Клеточное старение - это состояние устойчивой остановки клеточного цикла, в которое вступают клетки в конце срока своей репликативной жизни. Кроме того, старение может быть индуцировано в ответ на повреждающие сигналы, такие как онкогены, облучение и химиотерапия. В ответ на такие индукторы стареющие клетки прекращают пролиферацию, что в значительной степени опосредовано активацией ингибиторов клеточного цикла, таких как p53, p21, p16Ink4a или p19Arf [[1, 2]]. Стареющие клетки также демонстрируют множество характерных фенотипических признаков (часто зависящих от индуктора), включая увеличенный размер клеток, цитоплазматические фрагменты хроматина, очаги гетерохроматина, увеличенные и часто нефункциональные лизосомы [[3]]. Последний признак также помогает в идентификации стареющих клеток, которые демонстрируют повышенную активность кислой лизосомной бета-галактозидазы, которую можно обнаружить с помощью окрашивания, известного как старение-ассоциированная бета-галактозидаза (SAβ-gal) [[4]]. Однако стареющие клетки не мертвы и во многих случаях демонстрируют повышенную устойчивость к апоптотическим стимулам. Они остаются метаболически активными, интенсивно взаимодействуют со своим микроокружением, вырабатывая множество секретируемых факторов, включая белки (хемокины, цитокины, белки внеклеточного матрикса и ремоделирующие вещества) и экзосомы, что в совокупности известно как секреторный фенотип, связанный со старением (SASP) [[5]]. Функции этого секретома сложны и разнообразны и включают стимулирование привлечения иммунных клеток, которые удаляют стареющие клетки. Первоначально это было показано в опухолевой среде, где стареющие раковые клетки удалялись макрофагами и естественными киллерами (NK) [[6, 7]]. Кроме того, SASP оказывает широко распространенные дополнительные эффекты на соседние клетки, в зависимости от контекста, включая стимулирование пролиферации, ангиогенеза, EMT, пластичности и стволовости клеток и даже паракринное старение [[8-10]].

Биологическая роль стареющих клеток сложна и, вероятно, до сих пор не до конца понятна. С одной стороны, для стареющих клеток были описаны полезные функции в различных контекстах. Они защищают от рака, предотвращая аберрантную пролиферацию клеток, экспрессирующих онкогены, и таким образом старение действует как механизм подавления опухоли [[11, 12]]. Дополнительные полезные функции были выявлены в ряде непатологических состояний. Сенильные клетки присутствуют транзиторно во время эмбрионального развития у многих видов, где они, как полагают, способствуют правильному развитию и формированию тканей, а затем удаляются макрофагами [[13-16]]. Развивающиеся ткани, в которых было продемонстрировано старение, включают апикальный эктодермальный гребень (AER) конечности, крышу заднего мозга, мезонефрос (почку) и эндолимфатический мешок. Интересно, что, как оказалось, основным медиатором старения в эмбрионе является p21, без экспрессии маркеров возраста p16Ink4a и p19Arf. В недавних обзорах более подробно рассматривается роль старения в процессе развития [[17-19]]. Кроме того, стареющие клетки транзиторно появляются и участвуют в восстановлении и регенерации тканей, например, в коже, сердце и при регенерации придатков аксолотля [[20-23]]. В таких случаях SASP играет важную роль в коммуникации с соседними клетками. В каждом из этих сценариев ключевую роль играет своевременная индукция и последующее удаление стареющих клеток иммунной системой.

Однако, с другой стороны, во многих стареющих тканях количество стареющих клеток увеличивается с течением времени. Здесь накопление не-пролиферирующих стареющих клеток и длительное воздействие на них SASP оказывает пагубное воздействие и, как полагают, нарушает функции тканей и активно способствует процессу старения [[24-27]]. Хотя это не до конца понятно, считается, что это частично является результатом нарушения их своевременного удаления [[28]]. Кроме того, несвоевременная индукция или хроническое накопление стареющих клеток является фактором, способствующим развитию многих заболеваний, связанных с возрастом. К ним относятся остеоартрит, фиброз печени, хроническая обструктивная болезнь легких, болезни Альцгеймера и Паркинсона и многие другие [[27, 29-31]].

