמת להזדקנות. כך גם ירידה בפעילות של מערכות פירוק חלבונים פגומים כמו אוטופגיה והליזוזום. בנוסף, הצטברות של חלבונים בלתי תקינים מקושרת עם מחלות הזקנה אלצהיימר, פרקינסון וקטרקט.

התקצרות טלומרים 

התקצרות טלומרים היא דוגמא למנגנון הזדקנות שהוא לא בדיוק "נזק אקראי". טלומרים הם חלק ממולקולת הדנא שנמצא בקצה של הכרומוזום, ומכאן שמם (טלוס = קצה ביוונית). כשדנא משתכפל בתהליך חלוקת התא, מנגנון השכפול (דנא פולימראז) "מפספס" את הקצה כיוון שהוא משמש אותו לעגינה. כדי להשלים את הקצה החסר יש צורך באנזים שנקרא טלומראז, שלא מיוצר ברוב התאים הבוגרים בגוף. לכן, עם כל חלוקת תא, הטלומרים בקצות הכרומוזומים מתקצרים.

טלומרים מתקצרים עם כל חלוקת תא. מתוך הערך טלומרים בויקיפדיה.

המידע שמקודד בטלומרים הוא אמנם חסר משמעות גנטית, אבל לטלומרים יש תפקיד חשוב בהגנה על מבנה ויציבות הכרומוזום. הם כמו הפלסטיק בקצה של שרוך שמונע ממנו מלהפרם. כשהטלומרים נשחקים, הכרומוזום מתפרק והתא מפסיק להתחלק. לכן הטלומרים מהווים מעיין "פתיל השהייה" שקובע מתי התא יפסיק להתחלק. תאים שמייצרים טלומראז יכולים להמשיך להתחלק ללא גבול (תאים סרטניים אוהבים לנצל את זה).

בעבר היתה סברה שטלומרים הם קוצב זמן פנימי לא רק לחלוקת התא אלא למשך החיים. הרעיון הזה איבד את אחיזתו כשהתברר שבמינים של בעלי חיים הטלומרים לא מתקצרים אלא מתארכים במשך החיים שלהם, ולמרות זאת הם מזדקנים. אמנם התקצרות טלומרים אינה הגורם הבלעדי להזדקנות, אבל מחקרים הראו קשר בין אורך של טלומרים לתוחלת חיים בעכברים ובבני אדם, ובאמצעות הארכת טלומרים על ידי טלומראז הצליחו להסב לאחור היבטים מסויימים של הזדקנות.

שינויים אפיגנטיים 

בתאים מסוגים שונים באותו גוף (כמו תא עין ותא עור) יש את אותו דנא (עד כדי מוטציות שנרכשות במהלך החיים), ובכל זאת הם בעלי מבנה ותפקוד שונים. זאת הודות לאפיגנטיקה (אפי = מעל), מושג שמתייחס לשינויים תורשתיים בתפקוד הגנים שלא כרוכים בשינוי רצף הדנא. השינויים האלה כוללים את אופן הקיפול והאריזה של הדנא. כשתא מתחלק, הוא מוריש לא רק את רצף הדנא שלו אלא גם את אופן הקיפול שלו.

כפי שהסברתי, הדנא ארוז במבנה שנקרא כרומוזום. מה שלא ציינתי זה שהכרומוזום אינו מורכב רק ממולקולת דנא, אלא מולקולת הדנא כרוכה סביב חלבונים הנקראים היסטונים. אופן הקיפול המדוייק נשלט על ידי התווספות והתנתקות של מולקולות מתיל ואצטיל מהדנא וההיסטונים סביבם הוא כרוך. אלה קובעים איזה חלקים בדנא חשופים בכל רגע ורגע, ובהתאם לכך איזה גנים מבוטאים בתא. כלומר, איזה מקטעים בדנא (גנים) ישמשו כהוראות לבנייה של חלבונים (וגם רנא, אבל אני לא נוגע בזה כרגע). כל תא מתאפיין בסט הגנים שהוא מבטא, וזה קובע את התכונות הכלליות שלו (את סוג התא) ובמידה מסויימת גם את המצב שלו בכל רגע נתון (האם הוא מתחלק, נושם, אוכל וכו'). זוהי אפיגנטיקה.

