Estudio del Envejecimiento

 

Ing. Rebeca Campos* y Dra. Laura Barzuna **

 

Resumen

Se presenta un panorama del envejecimiento y sus causas celulares y moleculares. Se asocia con los síndromes progeroides y se plantean posibles terapias que retarden los efectos deletéreos asociados con el proceso de envejecer.

 

Introducción

Los gerontólogos definen el envejecimiento como un conjunto de cambios deteriorantes postmaduracionales que implican una vulnerabilidad a los retos y una disminución en la habilidad del organismo para sobrevivir. Involucra la pérdida progresiva de las funciones corporales y una disminución en la fertilidad. Estos procesos degenerativos, de comienzo temprano y progresión lenta, debilitan severamente a los seres humanos, de modo que algunos mueren antes de alcanzar la esperanza de vida de la población. Un concepto actual del envejecimiento lo describe como: "una colección de daños acumulativos en la estructura molecular y celular del organismo adulto, resultado de los procesos metabólicos esenciales, que una vez que progresan demasiado, incrementan la desorganización del metabolismo, llevando a la patología y a la muerte" (4). Los cambios acumulativos que producen el envejecimiento incluyen: pérdida de células (sin reemplazo), mutaciones nucleares oncogénicas y epimutaciones, senescencia (muerte celular) celular, mutaciones mitocondriales, formación de agregados lisosomales y extracelulares, entrecruzamiento al azar de proteínas extracelulares, decadencia del sistema inmune y cambios endocrinos (4). El proceso de envejecer limita el tamaño de las poblaciones y acelera el cambio de las generaciones para adaptarse apropiadamente a las modificaciones en el ambiente. No se trata de un proceso universal puesto que no se experimentan estos fenotipos en todos los organismos vivientes. Las amebas y los procariotas, por ejemplo, no envejecen y mantienen su capacidad metabólica y reproductiva intacta mientras vivan. Dado que el hombre al envejecer experimenta cambios fisiológicos, económicos y sociales importantes, se ha dado a la tarea de determinar cuáles son las causas que provocan el envejecimiento y cómo se podría detener eventualmente el proceso, de modo que se puedan curar o retardar sus manifestaciones, tal y como se hace con las enfermedades humanas (9). La esperanza de vida de los seres humanos se ha incrementado en algunas regiones (independientemente del conocimiento de los mecanismos moleculares que promueven el envejecimiento) debido a una mejora en las condiciones sanitarias, alimenticias y en los sistemas de salud. En 1900, la expectativa de vida en los Estados Unidos era de 47 años; para el 2001 se incrementó a 76 años, lo cual indica un aumento de 62% en la longevidad (30).

En contraste, en otras regiones geográficas, las condiciones inadecuadas hacen que sus pobladores lleguen a cumplir si acaso, los 40 años de edad (30). Lo anterior ha generado polémica en el sentido de si merece la pena dedicar tantos esfuerzos para prolongar la longevidad, en lugar de mejora la calidad de vida de los habitantes del globo terráqueo.

 

Teorías del envejecimiento

Se han postulado varias teorías que explican el proceso del envejecimiento desde el punto de vista evolutivo (15). La primera de ellas es La teoría de la mortalidad extrínseca que postula que la muerte natural no es producto de la vejez, sino de condiciones extrínsecas del ambiente. En las especies silvestres, el envejecimiento no es un proceso frecuente, dado que la predación, los accidentes naturales, las condiciones ambientales drásticas y las infecciones acaban con los individuos en edades tempranas. Cuando la longevidad de las especies escapa del control de la naturaleza, tal y como ocurre con una población protegida como la humana o los animales domésticos, la muerte se convierte en un proceso intrínseco que se relaciona con la vejez. Si la muerte extrínseca es mayor, la expectativa de vida es menor, la fuerza de la selección natural se atenúa con mayor rapidez, los genes deletéreos se comienzan a acumular en edades más tempranas y hay poca inversión por parte de la naturaleza para el mantenimiento de los pocos sobrevivientes. Todas las adaptaciones que disminuyen la muerte extrínseca, tales como alas, caparazones, conchas, entre otros, favorecen una longevidad más prolongada.

De los argumentos anteriores, nacen otras tres teorías del envejecimiento. La teoría de la acumulación de mutaciones (2,15), se fundamenta en que son pocos los individuos que superan la etapa de la juventud en las poblaciones silvestres. La naturaleza invierte poco esfuerzo en mantener estos sobrevivientes, de modo que hay una disminución progresiva en la fuerza de la selección conforme aumenta la edad de un individuo. Se acumulan gran cantidad de mutaciones en las líneas somáticas que van a tener efectos deletéreos que se manifiestan en las edades seniles. La teoría de la pleiotropía (2,15), propone que hay genes que son seleccionados por la naturaleza por sus efectos positivos en la vida joven, pero que van a resultar deletéreos en etapas posteriores de la vida. La teoría del soma desechable (2,12,15) se basa en el reparto óptimo de las funciones metabólicas entre el mantenimiento somático y la reproducción. El organismo invierte su energía en un adecuado mantenimiento somático hasta que el individuo se reproduce, por lo que, a partir de este momento, los mecanismos de reparación y metabolismo celular se vuelven limitados, el organismo se considera desechable y comienza el proceso de envejecimiento. Luego de la etapa reproductiva, no hay ventaja selectiva en mantener las células somáticas en perfecto estado. La longevidad dependería, entonces, de la capacidad de mantener la calidad de las células somáticas intacta (12).

 

Modelos experimentales para el estudio del envejecimiento

Los estudios realizados en el ratón, Drosophila melanogaster y Caenorhabditis elegans, han aportado datos importantes que relacionan la longevidad con distintos procesos biológicos (3, 8, 11, 15, 29, 30). Algunas premisas justifican el uso de animales de experimentación para establecer principios que puedan extrapolarse a los estudios humanos. Muchos procesos biológicos son conservados tanto en los organismos simples como en los superiores (10) y la facilidad de manipulación permite establecer situaciones controladas de laboratorio que facilitan la obtención de resultados reproducibles. Sus ciclos de vida son cortos, lo cual acelera los estudios genéticos en individuos silvestres y mutantes (10).

