Дейтерієва дієта

C&I Випуск 9, 2020

Чи може включення дейтерованих жирних кислот у наш раціон допомогти нам вести здоровіше і довше життя зі зниженим ризиком нейродегенеративних захворювань, запитує Вадим Демидов

У середині 2000-х у вченого Оксфордського університету Михайла Щепінова виникла нова ідея використовувати важкі нерадіоактивні важкі ізотопи для уповільнення старіння. Його ідея оберталася навколо уповільнення пошкодження вільних радикалів в організмі, спричиненого активними видами кисню (АФК), однією з основних причин старіння та вікових захворювань.

АФК окислюють і пошкоджують клітинні субстрати через реакції переносу атома водню (HAT). Однак ізотопне заміщення може істотно уповільнити швидкість хімічного перетворення через кінетичний ефект ізотопу (KIE). Важкий ізотоп водню дейтерій (2H або D) утворює міцніші зв’язки з вуглецем та іншими атомами, ніж легший нормальний атом водню (1H або просто H). Швидкість реакцій простого переносу атомів водню (HAT), як правило, повинна сповільнюватися в шість-десять разів, коли водень замінюється його нерадіоактивним ізотопом дейтерієм. Заміна водню важчим тритієм (3Н або Т) повинна ще більше уповільнити ці реакції, оскільки він втричі важчий. Але тритій нестійкий і високо радіоактивний, отже шкідливий для тканин людини.

Таким чином, дейтеризація кількох вибраних місць на біомолекулах, націлених на АФК, може призвести до стійкості до атак АФК, що спричиняють старіння, міркував Щепінов.1 Важливо, що такий `` ізотопний обмін '' кардинально не змінить цих сполук - їх структура зв'язку бути однаковими, а їх хімічні властивості будуть в основному незмінними. Навіть розмір і форма дейтерованих молекул не зміниться, оскільки атом дейтерію має приблизно такий же діаметр, як водень, і вони обидва утворюють ковалентні зв'язки однакової довжини з іншими атомами. Однак дейтерій буде важче видаляти.

Щепінов подав заявку на патент на свій потенційний винахід проти старіння, а в 2006 році разом із підприємцями в галузі біотехнологій Робертом Молінарі та Чарльзом Кантором заснував фармацевтичний стартап Retrotope, що базується в Каліфорнії.

Перше, що мала зробити нова компанія, - це довести принцип, згідно з яким ізотопні заміщення можуть продовжити довголіття. Щоб отримати первинні докази, Щепінов працював із співавторами з вирощування аскарид Caenorhabditis elegans на збагаченій ізотопами їжі, щоб перевірити, чи не збільшило це тривалість їх життя. Ці крихітні непаразитичні нематоди часто використовуються як модельні організми в біомедичних дослідженнях.

Ретельне дослідження, опубліковане в 2019 році, справді виявило, що добавки дейтерію призвели до продовження життя хробака на 15% .2 Це дослідження також довело, що збільшення тривалості життя дейтерованої їжі було обумовлено зменшенням накопичення шкідливих АФК у мірі того, як глисти старіли та, отже, до зменшеного окисного стресу. Звіт про дослідження Стенфордського університету також виявив значне продовження тривалості життя дріжджів за рахунок поглинання або дейтерованої глюкози, або важкої води (D2O) .3 Якщо подібні ефекти трапляються і у людей, ці результати свідчать про те, що порівнянні добавки дейтерію можуть додати до нашого життя кілька років.

Таким чином, теорії Щепінова про вживання важких ізотопів протягом тривалого та здорового способу життя були перевірені в дослідженнях на примітивних тваринах та нижчих еукаріотах. Далі «Ретротоп» був зацікавлений поширити ці дослідження на вищих тварин і людей, а потім на вікові хвороби та інші стани.

Перспективний поворот

Зовсім недавно компанія звернула свою увагу на дегенеративні неврологічні розлади. "Нещодавно отримані дані, які проливають нове світло на молекулярні механізми різноманітних невропатологій, відповідають раніше запропонованій гіпотезі, що в патогенезі цих дегенеративних захворювань беруть участь в основному реакції АФК", - говорить Щепінов, [нині] керівник компанії Науковий співробітник.

Виявлено, що загальною «ахілесовою п’яткою» у всіх цих різних нейродегенераціях є нейронні мембрани, які атакуються АФК, ініціюючи набір пошкоджуючих окисних ланцюгових реакцій. Нейрони - це будівельні блоки нашої нервової системи. Ці вузькоспеціалізовані нервові клітини відповідають за передачу та отримання інформації за допомогою своїх унікальних видовжених клітинних мембран, які особливо схильні до пошкодження АФК, оскільки мають високий рівень споживання кисню та дуже високий вміст ліпідів, що містять поліненасичені жирні кислоти (ПНЖК).

