Дисфункция митохондрий и сосудистое старение при коморбидной патологии

Сердечно-сосудистые заболевания занимают лидирующие позиции в структуре смертности современного общества. Для большинства данных заболеваний характерны неконтролируемые процессы оксидативного стресса, протеолиза, тканевой и клеточной гипоксии, вызывающие эндотелиальную дисфункцию. Тканевая и клеточная гипоксия с накоплением митохондриальных реактивных форм кислорода, повреждающих липопротеиды, белки, нуклеиновые кислоты, является краеугольным камнем теории свободнорадикального окисления в патогенезе сосудистого старения. Особенностью «состаренного» фенотипа клеток является уменьшение числа митохондрий, снижение количества копий митохондриальной ДНК и потеря митохондриального белка в тканях. Помимо морфологических изменений, угнетается функция митохондрий, ослабевает активность их белков и ферментов. Изменения функций митохондрий могут быть вторичными в ответ на различные стимулы и связаны с нарушением их структуры и ослаблением активности в ответ на особые генетические и фенотипические условия. Перепрограммирование митохондриального биогенеза занимает центральную позицию в различных теориях развития ускоренного старения и служит одной из привлекательных мишеней для возможных вмешательств в продлении активного долголетия.

1. Barnett K., Mercer S.W., Norbury M., Watt G., Wyke S., Guthrie B. Epidemiology of multimorbidity and implications for health care, research, and medical education: a cross-sectional study. Lancet. 2012; 380: 37–43. DOI: 10.1016/S0140-6736(12)60240-2

2. Harris R.E., ed. Epidemiology of Chronic Diease Global Perspectives. Massachusetts, Jones and Bartlett Learning. 2013.

3. Dodds C. Physiology of ageing. Anaesth Intensive Care Med. 2006; 7: 456–458. DOI: 10.1053/j.mpaic.2006.09.011

4. Nevzorova V., Brodskaya T., Gilifanov E. Smoking and COPD: Endothelium-Related and Neuro-mediated Emphysema Mechanisms. Respiratory Diseases. 2020. DOI: 10.5772/intechopen.85927

5. Черток В.М., Невзорова В.А., Савченко А.К., Мирошниченко О.В., Ларюшкина А.В. Возрастные особенности организации микроциркуляторного русла бульбарной конъюнктивы. Тихоокеанский медицинский журнал. 2020; 3(81): 57-61. DOI: 10.34215/1609-11752020-3-57-61

6. Kabalyk M.A., Nevzorova V.A. Molecular and Cellular Mechanisms of Osteoarthritis in Experimental Arterial Hypertension and Hyperlipidemia. Gerontology. 2021; 11(2): 145-151. DOI:10.1134/S2079057021020065

7. Seth R.B., Sun L., Ea C.K., Chen Z.J. Identification and characterization of MAVS, a mitochondrial antiviral signaling protein that activates NF-kappaB and IRF 3. Cell. 2005; 122: 669–682. DOI: 10.1016/j.cell.2005.08.012

8. Balaban R.S., Nemoto S., Finkel T. Mitochondria, oxidants, and aging. Cell. 2005; 120: 483–495. DOI: 10.1016/j.cell.2005.02.001

9. Kirkwood T.B. Understanding the odd science of aging. Cell. 2005; 120: 437–447. DOI: 10.1016/j.cell.2005.01.027

10. Ruas J.S., Siqueira-Santos E.S., Rodrigues-Silva E. & Castilho R.F. High glycolytic activity of tumor cells leads to underestimation of electron transport system capacity when mitochondrial ATP synthase is inhibited. Sci Rep. 2018; 8: 17383. DOI: 10.1038/s41598-018-35679-8

11. Shadel G.S., Horvath T.L. Mitochondrial ROS signaling in organismal homeostasis. Cell. 2015; 163: 560–569. DOI: 10.1016/j.cell.2015.10.001

12. Kang M.J., Yoon C.M., Kim B.H., Lee C.M., Zhou Y., Sauler M., Rober H., Anish D., Daniel B., Andrew P. Suppression of NLRX1 in chronic obstructive pulmonary disease. J Clin Invest. 2015; 125: 2458–2462. DOI: 10.1172/JCI71747.