Считается, что при таких заболеваниях сохранение не-пролиферирующих и воспалительных стареющих клеток усугубляет симптомы болезни. В отношении старения и связанных с ним заболеваний появляется все больше доказательств того, что генетически и медикаментозно опосредованное удаление стареющих клеток может быть полезным при многих патологиях, при этом потеря старения приводит к улучшению функции тканей или ослаблению симптомов заболевания. Такие результаты привели к резкому увеличению числа препаратов, способных воздействовать на стареющие клетки, которые в широком смысле называют терапевтическими средствами старения. Они обычно действуют либо убивая их (senolytics), либо вмешиваясь в SASP и состояние старения (senomorphics) [[26, 27, 32-34]].

Поэтому можно считать, что стареющие клетки - это переходные, арестованные, секреторные клетки, индуцируемые различными сигналами, которые в конечном итоге должны быть удалены иммунной системой. Однако, когда контролируемый процесс индукции или удаления нарушается, эта популяция клеток сохраняется и накапливается, оказывая свое воздействие в течение определенного времени, способствуя старению, раку и другим заболеваниям.

Что касается старения при заболеваниях, то в большинстве случаев оказывается, что стареющие клетки не являются основной причиной заболевания, а выступают в качестве фактора, усугубляющего патологию. Во время эмбрионального развития старение обнаруживается во многих тканях, склонных к дефектам и нарушениям развития, таких как нервная трубка, конечности и ухо. В связи с этим возникает интригующий вопрос, может ли аберрантная индукция или несвоевременная активация старения в эмбрионе также способствовать развитию эмбриональных заболеваний и дефектов развития. Хотя этой концепции уделялось относительно мало внимания, последние исследования начинают раскрывать, как аберрантно индуцированное старение может не только способствовать, но и играть причинную роль в дефектах развития (рис. 1). Такие исследования углубляют наше понимание того, как эктопическая индукция старения может способствовать развитию заболеваний, и подчеркивают необходимость изучения старения при дополнительных дефектах развития.



Fig. 1 Three models of ectopic senescence leading to neurodevelopmental defects. (A) Rhinn et al. [[35]] reported ectopic senescence in NECs of the neural tube of E9.5 embryos following in-utero VPA exposure. The phenotype included exencephaly and forebrain microcephaly and relied on p19Arf expression. (B) Xu et al. [[46]] showed ectopic senescence along the neural tube in E8.5 embryos due to maternal diabetes. Embryos displayed neural tube defects, and senescence was triggered by Foxo3a-miR200c-p21-p27 pathway. (C) Meharena et al. [[50]] reported that NPCs differentiated from iPSCs of Down syndrome patients displayed disrupted nuclear lamina, altered chromatin state and transcriptome.

Одно из недавних исследований выявило роль старения в нарушениях развития, вызванных тератогеном вальпроевой кислотой (VPA), лекарственным препаратом, используемым для лечения различных заболеваний, включая эпилепсию, биполярное расстройство, мигрень и другие состояния [[35]] (рис. 1А). В 1960-х годах выяснилось, что у детей, родившихся у беременных матерей, принимавших этот препарат, значительно чаще встречаются серьезные пороки развития [[36-38]]. Наиболее распространенной среди них была повышенная частота spina bifida - ситуации, когда задняя часит нервной трубки не закрывается должным образом во время развития, в результате чего спинной мозг выступает за пределы новорожденного, что приводит к необходимости сложного хирургического вмешательства и лечения. Интересно, что при моделировании на мышах это также приводит к экзенцефалии - летальному состоянию, когда передняя нервная трубка не закрывается, в результате чего мозг развивается вне головы [[39, 40]].

В последующие годы было документально подтверждено, что воздействие VPA in utero на человека вызывало множество дополнительных врожденных дефектов, включая более высокую частоту микроцефалии, дефекты строения пальцев рук, пороки сердца и многое другое, причем риск был выше при более высоких дозах [[36]]. Более того, со временем стало ясно, что младенцы, родившиеся после эмбрионального воздействия VPA, дополнительно имели значительные когнитивные и поведенческие проблемы, включая значительно более высокий риск развития расстройства аутистического спектра (ASD). Однако изначально было неясно, что когнитивные и поведенческие дефекты могут возникать независимо от врожденных дефектов, в результате чего первые остаются незамеченными в течение более длительного периода времени. Теперь ясно, что риск когнитивных дефектов и проблем, подобных ASD, гораздо выше, чем риск физических деформаций, и встречается примерно у 30-40% младенцев, подвергшихся воздействию, но эти цифры также варьируются в зависимости от времени воздействия и дозы [[36-38, 41, 42]].

