Проект “Цифровая персонализированная медицина здорового старения” направлен на изучение новых стратегий по обеспечению здорового старения, увеличению продолжительности жизни населения и улучшению ее качества. Исследования предполагают поиск комбинаций специфических клеточных и молекулярных изменений и путей, определяющих и ответственных за изменение фенотипов пожилых людей от здорового физиологического старения к клинически выраженным патологиям. В результате должны быть выявлены маркеры ранней диагностики патологии по анализу крови и других жидкостей организма, диагностики задолго перед развитием соответствующей симптоматики. Основная идея проекта заключается в использовании существующих и впервые разрабатываемых биологических концепций, а также математических и вычислительных методов анализа данных: методов машинного обучения, сетевого анализа и искусственного интеллекта, которые должны преодолеть барьер имеющихся биомедицинских Больших Данных и обнаружить сложные биомаркеры и факторы риска/защиты ускоренного/замедленного старения, а также выявить новые прогностические и терапевтические цели. В то же время ставится задача объяснить наблюдаемые изменения с помощью моделей системной медицины, с использованием различных сетевых, динамических и математических моделей.
За четыре года реализации проекта кратко можно выделить следующие полученные основные научные результаты: был инициирован сбор биобанка для исследования процессов старения и возраст-зависимых заболеваний у населения РФ, впервые проведена оценка акселерации эпигенетического возраста у населения РФ, получены новые иммунологические маркеры старения человека, на их основе разработаны иммунологические биологические часы, изучены эпигенетические маркеры ряда возраст-зависимых заболеваний и синдромов, выявлены перспективные защитные варианты митохондриальной ДНК, продемонстрирована популяционная гетерогенность скорости эпигенетических часов, исследованы математические модели нейрон-глиальных взаимодействий в контексте развития процесса старения, исследована связь хронической депривации сна с физиологическим и когнитивным состоянием модельных животных.
При выполнении плана исследований, основные усилия были сконцентрированы в нескольких направлениях. Достигнуты следующие основные результаты:
1. Исследование эпигенетики старения населения РФ. Сбор и анализ данных.
Исследованы открытые вопросы об акселерации эпигенетического возраста в российской когорте по сравнению с европейской, а также о дифференциально метилированных регионах, которые специфичны для популяции. Анализ четырех наиболее распространенных эпигенетических часов не показал статистически значимой разницы в ускорении эпигенетического старения. Дифференциальный анализ метилирования выявил незначительные различия в 57 генах, некоторые из которых связаны с заболеваниями, более распространенными в развивающихся странах. Приведено описание расширенного биобанка, характеризации собранных образцов и проведенных исследований, в том числе эпигенетических.
2. Исследование хронических воспалительных процессов у людей с нормальным и ускоренным старением.
Исследованы эпигенетические и иммунологические/воспалительные биомаркеры возраста у пациентов с хронической почечной недостаточностью. Старение и связанные с возрастом заболевания имеют общие основополагающие принципы, которые в значительной степени сводятся к воспалению. Важным риском старения иммунной системы является хроническая болезнь почек – широко распространенная и необратимая патология. Прогрессирующая до терминальной стадии почечная недостаточность считается серьезной проблемой общественного здравоохранения. Между сеансами гемодиализа больные находятся в состоянии стойкой интоксикации, так как почки больных полностью утратили дезинтоксикационную функцию. Показано, что большинство эпигенетических часов, в частности DNAmPhenoAge и GrimAge, показывают возрастное ускорение в группе пациентов. Также было показано, что внешнее ускорение эпигенетического старения не отличается между группами, что свидетельствует о том, что иммунное старение не является основным триггером старения в группе пациентов. Фенотипический возраст выявил более выраженное ускорение старения у больных хронической почечной недостаточностью. Идентифицировано 18 белков плазмы со значительно различающимися уровнями у пациентов с хронической почечной недостаточностью и у здоровых. Эти данные показывают, что значительное количество цитокинов иммунной системы связано как с возрастом, так и с хроническим заболеванием почек, в соответствии с теорией воспаления [1].
3. Исследование генетики, эпигенетики и протеомики старения.
