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ABSTRACT
The process of aging manifests from a highly interconnected network of biological cascades resulting in the degradation and breakdown of every living organism over time. This natural development increases risk for numerous diseases and can be debilitating. Academic and industrial investigators have long sought to impede, or potentially reverse, aging in the hopes of alleviating clinical burden, restoring functionality, and promoting longevity. Despite widespread investigation, identifying impactful therapeutics has been hindered by narrow experimental validation and the lack of rigorous study design. In this review, we explore the current understanding of the biological mechanisms of aging and how this understanding both informs and limits interpreting data from experimental models based on these mechanisms. We also discuss select therapeutic strategies that have yielded promising data in these model systems with potential clinical translation. Lastly, we propose a unifying approach needed to rigorously vet current and future therapeutics and guide evaluation toward efficacious therapies.
초록
노화 과정은
시간 경과에 따라 모든 생명체의 퇴화와 붕괴를 초래하는
고도로 상호 연결된 생물학적 연쇄 반응으로부터 나타납니다.
이 자연적인 발달은
수많은 질병의 위험을 증가시키고 쇠약해질 수 있습니다.
학계 및 산업계 연구자들은 임상적 부담을 줄이고,
기능을 회복하며, 장수를 증진시키려는 희망으로
노화를 저지하거나 잠재적으로 역전시키려 오랫동안 노력해왔습니다.
광범위한 조사에도 불구하고,
영향력 있는 치료법의 식별은
좁은 실험적 검증과 엄격한 연구 설계의 부족으로 인해 방해받아왔습니다.
본 리뷰에서는
노화의 생물학적 메커니즘에 대한 현재의 이해와
이 이해가 이러한 메커니즘에 기반한 실험 모델에서 얻은 데이터를 해석하는 데
어떻게 정보를 제공하고 동시에 한계를 가지는지 탐구합니다.
또한
이러한 모델 시스템에서 유망한 데이터를 산출하여
임상 번역 가능성이 있는 선별된 치료 전략에 대해서도 논의합니다.
마지막으로,
현재 및 미래의 치료법을 엄격하게 검증하고
효과적인 치료법으로 평가를 유도하는 데 필요한
통합적인 접근 방식을 제안합니다.
Keywords
INTRODUCTION
Aging is the natural process in which the human body undergoes systemic changes leading to decreased functionality and increased risk for age-related diseases, eventually resulting in death. Despite decades of observation and research, this process has yet to be effectively altered by human intervention. Yet the market for anti-aging therapies and cosmetics is nearly $60 billion USD and is expected to increase by 50% in the next 5 years. Despite this great interest, the field is still in its infancy and driven by big promises, with little impact made in slowing this process.
A major problem plaguing the field of anti-aging therapeutics is a lack of standardization with which to determine efficacious therapies. Although the biological effect of aging impacts many areas, therapeutic candidates are often evaluated within a narrow scope, generating hype and capital investments, but ultimately unable to provide the promised effect. In this review, we present an overview of the current state of aging research; review select interventions under investigation and the models currently available to study their efficacy; and discuss the scope, utility, and limitations of these models. Finally, we propose a framework to evaluate these therapies and future aging-related research to produce meaningful progress in this field.
서론
노화는 인간의 신체가 기능 저하와 노화 관련 질병의 위험 증가로 이어지는 전신적 변화를 겪으며 결국 죽음에 이르게 되는 자연스러운 과정입니다. 수십 년간의 관찰과 연구에도 불구하고, 이 과정은 아직 인간의 개입으로 효과적으로 변경되지 못했습니다. 그럼에도 불구하고 항노화 치료법과 화장품 시장은 거의 600억 달러 규모에 달하며 향후 5년 내에 50% 증가할 것으로 예상됩니다. 이러한 큰 관심에도 불구하고, 이 분야는 여전히 초기 단계에 있으며 큰 약속에 의해 주도되지만, 이 과정을 늦추는 데는 거의 영향을 미치지 못하고 있습니다.
항노화 치료제 분야를 괴롭히는 주요 문제는
효과적인 치료법을 결정하기 위한 표준화의 부족입니다.
노화의 생물학적 영향은 여러 영역에 영향을 미치지만,
치료제 후보는 종종 좁은 범위 내에서 평가되어 과장된 홍보와 자본 투자를 유발하지만
궁극적으로 약속된 효과를 제공하지 못합니다.
본 리뷰에서는
노화 연구의 현재 상태에 대한 개요를 제시하고,
조사 중인 특정 개입과 그 효능을 연구하는 데 현재 사용 가능한 모델을 검토하며,
이러한 모델의 범위, 유용성 및 한계에 대해 논의합니다.
마지막으로,
이 분야에서 의미 있는 진전을 이루기 위해
이러한 치료법과 미래의 노화 관련 연구를 평가하기 위한 프레임워크를 제안합니다.
What Is Aging?
Aging is the normal change to the body throughout the human life cycle. It is the result of the combination of loss of youthful, rejuvenation properties and gain of detrimental features, tipping the balance between these factors toward a degenerative process over time. Aging affects both the quantity and quality of life. The quantity, or lifespan, is a measure of the time alive, whereas the quality, or healthspan, is the duration of life whereby an individual can function fully without the ravages of disease. The effects of aging spare no organ system, and advanced age is a well-established risk factor for diseases ( Figure 1 ). It is thought that changes in biological age due to environmental factors or intrinsic properties, such as exposure to chemicals (1), reproductive capabilities (2), metabolic changes (3), and factors influencing epigenetic expression (4), result in the observed variation in individuals’ lifespans. Indeed, in recent decades, as modern medicine has advanced, we have seen how new treatments and advances in healthcare enable prolonged longevity in the civilized world. The upper limit of extending longevity through this approach is still unknown. Ultimately, ideal therapeutic candidates should impede the underlying mechanisms of aging that, in turn, may promote longevity.
노화란 무엇인가?
노화는
인간의 생애 주기 동안 신체에 발생하는 정상적인 변화입니다.