Los proyectos de genoma humano y la secuenciación de los genomas de estos modelos experimentales, permiten la comparación de genes ortólogos (10), que son miembros de familias genómicas evolutivamente conservadas. Se ha estimado que de 60 a 80% de los genes causantes de enfermedad en los seres humanos, tienen ortólogos en el genoma de la mosca de la fruta, y un número muy cercano en el genoma de los nemátodos. La comparación de rutas de señalización y del metabolismo celular han permitido identificar genes que pueden modificarse en los modelos, identificar los fenotipos producidos por estas mutaciones y extrapolar los datos a las poblaciones humanas (10). Se considera que el envejecimiento está regulado por genes específicos (9), de modo que se estudian las vías metabólicas y fisiológicas activadas por esos genes para establecer posibles puntos de ataque para incrementar la longevidad en los organismos superiores.

 

Biología molecular del envejecimiento

Se han descrito varios mecanismos que modulan el proceso del envejecimiento, entre ellos, el efecto del estrés oxidativo, la restricción calórica, la capacidad de reparación y mantenimiento del material genético y la relación de los factores de crecimiento con la progresión hacia la vejez.

1.0 Efecto del estrés oxidativo

La teoría del estrés oxidativo propone que las especies reactivas de oxígeno (ROS), producidas a partir del metabolismo mitocondrial, provocan un daño progresivo que resulta en un declive funcional conocido como envejecimiento (5,7,22). Alrededor de un 0,4 a 4% del oxígeno consumido por el metabolismo aeróbico mitocondrial, es convertido en ROS y allí se incluye al anión superóxido, el cual favorece la liberación de hierro libre que es tóxico para el organismo. El superóxido puede convertirse en peróxido de hidrógeno por la acción de la enzima peróxido dismutasa. El peróxido de hidrógeno reacciona con el hierro libre y produce el radical hidroxilo que es capaz de dañar biomoléculas como el ADN, las proteínas y las membranas lipídicas (7,14). El gen daf-2 de C. elegans, codifica para un receptor transmembrana similar a la insulina, de tipo tirosina kinasa y tiene un efecto poderoso en la extensión de la vida. Este receptor responde a la insulina y a factores del crecimiento como la insulina, causando una ola de señalamiento intracelular que afecta el desarrollo, la fertilidad, el metabolismo y la respuesta al estrés. Los mutantes daf-2 viven mucho tiempo y son resistentes a una gran variedad de estrés incluyendo el oxidativo, el calor, la luz ultravioleta y la presencia de metales pesados. La resistencia parece ser mediada por la regulación positiva de actividades enzimáticas que detoxifican ROS, que es producido por la mitocondria y en el citoplasma por reacciones de óxido-reducción en las membranas de otras organelas (14,16).

Los mutantes isp-1 (qm150) de C. elegans llevan una mutación sin sentido en la proteína hierro azufre "Rieske" del complejo III del transporte de electrones, que produce una reducción en el consumo de oxígeno y un incremento en la longevidad. Los fenotipos isp-1 mutantes pueden ser suprimidos parcialmente por una mutación sin sentido en ctb-1 (citocromo b) otra subunidad catalítica del complejo III. Debido a que retarda el transporte de electrones, la mutación isp-1 se espera incremente la formación de ROS ya que aumenta la vida media del intermediario semiquinona que es responsable de la formación de superóxido. Sin embargo, los mutantes dobles isp-1 ctb-1 son tan resistentes al estrés oxidativo por Paraquat como los mutantes daf-2 (14). La resistencia a ROS asociado con la alta actividad de las enzimas de detoxificación en los mutantes daf-2 y la resistencia a ROS asociado a la baja respiración de los mutantes isp-1, sugiere que la larga vida de estos mutantes se debe a la alta detoxificación de ROS y la baja producción de ROS, respectivamente (14).

Otras fuentes de ROS son los sistemas enzimáticos citosólicos, fuentes exógenas como la luz ultravioleta, la radiación ionizante, agentes quimioterapeúticos, toxinas del ambiente y citoquinas inflamatorias (como la respuesta inmunológica contra las infecciones) (5). Los seres vivos han desarrollado mecanismos de defensa contra estos compuestos oxigenados, entre estas encontramos las isoformas de la superóxido dismutasa, la catalasa y la glutatión peroxidasa para producir agua (5).

Otros agentes antioxidantes incluyen las vitaminas A, C y E y los sistemas de remoción de moléculas dañadas por este mismo estrés oxidativo (5,7). De este modo, se propone que los organismos más longevos tienen mayor capacidad de contrarrestar el daño ocasionado por ROS (7) y que una mayor tasa metabólica produce mayor cantidad de ROS y por lo tanto, disminuye la longevidad (5). Lo anterior no se cumple para todas las especies, por ejemplo, los ratones y los murciélagos comparten tasas metabólicas similares, sin embargo, la longevidad de los últimos es aproximadamente 10 veces mayor que la de los ratones (30).

A su vez, los primates y los pájaros viven más de lo que su actividad metabólica sugeriría, si el enunciado se cumpliese en todos los casos (5). Se ha determinado que estas especies producen menos moléculas reactivas de oxígeno, a pesar de sus altas tasas metabólicas y que esto correlaciona con su longevidad. Entonces, la producción de ROS y no la tasa metabólica, es la que se relaciona con el incremento en la longevidad (5,30).

En un experimento, se desarrollaron compuestos mimetizadores de la superóxido dismutasa y de la catalasa y fueron añadidos a los medios de cultivo de C. elegans. Con esto, se logró incrementar en un 44% la longevidad de los nemátodos silvestres que fueron sometidos a estos tratamientos, se produjeron nemátodos mutantes para el gen mev-1 generando una cepa con envejecimiento prematuro, el efecto de estos compuestos fue restaurar la longevidad normal de la especie silvestre (22). Experimentos en ratas han demostrado que los defectos cognitivos relacionados con el envejecimiento pueden revertirse o disminuirse con un suplemento de frutas y vegetales ricos en antioxidantes y vitaminas. Se ha determinado que existe una disfunción mitocondrial asociada con la edad y que favorece el aumento en el estrés oxidativo (7) y por lo tanto, contribuye con los cambios deletéreos del envejecimiento. Al alimentar ratas con ácido alfa lipoico, se disminuyeron los niveles de peroxidación lipídica y al agregar carnitina al suplemento, se redujeron los ácidos nucleicos oxidados en el hipocampo y la corteza cerebral, mejorándose también los síntomas neurológicos en estas ratas envejecidas (7). Si se comprobara que este hecho es cierto para los seres humanos, se abriría un campo farmacológico importante, tendiente a retardar los efectos nocivos que se adquieren durante el envejecimiento.