Проведен сетевой анализ эпигенетики людей с синдромом Дауна. Паренклитические сети являются мощным подходом для выявления скрытых взаимосвязей между ковариатами. Применение такого анализа к семьям с детьми с синдромом Дауна позволило выявить отдаленные совместно регулируемые гены, ассоциированные с патологией. Обнаружены биологические процессы и сигнальные пути, характерные не только для пациентов с синдромом Дауна, но также и связанные с возрастными изменениями в организме. Была показана взаимосвязь сетевых характеристик с ускоренным старением и проведено сравнение результатов с ускорением, вычисленным на основе часов Хорвата [3]. Хотя метод предоставляет хорошие возможности для анализа данных, необходимой частью является оценка устойчивости результатов. В результате такой оценки было показано, что при кросс-валидации набор проб сохраняется на 87%. Такой высокий уровень устойчивости подтверждает корректность выявленного набора генов и CpG сайтов. Однако также были обнаружены слабые взаимосвязи, исключаемые стандартным методом. Для последующего решения данной проблемы был разработан и протестирован новый синолитический метод, а также проведено его сравнение со стандартными алгоритмами машинного обучения [2].
Рассмотрены общедоступные наборы данных метилирования ДНК четырех областей мозга (височная, лобная, энторинальная кора и мозжечок) у здоровых взрослых и пациентов с болезнью Альцгеймера (БА) и провели метаанализ для выявления половых, возрастных и связанных с БА эпигенетических профилей. БА характеризуется специфическими изменениями паттернов метилирования ДНК в головном мозге. Известно, что возраст и пол, два основных фактора риска БА, значительно влияют на эпигенетические профили в головном мозге, но их вклад в изменения ДНК, связанные с БА, изучен недостаточно. В результате анализа было показано, что различия в метилировании ДНК между мужчинами и женщинами обычно характерны для четырех областей мозга, в то время как эффекты старения областей коры различны по сравнению с мозжечком. Различия между мужчинами и женщинами, как правило, сохраняются с возрастом. Эпигенетические модификации, связанные с БА, значительно обогащены пробами, метилирование ДНК которых меняется с возрастом, и имеется соответствие между направлением изменений (гипер- или гипометилирование) при старении и болезни Альцгеймера, что подтверждает ускоренное эпигенетическое старение при заболевании. Таким образом, результаты показывают, что возрастные паттерны метилирования ДНК совпадают с эпигенетической дерегуляцией, наблюдаемой при БА, что дает представление о том, как пожилой возраст способствует нейродегенерации [4].
Проведен сравнительный анализ биомаркеров, связанных с возрастом, полученных с помощью эпигенетики для различных тканей (цельная кровь, префронтальная кора и печень), с биомаркерами, полученными из белков плазмы, для выявления сходства между различными типами данных. Идентификация таких сигнатур может помочь понять механизмы старения организма в контексте полового диморфизма. В пересечении всех источников (включая протеомику) мы нашли 18 генов, специфичных для пола и связанных с возрастом. Найденные гены значительно обогащены биологическими процессами, связанными с активностью нейронов, которая меняется с возрастом и может быть различной у мужчин и женщин. Эти гены также связаны с такими хроническими заболеваниями, как атеросклероз, шизофрения, болезнь Паркинсона, проказа, которые являются возрастными и имеют различный риск у мужчин и женщин.
Исследованы ко-мутации митохондриальной ДНК как факторы защиты в экстремальных условиях. Сети представляют собой мощную основу для понимания и прогнозирования поведения многих крупномасштабных сложных систем. При проведении данного анализа мы впервые рассмотрели сетевые мотивы, основные строительные блоки сетей, чтобы описать возможную роль одновременного появления геномных вариаций в основе адаптации к высокогорью в азиатской популяции. Вариации митохондриальной ДНК признаны одним из ключевых игроков в понимании биологических механизмов адаптации к экстремальным условиям. Анализ мотивов с использованием кластеризации выявил разницу между более низкими и высокогорными регионами. Кроме того, было обнаружено, что предковый вариант «RSRS50» 10398 встречается только на больших высотах, что подтверждает тот факт, что на этих высотах мог иметь место отдельный путь колонизации. В целом анализ выявил наличие сопутствующих взаимодействий большой высоты на уровне всего митохондриального генома [6].
Анализ образцов митохондриального генома человека, собранных на пяти континентах, с использованием модели ко-мутационной сети для изучения моделей эволюции человека выявил более богатые ко-мутирующие области митохондриальной ДНК, что указывает на наличие эпистаза. В частности, было обнаружено, что большинство генов СОХ ко-мутируют в азиатских и американских популяциях, в то время как в африканских, европейских и океанических популяциях наблюдается большее смещение ко-мутаций в гипервариабельных регионах. Более того, анализ на основе предковой последовательности показал, что мутации преимущественно сгруппированы в известных митохондриальных гаплогруппах. Нуклеотиды митохондриального генома современного человека больше всего напоминали предковое состояние, и очень немногие из них оказались предковыми вариантами. В целом, эти результаты показали, что ко-мутации на уровне субпопуляции могут способствовать эпистазу, специфичному для митохондриального генома [5].