Вальпроевая кислота является HDAC-ингибитором (HDACi) и используется в качестве противоракового средства, где она может индуцировать старение. В частности, исследования показали, что она вызывает активацию p21 или де-репрессию гена Cdkn2a, что, в частности, приводит к индукции экспрессии p19^Arf (p14^Arf у человека) [[43, 44]]. Исходя из этих знаний, в одном из недавних исследований изучался вопрос о том, может ли VPA вызывать нарушения развития через аберрантную или несвоевременную индукцию клеточного старения [[35]].

Сначала они создали мышиную модель дефектов, вызванных VPA, подвергая эмбрионы воздействию высоких концентраций VPA примерно на 8.5 день эмбрионального развития (E), непосредственно перед стадией закрытия нервной трубки. Важно отметить, что у мышей развились многочисленные признаки, связанные с VPA, включая экзенцефалию, микроцефалию, уменьшение размеров и грубые пороки развития в сомитах, что соответствует врожденным дефектам, обнаруженным у людей. Далее авторы исследовали аберрантную индукцию старения, окрашивая целые эмбрионы SAβ-gal. Удивительно, но наблюдалась выраженная индукция старения, но только в развивающемся мозге, а не в других тканях с пороками развития. Это коррелировало с увеличением экспрессии генов, связанных со старением, включая активацию p21, p19^Arf и p16^Ink4a, а также генов SASP.

При более тщательном изучении было установлено, что старение индуцируется на эмбриональный день (E) 9.5 в нейроэпителиальных клетках (NECs), общих эмбриональных предшественниках всех типов клеток во взрослом мозге. В процессе развития NECs переходят в радиальные глиальные (RG) клетки. Радиальные глиальные клетки являются ранними нейрональными клетками предшественниками (NPCs) (также называемыми апикальными предшественниками). Затем, посредством высоко-скоординированных симметричных и асимметричных делений, они дают начало различным типам клеток нервной ткани, включая нейроны и микроглию [[45]]. В данном случае эффектом старения после воздействия VPA был блок нормальной программы дифференцировки NECs, и в мозге этих эмбрионов было меньше апикальных и базальных предшественников (BPs), а также наблюдалось снижение нейрогенеза. Это позволило предположить, что индуцированное VPA старение блокирует дифференцировку нейронов во время развития.

Авторы также изучили, вызывает ли VPA старение в нейрональном развитии человека, используя церебральные органоиды человека, выращенные из индуцированных плюрипотентных стволовых клеток (iPSCs). Важно отметить, что ранние церебральные органоиды моделируют соответствующие стадии развития, изученные у мышей. Интересно, что в органоидах человека, обработанных VPA, также наблюдалась старение в NECs, что также приводило к нарушению нейронной дифференцировки.

Наконец, ключевым вопросом было определить, играет ли старение причинную роль в этих фенотипах. Для этого мышей с дефицитом каждого из ключевых генов старения p21, p19^Arf и p16^Ink4a лечили VPA и исследовали на наличие соответствующих фенотипов. Удивительно, но в то время как у мышей с дефицитом p21 и p16^Ink4a тяжесть фенотипов не уменьшилась, у мышей с дефицитом p19^Arf уменьшилась частота случаев старения и микроцефалии, что устранило дефекты нейрогенеза в NECs. И наоборот, генетической аномальной экспрессии p19^Arf в NECs было достаточно, чтобы вызвать старение и микроцефалию. Наконец, анализ RNA-seq эмбрионов с дефицитом p19^Arf подтвердил фенотип спасения и предположил связь с контролем функции тРНК в качестве возможного фактора.

Важно отметить, что данное исследование выявило важную роль p19^Arf-опосредованного старения в дефектах нейрального развития, вызванных VPA, в частности, путем нарушения дифференцировки NEC и нейрогенеза, а также продемонстрировало, что высокая индукция старения может привести к микроцефалии. Наконец, RNA-seq анализ p19^Arf-дефицитных эмбрионов подтвердил восстановление нормального фенотипа и позволил предположить связь с контролем функции tRNA в качестве взможного фактора.