13. Bhola P.D., Letai A. Mitochondria-judges and executioners of cell death sentences. Mol Cell. 2016; 61: 695–704. DOI: 10.1016/j.molcel.2016.02.019

14. Cloonan S.M., Choi A.M. Mitochondria in lung disease. J Clin Invest. 2016; 126: 809–820. DOI: 10.1172/JCI81113

15. Austin V., Crack Peter J., Bozinovski S., Miller Alyson A., Vlahos R. COPD and stroke: are systemic inflammation and oxidative stress the missing links? Clinical Science. 2016; 130(13) :1039. DOI: 10.1042/CS20160043

16. López-Otín C., Blasco M.A., Partridge L., Serrano M., Kroemer G. The hallmarks of ageing. Cell. 2013; 153:1194–1217. L√≥pez-Ot√≠n C., Blasco M.A., Partridge L., Serrano M., Kroemer G. The hallmarks of ageing. Cell. 2013; 153:1194-1217. DOI: 10.1016/j.cell.2013.05.039

17. Andersson S.G., Zomorodipour A., Andersson J.O., SicheritzPontén T., Alsmark U.C., Podowski R.M., Näslund A.K., Eriksson A.S., Winkler H.H., Kurland C.G. The genome sequence of Rickettsia prowazekii and the origin of mitochondria. Nature. 1998; 396(6707): 133-40. DOI: 10.1038/24094

18. Kurland C.G., Andersson S.G.E. Origin and Evolution of the Mitochondrial Proteome. Microbiol. Mol. Biol. Rev. 2000; 64: 786–820. DOI: 10.1128/MMBR.64.4.786-820.2000

19. Fitzpatrick D.A., Creevey C.J., McInerney J.O. Genome phylogenies indicate a meaningful alpha-proteobacterial phylogeny and support a grouping of the mitochondria with the Rickettsiales. Mol Biol Evol. 2006; 23(1): 74-85. DOI: 10.1093/molbev/msj009

20. Harman D. Aging: a theory based on free radical and radiation chemistry. J Gerontol. 1956; 11: 298–300. DOI: 10.1093/geronj/11.3.298

21. Schofield, C., Ratcliffe, P. Oxygen sensing by HIF hydroxylases. Nat Rev Mol Cell Biol. 2004; 5: 343–354. DOI: 10.1038/nrm1366

22. Hoffmann R.F., Zarrintan S., Brandenburg S.M., Kol A., de Bruin H.G., Jafari S., Dijk F., Kalicharan D., Kelders M., Gosker H.R., Ten Hacken N.H., van der Want J.J., van Oosterhout A.J., Heijink I.H. Prolonged cigarette smoke exposure alters mitochondrial structure and function in airway epithelial cells. Respir Res. 2013; 14(1): 97. DOI: 10.1186/1465-9921-14-97

23. Невзорова В.А., Захарчук Н.В., Агафонова И.Г., Сарафанова Н.С. Особенности развития дисфункции сосудов головного мозга при артериальной гипертензии и курении. Тихоокеанский медицинский журнал. 2013; 4: 9-16.

24. Захарчук Н.В., Невзорова В.А., Черток В.М., Сарафанова Н.С. Влияние хронического табакокурения на церебральную гемодинамику. Журнал неврологии и психиатрии им. C.C. Корсакова. 2017;117(2):124-129. DOI: 10.17116/jnevro201711721124-129

25. Захарчук Н.В., Невзорова В.А., Черток В.М., Рощенко Р.В. Влияние табачного дыма на содержание HIF1α-иммунопозитивных нейронов и капилляров в коре головного мозга крыс. Морфология. 2019; 155(2): 118.