4. Исследование гетерогенности процессов старения.
На основе открытых лонгитюдных данных исследована гетерогенность процессов старения. Была определена природа внутрипопуляционной вариабельности метилирования ДНК [7] и вариабельности биологического возраста субъектов одного и того же хронологического возраста. Был проведен анализ индивидуальных лонгитюдных траекторий изменения эпигенетического возраста, полученного с помощью четырех наиболее известных часов метилирования ДНК. В результате исследования было показано, что существуют значительные различия в изменении биологического возраста у людей, будь то постоянная разница между эпигенетическим и хронологическим возрастом, либо постепенное расхождение на протяжении всей жизни. Полученные результаты подтверждают существование индивидуальных траекторий старения.
5. Исследование многомерных биомаркеров старения и возраст-ассоциированных заболеваний.
Выявлен многомерный иммунологический/воспалительный биомаркер возраста у пациентов с хронической почечной недостаточностью. Воспалительные часы являются частью большого семейства биомаркеров старения. Многочисленными исследованиями показано, что процесс старения и развитие возрастных синдромов и заболеваний сопровождаются эпигенетическими изменениями ДНК и могут находится под влиянием внешних факторов, таких как алкоголь, курение, профиль микробиома, регион проживания и питание. Недавнее исследование продемонстрировало связь между эпигенетическими часами и заболеванием почек, но не включало пациентов с терминальной стадией хронической почечной недостаточности. Разработаны воспалительные/иммунологические часы, которые оценивают хронологический возраст здоровых людей и оценивают вклад воспаления в ускоренное старение. Реализация алгоритмов машинного обучения позволила выбрать значимые иммунологические биомаркеры и построить модель часов ipAGE, учитывающую сложные взаимосвязи и избыточность цитокиновой сети. Средняя абсолютная ошибка часов составляет около 6 лет, что конкурирует по точности с эпигенетическими часами. ipAGE успешно выявляет ускоренное старение у пациентов с терминальной стадией почечной недостаточности [1].
6. Исследование процессов нейродегенерации и воспаления.
Были проведены эксперименты по выявлению влияния хронической депривации сна на физиологические и когнитивные показатели экспериментальных животных с моделью семейной формы болезни Альцгеймера (мыши линия 5хFAD) в 2 возрастных группах (7-9 и 12 месяцев) [8]. Проведена модификация методики моделирования хронической депривации сна, так как мыши линии 5хFAD в возрасте 7-9 месяцев и старше не переносят десятичасовое лишение сна. Проведена оценка обучения и реконсолидации пространственной памяти в тесте “водный лабиринт Морриса”, проведена оценка психо-эмоционального статуса и общей двигательной активности животных после моделирования хронической депривации сна в тесте “Открытое поле”, выявлены морфологические изменения после депривации сна у животных с семейной формой болезни Альцгемера в 2 возрастных группах. Исследован уровень общего метилирования ДНК в крови экспериментальных животных после моделирования хронической депривации сна.
7. Математическое моделирование процессов воспалительного старения в мозге. Исследование межклеточной сетевой сигнализации в нейрон-астроцитарных сетях мозга.
Методами математического моделирования была исследована концепция «воспалительного» старения в тканях мозга. Было рассмотрено, как процесс старения индуцирует подавление противовоспалительных клеток и, как следствие, переход различных типов клеток в воспалительный фенотип (снижение гетерогенности клеток и клональных экспансий), приводящий к распространению сенесентной волны [9]. Была разработана модель распространения воспалительного старения в мозге [10]. Модель описывает связь между режимом сна и динамикой концентрации «метаболического мусора» во внеклеточной среде мозга, межклеточные взаимодействия между здоровыми и стареющими глиальными клетками. Исследование влияния рассматриваемых биофизических механизмов на скорость развития старения, а также динамические режимы развития процесса старения в модели проводилось методами численного моделирования. Было показано, что депривация сна приводит к увеличению концентрации метаболического мусора и, как следствие, к патологически активной работе микроглии, приводящей к старению клеток.