Другое исследование выявило причинную роль старения в развитии врожденных пороков развития, вызванных материнским диабетом [[46]] (рис. 1B). По неизвестным пока причинам материнский диабет является одним из основных факторов риска развития дефектов нервной трубки (NTD). Поскольку число женщин детородного возраста, страдающих диабетом, значительно, существует острая необходимость понять эту связь с дефектами развития [[47]]. Предыдущие исследования выявили связь между диабетической эмбриопатией и медиаторами старения, включая повреждение ДНК, индукцию p53 и окислительный стресс [[46]]. Для изучения потенциальной связи между старением и дефектами развития, вызванными диабетом, авторы использовали мышиную модель лечения streptozotocin, чтобы вызвать диабет, который приводит к развитию экзенцефалии, выраженной NTD, у некоторой части эмбрионов. Интересно, что при исследовании экзенцефалических эмбрионов они обнаружили выраженную индукцию эктопической старости на ранних стадиях, до закрытия NTD. Это включало очевидную индукцию многочисленных маркеров старения, включая SAβ-gal, p21, p27, gH2AX и H3K9me3, снижение пролиферации и активацию SASP. Интересно, что, как и в модели VPA, старение было обнаружено именно в клетках NE нервной трубки.

Исследуя молекулярную регуляцию этой аберрантной старости, авторы определили Foxo3a, который ранее был связан с NTDs, вызванными диабетом, как ключевой индуктор старости в NECs [[48]]. В частности, они показали, что Foxo3a регулирует микроРНК (miRNA) miR-200c, и определили, что miR200c-дефицитные эмбрионы от матерей-диабетиков имеют сниженную частоту старения и NTDs. Полученные данные подтвердили, что эктопическая индукция генов старения, регулируемая осью FoxO3a-miR200c, вовлечена в NTDs. Затем они показали, что у мышей с дефицитом медиаторов старения p21 или p27 снижается частота старения и NTDs при диабетической беременности. И наоборот, они также показали, что трансгенной экспрессии p21 и p27 в развивающихся NECs достаточно для того, чтобы вызвать старение и NTD.

Наконец, авторы исследовали концепцию, согласно которой лечение клеточного старения может уменьшить бремя старения в целом и изменить частоту возникновения NTDs, вызванных диабетом. Для этого они лечили беременных мышей с диабетом рапамицином - препаратом, одобренным FDA, который в определенных условиях может действовать как средство лечение клеточного старения [49]. Очень важно, что это привело к значительному снижению уровня старения и уменьшению частоты NTDs.

В целом, это важное исследование выявило значительную роль аберрантного старения при NTDs, вызванных диабетом, и представило концепцию того, что некоторые врожденные пороки развития могут поддаваться терапевтическому лечению старения.

Другое недавнее исследование также связало преждевременное или эктопическое старение с синдромом Дауна (DS), нарушением развития с широким спектром аномалий нейрального развития и физических недостатков [[50]] (рис. 1С). Это генетическое заболевание, чаще всего вызванное наличием полной дополнительной, третьей копии хромосомы 21 (так называемая трисомия 21). У пациентов с DS некоторые аномалии нейрального развития были связаны с нарушениями в правильном функционировании NPCs, производных NECs, которые дифференцируются в нейроны, астроциты и олигодендроциты [[51]]. В этом исследовании изучались ядерные и транскрипционные изменения в полученных от iPSCs пациентов, которые дифференцировались в NPCs, и их отличия от исходных iPSCs. Интересно, что в NPsC, полученных от пациентов с трисомией 21, были обнаружены явные хромосомные изменения, которые не были выявлены в исходных iPSC. Когда они профилировали транскриптомы этих NPCs, они определили дифференциально экспрессируемые гены (DEGs), указывающие на участие старения. При дальнейшем исследовании они обнаружили, что в культивированных NPCs с трисомией 21 увеличилось содержание SAβ -gal, увеличилось содержание p16^Ink4a и уменьшилось содержание HMGB1, что свидетельствует о старении. Для дальнейшего подтверждения этой связи они использовали биоинформационный подход и сравнили транскриптомы трисомных NPCs с профилями стареющих клеток, индуцированных различными методами. Это позволило выявить общую сигнатуру с индуцированным окислительным стрессом старением, репликативной сенесценцией и индуцированными онкогенами стареющими клетками, которая включала и дополнительные изменения генов старения и SASP. В целом, это продемонстрировало, что трисомия 21 приводит к индукции старения, по крайней мере, в субпопуляции NPCs.