 

1.2 Mantenimiento del genoma y envejecimiento

El mantenimiento de la integridad genómica se considera como un factor primordial en la viabilidad celular y la longevidad de un organismo (11). La acumulación de daño somático es una causa principal del proceso de envejecimiento. Uno de los blancos de ataque de ROS es el ADN (12), por lo que se han descrito más de 100 clases de daños oxidativos ocasionados sobre el material genético que incluyen desde modificaciones en las bases nitrogenadas, hasta entrecruzamientos y quiebres en una o las dos bandas del ADN.

Estos cambios alteran procesos vitales como la replicación, transcripción y traducción, conduciendo a la muerte celular, arrestos en el crecimiento o mutaciones que pueden favorecer, por ejemplo, distintos tipos de cáncer (11). La inestabilidad genómica característica del envejecimiento normal, se relaciona con el surgimiento de neoplasmas malignos. La frecuencia de productos trisómicos en individuos mayores de 35 años, demuestra que tanto las células somáticas como las germinales son blancos de mutaciones y alteraciones relacionadas con el incremento de la edad (21).

Tres tipos de daños puede sufrir el ADN: mutaciones (cambios en la secuencia de los pares de bases), epimutaciones (cambios persistentes en las decoraciones que controlan la expresión génica) y cambios inducidos por la senescencia (4). El organismo ha desarrollado mecanismos celulares para defenderse de los insultos a su material genético, tales como sistemas de excisión de bases y de nucleótidos, la reparación acoplada a la transcripción y reparación por recombinación homóloga, entre otros. Conforme avanza la edad, hay una incapacidad para reparar completamente estos daños, de modo que comienzan a acumularse progresivamente con el tiempo y producen finalmente, los efectos observados en las edades adultas mayores (12). En ratones, se han realizado estudios con mutaciones del gen Xpd, que codifica por una de las subunidades del factor de transcripción IIH (TFIIH). Este factor favorece un desenrollamiento parcial de la doble hélice del ADN y se requiere para la iniciación de la transcripción por parte de la ARN polimerasa I y funciona en el mantenimiento del genoma como reparador por excisión de nucleótidos.

En humanos se ha descrito una enfermedad hereditaria llamada tricotiodistrofia (TTD) que se asocia con defectos en la transcripción del genoma. La patología puede ser reproducida en los ratones con mutaciones en el gen Xpd. Los eventos de transcripción y reparación por excisión de nucleótidos se afectan seriamente en los ratones mutantes y además, muestran un envejecimiento prematuro al adquirir la mutación y ésta está, acompañada de osteoporosis, osteoesclerosis, pelo canoso, caquexia y disminución en la longevidad con respecto a las poblaciones silvestres (12). Otro aspecto vital del mantenimiento genético es la protección de los telómeros (18). El telómero se localiza en las regiones finales de los cromosomas eucariotas y está compuesto por secuencias repetidas no codificantes ricas en guanina y una banda de material genético que cruza la doble banda de la región telomérica a manera de remache y que sirve de sustrato para la enzima telomerasa, que elonga los cromosoma. Hay otras proteínas asociadas en la regulación del tamaño de esta región cromosomal. El mantenimiento inadecuado del telómero favorece la pérdida de material genético, la recombinación o la fusión cromosomal con efectos deletéreos para su portador (11,18).

Los cromosomas disfuncionales o críticamente pequeños, inducen la senescencia en las células, las cuales se vuelven disfuncionales y son incapaces de proliferar (11). Los ratones de laboratorio tienen los telómeros de 3 a 5 veces más largos que los humanos, pero mutaciones en sus telomerasas logran producir ratones con telómeros muy cortos que experimentan signos de envejecimiento importante tales como encanecimiento, alopecia, ulceraciones en la piel, cáncer, disminución en la longevidad y una salud frágil (11). Los errores en la maquinaria mitótica de las células en división, después de que se ha completado la fase reproductiva, se consideran otra fuente de envejecimiento (19). Ly y sus colaboradores estudiaron los perfiles transcripcionales en fibroblastos humanos de 4 poblaciones diferentes, a saber, jóvenes, personas de mediana edad, ancianos y pacientes portadores de progerias (desórdenes genéticos que conducen a envejecimiento prematuro).

En las poblaciones ancianas o portadoras de progerias se identificaron dos grupos de genes que modifican su expresión y que podrían relacionarse con la disminución en la longevidad: aquellos relacionados con la remodelación y el mantenimiento de la matriz extracelular, así como los que están involucrados en el desarrollo del ciclo celular. Algunos genes incrementan su expresión y otros la disminuyen. Los cambios observados favorecen las mutaciones somáticas, la aneuploidía y las aberraciones cromosómicas del fenotipo envejecido, así como la aparición de enfermedades asociadas a la vejez (19). En general, los efectos de un mantenimiento inadecuado del material genético pueden tener las siguientes consecuencias que conducen a los fenotipos del envejecimiento: interferencia con la transcripción genética en diferentes órganos y tejidos, mutaciones que se han involucrado con el surgimiento de cáncer en edad avanzada o con disfunción y enfermedad mitocondrial (19), apoptosis o senescencia celular que podrían relacionarse con la neurodegeneración, la inmunodeficiencia y el surgimiento de enfermedades renales o cardíacas (11). Hasty y colaboradores (11), consideran que los mecanismos de reparación genómica deben ser "necesariamente imperfectos, porque los organismos no se diseñaron para vivir eternamente y la selección natural necesita cambios genéticos". Comprender que el daño oxidativo afecta las macromoléculas de ADN y que esto conlleva a una disminución en la longevidad, favorece el desarrollo de fármacos o de técnicas de intervención genética que logren reducir estos defectos y que prolonguen la vida de los seres humanos.