이는 젊음과 회춘 특성의 상실과 해로운 특성의 획득이 결합된 결과로,
시간이 지남에 따라 이러한 요소들 사이의 균형이 퇴행성 과정으로 기울어집니다.
노화는
삶의 양과 질 모두에 영향을 미칩니다.
양, 즉 수명은 생존 시간을 측정하는 반면,
질, 즉 건강 수명은 개인이 질병의 폐해 없이 완전히 기능할 수 있는 삶의 기간입니다.
노화의 영향은 어떤 장기 시스템도 피하지 못하며,
고령은 질병의 잘 알려진 위험 요소입니다(그림 1).
환경 요인 또는 화학 물질 노출(1), 생식 능력(2), 대사 변화(3), 후성 유전적 발현에 영향을 미치는 요인(4)과 같은
내재적 특성으로 인한 생체 연령의 변화가 개개인의 수명 변이를 초래한다고 여겨집니다.
실제로 최근 수십 년 동안 현대 의학이 발전함에 따라,
새로운 치료법과 의료 발전이 문명 세계에서 장수를 연장하는 방법을 보아왔습니다.
이러한 접근 방식을 통한 장수 연장의 상한선은 아직 알려져 있지 않습니다.
궁극적으로
이상적인 치료 후보는
노화의 근본적인 메커니즘을 저해하여 장수를 증진시킬 수 있어야 합니다.
Figure 1 Common diseases associated with advanced age. Advanced age is a known risk factor for degenerative diseases and cancer in nearly every organ system. Some of the most common diseases, which account for the greatest mortality, are depicted. A direction often taken for anti-aging strategies is to target disease progression rather than the aging phenotype in that organ system. Figure adapted from Internal Organs with Callouts (Layout) (2)
by BioRender.com, retrieved from https://app.biorender.com/biorender-templates .
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Hallmarks and Mechanisms of Aging
The forces driving the aging phenotype and advanced biological age are complex, multifactorial, and mechanistically interconnected. It was originally proposed that this process began through the accumulation of somatic mutations in cells, and varying frameworks of aging have focused on cellular and genetic trends seen throughout the aging process (5, 6). Yet significant gaps remain in this hypothesis, and DNA damage as a unifying theory has yet to be proven. It is now becoming clear that the aging phenotype is the result of numerous alterations to several molecular pathways that regulate homeostatic functions. In 2013, López-Otín et al. (5) proposed a new paradigm to view the mechanisms of aging, dubbed the hallmarks of aging, and identified nine key changes that manifest during the normal aging process and whose manipulation can potentially influence the aging process. Many of these hallmarks have become the mechanistic targets of anti-aging therapies. Yet these hallmarks are highly interconnected, and interventions meant to target a single hallmark are often studied within a narrow scope, while the aging phenotype manifests uniquely through multiple hallmarks at each biological scale in an organism ( Figure 2 ). Induction of a single hallmark of aging does not necessarily yield an advanced aging phenotype in totality. For example, single mutations at the genetic level in progeroid animal models result in altered patterns of health but overall normal lifespans (7–10). Likewise, targeting a specific hallmark may not attenuate aging.
노화의 특징과 메커니즘
노화 표현형과 진행된 생물학적 연령을 유도하는 힘은 복잡하고 다인자적이며 기계적으로 상호 연결되어 있습니다. 이 과정은 원래 세포 내 체세포 돌연변이의 축적을 통해 시작된다고 제안되었으며, 다양한 노화 프레임워크는 노화 과정 전반에 걸쳐 나타나는 세포 및 유전적 경향에 초점을 맞춰왔습니다(5, 6). 그러나 이 가설에는 상당한 간극이 남아 있으며, DNA 손상이 통일 이론이라는 것은 아직 입증되지 않았습니다. 이제 노화 표현형이 항상성 기능을 조절하는 여러 분자 경로의 수많은 변화의 결과라는 것이 명확해지고 있습니다.
2013년 로페스-오틴(López-Otín) 외 연구진(5)은
노화 메커니즘을 보는 새로운 패러다임을 제안하고,
이를 노화의 특징이라고 불렀으며,
정상적인 노화 과정에서 나타나고 조작 시 노화 과정에 잠재적으로 영향을 미칠 수 있는
9가지 주요 변화를 확인했습니다.
이러한 특징 중 다수가 항노화 치료법의 기계적 표적이 되었습니다. 그러나 이러한 특징들은 고도로 상호 연결되어 있으며, 단일 특징을 표적으로 하는 개입은 종종 좁은 범위 내에서 연구되는 반면, 노화 표현형은 유기체의 각 생물학적 규모에서 여러 특징을 통해 독특하게 나타납니다(그림 2). 단일 노화 특징의 유도는 전체적으로 진행된 노화 표현형을 반드시 산출하지는 않습니다. 예를 들어, 조로증 동물 모델의 유전적 수준에서의 단일 돌연변이는 건강 패턴을 변화시키지만 전반적으로 정상적인 수명을 초래합니다(7–10). 마찬가지로, 특정 특징을 표적으로 하는 것이 노화를 약화시키지 않을 수도 있습니다.
Figure 2 Manifestations of the aging phenotype across scales of organized biology.
Aging presents with differing features, depending on the biological level at which it is observed. This figure outlines such levels and the common manifestations of the aging phenotype at each point in the biological scale. Figure adapted from images created with BioRender.com.
그림 2 조직화된 생물학의 여러 규모에 걸친 노화 표현형의 발현.
노화는 관찰되는 생물학적 수준에 따라 다른 특징을 나타냅니다. 이 그림은 그러한 수준과 생물학적 규모의 각 지점에서 노화 표현형의 일반적인 발현을 설명합니다. BioRender.com으로 만든 이미지를 재구성하였습니다.
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Here we highlight this gap in the research approach for three such hallmarks of aging:
(a) cellular senescence,
(b) reactive oxygen species (ROS) production, and
(c) stem cell exhaustion,
which are highly interdependent and are emerging targets for therapeutic intervention. They manifest with similar features, are induced through similar mechanisms, and result in reciprocal expression. Untangling their intertwined mechanisms, and understanding experimental results in the context of this cycle, can help researchers further interpret the effects of anti-aging interventions, identify shortcomings in the field, and elucidate future therapeutic avenues to ultimately influence the aging process.