Далее авторы также задались вопросом, будут ли эти клетки чувствительны к лечению терапевтическими препаратами от старения, в данном случае комбинацией соединений, dasatinib и quercetin (DQ), которая обладает сенолитической активностью в определенных условиях [[26, 49]]. В данном случае воздействие DQ на культуру NPCs привело к снижению маркеров старения, включая снижение экспрессии p16^Ink4a, увеличение апоптоза и значительное снижение глобальной экспрессии генов, индуцированных трисомией 21. Функционально это также привело к увеличению пролиферации, восстановленной до контрольного уровня, и к улучшению миграционной способности, которая была нарушена трисомией 21.

В итоге, сенолитическая обработка NPCs от пациентов с синдромом Дауна привела к снижению маркеров старения и улучшению функции клеток. Конечно, несмотря на то, что данное исследование, проведенное в iPSC-произведенных NPC, имеет оговорку, что оно не может полностью моделировать фенотипы, наблюдаемые во время развития in vivo, оно поднимает ряд интересных вопросов и возможностей относительно потенциального вклада аберрантного старения в этот спектр дефектов развития.

Поскольку эти исследования выявили участие аберрантно индуцированного клеточного старения в патогенезе врожденных пороков развития, возникает захватывающая возможность того, что она может быть вовлечена в другие синдромы и пороки развития. Но можно ли предсказать, какие заболевания могут быть затронуты? Возможно, это и не удивительно, но обзор обширной литературы позволяет легко выявить множество дефектов развития, при которых старение могло бы быть изучено, но где, возможно, оно не рассматривалось.

Любопытно, что все вышеупомянутые исследования привели к различным дефектам нейрального развития, включая NTDs, микроцефалию и экзенцефалию. Поскольку NTDs являются одними из наиболее распространенных врожденных пороков развития, это наводит на мысль о том, что старение может играть ранее не признанную роль в патогенезе этих пороков. Действительно, существует более 200 генных мутаций, которые могут вызывать NTDs, часто через неправильную регуляцию судьбы и функции NEC, включая нарушение поднятия нервных складок и измененную гибель клеток [[52]]. Включение оценки возможного изменения старения в этих моделях может раскрыть дополнительные и важные механистические аспекты.

Еще одним интересным наблюдением в этих исследованиях является преобладание активации старения в NECs. Предполагает ли это, что эти клетки особенно чувствительны к сигналам, вызывающим старение? В моделях VPA и диабета, рассмотренных выше, старение вызывала блокировку нейрональной дифференцировки, с аналогичным эффектом на iPSC-производные NPCs от пациентов с трисомией 21 (рис. 2). У людей подобные эффекты блокирования или даже нарушения нейрогенеза на разных стадиях могут проявляться в широком разнообразии последствий, в зависимости от тяжести и времени индукции. Что касается воздействия VPA in utero, то преобладающим эффектом является задержка нейрального развития, включая когнитивные дефекты и ASD-подобные черты. Выявленная здесь ассоциация с устойчивой реакцией в ви де старения подтверждает необходимость проведения дальнейших исследований для изучения потенциальной связи между эмбриональным или ранним постнатальным старением и ASD в дополнительных моделях.



Fig. 2 Proposed mechanisms by which ectopic senescence impacts early neurodevelopment. (A) Scale from left to right represents sequential differentiation occurring during embryonic neurogenesis. The initial cells of the nervous system are NECs forming the neural tube. At onset of neurogenesis, NECs transition to RG cells. Radial glial cells are early NPCs (also called apical progenitors), and can divide symmetrically to form more RG, or asymmetrically to generate neurons. In some regions, RG give rise to intermediate BPs, which then form neurons. Scale from top to bottom represents the thickness of the cortex. (B) The studies discussed in the text reported ectopic senescence in NEC [[35, 46]] and in NPC [[50]]. (C) Hypothetical impacts of senescence during neurogenesis. NEC and NPC becoming senescent no longer proliferate and fail to generate subsequent cell types. SASP secretion could also increase inflammation, possibly impairing the functionality of the tissue or triggering paracrine senescence in all cell types of the nervous system. Each of these outcomes could lead to a decreased number of mature neurons or other cell types. Moreover, senescent cells and their SASP could also disrupt additional embryonic pathways or the integrity of the tissue.

