Alla ricerca della pillola di Ponce De Leon: sfide nello screening delle molecole antietà

Astratto

Invecchiamentoè caratterizzato dal progressivo accumulo di cambiamenti degenerativi, che culminano in una funzione compromessa e in una maggiore probabilità di morte. È il principale fattore di rischio per molte patologie umane, tra cui cancro, diabete di tipo 2 e malattie cardiovascolarimalattie neurodegenerative– e di conseguenza esercita un enorme tributo sociale ed economico. ILobiettivo principale della ricerca sull'invecchiamentoè quello di sviluppare interventi che possonoritardare l'insorgenza di molteplici malattie legate all'etàEprolungare la durata della vita sana(durata della salute). L'osservazione che una maggiore longevità e salute può essere raggiunta negli organismi modello darestrizione dieteticao semplicemanipolazioni geneticheha spinto la caccia ai composti chimici che possonoaumentare la durata della vita.La maggior parte dei percorsi che modulano il tasso di invecchiamento nei mammiferi hanno omologhi in lieviti, mosche e vermi, suggerendo che lo screening iniziale per identificare taliinterventi farmacologicipuò essere possibile utilizzando modelli di invertebrati. Negli ultimi anni sono stati identificati diversi composti che possono prolungare la durata della vita negli invertebrati e persino nei roditori. Qui riassumiamo le strategie impiegate e i progressi compiuti nell'identificazione di composti in grado di prolungare la durata della vita in organismi che vanno dagli invertebrati ai topi e discutiamo le formidabili sfide nel tradurre questo lavoro in terapie umane.

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Parole chiaveinvecchiamento, medicina anti-invecchiamento,malattie legate all'età

introduzione

L'invecchiamento è caratterizzato da cambiamenti molecolari, cellulari e organici che culminano nell'incapacità di un organismo di mantenere l'integrità fisiologica1. Negli esseri umani, l'invecchiamento è associato a una predisposizione notevolmente aumentata a un'ampia varietà di malattie, tra cui il cancro, il diabete di tipo 2 (T2D), la neurodegenerazione e le malattie cardiovascolari, che portano a un aumento della morbilità e della mortalità1,2. L'obiettivo a lungo termine della ricerca sull'invecchiamento è sviluppare interventi in grado di ritardare l'insorgenza di malattie associate all'età e promuovere la longevità. Con questo obiettivo, la ricerca in biogerontologia si concentra sul chiarimento dei meccanismi di base dell'invecchiamento. Le prove attuali suggeriscono che molti di questi meccanismi sono conservati tra gli eucarioti, dal lievito ai mammiferi.

Negli ultimi decenni, il lavoro su diversi organismi ha identificato percorsi di segnalazione cellulare che modulano il tasso di invecchiamento3,4 . Molti di questi percorsi funzionano normalmente per rilevare lo stato nutrizionale dell'organismo (Figura 1) e avviano cascate di segnalazione che modulano specifici percorsi inter- e intra-cellulari e alterano di conseguenza la fisiologia delle cellule bersaglio2. Questi percorsi di rilevamento dei nutrienti, che includono la segnalazione dell'insulina e del fattore di crescita simile all'insulina (IGF) (IIS)5 , l'obiettivo della segnalazione della rapamicina (mTOR).6, segnalazione della proteina chinasi attivata dall'adenosina monofosfato (AMP) (AMPK).7, e sirtuine8, coordinano i processi legati alla crescita cellulare e al metabolismo e li integrano con livelli di nutrienti, energia, fattori di crescita e stress. Quando i livelli di nutrienti e gli stimoli di crescita vengono ridotti, la segnalazione attraverso questi percorsi viene alterata. La manipolazione genetica o, in alcuni casi, farmacologica di questi percorsi può portare all'estensione della durata della vita, mentre la loro disregolazione associata all'età può contribuire alla senescenza dell'organismo.

La restrizione dietetica (DR), un regime dietetico che comporta una riduzione dell'ingestione complessiva di calorie senza malnutrizione o una diminuzione dell'assunzione di specifici componenti dietetici come gli aminoacidi, è l'intervento meglio caratterizzato che rallenta l'invecchiamento e ritarda la malattia in un'ampia gamma di specie9,10. Gli effettori molecolari implicati nella mediazione dei notevoli effetti della DR includono questi percorsi di rilevamento dei nutrienti9. Le prove iniziali suggeriscono che alcuni di questi stessi percorsi possono avere un impatto sull'invecchiamento e sulla malattia anche negli esseri umani. Ad esempio, le varianti genetiche inFOXO3Agene, che codifica un fattore di trascrizione a valle di IIS, sono stati collegati alla longevità umana11–16. Gli individui con nanismo di Laron hanno notevolmente ridotto i livelli sierici di IGF1 e una profonda protezione dal T2D e dal cancro17. Gli interventi farmacologici che imitano parzialmente la DR modulando le attività di questi percorsi di rilevamento dei nutrienti hanno il potenziale per migliorare la durata della salute e promuovere la longevità. Ad esempio, è stato proposto che la rapamicina, uno specifico inibitore di mTOR, provochi alcuni degli effetti benefici della DR in condizioni di alimentazione e nutrienti standard18. Allo stesso modo, è stato dimostrato che una manciata di altre molecole come la metformina e il resveratrolo modulano la segnalazione dei nutrienti e promuovono la durata della salute in più organismi modello e sono discusse in dettaglio successivamente.