여기서 우리는 노화의 세 가지 특징인
(a) 세포 노화,
(b) 반응성 산소종(ROS) 생성,
(c) 줄기세포 고갈에 대한 연구 접근 방식의 이러한 간극을 강조합니다.
https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC4160113/
이들은 고도로 상호 의존적이며 치료적 개입을 위한 새로운 표적으로 부상하고 있습니다. 이들은 유사한 특징으로 나타나고, 유사한 메커니즘을 통해 유도되며, 상호적인 발현을 초래합니다. 그들의 얽히고설킨 메커니즘을 풀어내고, 이 순환의 맥락에서 실험 결과를 이해하는 것은 연구자들이 항노화 개입의 효과를 더욱 해석하고, 이 분야의 단점을 식별하며, 궁극적으로 노화 과정에 영향을 미칠 미래 치료 경로를 밝히는 데 도움이 될 수 있습니다.
Cellular senescence.
In cellular senescence, a phenotype following serial replication, replicatory function is arrested, but the cell maintains viability and resistance to apoptosis (11, 12). What were once quiescent and productive cellular components of tissue switch to detrimental phenotypes that are thought to contribute to the aging process by negative cellular signaling coming from these reprogrammed cells (13–17).
As depicted in Figure 3 , many conditions, such as exposure to protein aggregates, advanced glycosylation end products, DNA damage, ROS mediators, and inflammatory cytokines, may lead to this cellular fate (12). Proinflammatory signaling through interleukins and cytokines may further amplify NF-κB, p38MAPK, and associated signaling pathways that are thought to play a role in the development of the senescent phenotype (18–20). In response to DNA damage, p53/p21WAF1/CIP1 is activated, leading to cell cycle arrest and the characteristic replicative-inert senescent feature (21). While the DNA damage response can directly lead to expression of senescent markers, ectopic induction of senescence-associated markers does not recapitulate this phenotype in its totality, indicating mechanisms beyond DNA damage alone (21). However, sustained p16INK4a expression maintains this senescent state, and removal of cells expressing this marker has resulted in the delayed onset of age-related patterns (13, 21).
세포 노화.
세포 노화에서는
연속적인 복제 후 나타나는 표현형에서 복제 기능이 정지되지만,
세포는 생존력을 유지하고 세포자멸사에 대한 저항성을 가집니다(11, 12).
한때 조직의 조용하고 생산적인 세포 구성 요소였던 것들이
재프로그래밍된 세포에서 오는 부정적인 세포 신호 전달에 의해 노화 과정에 기여하는 것으로 생각되는
해로운 표현형으로 전환됩니다(13–17).
그림 3에 묘사된 바와 같이,
단백질 응집체,
최종 당화 산물,
DNA 손상,
ROS 매개체 및 염증성 사이토카인에 대한 노출과 같은
많은 조건이 이러한 세포 운명으로 이어질 수 있습니다(12).
protein aggregates,
advanced glycosylation end products,
DNA damage,
ROS mediators, and inflammatory cytokines
인터루킨 및 사이토카인을 통한 전염증성 신호 전달은
NF-κB, p38MAPK 및 관련 신호 전달 경로를 더욱 증폭시킬 수 있으며,
이는 노화 표현형 발달에 역할을 한다고 생각됩니다(18–20).
DNA 손상에 반응하여 p53/p21WAF1/CIP1이 활성화되어
세포 주기 정지를 유도하고
특징적인 복제 불활성 노화 특징을 나타냅니다(21).
DNA 손상 반응이
직접적으로 노화 마커의 발현을 유도할 수 있지만,
노화 관련 마커의 이소성 유도는 전체적으로 이러한 표현형을 재현하지 못하며,
이는 DNA 손상만으로는 설명할 수 없는 메커니즘이 있음을 나타냅니다(21).
그러나
p16INK4a의 지속적인 발현은
이 노화 상태를 유지하며,
이 마커를 발현하는 세포를 제거하면 연령 관련 패턴의 발병이 지연되는 결과를 보였습니다(13, 21).
Figure 3 Development and features of the senescence-associated secretory phenotype.
The senescent phenotype can be induced through (a) signaling generated by environmental or intrinsic cues. These signaling pathways (b) lead to the senescence-associated secretory phenotype, which (c) produces a wide range of intercellular mediators. Figure adapted from images created with BioRender.com.
그림 3 노화 관련 분비 표현형의 발달 및 특징.
노화 표현형은 (a) 환경적 또는 내재적 신호에 의해 생성된 신호 전달을 통해 유도될 수 있습니다. 이러한 신호 전달 경로(b)는 노화 관련 분비 표현형으로 이어지며, 이는 (c) 광범위한 세포간 매개체를 생성합니다. BioRender.com으로 만든 이미지를 재구성하였습니다.
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Senescent cells influence tissue homeostasis through the senescence‐associated secretory phenotype (SASP), which has been linked to many age-related conditions, particularly cancer, and telomeric shortening (15, 22, 23). As a result of this phenotype, senescent cells increase secretion of inflammatory cytokines, chemokines, growth factors, matrix metalloproteinases, and nitric oxide (12, 24). In addition, these cells increase secretion of profibrotic factors, stem cell–dysregulating factors, and other detrimental biological mediators (12). Ultimately, SASP cells may induce ROS damage through cytokine signaling and direct stem cell dysregulation, leading to the manifestation of other hallmark features of aging.
노화 세포는
노화 관련 분비 표현형(SASP)을 통해 조직 항상성에 영향을 미치며,
이는 특히 암 및 텔로미어 단축과 같은 많은 노화 관련 질환과 관련이 있습니다(15, 22, 23).
이 표현형의 결과로, 노화 세포는
염증성 사이토카인, 케모카인, 성장 인자, 기질 금속단백분해효소 및 산화질소의 분비를 증가시킵니다(12, 24).