מתוך הערך אפיגנטיקה בויקיפדיה.

במהלך ההזדקנות חלים שינויים אפיגנטיים בכל תאי הגוף, שמשפיעים על ביטוי גנים. בכל סוג תא מושפע ביטוי של גנים ספציפיים כתוצאה מההזדקנות, אבל בנוסף ישנה תופעה גלובלית של דה-רגולציה של ביטוי הגנים. כלומר, ביטוי הגנים נעשה יותר רועש, או פחות מדוייק. התפקוד הפיזיולוגי של התא קשור לפרופיל ביטוי הגנים שלו, ולכן הוא יכול להנזק עקב השינויים האפיגנטיים.

בניגוד למוטציות (שכרוכות באובדן בלתי-הפיך של מידע), שינויים אפיגנטיים הם הפיכים. מספר מחקרים הראו שרסטורציה של מצב אפיגנטי צעיר נוגדת תהליכי הזדקנות.

שיבוש מנגנוני חישת מזון

מקור ההזנה העיקרי של תאים הוא גלוקוז, סוכר פשוט אותו הם סופגים מהדם. אינסולין הוא הורמון שמופרש מהלבלב כדי לדווח לתאים ברחבי הגוף על רמות הגלוקוז בדם. התאים מודדים את כמות האינסולין בדם באמצעות קולטנים מיוחדים, וככה הם לומדים כמה מזון זמין ישנו. ככל שיותר קולטנים של אינסולין קושרים מולקולות אינסולין, התא חושב שיש יותר אוכל ומתאים את הפעילות שלו. בנוסף לאינסולין, גם הורמון הגדילה IGF-1, שמופרש מהכבד, יכול להקשר לקולטן אינסולין, ולגרור את אותה תגובה של התא. התהליכים התאיים שהקולטן מפעיל נקראים לפיכך “(insulin and IGF-1 signaling (IIS” .

IIS הוא מנגנון שמור מבחינה אבולוציונית, כלומר הוא פועל בצורה דומה ביצורים רבים, החל משמרים חד-תאיים וכלה בפרימאטים. אחד הגילויים החשובים בביוגרונטולוגיה היא חשיבותו של IIS ברגולציה של הזדקנות. דיכוי של IIS מעכב את ההזדקנות ומאריך את משך החיים. כלומר, כשתאים חשים שיש פחות מזון הפעילות שלהם משתנה באופן שמאפשר חיים ארוכים יותר. גילוי התפקיד של המסלול הזה הסביר תופעה שהיתה ידועה במשך שנים רבות, שהגבלה קלורית מאריכה את משך החיים ביצורים שונים. לדוגמא, בעכברי מעבדה, הפחתה של הצריכה הקלורית לכשליש מהצריכה הרגילה (סף הרעב), נותנת בוסט של כ-30% לתוחלת החיים. תוצאות דומות נצפו בשמרים, תולעים, זבובים, ואפילו קופי רזוס.

עם הגיל ישנה ירידה טבעית בפעילות IIS, שנועדה ככל הנראה להגן על הגוף על ידי צמצום של חלוקת תאים ופעילות מטאבולית לנוכח נזק מצטבר. רמות נמוכות מידי של IIS הן קטלניות, ולכן התגובה ההגנתית עשויה להפוך לבסוף למזיקה ולמעשה לעודד הזדקנות.