Кроме того, хотя воздействие VPA вызывает микроцефалию - состояние, при котором окружность головы при рождении меньше нормы, микроцефалия чаще всего вызывается наследственными генетическими мутациями, воздействием токсинов окружающей среды или вирусной инфекцией [[53]]. Действительно, мутации в ряде генов, участвующих в ответе на повреждение ДНК (DDR), и мутации центросом были связаны с микроцефалией [[53, 54]]. Вопрос о том, может ли к этому иметь отношение неправильное или эктопическое старение, еще предстоит изучить. Кроме того, как видно из недавней вспышки, инфекция вируса Zika также вызывает выраженную микроцефалию, которая связана с индукцией клеточной гибели и снижением роста в церебральных органоидах [[55, 56]]. Поскольку вирусная инфекция может быть спусковым крючком для старения [[57]], будет интересно исследовать, может ли микроцефалия, вызванная вирусом Зика, также включать эктопическое старение.

Синдром Seckel - редкое заболевание человека, характеризующееся микроцефалией и карликовостью [[54, 58]]. Мышиные модели с ATR-мутациями, одной из причин этого заболевания, также демонстрируют преждевременное старение. Интересно, что в одном из исследований причина этого заболевания была прослежена до эмбриона, где повышенный репликативный стресс привел к выраженному повреждению ДНК и экспрессии p53 [[58]]. Поскольку репликативный стресс является одним из индукторов старения, было бы интересно оценить старение в этой модели.

Повреждение ДНК и генотоксический стресс также характерны для Cornelia de Lange syndrome (CdLS), нарушения развития, которое затрагивает многие ткани, включая развитие конечностей, кишечника, сердца и мозга. Оно вызвано мутациями в cohesin, белковом комплексе, который необходим для сегрегации хромосом, поддержания генома и восстановления повреждений ДНК. Интересно, что в недавнем исследовании была установлена захватывающая связь с эмбриональным нарушением и аберрантно индуцированным старением, возникающим в результате постоянного повреждения ДНК и заболевания, но на этот раз в плаценте [[59]]. Хотя старение было описано в плаценте [[60]], мутации CdLS усугубили ее, что привело к усилению передачи сигналов цитокинов, нарушившей эмбриональное развитие. Примечательно, что замена мутантной плаценты на плаценту дикого типа или ингибирование цитокиновой сигнализации частично устраняли дефекты, демонстрируя, как неправильно регулируемое старение за пределами эмбриона также может способствовать нарушениям развития.

Соматические мутации в гене Ras являются хорошо изученными индукторами онкоген-индуцированной старости. Однако зародышевые мутации в Ras и других генах, контролирующих или опосредующих путь Ras/Map kinase (Ras/MAPK), являются причиной большого класса дефектов развития, известных как RASпатии [[61]]. К ним относятся нейрофиброматоз, синдромы Нунан и Костелло, а также другие. Они поражают множество тканей в зависимости от конкретной мутации, но часто встречаются изменения в черепно-лицевой ткани, сердце, коже, костях, глазах и общем размере. Учитывая ассоциацию с гиперактивацией Ras-сигнализации, стоит изучить возможную связь с аберрантной индукцией эмбрионального старения.

Ген-супрессор опухоли p53 является главным регулятором старения и SASP, а аберрантная индукция p53 в эмбрионе была связана с широким спектром синдромов развития, некоторые из которых были элегантно смоделированы на мышах [[62, 63]]. К ним относятся дефекты множества развивающихся тканей, включая дефекты нейронов, экзенцефалию, пороки сердца и глаз. Поскольку снижение пролиферации является одной из ассоциированных эмбриональных особенностей, было бы интересно оценить потенциальное участие старения. Аналогичным образом, точечные мутации в члене p53-семейства p63 вызывают синдром эктродактилии, эктодермальной дисплазии, расщелины губы и нёба (EEC) [[64]]. Поскольку p63-дефицит индуцирует старение [[65]], целесообразно также исследовать, может ли старение в какой-то мере способствовать некоторым фенотипам, связанным с EEC.