1.3 Restricción calórica

La restricción calórica (CR) se refiere a una dieta en la que las calorías se reducen al 30-40% comparado con los animales alimentados normalmente (9). Se relaciona con un aumento en la vida en muchos organismos como levaduras, nemátodos, roedores y posiblemente primates (1,5,19). Los estudios realizados en monos, sugieren que en los sujetos sometidos a CR la tasa de mortalidad es menor que los respectivos controles y que su temperatura corporal y las concentraciones de insulina son menores (estas dos variables son biomarcadores para la longevidad en roedores). Además tienen altas concentraciones de dehidroepiandrosterona sulfato, que se cree, es un marcador de longevidad en humanos (13). La CR resulta en una reducción de la pérdida de peso y tejidos y una reducción en la tasa de metabolismo. Una parte de este declive es producto del consumo reducido de energía y la disminución consecuente en el efecto térmico de los alimentos y por otra parte, se debe al reducido tamaño de la masa metabólica (13). La disponibilidad de sustratos energéticos se reduce directamente en cada célula, posiblemente incrementando la eficiencia del metabolismo central y reduciendo la tasa de producción de radicales libres o activando las deacetilasas de las histonas que incrementan el silenciamiento transcripcional (13,20).

Alternativamente, la CR puede indirectamente mediar el envejecimiento. Las señales de un estado nutricional normal y la composición del cuerpo, como la leptina y la resistina, son integrados centralmente por el hipotálamo, quién a su vez modula la toma de alimentos, la función endocrina y la homeostasis metabólica. A través de los patrones del hipotálamo, la CR a largo plazo ajustará los niveles endocrinos para mantener un programa somático de resistencia. En este contexto, la supresión de IGF-I y la insulina durante la CR será funcionalmente necesaria (9,26).

En las levaduras, la restricción calórica promueve el metabolismo oxidativo (respiración) y el NAD ⁺ es un subproducto de esta reacción. La enzima SIR2 se activa por el incremento en la respiración por un mecanismo que incluye a NAD ⁺ (9,28).

En roedores, la CR incrementa la síntesis de proteínas hepáticas y del músculo esquelético y reduce la descarga de proteínas oxidadas. Estos cambios sustanciales pueden darse debido al rápido recambio proteico (que reduce la exposición al daño endógeno), producción menor de toxinas metabólicas y un incremento en las funciones depurativas contra los radicales libres. De manera que desacelera la tasa de mortalidad y disminuye los tumores y otras enfermedades específicas de la cepa del ratón. También tiene efectos importantes en atenuar las enfermedades crónicas por el envejecimiento en roedores que no reciben tratamiento farmacológico (15).

Los efectos de la CR en ratones se deben a la disminución pequeña pero constante de glucosa, insulina e IGF-I en sangre y a la sensibilidad incrementada a la insulina y la elevación de glucocorticoides. Estos cambios son respuestas homeostáticas a la reducción en el almacenamiento de grasa y la necesidad aumentada de gluconeogénesis. Los monos muestran efectos similares a la CR en glucosa e insulina, así como indicadores de reducción en la mortalidad. En un grupo pequeño de humanos no obesos, la CR causa cambios fisiológicos, bioquímicos y hormonales similares a los observado en monos y ratones (16,17). El efecto en el envejecimiento de la glucosa se debe a la glicosilación de las proteínas y el de la insulina es la acción mitogénica que ejerce, además de alterar la expresión de otras hormonas, estimular el sistema nervioso simpático y promover la vasoconstricción, que pueden afectar la longevidad (13). La reducción a largo plazo de los niveles de glucosa puede contribuir a disminuir la inflamación y las enfermedades en ratones con CR.

Por lo que, la CR, puede extender la vida en mamíferos al atenuar las enfermedades inflamatorias asociadas al envejecimiento (25). La CR extiende la vida en los ratones enanos Ames, sugiriendo que los mecanismos que regulan la extensión de vida en CR y los ratones enanos no es idéntica. En las moscas, las mutaciones de enanismo y la CR desaceleran el envejecimiento por mecanismos que se traslapan. Las diferencias entre estos dos modelos se explican por diferencias filogenéticas en los efectos de acumulación de grasas en la mortalidad.

En los ratones enanos, la CR puede incrementar la longevidad al prevenir la acumulación de grasas y reducir la mortalidad asociada a la obesidad. La obesidad causada por la deficiencia de GH en humanos puede promover enfermedades cardiovasculares y la mortalidad dependiente de la edad. Notablemente, los ratones enanos tienen más lesiones cardiopulmonares degenerativas (25). La CR también modula las funciones de defensa del hospedero, por ejemplo, atenúa los cambios por la edad del sistema inmune en más de 10 genotipos de roedores. Además, aumenta la respuesta inmune ante la infección por el virus Influenza durante el envejecimiento, mitiga la función de las células T al mantener la producción de IL-2 y retarda o previene los cambios en la proporción de las células de memoria CD4 y CD8 (25).

1.4 La vía de la insulina/IGF-I y la hormona del crecimiento

Docenas de genes extienden la longevidad, muchos de ellos están implicados en señales hormonales y además se ven conservados en los organismos eucariotas. Los péptidos semejantes a insulina, el factor de crecimiento similar a insulina (IGF), las moléculas lipofílicas señaladoras y los esteroles son todos candidatos para fomentar el envejecimiento (26). La supresión de estas hormonas o sus receptores pueden incrementar la vida y retrasar el declive funcional dependiente de la edad. Estas hormonas regulan la capacidad del organismo para sobrevivir durante estados de metabolismo reducido acoplado con la resistencia a estrés y a las formas de crecimiento detenido (26). Por ejemplo, la represión del señalamiento dependiente de glucosa debido a mutaciones en los genes RAS2, CYR1/PKA o SCH9, extienden la vida de las levaduras en un 300% e incrementa la resistencia al estrés oxidativo y los choques térmicos. También la vía CYR1/PKA extiende el periodo reproductivo por un mecanismo dependiente del silenciamiento de la proteína Sir2. También, la extensión de la vida cronológica está mediada por los factores de transcripción de resistencia al estrés (Msn2 y Msn4) y la superóxido dismutasa (SOD2) (17). En Caenorhabditis elegans la represión de la vía insulina/IGF-I que incluyen a DAF-2, AGE-1 y AKT-1/AKT-2 extienden la sobrevivencia en un 300%, además incrementan la termotolerancia y las defensas antioxidantes, por medio del factor de transcripción de resistencia al estrés DAF- 16. Hay ciertas proteínas homólogas entre la levadura y el nemátodo que les permiten vivir más, como la superóxido dismutasa, catalasas, proteínas de choque térmico y la serina-treonina kinasa SCH9 (levadura) y AKT-1/AKT-2 (C. elegans). Entonces la longevidad cronológica en el gusano y la levadura se extiende por la inactivación de vías que promueven el crecimiento y por un incremento en la protección contra el daño oxidativo.