מלבד ציר הIIS, ישנן שלוש מערכות נוספות של חישת מזון שנחקרות בהקשר של הזדקנות: mTOR, שחשה ברמות של חומצות אמינו בדם, ו-AMPK וסירטואינים, שחשים מצבים של מחסור במזון. מחקרים הראו שדיכוי של mTOR גורר הארכת חיים. אפשר להשיג את האפקט הזה באמצעות רפמיצין (mTOR זה ראשי תיבות של mechanistic Target Of Rapamycin), חומר שמיוצר על ידי החיידק Streptomyces hygroscopius שהתגלה בשנות ה-60 בדגימות אדמה מאיי פסחא. החומר הזה משמש ברפואה כתכשיר אנטי-פטרייתי וכמדכא של מערכת החיסון, והוא מאושר לטיפול במושתלי איברים כדי למנוע דחייה של האיבר. הסגולות של רפמיצין כנוגד הזדקנות עדיין נמצאות תחת חקירה, והן נשקלות מול תופעות הלוואי שלו. ככל הנראה, טיפול ברפמיצין ביחד עם הגבלה קלורית לא נותן יתרון לעומת הגבלה קלורית נטו, ומכאן אפשר ללמוד שדיכוי של רפמיצין הוא חלק מהמנגנון שדרכו פועלת הגבלה קלורית. בעקבות רפמיצין, תכשירים נוספים שמחקים הגבלה קלורית נחקרים כיום כנוגדי הזדקנות.

שני קולטני המזון הנוספים, AMPK וסירטואינים, פועלים בכיוון ההפוך לIIS וmTOR, ומאותתים על מחסור במזון זמין. על כן הגברה שלהם מעכבת את ההזדקנות. ההשפעות מעכבות ההזדקנות של תרופה אנטי-סכרתית בשם מטפורמין כנראה קשורות להפעלה של AMPK. גם סירטואינים ניתן להגביר ללא הגבלה קלורית, בעזרת רסברטרול, חומר שמצוי בכמויות קטנות בקליפות ענבים.

אפשר לומר באופן כללי שזמינות נמוכה של מזון היא נוגדת הזדקנות, בעוד שזמינות גבוהה מעודדת גדילה והזדקנות. זה עולה בקנה אחד עם התיאוריה של דיספוזבול סומה, שטוענת שיש שקלול תמורות בין גדילה לבין אריכות ימים.

פגיעה במיטוכונדריה

מיטוכונדריון הוא אברון (אלמנט גדול בתא) שקיים בעותקים רבים (מיטוכונדריה) בתוך תאים איוקריוטים (תאים בעלי גרעין, שמאפיינים יצורים רב-תאיים וחלק מהיצורים החד-תאיים). המיטוכונדריון אחראי על הפקת אנרגיה (תהליך שנקרא גם נשימה תאית), וגם מכיל חלק קטן מהדנא בתא (בנוסף לדנא שנמצא בגרעין התא). בתהליך הנשימה התאית, חמצן (שנצרך בנשימה) מגיב עם פחמן (שנצרך באכילה) כדי לשחרר אנרגיה שמשמשת להנעת כל התהליכים תאיים. אחד מתוצרי הלוואי של התהליך הזה הוא רדיקלי חמצן, שהן מולקולות חמצן בעלות אלקטרון עודף (ולכן טעונות שלילית). רדיקלי חמצן הם ריאקטיביים ביותר מבחינה כימית, כלומר הם נוטים להגיב עם מולקולות אחרות ולשנות אותן. רדיקל חמצן אחד יכול ליצור תגובת שרשרת כימית שמשפיעה על המון מולקולת.

עם ההזדקנות, נוצרים במיטוכונדריה רדיקלי חמצן ביתר. בשל האקטיביות הכימית שלהם, רדיקלי חמצן יכולים לפגוע במעטפת התא או ליצור שברים בדנא, למשל, ומכאן הרעיון שהם גורמים להזדקנות. למשך תקופה קצרה בשנות ה-60 האמינו שהם האחראיים הבלעדיים להזדקנות (ע"ע תיאוריית הרדיקלים החופשיים של ההזדקנות), אבל מאז הצטברו ראיות שסותרות את הרעיון הזה. למשל, בשמרים ותולעים פעילות מוגברת של רדיקלי חמצן מאריכה את משך החיים. ככל הנראה, רדיקלי חמצן מאותתים על קיומו של נזק במטרה להגן על התא, אבל לבסוף נעשים למזיקים בעצמם. לכן רדיקלי חמצן הם חרב פיפיות, דוגמא לפליאוטרופיה אנטגוניסטית.