Oltre alla disregolazione delle vie di rilevamento dei nutrienti, altri meccanismi conservati implicati nelle manifestazioni deleterie dell'invecchiamento includono (Figura 1) i)disfunzione mitocondriale, che porta a metabolismo respiratorio compromesso, aumento della generazione di specie reattive dell'ossigeno (ROS), così come potenzialmente altre sequele,ii)aumento dell'accumulo di danno al DNA, indotto da insulti esogeni e rischi endogeni inclusi errori di replicazione del DNA e ROS,iii)diminuzione della proteostasi associata ad aumento del ripiegamento e dell'aggregazione delle proteine,iv)senescenza cellulare, che contribuisce alla disfunzione tissutale,v)aumento dell'infiammazione sterile,vi)attrito delle cellule staminali evii)alterazioni epigenetiche1,19. Per una discussione più completa sui meccanismi di invecchiamento conservati, si rimanda il lettore altrove1. Gli agenti farmacologici mirati ad alcuni di questi cambiamenti rappresentano farmaci anti-invecchiamento candidati. In questa recensione, forniremo una panoramica degli interventi farmacologici con le capacità note o potenziali di ritardare l'invecchiamento e promuovere la salute in tarda età. Innanzitutto, riassumiamo i principali contributi che gli studi sui sistemi modello di invertebrati hanno apportato agli sforzi di screening per identificare farmaci anti-invecchiamento a piccole molecole. Quindi ci concentriamo in modo approfondito sulle molecole attualmente in fase di studio per il loro potenziale di prolungare la durata della vita e ritardare la malattia. Infine, verranno discusse le sfide nello screening di nuovi farmaci anti-invecchiamento e nella traduzione di questo lavoro per gli esseri umani.

Invertebrati come sistemi modello per lo screening di piccole molecole pro-longevità

A causa di una varietà di fattori, tra cui in particolare la facilità di manipolazione genetica e una fisiologia simile a quella umana, il topo è diventato l'organismo modello di mammifero preminente nella biologia dell'invecchiamento20. Tuttavia, alla luce degli alti costi abitativi e della durata di vita relativamente lunga dei topi, in questo organismo non è fattibile uno screening imparziale su larga scala per identificare i farmaci antietà. Con la consapevolezza che molti percorsi legati all'invecchiamento sono evolutivamente conservati, anche tra specie ampiamente divergenti, per tale screening sono stati invece impiegati modelli di invertebrati di breve durata. Il nematode Caenorhabditis elegans - con la sua breve durata di ~ 3 settimane, la facilità di coltura e manipolazione genetica e la biologia dell'invecchiamento ben caratterizzata - rappresenta un sistema modello molto attraente per lo screening chimico per identificare i composti che modulano la durata della vita e i fenotipi legati all'età. In effetti, diversi studi hanno identificato una serie di composti anti-invecchiamento candidati utilizzando C. elegans come organismo modello. Ad oggi, lo screening più completo della durata della vita di piccole molecole utilizzando C. elegans è stato condotto da Petrascheck et al., che hanno valutato 88000 sostanze chimiche per la loro capacità di migliorare la longevità21. Hanno identificato 115 composti che hanno aumentato significativamente la durata della vita dei vermi. È interessante notare che uno di questi ha mostrato una somiglianza strutturale con gli antidepressivi umani che influenzano la segnalazione del neurotrasmettitore serotonina. Successivamente hanno scoperto che mianserina, un antagonista del recettore della serotonina utilizzato come antidepressivo negli esseri umani, prolunga la durata della vita di C. elegans quando somministrato a 50 μM, probabilmente tramite meccanismi collegati a DR21. In una valutazione di 19 composti con effetti noti sulla fisiologia umana, Evason et al. ha riportato che gli anticonvulsivanti etosuccimide (dosati a 2 e 4 mg/mL), trimetadione (4 mg/mL) e 3,3-dietil-2-pirrolidinone (2 mg/mL) hanno ritardato i cambiamenti legati all'età e aumento della durata della vita di C. elegans22.

Utilizzando un approccio bioinformatico per identificare i mimetici DR, Calvert et al. hanno analizzato farmaci che inducono cambiamenti di espressione genica simili a quelli associati alla DR e hanno identificato 11 piccole molecole con questa proprietà23. È interessante notare che, tra i cinque farmaci testati, quattro - rapamicina (somministrata a 10 μM), allantoina (250 μM), tricostatina A (100 μM) e LY-294002 (100 μM) - hanno provocato un aumento della durata della vita e della salute in natura. tipo (WT) C. elegans. Al contrario, non sono stati osservati effetti di longevità nel background mutante eat-2, un modello genetico DR, suggerendo che gli effetti di estensione della vita di questi farmaci possono effettivamente verificarsi tramite meccanismi correlati alla DR23.