La presencia de los sistemas que reparan y reemplazan el ADN dañado así como las proteínas y lípidos, también son importantes para extender la sobrevivencia (9,17). La proteína DAF-16 es un regulador de la resistencia al calor y al estrés oxidativo, almacenamiento de grasa, detenimiento del desarrollo, fertilidad y metabolismo. DAF-16 es un factor de transcripción de la familia "forkhead/winged helix" que se localiza en el núcleo en respuesta a diferentes formas de estrés, esta respuesta es atenuada por el señalamiento insulina/IGF (26). En los vertebrados, los homólogos de DAF-16 (C. elegans) estimulan los genes que promueven el reparo del ADN dañado (GADD45a) y la protección oxidativa (Mn-SOD) y reprimen los genes que promueven el progreso del ciclo celular (ciclinas tipo D) (26). Las mutaciones que disminuyen el nivel de daf-2, que codifica para un receptor homólogo a la insulina/IGF-I, provoca en el animal que permanezca activo y joven más de lo normal y viva el doble de tiempo. La proteína DAF-2 activa una vía de transducción de señales PI(3)K/ PDK1/ Akt (kinasa fosfatidilinositol 3-OH, kinasa 1 dependiente de 3-fosfoinositido). Si se dan mutaciones en esta vía, incluyendo mutaciones en age-1 que codifica por PI(3)K, se aumenta la vida del nemátodo, sin embargo para esto necesita de DAF-16. Todo lo anterior señala que el envejecimiento en C. elegans está controlado hormonalmente, lo que le permite al organismo coordinar este proceso en los diferentes tejidos y cambiar rápidamente la extensión de la vida durante la evolución (9,23). La vía insulina/IGF-I regula también la entrada en un estado alternativo del desarrollo llamado la larva Dauer, que presenta detenimiento del crecimiento, resistencia al estrés por reducción de alimento y conglomeración de organismos. Debido a que pospone la reproducción hasta que las condiciones ambientales mejoren, entonces produce la misma consecuencia que la restricción calórica en vertebrados. Las Dauer usan la energía almacenada en la grasa, acumulada antes de ingresar a este estado.

Para permanecer en esta forma los niveles de daf-2 deben estar reducidos, por lo que este cambio metabólico es análogo a lo sucedido en los humanos cuando se reducen los niveles de insulina que dispara la respuesta de rompimiento y metabolismo de las reservas de grasa (9,30). Por otro lado, las mutaciones en el sistema de genes clk en C. elegans disminuyen las tasas de muchos procesos como la división celular, la tasa de alimentación y la defecación. Además, ellos incrementan la vida de los adultos en 15-30% y esto es independiente de daf-16. Como su tasa de metabolismo se reduce, se reduce la tasa de daño oxidativo, además, como su consumo de alimentos es menor, se produce un efecto similar a la restricción calórica (9).

Las mutaciones que disminuyen la actividad de la vía insulina/IGF-I causan enanismo pero duplican la longevidad. Estas mutaciones también incrementan la expresión de SOD y el almacenamiento de nutrientes. Como las vías de señalamiento por glucosa e insulina/IGF-I son reguladas por la falta de nutrientes, entonces mutaciones en estas vías provocarán condiciones de hambruna (26).

En los invertebrados, la reducción en el señalamiento por insulina/IGF aumenta la longevidad, sin embargo en ratones está poco claro el efecto que esto tiene sobre el envejecimiento. Además de su impacto en IGF-I, GH influye en el metabolismo somático al inducir la lipólisis del adipocito. En los roedores como en los humanos, los niveles de GH e IGF-I se reducen con la edad. La suplementación por corto tiempo de GH en adultos restaura, algunos aspectos de composición del cuerpo y cognición. Por lo que, la retirada de GH e IGF-I se sugiere es la causa de la senescencia más que una condición

que retarda el envejecimiento. Por otro lado, porque estimula el metabolismo y el crecimiento celular, GH puede acelerar la patología celular (16,26). Una evidencia poderosa del rol directo del señalamiento por IGF-I en el control del envejecimiento en mamíferos fue dado por un ratón mutante para el receptor IGF-I Igf1r. Las hembras Igf1r+/, pero no los machos, viven 33% más que los controles silvestres. Estos mutantes exhiben una mínima reducción en el crecimiento sin alterar la edad de la maduración sexual, fertilidad, metabolismo, toma de alimentos o temperatura. El receptor IGF-I normal disminuye la resistencia al estrés oxidativo de varias formas, actúa a nivel de dos vías. Una vía incluye dos forma de la proteína Sch (p66 y p52) y la otra utiliza a la enzima kinasa fosfatidilinositol 3-OH. La mutación de p66 Sch extiende la vida del ratón en un 30% e incrementa la resistencia al estrés oxidativo. En el ratón igf1r ^+/- las dos vías están afectadas, por lo que se necesitan más estudios específicos en estas vías (16,17,26).

Los ratones homocigotos para la mutación en los genes Prop-1 o Pit-1 son enanos pero viven 25-65% más que los silvestres. Los homocigotas Prop-1 o Pit-1 son deficientes en la hormona de crecimiento en suero (GH), hormona estimuladora de la tiroides (TSH) y prolactina además de IGF-I, que es secretado por el hígado al ser estimulado por GH. La deficiencia en plasma de GH parece mediar los efectos de las mutaciones Prop-1 o Pit-1 en la longevidad, porque los ratones que no pueden liberar GH en respuesta a la hormona que promueve la liberación de GH viven más. Además, los ratones enanos con GH alta en suero pero con un 90% menos de IGF-I (ratón nulo para el receptor GH/ proteína de unión (GHR/BP)) viven más que el tipo silvestre. Los estudios sugieren que la reducción en plasma de IGF-I es responsable del incremento en la esperanza de vida de los ratones enanos, deficientes de GH y GHR-BP nulos (1,17). Un ejemplo experimental son los ratones enanos Ames. A estos les faltan ciertas hormonas, incluyendo la hormona del crecimiento, prolactina y la hormona estimuladora de la tiroides, y viven 50% más de lo normal.