Воспаление было связано с широким спектром нейрального развития и нарушений в раннем возрасте, включая ASD, когнитивные нарушения, церебральный паралич и другие. Сенильные клетки могут выступать в качестве мощных факторов, способствующих воспалению тканей, или наоборот, воспалительные факторы могут вызывать остановку старения. В моделях каждого из этих расстройств будет целесообразно проверить, может ли иметь место аберрантная индукция старения во время развития.

Конечно, это лишь некоторые предложения из множества моделей или состояний болезни, где можно исследовать индукцию старения. Несомненно, есть и другие, включая многочисленные редкие заболевания.

Вышеупомянутые исследования представляют концепцию того, как эктопическое старение может способствовать возникновению ряда дефектов развития. В предыдущих исследованиях было описано, как запрограммированное, вовремя замедленное старение присутствует у нормальных эмбрионов в определенных тканях и на разных стадиях, включая апикальный эктодермальный гребень, крышу заднего мозга, мезонефрос и эндолимфатический мешок. Это дает возможность предположить, что старение, способствующее врожденным дефектам, может возникать либо в результате неправильной или измененной активации эндогенной программы старения, либо в результате аберрантной индукции эктопического старения. Интересно, что в трех вышеупомянутых исследованиях эктопическое старение, вызванное повреждениями, активируется в клетках, которые в норме не выражают признаков старения, в то время как в модели CdLS мутации повышают уровень эндогенного старения.

Как обсуждалось выше, эти исследования поднимают интригующую возможность того, что другие дефекты развития могут также включать аберрантную индукцию старения (неправильную или эктопическую), возможно, даже по причине, которая просто осталась незамеченной, потому что никогда не оценивалась. В то время как анализ пролиферации и гибели клеток является довольно распространенным в различных моделях нарушений развития, анализ старения обычно не рассматривался. Вероятно, это связано с тем, что клеточное старение ассоциируется в первую очередь с общим старением и возрастными заболеваниями. Однако, исходя из этих новых данных, теперь оказывается, что стоит также оценить неправильное время индукции старения. Как показано в данных исследованиях, это может включать оценку активности SAβ-gal, либо на уровне цельного развития и для эмбрионов на ранних стадиях, либо на срезах тканей на более поздних стадиях. Кроме того, органоиды, полученные от пациентов, представляют собой новый мощный инструмент для изучения этой связи. Экспрессия генов старения также может быть измерена, проверяя повышенную или несвоевременную экспрессию таких генов, как p21, p16^Ink4a, p19^Arf или генов SASP. В идеале, функциональное вмешательство, либо с помощью генетических подходов к потере функций, либо, возможно, даже с помощью терапевтических стратегий старения, может оказаться очень информативным.

Конечно, уровень индукции старения может играть дополнительную осложняющую роль. В моделях, описанных выше, существуют различные уровни индукции старения у разных эмбрионов, что может соответствовать вариациям фенотипа; возможно, меньшее бремя старения в эмбрионе вызывает более мягкие эффекты, в то время как большое бремя ассоциируется с более тяжелыми фенотипами. Однако небольшую и, возможно, скоротечную индукцию старения обнаружить довольно сложно. Поэтому изучение старения в дефектах развития значительно выиграет от использования новых инструментов, таких как репортерные векторы старения или мышиные модели, которые могут обеспечить количественное считывание бремени старения.

Еще один нерешенный вопрос связан с судьбой этих стареющих клеток. Во многих ситуациях, включая нормальное эмбриональное развитие, пред-злокачественные поражения и повреждения тканей, стареющие клетки активно удаляются иммунной системой, в то время как считается, что нарушение удаления стареющих клеток приводит к их накоплению в процессе старения [[7, 18, 28]]. В моделях дефектов развития не было показано, удаляются ли стареющие клетки иммунной системой или сохраняются на более поздних стадиях развития и в постнатальной ткани, поэтому конечная судьба стареющих клеток остается неясной (рис. 2). В модели диабетической эмбриопатии старение было связано с увеличением инфильтрации макрофагов у некоторых эмбрионов [[46]], что позволяет предположить, что, вероятно, они также очищаются иммунными клетками, но необходимы дополнительные исследования, чтобы проверить, насколько это эффективно. Если стареющие клетки не удаляются эффективно во время развития, можно предположить, что сохранение этих сильно воспалительных клеток может иметь значительные и продолжительные последствия для развивающихся или даже постнатальных тканей. В этом случае неоценимую помощь окажет разработка и применение новых инструментов изучения старения, таких как репортерные и трассирующие модели.