Uno studio di Alavez et al. riferito che i composti che legano l'amiloide mantengono l'omeostasi proteica e prolungano la durata della vita in C. elegans24. L'esposizione dei vermi WT al colorante legante l'amiloide Thioflavin T (ThT) a 50 o 100 μM durante l'età adulta ha aumentato la durata mediana della vita del 60% e la durata massima del 43-78% 24. Il trattamento ThT ha ridotto l'aggregazione A e preservato l'integrità muscolare in C. elegans modelli della malattia di Alzheimer (AD), con conseguente diminuzione della percentuale di vermi paralizzati. La somministrazione di ThT ha anche soppresso la tossicità associata alle proteine ​​metastabili nei vermi mutanti24. La soppressione mediata da ThT dell'aggregazione proteica e l'estensione della durata della vita dipendevano da chaperoni molecolari, autofagia, funzione proteasomica, fattore di shock termico 1 del regolatore della proteostasi (HSF-1) e fattore di trascrizione della resistenza allo stress e della longevità SKN-124 . Anche i composti con somiglianza strutturale con ThT hanno esteso la durata della vita dei vermi fino al 40%, ma a concentrazioni significativamente inferiori rispetto a ThT. Inoltre, l'esposizione ad altri composti che legano gli aggregati proteici come la curcumina (100 μM) e la rifampicina (10-100 μM) ha esteso la durata della vita del verme fino al 45% 24. Questi risultati evidenziano l'importanza della proteostasi nella durata della salute e della vita del verme e forniscono ulteriore impulso allo sviluppo di interventi in grado di mantenere la proteostasi per sopprimere l'invecchiamento e le malattie legate all'età.

Il National Institute of Aging ha recentemente sponsorizzato un programma di intervento farmacologico utilizzando Caenorhabditis come sistema modello, analogo a simili sforzi in corso nel topo. Il Caenorhabditis Intervention Testing Program (CITP) è uno sforzo multi-istituzionale volto a identificare composti con la capacità di prolungare la durata della vita e migliorare la durata della salute, utilizzando più specie di Caenorhabditis e più ceppi di C. elegans. L'identificazione di composti che sono efficaci in popolazioni di vermi geneticamente diverse può accelerare la scoperta di interventi che possono estendere la durata della vita/della salute in altre specie, compresi potenzialmente gli esseri umani.

Il moscerino della frutta Drosophila melanogaster rappresenta un altro modello adatto per lo screening di composti anti-invecchiamento25. È disponibile un'ampia varietà di ceppi genetici di D. melanogaster, con diverse durate di vita media, utili per la convalida dell'efficacia del composto su più background genetici. Simile a C. elegans, Drosophila ha una vita breve e i numerosi strumenti genetici disponibili in questo organismo facilitano lo studio meccanicistico dei composti di piombo25. Il primo studio che ha riportato l'estensione della durata della vita nella Drosophila mediante la somministrazione di un farmaco è stato eseguito da Kang et al., che hanno dimostrato che l'alimentazione di Drosophila 4-fenilbutirrato a 5-10 mM - un farmaco con attività multiple, inclusa l'inibizione dell'istone deacetilasi - significativamente ha aumentato la durata media e massima della vita senza impatti negativi sulla locomozione, sulla resistenza allo stress o sulla riproduzione26. Uno studio più recente ha descritto lo screening degli inibitori della protein chinasi per gli effetti sulla durata della vita della Drosophila27. Tra gli 80 inibitori testati in questo studio, 17 hanno aumentato significativamente la durata della vita della Drosophila senza influire sull'assunzione o sul consumo di cibo, indicando che gli effetti di questi inibitori sulla durata della vita della Drosophila non coinvolgono il DR27. A questo proposito, un recente studio di Slack et al. riferito che l'attenuazione della segnalazione RAS-Erk-ETS si traduce in una riduzione dell'IIS e provoca un'estensione della durata della vita in Drosophila28. Trametinib (1,56-15,6 μM), un inibitore MEK altamente specifico che attenua la segnalazione a valle della RAS, può prolungare la durata media della vita della femmina di Drosophila fino al 12% (p=1.92 × 10-10) e a dosi più elevate (156 μM), migliora la sopravvivenza in tarda età28. La somministrazione di trametinib è risultata efficace nel promuovere la longevità dei moscerini anche quando somministrata ad animali di mezza età. Questi e risultati simili con altri farmaci – cfr. estensione della durata della vita del topo mediante trattamento con rapamicina iniziato nella mezza età, vedi sotto - aumentare la possibilità che i farmaci antietà negli esseri umani possano essere efficaci anche se somministrati a individui più anziani, evitando così i potenziali effetti collaterali sullo sviluppo di questi farmaci.

Composti che modulano l'invecchiamento e i fenotipi associati all'età nei mammiferi

L'inibitore mTOR rapamicina

mTOR è una serina/treonina chinasi conservata che rileva e risponde alla disponibilità di nutrienti, ai fattori di crescita e allo stress ambientale e svolge un ruolo chiave nell'innescare la crescita6,29. Negli eucarioti multicellulari, mTOR esiste in due distinti complessi multiproteici, mTORC1 e mTORC2, distinti per la loro associazione con la proteina associata alla regolazione di mTOR (RAPTOR) e il compagno insensibile alla rapamicina di mTOR (RICTOR), rispettivamente30,31. La rapamicina forma un complesso con la proteina FKBP12, che si lega a mTORC1 e ne inibisce l'attività 32. È importante sottolineare che il trattamento cronico con rapamicina inibisce anche mTORC233. L'attività di mTORC1 è regolata da nutrienti (glucosio e aminoacidi), citochine, ormoni (insulina o IGF1), energia (livelli di ATP) e stress ossidativo tramite segnalazione PI3K, AKT e AMPK6. I principali mediatori a valle della segnalazione mTORC1 sono percorsi che controllano la crescita cellulare, la proliferazione, la risposta allo stress e l'autofagia29,34. mTORC1, quindi, integra in modo critico la crescita e il mantenimento cellulare con la disponibilità di nutrienti, segnali ormonali e altri stimoli ambientali.