Los animales que sobreexpresan la GH exhiben signos de envejecimiento acelerado y los mutantes para el receptor de la GH viven más. Al igual que los ratones sometidos a la CR, los ratones enanos tienen temperaturas corporales menores, además presentan niveles elevados de catalasa y Cu/ZnSOD y niveles reducidos de ROS, lo que coincide con la teoría de la reducción de la tasa metabólica y del daño oxidativo como los responsables de alargar la vida en esta especie (9). La reducción en la síntesis de hormona tiroidea es característico de los mutantes de la pituitaria con envejecimiento retardado. Por la baja función de la tiroides, los ratones enanos exhiben rasgos que retardan la senescencia, incluyendo la hipotermia y la maduración retrasada. El hipotiroidismo inducido por el tratamiento de ratas neonatas extiende la vida en la adultez, aunque la reducción en IGF-I todavía juega un papel porque la hormona tiroidea estimula GH durante el desarrollo de los ratones (26).

La longevidad en ratones también se incrementa 18% por una irrupción grasa específica del gen del receptor de la insulina. Estos ratones tienen un suplemento de calorías normal, pero se mantienen delgados y se vuelven tolerantes a la glucosa con la edad. Cambios múltiples en los adipocitos sobrellevan estos efectos, incluyendo una elevación en plasma de leptina relativo a la masa adiposa, lipólisis reducida y la polarización de adipocitos en poblaciones con una expresión alterada de la sintasa de ácidos grasos (26). Un efecto generalizado de la vía insulina/IGF-I es la acumulación de grasa o glucógeno en respuesta al estrés. En levaduras, la represión de la vía Ras2/Cyr 1/PKA resulta en la acumulación de glucógeno, que se almacena en situaciones de hambruna.

En nemátodos, moscas y ratones, la vía insulina/IGF-I resulta en la acumulación de grasa. Las mutaciones de enanismo provocan la acumulación de grasa que se revierte suministrando GH. La deficiencia en IGF-I también aumenta la acumulación de grasa en humanos. En los mamíferos, la grasa es la mayor fuente de carbono durante amplios periodos de hambruna, mientras que el glucógeno provee glucosa solo durante periodos cortos de ayuno. Por lo que, el interruptor entre almacenamiento de glucógeno en levaduras y el almacenamiento de grasa en metazoarios es consistente con el rol de las vías de regulación de la longevidad al inducir la acumulación de fuentes de carbono que maximizarán la sobrevivencia en amplios periodos de hambruna (25). Sin embargo, la habilidad de GH e IGF-I para disminuir las defensas antioxidantes en los hepatocitos indica que IGF-I puede promover daño celular y enfermedades en mamíferos. Los ratones enanos Pit-1 son deficientes en GH e IGF-I en plasma, estos muestran menos osteoartritis que los silvestres.

Desde entonces, altos niveles de IGF-I se han asociado con incremento en el riesgo de ciertas enfermedades humanas como cáncer de mama, pulmón, colorrectal y próstata. IGF-I parece también promover tumores en ratones pues estos se reducen o retrasan en ratones Pit-1 y Prop-1. Los ratones con niveles elevados de GH e IGF-I exhiben lesiones severas de riñón y una vida reducida. Los adenomas y los carcinomas de hígado así como lesiones del corazón son comunes en ratones viejos que sobreexpresan GH (26). El rol de GH e IGF-I en el declive cognitivo por la edad aún no está claro. Una infusión de IGF-I en los cerebros de ratones viejos revierte parcialmente el declive en la memoria pero no mejora las habilidades sensomotoras. El ratón enano Prop-1 muestra una función cognitiva mejorada comparado con un ratón normal de su edad (25). Sin embargo, la esperanza de vida normal de humanos con mutaciones similares a las del ratón sugiere que puede ser posible extender la longevidad humana al reducir los niveles en plasma de IGF-I y GH. Por el contrario, un incremento crónico y mayor de los niveles de GH/IGF-I en plasma aumenta la morbilidad y mortalidad en los organismos de estudio (25).

Las enfermedades humanas que resultan en la sobreproducción o reducción de GH e IGF-I en plasma, o una de las dos, puede ser informativa para desarrollar terapias que previenen enfermedades relacionadas con la edad. Va a ser difícil aumentar la longevidad sin tener efectos secundarios, de hecho, la deficiencia en humanos de GH lleva a la reducción de la esperanza de vida y se asocia con un aumento en la masa de grasa, reducción en la masa de hueso y músculo, problemas del comportamiento, prevalencia incrementada de hipertensión, resistencia a la insulina y arteroesclerosis prematura. Las mutaciones humanas homólogas a Prop-1 en ratones causan defectos como el enanismo, piel arrugada y deficiencia intelectual pero no parece acortar la vida del individuo (25).

Síndromes Progeroides.

En humanos ciertas mutaciones heredables aceleran la evidencia de fenotipos de vejez. Los desórdenes causados por estas mutaciones se llaman síndromes progeroides segmentales, porque aceleran algunos pero no todos los signos del envejecimiento normal, como el desarrollo de cataratas, piel avejentada y enfermedades cardiovasculares (24). Se han estudiado extensivamente como una clave para encontrar las causas moleculares del envejecimiento y se ha establecido que muchas de las mutaciones inactivan total o parcialmente, las proteínas que detectan o reparan el daño en el ADN (11), así como alteraciones en el metabolismo de los lípidos y los carbohidratos. La diabetes se considera un síndrome progeroide, ya que la glicosilación proteica se contempla como uno de los mecanismos metabólicos de envejecimiento prematuro (21).

Algunos investigadores como Lenny Guarente, no creen que la información obtenida de estos estudios sea extrapolable al envejecimiento normal, ya que, los pacientes con progeria no manifiestan todas las características del envejecimiento (25). Los ratones y los humanos tienen sus mecanismos de reparación del ADN altamente conservados y son muy similares.

Los ratones también pueden desarrollar progerias, de modo que resultan un modelo muy útil para el estudio de estos síndromes humanos (11). Presentando un breve resumen de las alteraciones producidas por las mutaciones en estas patologías, se observa un alto porcentaje de disfunción en los mecanismos de reparación y mantenimiento del ADN.

El síndrome de Hutchinson Gilford, se presenta en niños, quienes envejecen hasta diez veces más rápido de lo normal, presentado alopecia, crecimiento lento, piel seca y arrugada, dislocaciones de cadera y enfermedades articulares. La mayoría muere alrededor de los 13 años de edad, a causa de un infarto cardíaco (25). Se sabe que una mutación de base es la responsable de la enfermedad, pero se conoce poco sobre su herencia y su efecto sobre el mantenimiento del genoma. Al analizar fibroblastos de los pacientes "in vitro", se determinó que hay un acortamiento en los telómeros y una disminución en los mecanismos de reparación del ADN (19).