Последние исследования выявляют дополнительные доказательства гетерогенности старения во взрослых тканях и моделях заболеваний. Если раньше считалось, что стареющие клетки могут следовать динамической программе с последовательной активацией генов, способствующих старению, то новые данные свидетельствуют о том, что ситуация более сложная, например, p21 и p16^Ink4a экспрессируются в разных типах клеток в определенных условиях, например, при старении и повреждении тканей [[66, 67]]. Подобная информация также должна приниматься во внимание при изучении старения во время эмбриогенеза и при дефектах развития. Например, предполагается, что при нормальном развитии основным медиатором является p21, при этом экспрессия p16^Ink4a или p19^Arf незначительна или отсутствует. В то время как в изученных моделях заболеваний VPA опосредует старение NE через p19^Arf, диабетическая эмбриопатия включает p21/p27, а DS, по-видимому, связана с экспрессией p16^Ink4a. Это еще раз подчеркивает, что старение может индуцироваться разными способами и под воздействием разных сигналов. Будущие исследования, включающие секвенирование одной клетки или пространственную транскриптомику, окажутся весьма информативными для определения того, какие гены старения и факторы SASP индуцируются в различных типах клеток и моделях заболеваний.

Такие последствия того, что старение играет причинную роль в дефектах развития, естественно, вызывают вопрос о том, можно ли воздействовать на них с помощью терапевтических препаратов, либо убивая стареющие клетки (сенолитики), либо изменяя их свойства (сеноморфики). Действительно, модель диабетической эмбриопатии обеспечивает захватывающую поддержку этому, демонстрируя снижение частоты старения и NTDs в ответ на лечение рапамицином [[46]]. Кроме того, поскольку лечение NPCs с трисомией 21 в культуре сенолитиком DQ также привело к положительному эффекту, будет очень интересно посмотреть, как лечение влияет на модели in vivo или органоиды с трисомией 21 [[50]]. Эти результаты действительно позволяют предположить, что другие дефекты развития, при которых выявлено старение, также могут быть объектом воздействия. Например, дефекты, вызванные VPA, хотя и не рассматривались в вышеупомянутом исследовании, также могут поддаваться терапевтическим манипуляциям. Недавнее исследование показало, что сигнатуры экспрессии генов, вызванные VPA, изменяются в обратную сторону при лечении сердечными гликозидами (CGs) [[68]]. Интересно, что в недавних отчетах было установлено, что различные CGs могут действовать как мощные сенолитики, что открывает захватывающую возможность их тестирования in vivo для устранения нарушения VPA-индуцированного старения развития [[69, 70]]. Учитывая постоянно увеличивающийся список соединений, которые изменяют старение во взрослом и пожилом состоянии, интересно думать, что некоторые из них могут работать и внутриутробно. Конечно, любой терапевтический подход старения должен учитывать, может ли целенаправленное манипулирование старением в ситуациях болезни непреднамеренно нарушить эндогенную программу старения в эмбрионе. Хотя это не было проблемой при лечении DQ в модели диабетической эмбриопатии, потребуется дополнительное внимание и оценка, чтобы оценить и исключить любые потенциальные побочные эффекты.

Клеточное старение - это динамическое клеточное состояние, вызываемое различными стимулами, включая повреждение клеток и тканей, сигналы развития и регенерации, а также старение. Здесь мы подчеркиваем, что это клеточный процесс, который при неправильной активации может иметь значительные последствия для развивающегося эмбриона. Поскольку понятие "старение" часто используется в отношении общего процесса старения организма, это, вероятно, не побудило биологов развития исследовать этот клеточный процесс в своих моделях. Надеемся, что теперь, с ростом осведомленности, можно будет выявить дополнительные модели заболеваний, на которые влияет клеточная старость.