המיטוכונדריה מעורבים בתהליך הזדקנות גם באופן שלא תלוי ברדיקלי חמצן. היעילות שלהם יורדת עם הגיל כתוצאה של תהליכים שונים כמו מוטציות בדנא המיטוכונדריאלי. הייצור של מיטוכונדריה חדשים בתא פוחת, ומצד שני יש יותר ויותר מיטוכונדריה פגומים שלא סולקו מהתא. מחקרים שונים הראו שהאצת התהליכים האלה מאיצה את ההזדקנות.

מאידך, רמות נמוכות של רעילות במיטוכונדריה מעוררת תגובת פיצוי בעלת השפעה חיובית על תפקוד התא ועל משך חיים. התופעה שנזק מתון הוא בעל השפעה כוללת חיובית נקראת הורמזיס. זהו עקרון הפעולה מאחורי האפקט של אימוני כושר וצום, שפוגעים בגוף בטווח מיידי אבל מטיבים עם הבריאות בטווח הארוך. קיימת השערה שההשפעות האלה מתווכות על ידי המיטוכונדיה.

הזדקנות תאית (cellular senescence) 

הגוף נמצא בתהליך תמידי של התחדשות תאים. בתהליך הזה, תאים שצברו נזק אקוטי מתאבדים (בתהליך שנקרא אפופטוזה), ותאים אחרים מתחלקים כדי לתפוס את מקומם. במצבים מסויימים, התא הפגוע לא מתאבד אלא פוסק מלהתחלק כדי לעצור את הפצת הנזק, אבל שומר על פעילות מטאבולית וממשיך למלא את התפקיד הפיזיולוגי שלו. מצב זה נקרא cellular senescence, או בתרגום חופשי לעברית הזדקנות תאית. כדי להמנע מבלבול עם הזדקנות במובן הרחב יותר, נכנה את המצב הזה סנסנס. מעבר לעצירת מחזור התא, סנסנס מאופיין בשינויים במבנה התא ובפרופיל החלבונים שמופרשים ממנו (תאים מפרישים חלבונים, למשל הורמונים וגורמי גדילה, כדי לתקשר עם תאים אחרים, סמוכים וברקמות מרוחקות).

סנסנס זוהה לראשונה בשנות ה-60 בניסויים שנערכו בתרבית תאים, כגבול לפוטנציאל החלוקה של תאי סיב, שחלוקתם נעצרה אחרי מספר קבוע של מחזורים (כ-40). מחקרים מאוחרים יותר גילו שהמנגנון מאחורי עצירת החלוקה הוא התקצרות טלומרים שתוארה לעיל, אבל כיום יודעים שתא יכול להכנס לסנסנס יכול כתגובה לנזק מסוגים שונים, כמו נזק לדנא ושינויים אפיגנטיים. רק תאים סרטניים עוקפים את מנגנון הסנסנס ומתחלקים ללא גבול.

סנסנס חל בתאים ברקמות שונות במהלך החיים, ותאים אלה מסולקים על ידי מערכת החיסון, שמגבילה את הכמות שלהם, ומוחלפים על ידי תאים בריאים. אבל עם הגיל, כתוצאה של עליה בייצור הנזק המיקרוסקופי או החלשות של מערכת החיסון, ישנה הצטברות של תאים סנסנטיים. מאידך, מאגר תאי הגזע הבריאים שאמורים להחליף אותם הולך ומצטמצם, כפי שאסביר בהמשך.