El síndrome de Werner se relaciona con un defecto en la ADN helicasa exonucleasa que produce una alta inestabilidad genómica que causa cortes en los cromosomas, translocaciones y amplias delecciones (24). Se hereda en forma autosómica recesiva y sus portadores manifiestan un envejecimiento precoz al llegar a la etapa del adulto joven con arteriosclerosis, malignidades, diabetes tipo 2, cataratas, telangiectasia y atrofia de la piel (11,21).

La tricotiodistrofia se hereda en forma autosómica recesiva y se relaciona con mutaciones que dañan la transcripción y la reparación del genoma (11). La ataxia telangiectasia autosómica recesiva también, se relaciona con daños en las vías de señalización de proteínas kinasas y en la reparación del ADN.

El síndrome de Down se considera progeroide por el fenotipo que desarrollan sus portadores, tales como disfunción tiroidea, cataratas, trastornos neurodegenerativos tipo Alzheimer, etc, pero no se conoce el defecto en el mantenimiento genómico. Se espera que la comprensión científica de estos síndromes favorezca el desarrollo de terapias que disminuyan la aparición prematura de algunos fenotipos de vejez. Dada su baja incidencia, será preciso esperar para ver si estos resultados en realidad son aplicables a los individuos que envejecen normalmente.

Terapias y medicina antienvejecimiento

Los tratamientos para combatir el envejecimiento generados hasta el momento, son intervenciones que retrasan la aparición y progresión, hasta cierto punto, de las debilidades relacionadas a la edad. Sin embargo, en los últimos años se ha hecho posible enumerar un conjunto de intervenciones técnicamente realizables para desarrollar una medicina antienvejecimiento. Estos tratamientos buscarían reducir el riesgo de muerte debido a diversas causas por la edad a un nivel similar al adquirido contra las infecciones bacterianas (4). Hay tres categorías de drogas que tendrían el potencial de prevenir o posponer las enfermedades relacionadas a la edad:

1. drogas que simulen mutaciones de enanismo y por lo tanto disminuyan la producción de GH por las células pituitarias,

2. drogas que prevengan la liberación de IGF-I del hígado,

3. drogas que reduzcan el señalamiento por IGF-I al actuar en blancos intra o extracelulares.

Sin embargo, los tratamientos evaluados hasta el momento no logran el objetivo de evitar el envejecimiento. Por ejemplo, en ratones se ha observado que el reestablecimiento de las concentraciones juveniles de ciertos factores del crecimiento estimula el recrecimiento del timo, que es el órgano que madura muchas de las células inmunes y reduce hasta un 90% la producción de estas células durante la primera mitad de vida del organismo. Esto se debe a que esta maquinaria celular está regulada genéticamente, por lo que si las condiciones externas de las células del timo se revierten a un estado joven entonces el proceso se reactivará (4).

Los ratones enanos tratados transitoriamente en su vida adulta con GH y hormona tiroidea llegaron a ser más largos que los enanos no tratados, pero vivieron más que los controles. Los estudios en levaduras y gusanos indican que la duración máxima de la vida puede extenderse sin causar defectos en el crecimiento y la reproducción (26). Como GH puede estimular directamente el crecimiento, la activación y diferenciación en las células, por ejemplo los fagocitos y linfocitos, es posible que al reducir los niveles de IGF-I y no de GH, la longevidad se puede extender mientras que se reducen los efectos secundarios (17). Un estudio realizado en personas adultas, en el que se reestablecieron los niveles normales de IGF-I, por medio de una terapia de reemplazo de la hormona del crecimiento, resultó en beneficios significativos en la salud de los sujetos (16).

Otro ejemplo es el estudio realizado en 1990, donde se administró a hombres de 61-81 años de edad la hormona del crecimiento durante seis meses. Previo a esto, se confirmó que tuviesen niveles de IGF-I menores a lo normal para hombres jóvenes. La administración de hormona decrecimiento, provocó un aumento en la masa corporal, una disminución en la masa adiposa y un aumento en la densidad de la espina lumbar, mientras que la presión sistólica de la sangre y la concentración de glucosa en ayunas aumentó significativamente.

Sin embargo, debe considerarse que el suplemento a largo plazo de la GH en ancianos puede aumentar el riesgo de cáncer, si se busca establecer una terapia a partir de este y otros estudios similares. Esta investigación confirma los efectos de la GH en la composición del cuerpo pero no mejora la función, como sí se logran ambos objetivos con trabajo físico que mejora la fuerza del músculo y su función (27).

Una terapia que se ha suministrado es la de antioxidantes, que pueden retardar la formación de los daños del envejecimiento, sin embargo no pueden se totalmente eliminarlos. Además, ciertos químicos reactivos que los antioxidantes atacan como el peróxido de hidrógeno y el superóxido se ha demostrado que son moléculas importantes en las señales celulares, por lo que una terapia que las reduzca implica riesgos para el equilibrio celular (4).

Otra idea es el alargar los telómeros acortados para la revertir la senescencia, sin embargo sería preferible evitar desde un inicio que sean acortados. Pero se sabe que la senescencia también es causada por el rompimiento de los cromosomas, por lo que una terapia para alargar los telómeros no funcionaría en este caso (1).

Una intervención para extender la vida del humano por medio de la restricción calórica presenta tres problemas: 1) es sencillo extender la vida en seres de vida corta mientras que en los humanos de vida larga posiblemente los mismos acercamientos no funcionen. 2) la CR en roedores no funciona en el ambiente natural cuando los progenitores de los ratones del laboratorio son silvestres, de modo que la restricción calórica no aumenta el tiempo de vida de estos individuos. 3) la CR aumenta la vida en ratones sólo si empezó con el tratamiento cuando aún estaban creciendo, lo que en humanos sería difícil (4). En la actualidad se están visualizando terapias que retarden el envejecimiento al reparar los daños de la edad y el desgaste del organismo. Por ejemplo, la terapia celular para reemplazar las células perdidas que provocan la neurodegeneración, la osteoporosis, la osteoartritis, la sarcopenia, la senescencia del sistema inmune y el hormonal. Sin embargo, es posible que esto no extienda la vida pues una parte del daño se da en el espacio extracelular (entrecruzamientos y agregados). También, el daño a las células a veces las hace enfermar y no morir tornándose tóxicas para sus compañeras. Para el entrecruzamiento de las proteínas estructurales se ha descubierto un químico ALT-711 que repara las arterias, cartílago y piel dejándolos elásticos como los jóvenes, por lo que está en ensayos clínicos.