Numerosi studi hanno stabilito un legame tra le vie di segnalazione mTOR e la longevità in organismi che vanno dal lievito ai mammiferi. L'inibizione della segnalazione mTOR con mezzi genetici o farmacologici prolunga la durata della vita nel lievito35-37, nei nematodi38,39, nei moscerini della frutta40 e nei topi33,41-47. Allo stesso modo, la delezione genetica nei topi dell'effettore mTORC1 a valle, S6 chinasi 1, aumenta il metabolismo ossidativo, protegge dall'obesità indotta dall'età e dalla dieta e aumenta la durata della vita femminile47,48. Coerentemente, una maggiore attività del bersaglio mTORC1 4E-BP1 nel muscolo scheletrico si traduce in un aumento del metabolismo ossidativo e protegge i topi dalla disfunzione metabolica indotta dalla dieta e dall'età49. In uno studio fondamentale, l'Interventions Testing Program (ITP) della NIA ha dimostrato che il trattamento di uno stock di topo geneticamente eterogeneo con l'inibitore mTOR rapamicina (somministrato a 14 mg/kg di cibo; 2,24 mg/kg di peso corporeo/giorno) è iniziato a 9 mesi o 20 mesi di età prolungano la durata della vita in entrambi i sessi43,50. Uno studio di follow-up ha dimostrato che l'aumento della durata della vita del topo indotto dalla rapamicina è dipendente dalla dose e dal sesso. A una data concentrazione di rapamicina nel mangime, le femmine di topo hanno mostrato un aumento della durata della vita maggiore rispetto ai maschi, il che era correlato a livelli ematici più elevati di rapamicina raggiunti nelle femmine rispetto ai maschi51. Il trattamento con rapamicina ha indotto cambiamenti di espressione genica completamente distinti nei maschi e nelle femmine, il che implica l'esistenza di risposte sesso-specifiche all'inibizione di mTOR51. Inoltre, i modelli di espressione degli enzimi che metabolizzano gli xenobiotici nel fegato dei topi trattati con rapamicina (14 mg/kg di cibo) differivano in modo sorprendente da quelli negli animali esposti a DR a 12 mesi di età51. In effetti, la DR è meno efficace nell'estensione della durata della vita se iniziata più tardi nella vita52-54, mentre il trattamento con rapamicina prolunga la durata della vita dei topi, anche se iniziato nella mezza età43,55. Fondamentalmente, l'estensione della durata della vita indotta dalla rapamicina nei topi è stata osservata anche in diversi background genetici41,42,44,56.

In uno studio fondamentale, l'Interventions Testing Program (ITP) della NIA ha dimostrato che il trattamento di uno stock di topo geneticamente eterogeneo con l'inibitore mTOR rapamicina (somministrato a 14 mg/kg di cibo; 2,24 mg/kg di peso corporeo/giorno) è iniziato a 9 mesi o 20 mesi di età prolungano la durata della vita in entrambi i sessi43,50. Uno studio di follow-up ha dimostrato che l'aumento della durata della vita del topo indotto dalla rapamicina è dipendente dalla dose e dal sesso. A una data concentrazione di rapamicina nel mangime, le femmine di topo hanno mostrato un aumento della durata della vita maggiore rispetto ai maschi, il che era correlato a livelli ematici più elevati di rapamicina raggiunti nelle femmine rispetto ai maschi51. Il trattamento con rapamicina ha indotto cambiamenti di espressione genica completamente distinti nei maschi e nelle femmine, il che implica l'esistenza di risposte sesso-specifiche all'inibizione di mTOR51. Inoltre, i modelli di espressione degli enzimi che metabolizzano gli xenobiotici nel fegato dei topi trattati con rapamicina (14 mg/kg di cibo) differivano in modo sorprendente da quelli negli animali esposti a DR a 12 mesi di età51. In effetti, la DR è meno efficace nell'estensione della durata della vita se iniziata più tardi nella vita52-54, mentre il trattamento con rapamicina prolunga la durata della vita dei topi, anche se iniziato nella mezza età43,55. Fondamentalmente, l'estensione della durata della vita indotta dalla rapamicina nei topi è stata osservata anche in diversi background genetici41,42,44,56.

I meccanismi di estensione della longevità da parte della rapamicina rimangono un argomento molto dibattuto nella biologia dell'invecchiamento 56,57. La rapamicina ha proprietà antineoplastiche58-60 e il cancro è la principale causa di morte nella maggior parte dei ceppi di topi che mostrano un'estensione della durata della vita mediata dalla rapamicina43,61. In questo contesto, una spiegazione plausibile per l'estensione della durata della vita del topo da parte della rapamicina è che questo farmaco sopprime l'insorgenza e/o l'aggressività dei tumori letali. Tuttavia, alcuni ricercatori hanno riferito che la rapamicina inibisce anche i fenotipi associati all'età oltre alla neoplasia62,63, suggerendo fortemente che questo farmaco abbia effetti antietà più ampi. Al contrario, un recente studio esaustivo di Neff et al. ha affermato che gli effetti della rapamicina sui fenotipi di invecchiamento di per sé erano piuttosto limitati56. A questo proposito, sono state fatte osservazioni contrastanti sugli effetti del trattamento con rapamicina nei modelli murini di AD64. Il trattamento a lungo termine con rapamicina ha portato a miglioramenti comportamentali nei modelli murini di AD e ha indotto una diminuzione mediata dall'autofagia nei livelli di A e tau iperfosforilata65,66. Al contrario, è stato dimostrato che la rapamicina promuove la produzione di A67,68 e determina un aumento della morte cellulare indotta da A69.