תאים סנסנטיים מפרישים קוקטייל של מולקולות שפוגעות בתפקוד התקין של הרקמה. הקוקטייל הזה כולל גורמים פרו-דלקתיים, גורמי גדילה, ואנזימים שונים שמפרקים חלבונים. אלה נקראים באופן קולקטיבי senescence-associated secretory phenotype או SASP. בגלל ההשפעה השלילית של SASP, ההצטברות של תאים סנסנטיים תורמת לתהליך ההזדקנות. סילוק ממוקד של תאים סנסנטיים, וכן עיכוב של SASP, מעכבים את ההזדקנות ומאריכים את משך החיים בעכברים. לכן ישנו היום מירוץ מדעי לגילוי או פיתוח של תרכיבים שמסלקים תאים סנסנטיים.

כמו מנגנוני חישת נוטריינטים ועקה של רדיקלי חמצן, גם סנסנס הוא מנגנון בעל תפקיד כפול וסותר, בהתאם לתיאוריית הפליאוטרופיה האנטגוניסטית. יש לו תפקיד חיובי בהכלת נזק מיקרוסקופי (למשל מוטציות סרטניות) ומניעה של ההתפשטות שלו, אבל עם הזמן יש הצטברות של תאים כאלה שהיא מזיקה ותורמת להזדקנות.

דילול תאי גזע 

בגוף ישנם סוגים שונים של תאים (תאי עור, תאי שריר וכו'), אבל מקור כל התאים האלה בתא אחד שהוא הביצית המופרית (זיגוטה). במהלך ההתפתחות תאים מתחלקים ומתרבים, ורוכשים תכונות שמאפשרות להם למלא את הייעוד שלהם כתאי עור, שריר או אחרים. התהליך בו תאים רוכשים התמחות ספציפית נקרא התמיינות. רוב התאים בגוף הבוגר רכשו התמחות כזאת או אחרת בהתאם לאיבר אליו הם משתייכים, אבל בין התאים האלה, ובתוך נישות מוגנות ברקמה, אפשר למצוא מספר קטן של תאים שהם לא לגמרי ממויינים. הם עדיין יכולים להתמיין לאחד מכמה סוגי תאים (אבל לא לכל הסוגים), וגם להתחלק בחלוקה סימטרית (כלומר להפוך לשני תאים זהים) תוך שמירה על המצב הלא ממויין שמאפיין אותם. הם נקראים תאי גזע בוגרים, להבדיל מתאי גזע עובריים, שהם בעלי פוטנציאל התמיינות ליותר סוגי תא.

תאי גזע הם חיוניים לצורך חידוש הרקמה בהומאוסטזיס (כלומר להחליף תאים שמתים באופן שוטף) ובמקרים של פציעה (טראומה שבה מתים הרבה תאים בבת אחת). עם הגיל, כתוצאה של הנזקים המולקולריים שסקרתי, תאים אלה מתמעטים, נעשים פחות יעילים ופחות פעילים, וממצים את פוטנציאל החלוקה שלהם (נכנסים לסנסנס). כדי לשמר את פוטנציאל חידוש הרקמות שלהם, התאים האלה נמצאים רוב הזמן במצב רדום (quiescence). חוסר יכולת לשמר את המצב הזה מביא לדילול בטרם עת של המאגר. לכן עם ההזדקנות חלה ירידה בהורמונים שמעוררים אותם (כמו INK4a וIGF1). אבל למרות זאת חל דילול הדרגתי של מאגר תאי הגזע הבוגרים שלנו.

לתאי גזע יש השפעה מערכתית (על כלל הגוף). השתלה של תאי גזע מתורם צעיר אל גוף זקן יכולה לשפר את התפקוד של רקמות מרוחקות. מצד שני, תאי הגזע עצמם מושפעים מגורמים מערכתיים, למשל עירוי של דם זקן יכול לפגוע בתפקוד תאי גזע בגוף צעיר. בשל התפקיד שלהם בחידוש הגוף, להשתלה או "הצערה" של תאי גזע יש פוטנציאל טיפולי גדול. 