또한, 이러한 세포는
섬유아세포증 촉진 인자, 줄기세포 조절 장애 인자 및 기타 해로운 생물학적 매개체의 분비를 증가시킵니다(12).
궁극적으로
SASP 세포는
사이토카인 신호 전달 및 직접적인 줄기세포 조절 장애를 통해
ROS 손상을 유도하여 노화의 다른 특징적인 발현으로 이어질 수 있습니다.
Oxidative stress.
ROS signaling influences the aging phenotype. Interestingly, the magnitude and duration of ROS expression may yield differing effects. For example, knockdown of NAPDH oxidase leads to chronic, low levels of ROS expression, which in turn activate compensatory mechanisms and promote longevity (25, 26). However, chronic expression of high levels of ROS is a well-established risk factor associated with the aging phenotype, in part due to the accumulated damage over time (27). This accumulation occurs from loss of intrinsic antioxidative mechanisms coupled with increased pro-oxidative stressors (28). ROS expression is induced due to multiple sources, including mitochondrial dysfunction (29, 30), inflammatory processes (27, 31–33), and exogenous stressors such as UV light (34). ROS acts as a polyfunctional signaling moiety, influencing cellular senescent pathways (27, 28, 35), DNA damage response and repair, and metabolic activity (36–38). All these signaling pathways influence stem cell aging and acquisition of the SASP. Increased ROS production has been linked to many aging-associated diseases, such as cardiovascular disease (39, 40), diabetes (41–46), and cancer (27, 42). This central functionality in multiple cellular processes and diseases has made targeting ROS accumulation and stress an attractive area for modeling aging and for anti-aging interventions.
산화 스트레스.
ROS 신호는
노화 표현형에 영향을 미칩니다.
흥미롭게도,
ROS 발현의 크기와 지속 기간은
다른 효과를 산출할 수 있습니다.
예를 들어,
NAPDH 산화효소의 넉다운은 만성적이고 낮은 수준의 ROS 발현을 유도하며,
이는 보상 메커니즘을 활성화하고 장수를 촉진합니다(25, 26).
그러나
높은 수준의 ROS의 만성 발현은
노화 표현형과 관련된 잘 확립된 위험 요소이며,
부분적으로는 시간 경과에 따른 축적된 손상 때문입니다(27).
이러한 축적은
내재적 항산화 메커니즘의 손실과 친산화성 스트레스 요인의 증가가 결합되어 발생합니다(28).
ROS 발현은
미토콘드리아 기능 장애(29, 30), 염증 과정(27, 31–33), UV 광과 같은
외인성 스트레스 요인(34)을 포함한 여러 원인으로 인해 유도됩니다.
ROS는
다기능 신호 분자로 작용하여
세포 노화 경로(27, 28, 35),
DNA 손상 반응 및 복구, 대사 활동(36–38)에 영향을 미칩니다.
이 모든 신호 경로는
줄기세포 노화 및 SASP 획득에 영향을 미칩니다.
ROS 생성 증가는
심혈관 질환(39, 40), 당뇨병(41–46), 암(27, 42)과 같은
많은 노화 관련 질환과 관련이 있습니다.
여러 세포 과정 및 질병에서 이러한 중심 기능은
ROS 축적 및 스트레스를 표적으로 하는 것을
노화 모델링 및 항노화 개입을 위한 매력적인 영역으로 만들었습니다.
Stem cell exhaustion.
Decreased replicative function of tissue-specific stem cells is thought to contribute to development of the aging phenotype (5). Stem cells occupy niches in tissues primarily for regular tissue maintenance or in response to injury, and upon stimulatory cues, the stem cells shift from a quiescent to a proliferative state to replace damaged or lost cells (47). Their long-term presence increases the probability of damage over time, which results in ineffective functionality and replication, a blunted response to tissue injury, and decreased healing and maintenance of tissues in aged organisms (47).
Dysregulation of the microenvironment for stem cell populations induces loss of this function (48). External factors such as inflammatory signaling (49), ROS-mediated damage (47, 50), and metabolic perturbations (51–53) may result in accumulation of DNA damage, leading to senescence and replicatory arrest in stem cells (49). Metabolic perturbations through insulin-like growth factor 1 (IGF-1), mTOR, Wnt, and TGF-β influence stem cell exhaustion in aging (51–53) and can occur from metabolic syndromes and lipodystrophy (50, 54). Hematopoietic stem cells in aged mice displayed reduced proliferation due to increased cytokine signaling and reduction of the supportive stromal cell population (55). An increased failure rate of stem cell transplantations and engraftments in elderly populations is attributed to this hostile microenvironment (55–57). Modeling the effects of the young versus old microenvironment, and deriving methods to restore the young microenvironment, has gained interest as a rejuvenation strategy.
줄기세포 고갈.
조직 특이적 줄기세포의 복제 기능 감소는
노화 표현형 발달에 기여하는 것으로 생각됩니다(5).
줄기세포는
주로 정상적인 조직 유지 또는 손상에 반응하여 조직 내 틈새를 차지하며,
자극 신호에 따라 줄기세포는
비활성 상태에서 증식 상태로 전환하여 손상되거나 손실된 세포를 대체합니다(47).
그들의 장기적인 존재는
시간 경과에 따른 손상 가능성을 증가시켜 비효율적인 기능과 복제를 초래하고,
조직 손상에 대한 반응이 둔화되며,
노화된 유기체에서 조직의 치유 및 유지가 감소합니다(47).
줄기세포 개체군의 미세환경 조절 장애는
이러한 기능의 상실을 유도합니다(48).
염증성 신호(49),
ROS 매개 손상(47, 50),
대사 교란(51–53)과 같은 외부 요인은
DNA 손상 축적을 초래하여 줄기세포의 노화 및 복제 정지를 유도할 수 있습니다(49).
인슐린 유사 성장 인자 1(IGF-1), mTOR, Wnt, TGF-β를 통한 대사 교란은
노화 과정에서 줄기세포 고갈에 영향을 미치며(51–53)
대사 증후군 및 지방이영양증(50, 54)으로 인해 발생할 수 있습니다.