La rapamicina ha effetti collaterali significativi – disfunzione metabolica, cataratta e atrofia testicolare in particolare – che possono limitare la sua utilità a lungo termine come trattamento antietà negli esseri umani70,71. Ancora più importante, a causa degli effetti immunomodulatori degli inibitori di mTOR, il trattamento di pazienti umani con il farmaco rapamicina-simile everolimus/RAD001 è associato a una maggiore incidenza di infezione in individui con malattie come il cancro72,73 e il complesso della sclerosi tuberosa (TSC)74 . Al contrario, uno studio recente ha dimostrato che la somministrazione a breve termine di everolimus/RAD001 a soggetti anziani sani ha migliorato la risposta immunologica alla vaccinazione antinfluenzale, con effetti collaterali modesti75. Questi risultati suggeriscono che la somministrazione intermittente oa breve termine di rapamicina o altri inibitori di mTOR potrebbe sopprimere alcuni effetti funzionalmente importanti dell'invecchiamento, come una scarsa risposta immunitaria evitando le conseguenze negative associate all'uso cronico di questi agenti. Un recente studio sui topi è coerente con questa visione, identificando un regime di somministrazione intermittente di rapamicina nei topi che riduce al minimo la disfunzione metabolica, pur mantenendo la soppressione cronica di mTORC1 nel tessuto adiposo, sebbene non in altri tessuti77. Sarà di grande interesse valutare gli effetti di tali regimi di dosaggio intermittente su un'ampia gamma di fenotipi associati all'età e sulla durata della vita.

Metformina e altre biguanidi

La metformina, un agente antiglicemico biguanide orale, è il farmaco più utilizzato nel trattamento della sindrome metabolica e del diabete di tipo 2. Il meccanismo d'azione della metformina non è completamente compreso ed è probabile che sia multifattoriale. È stato riportato che riduce i livelli di glucosio sierico inibendo il complesso I della catena respiratoria negli epatociti78, con conseguente riduzione della produzione di ATP, che porta all'attivazione delle chinasi LKB1 e AMPK, sopprimendo la gluconeogenesi epatica79,80. È stato riportato che la metformina attiva l'AMPK in molti altri tessuti, tra cui adiposo, muscolo scheletrico, cuore, cellule pancreatiche e ipotalamo con potenziali effetti fisiologici benefici nei pazienti con T2D81,82. Tuttavia, la metformina esercita anche importanti effetti indipendenti da AMPK e LKB183, ad esempio antagonizzando l'azione del glucagone84. Recentemente, è stato rivelato un altro meccanismo indipendente da AMPK per la metformina. Uno studio di Madiraju et al. ha dimostrato che la metformina inibisce in modo non competitivo l'enzima navetta redox glicerofosfato deidrogenasi mitocondriale, aumentando lo stato redox citosolico e diminuendo lo stato redox mitocondriale 85. Ciò sopprime la gluconeogenesi epatica riducendo la conversione del lattato e del glicerolo in glucosio 85. Sebbene la metformina sia attualmente approvata per il trattamento del T2D, un'ampia letteratura suggerisce l'efficacia della metformina controaltre condizioni, in particolare le malattie cardiovascolarie cancro78. A questo proposito, uno studio recente ha dimostrato che la metformina riduce la tumorigenesi inibendo il complesso mitocondriale I nelle cellule tumorali86.

L'attivazione di AMPK provoca longevità in mosche e vermi 87,88. Numerosi studi suggeriscono che il trattamento con metformina può ricapitolare alcuni effetti della DR. In questo contesto, diversi studi hanno esaminato gli effetti della metformina e di altri biguanidi sulla durata della vita e hanno riportato una varietà di risultati. La metformina e altre biguanidi prolungano la durata della vita di C. elegan in modo dose-dipendente89-91. L'aumento della durata della vita di C. elegans da parte della metformina è mediato dall'inibizione del metabolismo del folato batterico e della metionina, che a sua volta altera il metabolismo della metionina nel verme, con conseguente riduzione dei livelli di S-adenosilmetionina e aumento dei livelli di S-adenosilomocisteina89. Tuttavia, la metformina apparentemente non prolunga la longevità in D. melanogaster92,93. In effetti, nonostante la robusta attivazione dell'AMPK, alte dosi di metformina riducono effettivamente la durata della vita delle mosche maschi e femmine93, forse a causa dell'interruzione dell'omeostasi del fluido intestinale93. Tuttavia, il trattamento con metformina ha soppresso i fenotipi legati all'età nelle cellule staminali dell'intestino medio94 ed ha anche esercitato effetti benefici in un modello di obesità da mosca95. Uno studio recente ha dimostrato che il trattamento con metformina provoca un significativo prolungamento della durata media e massima della vita in entrambi i sessi del grillo Acheta domesticus96. Diversi studi sono stati condotti su roditori per testare gli effetti della metformina e di altre biguanidi sulla durata della vita; i risultati sono variati con il genotipo, il sesso, la dose e la durata del trattamento97. Il trattamento cronico con metformina (100 mg/kg nell'acqua da bere) ha aumentato dell'8% la durata media della vita dei topi HER-2/neu transgenici, outbred SHR e inbred 129/Sv (p<0.05), 37.8% (p<0.01), and 4.4% (p<0.05), respectively98–100. Metformin treatment also extended the maximum lifespan of HER-2/neu transgenic and outbred SHR female mice by 9% and 10.3%, respectively, while no effect was observed on maximal lifespan in inbred 129/Sv female mice98–100. Conversely, treatment of inbred 129/Sv male mice with a similar dose of metformin actually reduced mean lifespan by 13.4%100. However, metformin treatment (2 mg/mL in drinking water) in a transgenic mouse model of Huntington's disease (HD) prolonged male mean lifespan by 20.1% (p=0.017), but did not affect female survival101. It has been reported that metformin treatment (100 mg/kg in the drinking water) of female outbred SHR mice initiated at 3 months of age-induced a trend towards increased mean lifespan102. Metformin treatment also postponed the onset of detectable tumors when started at young or middle ages, but not at old age102. Neonatal metformin treatment of 129/Sv mice (100 mg/kg via subcutaneous injection) led to a 20% (p<0.001) increase in male mean lifespan and also slightly increased maximum lifespan by 3.5%103. However, in females, the mean and maximum lifespan in metformin-treated groups were decreased by 9.1% and 3.8%, respectively103. In a recent study by MartinMontalvo et al., male C57BL/6 mice supplemented with 0.1% metformin in the diet showed a 5.8% increase in mean lifespan (p=0.02, Gehan–Breslow survival test), whereas supplementation with 1% metformin was toxic and reduced mean lifespan by 14.4%104. However, supplementation of B6C3F1 male mice with 0.1% metformin resulted in the extension of mean lifespan only by 4.2% (p=0.064, Gehan–Breslow)104. Treatment with another biguanide, phenformin (2 mg/mouse in 0.2 mL of drinking water), significantly reduced spontaneous tumor development in female C3H/Sn mice and prolonged mean lifespan by 21% or more (p<0.05)105,106 and maximum lifespan by 26%105. Evaluation of the lifespan effects of metformin in mice by the ITP consortium is ongoing, and the results should be available soon.