שינויים בתקשורת הבין-תאית 

בגוף קיימת רשת מסועפת של תקשורת בין תאית – הורמונלית, נוירונלית, נוירו-הורמונלית ואימונית (חיסונית). תאים מפרישים הורמונים כדי להעביר מסרים זה לזה דרך מערכת הדם. במהלך ההזדקנות הרשת הזאת נפגעת, וזה אחד הגורמים של תהליך ההזדקנות.

מבין מערכות התקשורת הבין-תאיות האלה, הנחקרת ביותר בהקשר של הזדקנות היא מערכת החיסון. ההזדקנות מושפעת ממערכת החיסון בשתי דרכים – על ידי החלשות של מערכת החיסון עצמה, כלומר הזדקנות של תאי החיסון, ועל ידי הפעלת יתר כרונית של מערכת החיסון (דלקת כרונית).

דלקת היא מצב שבו יש ייצור מוגבר של מולקולות מיוחדות, קרי ציטוקינים, כמוקינים ואינטרפרונים, על ידי תאים שונים, שנישאות בדם ומגייסות ומפעילות את תאי מערכת החיסון. היא נוצרת לרוב במצבים של זיהום או פציעה. הזדקנות מאופיינת בדלקתיות כרונית מתונה המכונה inflammaging. כלומר, בכל הרקמות בגוף אפשר למצוא בזקנה יותר מהמולקולות האלה, וגם יותר תאים של מערכת לחיסון שחודרים לרקמות בשל המולקולות האלה. דלקת כרונית פוגעת בתפקוד של תאי גזע ברקמות שונות, וגם מעורבת במחלות זקנה כמו סכרת סוג 2, השמנת יתר וטרשת עורקים. תכשירים מעכבי דלקתיות, כמו אספירין, מאריכים את משך החיים בעכברים.

כאמור, הזדקנות מאופיינת גם בהיחלשות כללית של מערכת החיסון, המכונה immunosenescence. החלשות של מערכת החיסון הופכת אותנו לפגיעים יותר לפתוגנים (למשל וירוס הקורונה), ומובילה להצטברות של פתוגנים שונים. בנוסף, מערכת החיסון אחראית על סילוק של תאים סנסנטיים, ולכן ירידה ביעילות שלה עשויה לתרום להצטברות של תאים אלה במהלך ההזדקנות.

9 הגורמים של ההזדקנות נחלקים ל-3 רמות. ארבעת הראשונים, קרי אי-יציבות גנומית, שינויים אפיגנטיים, הצטברות של חלבונים פגומים, והתקצרות טלומרים, מהווים את הצורה הבסיסית ביותר של נזק מולקולרי מצטבר. השלושה הבאים, קרי פגיעה במיטוכונדריה, הזדקנות תאית (סנסנס), ושיבוש מנגנוני חישת נוטריינטים, הם מנגנונים שנועדו להתמודד עם נזק ועקה, אבל גורמים נזק בעצמם כשהם נעשים כרוניים (גורמים ביולוגיים בעלי השפעות מנוגדות כתלות בהקשר נקראים פליאוטרופיים). שני הגורמים האחרונים, דילול של תאי גזע ושינויים בתקשורות הבין-תאית, הם ביטוי גבוה יותר של נזק, שמשפיע ישירות על הומאוסטזיס ותפקוד הרקמות.

יחסי הגומלין בין 9 הגורמים הללו, ותהליכים נוספים בגוף, הם מורכבים ביותר ועדיין לא מפוענחים לחלוטין. יחד עם זאת, ב-7 השנים מאז פרסום המאמר התמונה הכללית לא השתנתה מהותית, מה שיכול להעיד על השלמות שלה.

References:

[1] López-Otín, Carlos, et al. "The hallmarks of aging." Cell 153.6 (2013): 1194-1217.

z[2] Hanahan, Douglas, and Robert A. Weinberg. "The hallmarks of cancer." cell 100.1 (2000): 57-70.