26. Невзорова В.А., Черток В.М., Захарчук Н.В., Черток А.Г. Влияние гипоксии на содержание HIF-2α-иммунопозитивных нейронов и капилляров в коре головного мозга крыс. Морфология. 2018;153(3):196-197.

27. Захарчук Н.В., Черток В.М., Невзорова В.А., Черток А.Г. Иммуноцитохимическое исследование желатиназ и их тканевых ингибиторов в капиллярах головного мозга у нормо-и гипертензивных крыс. Морфология. 2018;154(5):31-38.

28. Черток В.М., Черток А.Г., Захарчук Н.В., Невзорова В.А. Экспрессия матриксных металлопротеиназ и их тканевых ингибиторов в сосудистом русле головного мозга при хронической интоксикации табачным дымом в эксперименте. Журнал неврологии и психиатрии им. C.C. Корсакова. 2018;118(6):65-71. DOI: 10.17116/jnevro20181186165

29. Chertok V.M., Chertok A.G., Zakharchuk N.V., Nevzorova V.A. Dynamics of distribution of capillaries with matrix metalloproteinase-2 and its tissue inhibitor in rat brain during development of experimental hypertension. Bulletin of Experimental Biology and Medicine. 2018;164(3):397-401.

30. Larry H. Bernstein. The Role of Mitochondrial Imbalance in Pulmonary Diseases. EC Pulmonology and Respiratory Medicine 2019; 8.4: 336-344.

31. Parola M., Robino G., Hepa J. Oxidative stress_related molecules and liver fibrosis. J Hepatol. 2001; 35(2): 297–306. DOI: 10.1016/s0168-8278(01)00142-8

32. Giordano F.J., Oxygen, oxidative stress, hypoxia, and heart failure. J. Clin. Invest. 2005;115:500–508. DOI: 10.1172/JCI24408

33. Parekh A.K., Barton M.B. The challenge of multiple comorbidity for the US health care system. The Journal of the American Medical Association. 2010;303(13):1303–1304. DOI: 10.1001/jama.2010.381

34. Speakman J.R., Selman C. The free-radical damage theory: accumulating evidence against the simple link of oxidative stress to ageing and life span. Bioessays. 2011;33:255–259. DOI: 10.1002/bies.201000132

35. Liochev S.I. Reflections on the theories of aging, of oxidative stress, and of science in general. Is it time to abandon the free radical (oxidative stress) theory of aging? Antioxid Redox Signal 2014. [In press DOI: 10.1089/ars.2014.5928].

36. Toyama EQ, Herzig S, Courchet J, Lewis T.J., Jr., Losón O.C., Hellberg K., Young N.P., Chen H., Polleux F., Chan D.C., Reuben J. Shaw. Metabolism. AMP-activated protein kinase mediates mitochondrial fission in response to energy stress. Science 2016;351:275–28. DOI: 10.1126/science.aab4138

37. Mishra P, Chan DC. Mitochondrial dynamics and inheritance during cell division, development and disease. Nat Rev Mol Cell Biol 2014;15:634-646. DOI: 10.1038/nrm3877

38. Mizumura K, Cloonan SM, Nakahira K, Bhashyam A.R., Cervo M., Kitada T., Glass K., Owen C.A., Mahmood A., Washko G.R., Hashimoto S., Ryter S.W., Choi A.M.K. Mitophagy-dependent necroptosis contributes to the pathogenesis of COPD. J Clin Invest 2014;124:3987–4003. DOI: 10.1172/JCI74985

39. Chertok V.M., Chertok A.G., Zakharchuk N.V., Nevzorova V.A. Dynamics of distribution of capillaries with matrix metalloproteinase-2 and its tissue inhibitor in rat brain during development of experimental hypertension. Bulletin of Experimental Biology and Medicine. 2018;164(3):397-401. DOI: 10.1007/s10517-018-3998-9