Вразливість мембран до окислювальних пошкоджень виникає внаслідок їх унікальної структури, в якій ліпіди щільно укладені між собою у впорядкований двошаровий масив. Окислювальне ураження поодинокими АФК викликає каскад пошкоджувальних ліпідів подій, що має катастрофічні наслідки для цілісності мембрани, оскільки окислені ліпіди не можуть утворити впорядкований бішар. Натомість їх розташування сильно порушено, що призводить до утворення ліпідного двошару з отворами та витоками, які руйнують належну функцію мембрани. Більше того, окислені ліпіди утворюють різноманітні високореактивні побічні продукти, які можуть атакувати білки та нуклеїнові кислоти, викликаючи додаткові патології. У сукупності ця шкода призводить до нейродегенерації.

Остання ідея Retrotope полягає у використанні KIE для лікування нейродегенерації, захищаючи нейронні мембрани від ініційованих АФК окислювальних ланцюгових реакцій. Це буде здійснено шляхом вибіркової заміни атомів Гідрогену, прилеглих до ненасичених атомів вуглецю - основних місць атаки АФК, які називаються «біс-алільними ділянками», ізотопами дейтерію. Нейрони людини будуть захищені від АФК шляхом годування підсилених дейтерієм ефірних жирових кислот, лінолевої та лінолевої кислот (основних попередників ліпідів мембран) пацієнтам з неврологічними захворюваннями. Ці ПНЖК зазвичай вживаються як частина нашого раціону, оскільки людські організми не здатні їх синтезувати.

Пероральне поглинання дейтерованих основних ПНЖК (у вигляді пігулок або емульсій) призведе до їх включення в мембрани нейронів, оскільки системи поглинання та транспортування не можуть розрізнити водень та дейтерій, але наявність останніх сильно захистить мембрани від окисних пошкоджень. Сподіваємось, що заміщення дейтерієм повинно сильно пригнічувати початкове перекисне окислення ліпідів АФК і сповільнювати численні подальші розгалужені окислювальні реакції ліпідів у нейромембранах, не змінюючи суттєво нормальних функцій клітинної мембрани.

"Я вже багато років стежу за дослідженнями дейтерованих поліненасичених жирних кислот і покладаю великі надії на ідею зробити клітинні мембрани" вогнестійкими "проти АФК", - говорить Костянтин Храпко з Біологічного факультету Північно-Східного університету в Бостоні, США.

Доклінічне тестування

Для вивчення цієї ідеї вчені-ретротопи та їх співробітники спочатку вивчали захисну дію підсилених дейтерієм ПНЖК (d-ПНЖК) на клітини дріжджів, що зазнали летального окисного стресу. Вони виявили, що дріжджі, оброблені лінолевою кислотою, лише п’ята дейтерована в біс-алільних місцях, були повністю врятовані від шкідливого впливу окислення ліпідів.4

Пізніше ця несподівана знахідка пояснилася тим, що навіть часткове заміщення ліпідних мембран d-PUFAs призвело до їх повного захисту від окислення.5 І це вирішило основну стурбованість щодо перспективного терапевтичного використання d-PUFA. ПНЖК беруть участь у різних життєво важливих метаболічних клітинних шляхах, але споживання відносно невеликої кількості модифікованих ПНЖК не повинно порушувати ці шляхи, оскільки більшість ПНЖК не будуть модифіковані. Потреба у відносно низькій кількості ПНЖК для стабілізації мембран проти окислення також значно полегшує досягнення необхідних терапевтичних рівнів у пацієнтів.

Обнадійливі результати також були отримані під час доклінічного тестування d-PUFA на клітинних та тваринних моделях кількох нейродегенеративних захворювань людини.6 У кожному випадку препарат був безпечним та ефективним.

Запобігання нейродегенерації

Підкріплений успіхом у клітинах і тваринах, Ретротоп кілька років тому розпочав фінансувати клінічні дослідження у пацієнтів з різними невропатологіями. Препарат-кандидат на ретротоп RT001 - це 11,11-ді-дейтеролінолева кислота. Лікування, запропоноване Retrotope, не є специфічним для захворювання. Він не націлений на першопричину захворювання, таку як різні мутовані гени, що беруть участь у спадкових неврологічних захворюваннях. Незалежно від того, як ці мутації або інші фактори, що викликають хворобу, сенсибілізують ліпідні мембрани до окислення АФК, лікування RT001 повинно захистити їх від пошкодження.

«Принадність цієї ідеї використовувати d-PUFA для запобігання завданих збитків ROS полягає в тому, що цей підхід, замість того, щоб ліквідувати ROS, надійно захищає їх», - пояснює Храпко. «Це робить лікування цілеспрямованим, захищаючи найбільш вразливі клітинні компоненти. Не виключати АФК також вигідно, оскільки, як тепер стало зрозуміло, вони є важливими регуляторами та метаболічними проміжними продуктами.