Nei ratti, il trattamento con buformina (5 mg/ratto in 1 mL di acqua da bere) ha portato a un aumento non significativo del 7,3% della durata media della vita degli animali LIO femmine, mentre la fenformina (5 mg/ratto in 1 mL di acqua da bere) non ha avuto effetto105. Tuttavia, la somministrazione sia di buformina che di fenformina ha aumentato la durata massima della vita delle femmine di ratto LIO rispettivamente del 5,5% e del 9,8%105. Il trattamento con metformina (300 mg/kg/die) non ha aumentato la durata media o massima della vita dei ratti maschi F344107. Tuttavia, nello stesso rapporto, anche un gruppo parallelo di ratti maschi F344 esposti a DR non ha mostrato un'estensione della durata della vita107, lasciando i risultati della metformina in questo studio alquanto inconcludenti. Meccanicamente, il trattamento con metformina è stato proposto per imitare alcuni effetti della DR, in particolare aumentando l'attività dell'AMPK e attivando anche le risposte antiossidanti, portando a una riduzione sia dell'accumulo di danno ossidativo che dell'infiammazione cronica104.

Sebbene nessuno studio abbia analizzato formalmente gli effetti del trattamento a lungo termine con metformina sulla durata della vita in esseri umani sani, gli studi clinici randomizzati sulla metformina hanno mostrato effetti benefici sulla salute e sulla sopravvivenza nei pazienti in sovrappeso/obesi con T2D, come dimostrato dalla diminuzione dell'incidenza di malattie cardiovascolari e cancro e ridotta mortalità complessiva108-110. Tuttavia, quando combinata con sulfonilurea, la metformina ha aumentato il rischio di morte correlata al diabete e mortalità per tutte le cause in un gruppo misto di individui non sovrappeso e sovrappeso/obesi con T2D78,108. Coerentemente con queste osservazioni, un recente studio di Bannister et al. hanno riferito che i pazienti con T2D trattati con metformina hanno mostrato una sopravvivenza migliore rispetto ai controlli abbinati, non diabetici, mentre quelli trattati con sulfoniluree hanno mostrato una sopravvivenza ridotta111.

Dati i dati relativamente promettenti sui roditori, i suggerimenti che la metformina potrebbe sopprimere il cancro e altre condizioni associate all'età negli esseri umani e il profilo di sicurezza relativamente benigno della metformina, c'è un grande interesse attuale nel testare formalmente la capacità di questo farmaco di ritardare la malattia associata all'età negli esseri umani112. In effetti, la Food and Drug Administration (FDA) statunitense ha recentemente approvato uno studio denominato Targeting Aging With Metformin (TAME) per la valutazione della metformina come farmaco anti-invecchiamento. Il progetto TAME coinvolgerà circa 3000 partecipanti di età compresa tra 70 e 80 anni che hanno già una, due o tutte e tre le condizioni: cancro, malattie cardiache o deterioramento cognitivo o sono a rischio di svilupparle. La sperimentazione si svolgerà in circa 15 centri negli Stati Uniti nell'arco di 5-7 anni, con un costo di circa 50 milioni di dollari113. L'obiettivo dello studio è determinare se la metformina può prevenire l'insorgenza di malattie associate all'età. Questo studio storico rappresenterà il primo test di un candidato composto anti-invecchiamento negli esseri umani.