Para los agregados extracelulares se ha estimulado al sistema inmune para que los reconozca y los engolfe por medio de la microglia (macrófagos del cerebro), por ejemplo (4). En el caso de los agregados lisosomales intracelulares, el acercamiento más razonable sería permitir a las células deshacer la basura in situ, lo que se podría lograr al aportar a las células enzimas extra que les permitan realizar dicha función. Por supuesto, también se deben considerar los daños causados por alteraciones en el ADN nuclear y mitocondrial, además de enfermedades tan severas como el cáncer, sobre el cual se ha trabajado ampliamente (4).

 

Conclusiones

La visión del proceso de envejecimiento es muy amplia y la investigación toma, cada vez, nuevos rumbos que incluyen estudios más específicos en rutas como las hormonales. Sin embargo, hay algo que los seres humanos no tomamos en cuenta y es que el factor ambiental es determinante en el proceso, de modo que depende de cada uno, la salud y la vitalidad de que se goce en la vejez. Esto se comprueba en un estudio llevado a cabo en Escandinavia usando a gemelos idénticos, revelando que la esperanza de vida heredada era de 20-30% por lo que el 70% de la varianza dependía del ambiente (15). Un alcance importante de todos estos estudios será el implementar terapias que disminuyan las enfermedades y los padecimientos asociados con la edad, de modo que el incremento en la longevidad alcanzado en el género humano, correlacione con una alta calidad de vida.

 

Bibliografía

1. Beckman M. : Dieting Dwarves Live it Up. Sci. SAGE KE 2001; nf4 (21 noviembre 2001).        [ Links ]

2. Cao S., Dhahbi J., Mote P. et al.: Genomic profiling of short and long-term caloric restriction effects in the liver of aging mice. Proceedings of the National Academy of Science 98:10630, 1998.        [ Links ]

3. Coleen M., McCarrol S., Bargmann C. et al.: Genes that act downstream of DAF-16 to influence the lifespan of Caenorhabditis elegans. Nature: 424:277, 2003.        [ Links ]

4. de Grey A. An Engineer's Approach to the Development of Real Anti-Ageing Medicine. Sci. SAGE KE 2003; vp1 (8 january 2003).        [ Links ]

5. Finkell T. & Holbrook N.: Oxidants, oxidative stress and the biology of ageing. Nature 408: 239,2000.        [ Links ]

6. Gems D. & McElwee J.: Microarraying mortality. Nature 424:259, 2003.        [ Links ]

7. Golden T., Hinerfeld D. & Melov S.: Oxidative stress and ageing: beyond correlation. Ageing cell 1:117, 2002.        [ Links ]

8. Gordon L. & Gill M. : Cost free longevity in mice. Nature 421:125, 2003.        [ Links ]

9. Guarente L. & Kenyon C.:Genetic pathways that regulate ageing in model organisms. Nature 408:255, 2000.        [ Links ]

10. Hariharan I. & Haber D.: Yeast, flies, worms and fish in the study of human disease. N. Engl. J. Med. 348:2457, 2003.        [ Links ]

11. Hasty P, Campisi J., Hoeijmakers J. et al.:Ageing and genome maintenance: lessons from the mouse? Science 299:1355, 2003.        [ Links ]

12. Hasty P. & Vijg Jan. Genomic priorities in aging. Science 296:1250, 2002.        [ Links ]

13. Heilbronn L. & Ravussin E.: Calorie Restriction and Ageing: Review of the literature and implications for studies in humans. Am. J. Clin. Nutr. 78: 361, 2003.        [ Links ]

14. Hekimi S. & Guarente L.: Genetics and the specificity of the ageing process. Science 299:1351, 2003.        [ Links ]

15. Kirkwood T. & Austad S.: Why do we age?. Nature 408:233, 2000.        [ Links ]

16. Lithgow G. & Gill M.: Cost-Free Longevity in Mice? Nature 421:125, 2003.        [ Links ]

17. Longo V. & Finch C. :Evolutionary medicine: from dwarf model systems to healthy centenarians? Science 299:1342, 2003.        [ Links ]

18. Lundblad V. :Taking the measure. Nature 423:926, 2003.        [ Links ]

19. Ly D., Lockhart D., Lerner R. et al.: Mitotic misregulation and human ageing. Science 287:2486, 2000.        [ Links ]

20. Martin G., LaMarco K., Strauss E, et al.: Research on Ageing: The End of the Beginning. Science 299:1339,2003.        [ Links ]

21. Martin G. & Oshima J.: Lessons from progeroid syndromes. Nature 408: 263, 2003.        [ Links ]

22. Melov S., Ravenscroff J., Malik S. et al.: Extension of life-span with superoxide dismutasa/catalasa mimetics. Science 289:1567, 2000.        [ Links ]

23. Murphy C., McCarroll S., Bargmann C. et al. : Genes that Act Downstream of DAF-16 to Influence the Lifespan of Caenorhabditis elegans. Nature 424: 277, 2003.        [ Links ]

24. Perls T. & Terry D. Understanding the Determinants of Exceptional Longevity. Ann. Intern. Med. 139:445, 2003.        [ Links ]

25. Pilcher H.: Premature-ageing gene found. Nature News Service. Published on line, 2003.        [ Links ]

26. Tatar M., Bartke A. & Antebi A.: The endocrine regulation of ageing by insulin-like signals. Science 299:1346, 2003.        [ Links ]

27. Vance M.: Can Growth Hormone Prevent Ageing? N. Engl. J. Med. 348:779, 2003.        [ Links ]

28. Vaquero A., Loyola A.& Reinberg D.: The Constantly Changing Face of Chromatin. Sci. SAGE KE 10 april 2003.        [ Links ]

29. www.immortality.org. Studying aging with RNA interference. Published on line. 2003.        [ Links ]

30. www.nature.com. The times of our lives. Nature News Service on line. 2000.        [ Links ]

* Ingeniera en Biotecnología, Instituto Tecnológico de Costa Rica

** Laboratorio Clínico, Hospital Nacional de Niños, Caja Costarricense de Seguro

Social, San José de Costa Rica.
lbarzuna@hnn.sa.cr