노화된 쥐의 조혈 줄기세포는
증가된 사이토카인 신호 전달 및 지지 간질 세포 집단의 감소로 인해
증식 감소를 보였습니다(55).
노인 인구에서 줄기세포 이식 및 생착 실패율 증가는
이러한 적대적인 미세환경에 기인합니다(55–57).
젊은 대 늙은 미세환경의 효과를 모델링하고
젊은 미세환경을 회복하는 방법을 도출하는 것은
회춘 전략으로 관심을 받고 있습니다.
Summary of Mechanisms of Aging
The molecular mechanisms of aging form a complex and highly interconnected network, leading to the emergence of aging phenotypes. Their role as truly causal mechanisms of the aging phenotype is muddled by their overlapping features and reciprocal induction (27, 28, 35) (summarized in Figure 4 ). To identify truly efficacious anti-aging therapeutics, it is imperative to study the effects across multiple hallmarks of aging and biological scales in relevant model systems. Identifying efficacious drug candidates therefore requires methods that can capture these features.
노화 메커니즘 요약
노화의 분자 메커니즘은
복잡하고 고도로 상호 연결된 네트워크를 형성하여
노화 표현형의 출현으로 이어집니다.
노화 표현형의 진정한 인과적 메커니즘으로서의 역할은
그들의 중복되는 특징과 상호 유도(27, 28, 35)(그림 4에 요약)로 인해 모호합니다.
진정으로 효과적인 항노화 치료법을 식별하려면
관련 모델 시스템에서 노화의 여러 특징과 생물학적 규모에 걸쳐
효과를 연구하는 것이 필수적입니다.
따라서
효과적인 약물 후보를 식별하려면
이러한 특징을 포착할 수 있는 방법이 필요합니다.
Figure 4 Overlapping characteristics of three key hallmarks of aging: oxidative stress, stem cell exhaustion, and the senescence-associated secretory phenotype. These three hallmarks share common features such as replicatory arrest, DNA damage, and inflammatory signaling. Induction of one hallmark can yield the manifestation of the other two hallmark features. Figure adapted from images created with BioRender.com.
그림 4 노화의 세 가지 주요 특징인 산화 스트레스, 줄기세포 고갈 및 노화 관련 분비 표현형의 중첩 특성.
이 세 가지 특징은 복제 정지, DNA 손상 및 염증성 신호 전달과 같은 공통 특징을 공유합니다. 하나의 특징의 유도는 다른 두 특징의 발현을 유도할 수 있습니다. BioRender.com으로 만든 이미지를 재구성하였습니다.
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MODELING AGING SYSTEMS
Identifying ideal therapeutic candidates requires representative models of the aging physiology. An ideal model of aging should (a) recapitulate the hallmarks of aging and (b) provide practical and actionable data as readouts to adequately evaluate therapeutic efficacy. Several key model designs with promise in determining efficacy of anti-aging therapeutics have emerged. These models, which vary in their methodological approach but provide unique benefits and limitations, fall under three major categories: (a) in silico, (b) in vitro, and (c) in vivo (see Table 1 ).
노화 시스템 모델링
이상적인 치료 후보를 식별하려면 노화 생리학의 대표적인 모델이 필요합니다. 이상적인 노화 모델은 (a) 노화의 특징을 재현하고 (b) 치료 효능을 적절하게 평가하기 위한 실용적이고 실행 가능한 데이터를 제공해야 합니다. 항노화 치료제의 효능을 결정하는 데 유망한 여러 핵심 모델 설계가 등장했습니다. 방법론적 접근 방식은 다르지만 독특한 이점과 한계를 제공하는 이러한 모델은 크게 세 가지 범주로 나뉩니다: (a) 전산적(in silico), (b) 시험관 내(in vitro), (c) 생체 내(in vivo) (표 1 참조).
Table 1
Summary of models used to evaluate anti-aging therapeutics
Toggle display: Table 1 Open Table 1 fullscreen
In silico
In vitro
In vivo
Key readouts | Predictions of biological age | Molecular and genomic signatures | Functional activity, whole-tissue histology |
Biological scale | Genetic, epigenetic, functional | Genetic, epigenetic, organelle, cellular | All |
Benefits | Large datasets integrating complex interactions | Single-pathway and cell type analysis | Lifespan measurements, whole-organism reactions |
Limitations | Requires high-throughput data collection, rigid training structures | Limited scope of biological scales, low throughput | Multifaceted interactions, difficult to discern causal mechanisms, low throughput |
In Silico Models
A popular approach to characterize biological age from chronological age is through computationally derived predictions from large datasets of biomarkers. These models are not completely in silico, as they rely on biologically derived experimental data to develop the basis of their predictions. However, the application of these models beyond their training dataset and in clinical trials makes them powerful tools to characterize the effects of anti-aging interventions.
Implementation is simple: Measure biomarkers that predict longevity, and use changes in the levels of these markers to determine therapeutic efficacy. However, a major challenge in the field of aging research is a lack of consensus on the definition of biological age and its associated biomarkers. Butler et al. (58) proposed a definition of aging biomarkers as measurable features that (a) can be used to predict the outcome of an age-sensitive test better than chronological age, (b) can be used to predict an individual's remaining longevity, and (c) can be measured without influencing life expectancy. Such an ideal marker for aging and lifespan has yet to be identified (58–60).
Models have instead used biomarkers that correlate with time; such biomarkers have provided accurate predictions of chronological age, thereby creating aging clocks. Biological age estimators have been trained using biomedical data on different features, including genetics, epigenetics, function (e.g., spirometry), neuroimaging, telomere length (61), transcriptomics (62), DNA methylation (63, 64), proteomics (65), and blood-based biomarkers.