40. Jackson M.V., Morrison T.J., Doherty D.F., McAuley D.F., Matthay M.A., Kissenpfennig A., Krasnodembskaya A.D. Mitochondrial transfer via tunneling nanotubes is an important mechanism by which mesenchymal stem cells enhance macrophage phagocytosis in the in vitro and in vivo models of ARDS. Stem Cells. 2016;34:2210–2223. DOI: 10.1002/stem.2372

41. Finkel T., Deng C.X., Mostoslavsky R. Recent progress in the biology and physiology of sirtuins. Nature. 2009;460:587–591. DOI: 10.1038/nature08197

42. Hoffmann R.F., Zarrintan S., Brandenburg S.M., Kol A., de Bruin H.G., Jafari S., Dijk F., Kalicharan D., Kelders M., Gosker H.R., Ten Hacken N.H., van der Want J.J., van Oosterhout A.J., Heijink I.H. Prolonged cigarette smoke exposure alters mitochondrial structure and function in airway epithelial cells. Respir Res. 2013;14(1):97. DOI: 10.1186/1465-9921-14-97.

43. Wu G., Zhu Q., Zeng J., Gu X., Miao Y., Xu W., Lv T., Song. Extracellular mitochondrial DNA promote NLRP3 inflammasome activation and induce acute lung injury through TLR9 and NF-κB. J Thorac Dis 2019;11:4816–4828. DOI: 10.21037/jtd.2019.10.26

44. Gurung P., Lukens J.R., Kanneganti T.D. Mitochondria: diversity in the regulation of the NLRP3 inflammasome Trends Mol. Med., (2015;21(3):193-201. DOI: 10.1016/j.molmed.2014.11.008

45. Guimaraes C.A., Linder R. Programmed cell death: apoptosis and alternative deathstyles. Eur. J. Biochem. 2004;217:1638–1650. DOI: 10.1111/j.1432-1033.2004.04084.x

46. Harman D. Free radical theory of aging: an update: increasing the functional life span. Ann N Y Acad Sci. 2006;1067:10–21. DOI: 10.1196/annals.1354.003

47. Kovarova M., Hesker P.R., Jania L., Nguyen M.T., Snouwaert J.N., Xiang Z., Lommatzsch S.E. NLRP1-dependent pyroptosis leads to acute lung injury and morbidity in mice. J Immunol. 2012;189:2006–2016. DOI: 10.4049/jimmunol. 1201065

48. Mora A.L., Rojas M. Adult stem cells for chronic lung diseases. Respirology. 2013;18:1041-1046. DOI: 10.1111/resp.12112

49. Rashida Gnanaprakasam J.N., Wu R., Wang R. Metabolic reprogramming in modulating T cell reactive oxygen species generation and antioxidant capacity. Front. Immunol. 2018;9:1075. DOI: 10.3389/fimmu.2018.01075

50. Kamiński M.M., Röth D., Krammer P.H., Gülow K. Mitochondria as oxidative signaling organelles in T-cell activation: physiological role and pathological implications. Arch Immunol Ther Exp (Warsz). 2013;61(5):367-384. DOI: 10.1007/s00005013-0235-0

51. Virmani R., Avolio A.P., Mergner W.J., Robinowitz M., Herderick E.E., Cornhill J.F. Effect of aging on aortic morphology in populations with high and low prevalence of hypertension and atherosclerosis: comparison between occidental and Chinese communities. Am J Pathol. 1991;139:1119–1129.

52. Robert L. Aging of the vascular wall and atherogenesis: role of the elastini-laminin receptor. Atherosclerosis. 1996;123:169–179. DOI: 10.1016/0021-9150(96)05804-2

53. Tennant D.A., Durán R.V., Gottlieb E. Targeting metabolic transformation for cancer therapy. Nat Rev Cancer. 2010;10:267–277. DOI: 10.1038/nrc2817

54. de Cabo R., Carmona-Gutierrez D., Bernier M., Hall M.N., Madeo F. The search for antiaging interventions: from elixirs to fasting regimens. Cell. 2014;157:1515–1526. DOI: 10.1016/j.cell.2014.05.031