Resveratrolo e altri composti che attivano la sirtuina

Le sirtuine sono una famiglia di deacetilasi/ADP ribosiltransferasi/deacetilasi dipendenti da NAD più implicate nella regolazione delle risposte ai nutrienti e in numerosi altri aspetti della biologia cellulare8. La sovraespressione di Sir2, il membro fondatore della famiglia delle sirtuine, estende la durata della vita replicativa nel lievito gemmante Saccharomyces cerevisiae reprimendo l'accumulo di plasmidi di rDNA extracromosomici, promuovendo la segregazione di un proteoma non danneggiato alla cellula figlia, imponendo il silenziamento subtelomerico e forse altri meccanismi114, 115. Diversi ricercatori, anche se non tutti, hanno scoperto che la sovraespressione di sirtuine in vermi e mosche aumenta modestamente la durata della vita in questi organismi116-123. È interessante notare che l'omologo Sir2 Sir-2.1 può estendere la durata della vita di C. elegan in modo indipendente dalla sua attività deacetilasi116. Infatti, la nicotinamide (NAM), un prodotto dell'attività sirtuina, e il suo metabolita, 1-metil nicotinamide (MNA), sono in grado di prolungare la durata della vita del verme, potenzialmente inducendo segnali ROS transitori116. Nei mammiferi, SIRT1 è l'omologo Sir2 più vicino; la sovraespressione di questa proteina nel cervello (ma non nell'intero organismo) prolunga la durata della vita124, probabilmente potenziando la funzione ipotalamica durante l'invecchiamento125. La sovraespressione globale di un'altra sirtuina, SIRT6, prolunga in particolare la durata della vita dei topi nei maschi, almeno in parte attraverso la soppressione del cancro ai polmoni, una delle principali cause di morte nei maschi del ceppo di topi utilizzato126,127. La sovraespressione di SIRT2 stabilizza i livelli della proteina del checkpoint mitotico BubR1 nei topi progeroidi BubR1H/H ed estende sia la durata mediana che quella massima nei topi maschi di questo ceppo128. Non sono disponibili informazioni sui potenziali effetti della sovraespressione cronica di SIRT2 negli animali WT. Prove accumulate suggeriscono che i livelli di NAD plus possono diminuire durante l'invecchiamento, compromettendo l'attività di sirtuin e che la capacità della sovraespressione di sirtuin di aumentare la durata della vita contrasta parzialmente questo effetto mantenendo la funzione di sirtuin a fronte di un ridotto pool di NAD plus negli organismi più anziani129.

Il resveratrolo e alcuni altri polifenoli sono stati originariamente identificati come attivatori Sir2/SIRT1 che prolungavano la durata media e massima della vita del lievito130. È importante notare che il resveratrolo è un farmaco altamente promiscuo ed esercita effetti funzionalmente importanti su molti bersagli cellulari131. È stato anche riportato che il trattamento di vermi e mosche con res veratrolo (dosato a 100 μM nei vermi e 10-100 μM nelle mosche) prolunga la durata della vita, a seconda della presenza di Sir-2.1 e dSir2, rispettivamente132. Tuttavia, uno studio di Bass et al. ha affermato che il trattamento con resveratrolo (1-1000 μM) non ha avuto effetti significativi sulla durata della vita della Drosophila133. Lo stesso studio ha anche riportato che il trattamento con resveratrolo a 100 μM ha indotto solo un leggero e sporadico aumento della durata della vita di C. elegans sia negli animali mutanti WT che sir-2.1, suggerendo che questi piccoli aumenti della durata della vita di C. elegans indotti da il resveratrolo può essere Sir-2.1 indipendente133. Il resveratrolo protegge i vermi dallo stress ossidativo, dai danni indotti dalle radiazioni e dalla tossicità dell'amiloide134-136 e induce anche la radioprotezione nelle mosche137. Il trattamento con resveratrolo aumenta la durata media e massima della vita delle api mellifere138 e dei pesci a vita breve Nothobranchius furzeri e Nothobranchius guentheri139-141.

È stato riportato che il resveratrolo e altri composti attivanti la sirtuina (STAC) attivano Sir2/SIRT1 allostericamente130. Tuttavia, altri gruppi hanno scoperto che questi composti non erano in grado di potenziare l'attività di SIRT1 nei confronti dei peptidi nativi in ​​vitro142,143. In questo contesto, è stato suggerito che l'aumentata attività di SIRT1 indotta dal resveratrolo dipenda dalla presenza di un fluoroforo non nativo coniugato alla sequenza peptidica originariamente utilizzata nello screening per gli attivatori di SIRT1142,143. Rapporti recenti, tuttavia, hanno dimostrato che il resveratrolo e altri STAC si legano direttamente a SIRT1 e migliorano allostericamente la sua attività deacetilasica nei confronti di substrati peptidici non marcati144,145. È stato anche riportato che il resveratrolo inibisce l'attività catalitica della tirosil transfer-RNA (tRNA) sintetasi (TyrRS) umana, con conseguente traslocazione nucleare e stimolazione dell'attivazione NAD più -dipendente della poli (ADP-ribosio) polimerasi 1 (PARP1)146 . PARP1 svolge ruoli importanti sia nella riparazione del DNA che nella trascrizione147.