One of the most reliable data sources to predict chronological age is DNA methylation. DNA methylation is considered to be a hallmark of aging (5) and is susceptible to changes from interactions with the environment, such as interactions with stress, as well as to changes through the passage of time alone (64, 66). The first DNA methylation models were reported in 2013, and time-dependent features from methylation datasets were extracted and regressed to chronological age to generate age estimators, reaching a high correlation (>0.9) of Pearson scores (63–65, 67). These predictive models have intrinsic features with serious limitations to their utility. Due to the linear nature of these methylation clocks, they lack flexibility to accurately predict the intrinsic variability in biological age seen between individuals in whom variance is most prevalent and, critically, has the highest yield for its application. Efforts have been made to circumvent this limitation by leveraging advances in artificial intelligence using deep neural networks to overcome the rigidity of linear regression models, and these artificial intelligence models have been applied to predict biological age by integrating transcriptomics, methylation, and proteomic arrays (68–70). Leveraging artificial intelligence for DNA methylation clocks continues to be an active area of research (71). Yet this increasing complexity and the need for larger datasets are additional hurdles for these clocks’ widespread application in the drug discovery sector.
It was originally thought that telomere length could be a predictive biomarker for aging. However, its use has been limited due to high rates of variability across epidemiological studies, casting doubt as to telomere length being a cause or result of aging (72, 73). Vaiserman & Krasnienkov (73) provide a highly detailed and thorough recent review of telomeres in aging research.
Many studies in aging have demonstrated enrichment of inflammatory pathways with age (65, 74), indicating chronic inflammation develops over time and is associated with many age-related diseases and increased mortality (75, 76). It is unclear whether this low-grade chronic inflammatory state, dubbed inflammaging, is a mechanism or a feature of the aging process, but it can be used to predict features of aging (17), and serum levels of proinflammatory cytokines have been used to predict mortality (32, 77). Biological age clocks based on inflammaging are still in the early stages of development since identifying the relevant biomarkers has been challenging (78). One clock developed uses a guided autoencoder method to nonlinearly model the inflammatory burden and predict chronological age (17).
DNA methylation clocks have been utilized to predict lifespan by integrating organ-functional data to estimate age-related physiological decline (69) and to determine changes in the rate of biological aging to evaluate anti-aging therapies (69, 79, 80) and rejuvenation strategies (81). These clocks have also been used to explore how environmental and health risk factors, such as socio-economic status (66, 82), smoking (82), ischemic stroke (83), and even COVID-19 infection (84), might influence mortality. Yet the predictions from these clocks must be understood in the context of their limitations. These clocks are often highly population specific, owing to the influence of the external environment on these epigenetic expression patterns (82), and lose external validity when applied to alternative populations. Furthermore, there is no consensus on which methylation sites to measure (82), making these clocks mechanistically uninterpretable (67). There are variations in the clinical data integrated into the models, and they aggregate population data to apply to individuals, thereby reducing the interpersonal variability in the mean error in the model. These predictions are even limited between samples within the same individual. DNA methylation can vary across tissue types, thereby limiting the predictive value when one is using samples derived from locations not included in the training of the model (85).
Even with these limitations, DNA methylation clocks have the potential to be implemented in conjunction with high-throughput screenings of therapeutic candidates to further characterize their anti-aging effects.
In Vitro Models
In vitro modeling provides the means to elucidate underlying aging mechanisms, the effects of drug candidates, and the efficacy of anti-aging therapeutics. In vitro models are broadly characterized into normal aging models or accelerated aging models.
Normal aging models subject cells to the mercy of time. Cell culture models intrinsically achieve a senescent state, as defined by the Hayflick model of cellular aging (11). Ultimately, the characteristic changes in these cell models that occur from serial passaging can be used to describe the intrinsic properties of aging cells (86). This approach has yielded a wealth of findings on telomere biology and its impact on cellular senescence (87), as well as stem cell aging through telomeric shortening (88). Methodology using pathway perturbations with serial passaging can elucidate mechanistic associations of individual proteins and pathways that manifest in aging phenotypes, such as induction of cellular senescence through constant Wnt signaling (89). However, these models have obvious limitations; most notably, they are time consuming and expensive, using large quantities of reagents, and have a low overall throughput. These models would be best utilized to identify mechanisms of specific drug candidates.
Accelerated aging models have emerged as an alternative to normal aging models. These models induce aging in vitro using ROS-mediated damage (90). The reducing sugar d-galactose induces ROS production in vitro and has been used to generate aging models across numerous cell types of all primordial germ layers. Cells treated with d-galactose exhibit increased cytokine production, reduced proliferation, and increased expression of senescent genes such as those encoding p53 and p21, indicating an aged phenotype (91). Other reducing sugars have also demonstrated increased ROS production and similar aging phenotypes (92). Models utilizing hydrogen peroxide to directly induce ROS damage yielded differing results relative to in vivo data (93). Interpretation of the results from these models is limited, as they are not truly models of aging, but rather models of ROS damage. Limited exposure to ROS-inducing agents [e.g., 48 h (94) to 7 weeks (95)] may yield expression of aging markers. However, the durability of this phenotype, and whether it truly represents aging or a transient stress response, is poorly validated.
In Vivo Models
Whole organisms provide the greatest insight into the aging process. Many organisms, including yeasts, flies, worms, fish, rodents, and nonhuman primates, have been used to study aging (96). The primary challenge of in vivo studies of aging is the lifespan of the model organism used. For example, rhesus monkeys can live up to 40 years, making their ubiquitous use in therapeutic trials untenable. In comparison, murine models have relatively short lifespans (∼2–3 years) and can be invaluable for untangling the mechanisms and therapeutic targets for aging. Murine models have already provided insight into the mechanisms and pathophysiology of progeroid diseases and the potential application of rejuvenation strategies.
Progeria and accelerated aging models.
Murine models of accelerated aging provide mechanistic insight into the features of aging. Single-mutation models have demonstrated features of advanced and accelerated aging of multiple tissue types, such as in models of human progeroid syndromes or other mutations (10, 89). Human progeroid syndromes are a group of diseases that constitute an early-onset advanced-age phenotype. Typically induced by defects in DNA damage repair, these progeroid syndromes are also a promising source for in vitro models to study age-related diseases by using inducible pluripotent stem cells (iPSCs) that can recapitulate organ-specific progeroid disease states. These models have illuminated our understanding of age-related diseases across multiple organ systems, including brain, heart, lung, and kidneys (97). Several mouse models of progeroid syndromes have been established and can be readily utilized to test therapeutic candidates ( Table 2 ).