Початкові клінічні випробування та тематичні дослідження RT001 у молодих та дорослих пацієнтів з атаксією Фрідрайха, інфантильною нейроаксональною дистрофією (INAD) та пізньою появою хвороби Тей-Сакса показали припинення прогресування препарату та навіть деякі ознаки зворотного захворювання.
Токсичності та серйозних побічних явищ, пов'язаних з RT001, не спостерігалося. Випробувальні методи лікування RT001 були розпочаті в 2018 та 2020 роках з пацієнтами з іншими нейродегенеративними станами, такими як аміотрофічний бічний склероз та прогресуючий над'ядерний параліч.

На сьогодні немає затверджених препаратів для будь-якого з цих розладів, і всі інші експериментальні методи лікування нейродегенеративних захворювань, такі як антиоксидантна терапія, антисмислові олігонуклеотиди та редагування генів, мають обмежену клінічну ефективність або виявляють токсичні побічні ефекти при тестуванні на клітинах людини. або люди. RT001 може стати першим препаратом на вибір для лікування пацієнтів з різними неврологічними захворюваннями, включаючи такі загальні захворювання, як хвороба Альцгеймера та Паркінсона, де роль окисного стресу та перекисного окислення ліпідів як основних катів у патології хвороби вже давно відома.

"Окислення ліпідів також є одним із ініціаторів апоптозу - типу запрограмованої загибелі клітин, тому ослаблення окислення ліпідів може потенційно заважати видаленню дисфункціональних клітин", - зазначає Храпко. "Але успіх клінічних випробувань передбачає, що такий негативний ефект, якщо він існує, переважає переваги", - підсумовує він.

Що далі?

Більшість сучасних широкомасштабних методів синтезу селективно дейтерованих ПНЖК є досить трудомісткими та дорогими. В даний час Retrotope досліджує більш ефективні синтетичні підходи, які можуть знизити ціни на d-PUFA, тому вони можуть бути корисними як харчова добавка для уповільнення процесів старіння. У співпраці з дослідниками з Сербії та Австралії компанія виявила недорогий каталітичний процес дейтерифікації ПНЖК на місцях із використанням важкої води (D2O), найдешевшого джерела дейтерію10. Якщо його вдало розширити, цей процес значно зменшить вартість більшість d-PUFA.

Застосування d-PUFA може бути поширене на широкий спектр інших неврологічних захворювань, вважає Retrotope. Нещодавно компанія повідомила про позитивні доклінічні результати з використанням d-PUFA у клітинних та тваринних моделях неврологічних розладів, пов’язаних із АФК, таких як атеросклероз судин та дегенерація жовтої плями очей.

Крім того, Retrotope розширює свою запатентовану лікарську платформу до інших дейтерованих основних природних біомолекул, включаючи амінокислоти та ДНК-нуклеобази, що беруть участь у патогенезі певних видів раку та запалення.13 Таким чином, навіть неокислювальні захворювання можна лікувати за допомогою дейтерій KIE.

Навесні 2018 року, коли пацієнтці „Z” було два з половиною роки, у неї діагностували дитячу нейроаксональну дистрофію (INAD) - успадкований рідкісний неврологічний смертельний розлад. Відсутність лікування та лікування для зупинки прогресування симптомів, діти з ІНАД зазвичай гинуть у віці від п’яти до десяти років.

Викликаний генетичним дефектом життєво важливого гена, який видаляє пошкоджені ліпіди з клітинних мембран, INAD часто називають паркінсонічним, змішаним з хворобою Альцгеймера для дітей. Він впливає на нервові клітини, які передають повідомлення від мозку до інших частин тіла, що призводить до поступової втрати зору, м’язового контролю та розумових навичок.

Незабаром після діагностики «Z» частково втратила свою рухливість та мовлення. Але, на щастя, через півроку її включили в розширений доступ до перспективного нового препарату RT001, розробленого американською компанією Retrotope. Іноді його називають „співчутливим використанням”, розширений доступ - це спосіб надання дослідницької терапії пацієнтові з серйозною хворобою або хворобою, що загрожує життю, для якої інші види лікування відсутні. RT001 - модифікована версія необхідної для харчування жирної кислоти, яку потрібно отримувати з дієтою - в даний час тестується в рамках більш офіційного клінічного випробування 19 дітей з ІНАД у дитячій лікарні Goryeb у Нью-Джерсі та дитячій лікарні Benioff у Сан-Франциско.

«Z» та всі інші діти у цих випробуваннях добре реагували на лікування, що допомогло зупинити погіршення стану, спричинене її ІНАД. Нещодавно вона відсвяткувала свій четвертий день народження і зараз очно працює в дошкільному закладі. Очікується, що потенційне виправлення генетичної терапії для INAD буде готовим до клінічних випробувань через кілька років у лікарні Great Ormond Street у Лондоні, Великобританія. Сподіваємось, що експериментальний препарат RT001 утримає її від подальшого занепаду, поки не стане доступним лікування генною терапією.