Nei topi, il resveratrolo è protettivo contro alcuni effetti dannosi delle diete ricche di grassi e ipercaloriche148-151, riduce sostanzialmente la crescita e lo sviluppo di molteplici tipi di tumori152-154 e ritarda o previene l'insorgenza dell'AD155,156. Inoltre, nei roditori e nell'uomo, il resveratrolo è protettivo sia contro il diabete di tipo 1 e T2D157,158 sia contro le malattie cardiovascolari159 e possiede attività antinfiammatorie160 e antivirali161. È stato riportato che l'integrazione di resveratrolo (a 0,016–0,1 percento della dieta o 25 mg/kg/die) aumenta la durata della vita in modelli murini di obesità148, AD162, HD163 e sclerosi laterale amiotrofica164,165. Il trattamento con resveratrolo (2-8 mg/kg/die) aumenta la durata della vita dei topi trattati con LPS166 e attenua la mortalità indotta da catecolamine nei ratti obesi (20 mg/kg/die)167. Inoltre, il resveratrolo (10 mg/mL, iniezione intraperitoneale) prolunga la sopravvivenza in un modello murino di danno renale acuto indotto da sepsi e ripristina la microcircolazione renale168. Anche la somministrazione di resveratrolo (18 mg/kg/giorno nella dieta) migliora la sopravvivenza in un modello di ipertensione nel ratto169. È importante sottolineare, tuttavia, che il trattamento con resveratrolo (100-1200 mg/kg di cibo) non aumenta la durata della vita nei normali topi alimentati con cibo50,170,171. L'integrazione di resveratrolo induce cambiamenti nell'espressione genica in diversi tessuti che assomigliano a quelli associati alla restrizione calorica nei topi171,172

Nell'uomo, l'integrazione di resveratrolo per 30- giorni (150 mg/giorno) negli uomini obesi ha indotto cambiamenti metabolici, tra cui riduzioni del tasso metabolico durante il sonno e il riposo, contenuto lipidico intraepatico, livelli di glucosio circolante, marcatori infiammatori e pressione arteriosa sistolica173. Il muscolo scheletrico di oggetti trattati con resveratrolo mostrava una maggiore attività dell'AMPK, un aumento dei livelli di proteine ​​SIRT1 e PGC-1 e una migliore respirazione mitocondriale degli acidi grassi173. Al contrario, l'integrazione di 12 settimane con resveratrolo (75 mg/die) in donne in postmenopausa non obese con normale tolleranza al glucosio non ha indotto alcun cambiamento apparente nella composizione corporea, nella sensibilità all'insulina, nel tasso metabolico a riposo, nei lipidi plasmatici o nei marcatori infiammatori174. Inoltre, l'integrazione di resveratrolo non ha avuto alcun effetto sui suoi presunti bersagli molecolari, inclusi AMPK, SIRT1, NAMPT e PPARGC1A, sia nel muscolo scheletrico che nel tessuto adiposo174.

Un importante studio recente di Cai et al. dimostrato una dose-risposta non lineare per gli effetti protettivi del resveratrolo nell'uomo e nel topo175. Quando co-somministrato con una dieta ricca di grassi (HFD), il resveratrolo a basso dosaggio (~0.{{10}}7 mg/kg/giorno) sembrava essere più efficace di un alto -dose (14 mg/kg/giorno) nel ridurre il numero di adenomi e diminuire il carico tumorale complessivo nei topi Apcmin, un modello di carcinogenesi intestinale. È interessante notare che i topi femmina con la dose più bassa di resveratrolo hanno mostrato un'espressione e un'attivazione significativamente più elevate dell'AMPK nella mucosa intestinale rispetto a quelli del gruppo ad alta dose175. Coerentemente, i tessuti colorettali umani esposti a basse concentrazioni dietetiche (da 0,01 a 0,1 μM) di resveratrolo ex vivo hanno mostrato una rapida attivazione dell'AMPK e un aumento dell'autofagia a basse concentrazioni e un effetto meno pronunciato o addirittura nullo a dosi più elevate (da 1 a 10 μM)175. Questo effetto insolito può aiutare a razionalizzare i rapporti contrastanti sull'efficacia del resveratrolo negli esseri umani, e futuri studi sull'uomo che utilizzano il resveratrolo devono essere progettati con un'attenta attenzione al dosaggio e ai livelli sierici e ad una valutazione approfondita degli effetti sui presunti bersagli molecolari del resveratrolo.

Altri STAC sono stati sintetizzati e si dice che migliorino la durata della salute e prolunghino la durata della vita nei topi. È stato riportato che lo STAC SRT1720 (100 mg/kg/giorno) prolunga la durata media della vita dei topi maschi adulti C57BL/6J alimentati con una dieta standard dell'8,8% (p=0.096) e fino al 21,7% ( p=0.0193) su un HFD, senza aumentare la durata massima della vita in entrambi i contesti176,177. Il trattamento con SRT1720 ha migliorato i parametri fisiologici negli animali alimentati con HFD, riducendo la steatosi epatica, aumentando la sensibilità all'insulina, migliorando l'attività locomotoria e inducendo anche un profilo di espressione genica simile a quello associato a una dieta standard176. L'integrazione con SRT1720 ha inibito l'espressione genica pro-infiammatoria nel fegato e nei muscoli dei topi alimentati con una dieta alimentare standard e ha ritardato l'insorgenza della malattia metabolica correlata all'età177. Allo stesso modo, l'integrazione alimentare (100 mg/kg) con SRT2104, un altro STAC sintetico, ha aumentato la durata media e massima della vita dei topi maschi C57BL/6J alimentati con una dieta chow del 9,7% (p<0.05) and 4.9% (p<0.001), respectively, and increased insulin sensitivity and motor coordination while reducing inflammation178. Short-term treatment with SRT2104 preserves bone and muscle mass in an experimental atrophy model178. These findings indicate that resveratrol and other STACs can exert beneficial effects on health, particularly in the context of HFD, and that some STACs can modestly extend lifespan under normal feeding conditions; however, additional studies are warranted to better evaluate their effects on longevity in females and other strains of mice. In this regard, there is great current interest in evaluating the effects of NAD+ precursors as therapies for metabolic disease and candidate anti-aging drugs129.