Table 2
Summary of progeroid models
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Model organismKey mutationsPhenotypic featuresDisease modelingReference(s)
Mouse | BubR1 overexpression | Decreased cancer deaths Extended lifespan Increased muscle function | Not applicable | 98 |
Mouse | WRN | Reduced cellular proliferation Increased sensitivity to p53 knockout No premature aging | Werner syndrome | 7, 8, 10 |
Mouse | LMNA | Muscular dystrophy Reduced growth rate Normal lifespan | Hutchinson–Gilford progeria syndrome | 99, 100 |
Mouse | Zmptste24 | Growth retardation Reduced lifespan Muscular dystrophy | Hutchinson–Gilford progeria syndrome | 9 |
Heterochronic parabiosis.
Heterochronic parabiosis is the process through which two organisms of differing aged individuals (hetero denotes different, and chronic denotes ages) are surgically joined, forming an anastomosis (parabiosis) between their circulations to share blood contents (101). This model of aging is implemented to study the response of tissues to altered environments due to age-related factors, although very few studies have utilized this approach (101).
In 2005, Conboy et al. (102) reported a heterochronic parabiosis study to investigate whether biological factors in young blood might enhance pathways associated with progenitor cell proliferation and rejuvenate old stem cells. They found that parabiosis of young to old mice facilitated muscle regeneration through activation of resident progenitor cells via upregulation of the Notch ligand Delta, whose activity is lost with age in muscle satellite cells (102, 103). Furthermore, liver regeneration increased twofold in old parabiont mice. A secondary pathway potentially mediating muscle repair was through reduction of an age-dependent increase in tissue fibrosis that accompanies loss of muscle regeneration via canonical Wnt signaling pathways (51). These rejuvenation properties may also be attributed to growth differentiation factor 11 (GDF11) activity, which normally declines with age (104). This rejuvenation effect is thought to extend to epigenetic modifications, specifically in the central nervous system (105, 106), where parabiosis may induce cAMP signaling and CREB activation in hippocampal neurons, promoting increased learning and memory (107). Heterochronic parabiosis models have also observed variations in the quantity of senescent cells, with increased senescent cells in younger mice and decreased senescent cells in older mice (108). Single-cell RNA sequencing of these models revealed that introduction of young blood facilitated expression of metabolic genes in old counterparts across multiple tissues (109). In fact, young heterochronic mice have significantly lower mitochondrial fitness relative to young isochronic controls (110).
Understanding aging using the findings from this model system has significant limitations. In general, these studies suffer from using one time point with little or no investigation into whether the effect is sustained over time. Furthermore, in heterochronic parabiosis, organisms share the same organs, and functional changes may be explained due to processing blood in younger organs, and not necessarily due to the presence or absence of age-related blood-borne factors. These studies also involve little follow-up analysis to discern causative features and have few controls in place to rule out alternative hypotheses, such as weight differences, volume considerations between parabionts, and bullying between parabiont animals (111). In fact, heterochronic organ transplants influence the fitness of the organ and function as an independent predictor of graft success (112). Rebo et al. (113) addressed this limitation by performing heterochronic blood exchanges rather than pairings, thereby removing the effect of shared organs, and studied the effects on muscle regeneration, liver proliferation, and hippocampal neurogenesis. These researchers found that, following ∼90% homogenization of blood, there was a moderate increase in muscle fiber regeneration and a decrease in fibrosis (113).
A critical area needed to move this model and other aging models forward is standardization of methods. Assays measuring proliferation, by using nuclear markers that merely correlate with proliferation, are poor indicators of stem cell rejuvenation, and little functional analysis follows this initial measurement. Many features of stem cell exhaustion—including cytoplasmic accumulation of toxic macromolecules; aberrant activity of Wnt, Notch, and Hedgehog pathways; and epigenetic alterations—could be measured (114). An increased emphasis must be placed on investigating effects across multiple biological scales, and while histopathological evidence is a starting point, true functional evaluation of organisms must also be performed.
THERAPEUTIC STRATEGIES
Anti-aging therapeutics have gained increased attention in the biotechnology sector, with several pharmaceutical and biotechnology companies making such development a top priority of their research and development. Anti-aging treatments focus on prevention of damage over time (geroprotection), restoration of youthful features (rejuvenation), and the ability to replace tissue following injury (regeneration). Many of these anti-aging strategies revolve around attenuating one of the hallmarks of aging (5) or targeting a specific age-related disease (115). Here we highlight four emerging areas of interest in the field of anti-aging interventions ( Figure 5 ) and discuss the evidence supporting their implementation and their limitations.
치료 전략
항노화 치료법은 생명공학 분야에서 큰 주목을 받고 있으며, 여러 제약 및 생명공학 기업들이 이러한 개발을 연구 개발의 최우선 과제로 삼고 있습니다.
항노화 치료법은
시간 경과에 따른 손상 예방(노화 보호),
젊음의 특징 회복(회춘),
손상 후 조직 대체 능력(재생)에 중점을 둡니다.
prevention of damage over time (geroprotection),
restoration of youthful features (rejuvenation), and
the ability to replace tissue following injury (regeneration).
이러한 항노화 전략 중 다수는 노화의 특징 중 하나를 약화시키거나(5) 특정 노화 관련 질병을 표적으로 삼는 것입니다(115). 여기서는 항노화 개입 분야에서 주목받는 네 가지 새로운 영역(그림 5)을 강조하고, 그 구현을 뒷받침하는 증거와 한계에 대해 논의합니다.
Figure 5 Therapeutic strategies to attenuate the aging phenotype. Emerging therapeutic strategies focus on mitigating degradation over time (e.g., dietary modifications and senolytics) or reversing the effects of aging through rejuvenation mechanisms (e.g., cellular reprogramming and heterochronic parabiosis for youthful rejuvenation). Figure adapted from images created with BioRender.com.
그림 5 노화 표현형을 완화하는 치료 전략. 새로운 치료 전략은 시간 경과에 따른 퇴화 완화(예: 식단 수정 및 세포 노화 세포 제거제) 또는 회춘 메커니즘을 통한 노화 효과 역전(예: 세포 재프로그래밍 및 젊음 회춘을 위한 이종 연령 동체 결합)에 중점을 둡니다. BioRender.com으로 만든 이미지를 재구성하였습니다.
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Geroprotective Strategies
A common approach of anti-aging strategies is through geroprotection. These interventions focus on impeding the rate of degradation over time by minimizing exposure to inducers of aging.
노화 보호 전략(Geroprotective Strategies)
항노화 전략의 일반적인 접근 방식은 노화 보호를 통한 것입니다.
이러한 개입은 노화 유도 물질에 대한 노출을 최소화하여 시간 경과에 따른 퇴화 속도를 저해하는 데 중점을 둡니다.
Dietary modifications.
Dietary modifications and resulting metabolic changes hold promise as a readily available method to attenuate aging. Alterations to metabolic pathways, specifically the shift from an anabolic to a catabolic state, have been implicated in the aging process, leading to cell stress and ROS signaling and production (37, 38, 116). Modulation of metabolic pathways such as IGF signaling (117, 118), growth hormone (GH) signaling (118, 119), and mTOR pathways (120) increases longevity in various nonvertebrate model organisms. In fact, analysis of human centenarian tissues has found that specific genetic loci involved in these metabolic processes, such as TOMM40/APOE (121–123) and FOXO3a (124, 125), are linked with increased longevity. Therefore, various methods modulating metabolic processes are being explored as an anti-aging strategy.
Studies suggest that caloric restriction may extend lifespan (126). Caloric restriction is the process of reducing caloric intake below baseline levels while maintaining sufficient nutritional intake. Originally hypothesized to be due to a passive mechanism of reducing metabolic processing, this process is now understood to induce metabolic changes to influence aging (127, 128). Caloric restriction induces changes in DNA methylation, posttranslational histone modifications, and other epigenetic alterations (129). A systematic review of caloric restriction intervention in human and animal trials found that caloric restriction increased the lifespans of yeasts, flies, worms, fish, and rodents (130). However, the extent of this effect varied greatly between species, and a universal mechanism between species is contested (131).
식단 수정.
식단 수정과 그로 인한 대사 변화는
노화를 약화시키는 손쉬운 방법으로서 유망합니다.
대사 경로의 변화,
특히 동화 작용에서 이화 작용 상태로의 전환은
노화 과정과 관련되어 세포 스트레스와 ROS 신호 및 생성을 유도하는 것으로 알려져 있습니다(37, 38, 116).
IGF 신호(117, 118),
성장 호르몬(GH) 신호(118, 119),
mTOR 경로(120)와 같은 대사 경로의 조절은
다양한 비척추동물 모델 유기체에서 수명을 증가시킵니다.
growth hormone (GH) signaling (118, 119), and
mTOR pathways
실제로 인간 백세인 조직 분석에서는 TOMM40/APOE(121–123) 및 FOXO3a(124, 125)와 같은 이러한 대사 과정에 관여하는 특정 유전자 자리가 장수와 관련이 있다는 것을 발견했습니다. 따라서 대사 과정을 조절하는 다양한 방법이 항노화 전략으로 탐구되고 있습니다.
연구에 따르면 칼로리 제한은 수명을 연장할 수 있습니다(126).
칼로리 제한은
충분한 영양 섭취를 유지하면서
기준선 이하로 칼로리 섭취를 줄이는 과정입니다.
원래는
대사 처리 감소의 수동적 메커니즘 때문이라고 가설되었으나,
이제는 이 과정이 노화에 영향을 미치는 대사 변화를 유도하는 것으로
이해됩니다(127, 128).
칼로리 제한은
DNA 메틸화,
전사 후 히스톤 변형 및 기타 후성 유전적 변화를 유도합니다(129).
DNA methylation,
posttranslational histone modifications, and
other epigenetic alterations
인간 및 동물 시험에서 칼로리 제한 개입에 대한 체계적인 검토는 칼로리 제한이 효모, 파리, 벌레, 물고기 및 설치류의 수명을 증가시켰음을 발견했습니다(130). 그러나 이 효과의 정도는 종마다 크게 달랐으며, 종 간의 보편적인 메커니즘은 논란의 여지가 있습니다(131).
In humans, a 2-year clinical trial investigating caloric restriction found no change in circulating levels of IGF-1, GH, or other caloric restriction–sensitive biomarkers but did find favorable changes in body weight, glucoregulatory function, and markers for cardiovascular disease (132). However, studies in humans have been relatively short term, relying on metabolic biomarkers as a gauge of efficacy with an undetermined effect on longevity (133). These results are further complicated by the inclusion criteria: Many of the studies conducted on humans use an initially overweight cohort, which raises the question as to whether the mechanism of effect is directly on aging or indirectly due to modifying disease progression. Ultimately, it is estimated that caloric restriction has the potential to extend human lifespan by 1–5 years, depending on the age at which this modification is implemented (134).
A growing body of evidence suggests that intermittent fasting, or changing the pattern of calorie intake, rather than the quantity of calories taken in, may induce favorable benefits similar to those of caloric restriction (135). Fasting periods trigger metabolic alterations like those seen in caloric restriction, which has the favorable benefits of preventing disease and degradation (136). In fact, prolonged periods of fasting are necessary to induce the key molecular and metabolic effects seen in caloric restriction diets (137).
인간을 대상으로 한 2년간의 칼로리 제한 임상 시험에서는 IGF-1, GH 또는 기타 칼로리 제한에 민감한 바이오마커의 순환 수준에 변화가 없었지만, 체중, 혈당 조절 기능 및 심혈관 질환 마커에 유리한 변화를 발견했습니다(132). 그러나 인간을 대상으로 한 연구는 비교적 단기적이었고, 장수에 대한 불확실한 효과를 가진 효능 측정 수단으로 대사 바이오마커에 의존했습니다(133). 이러한 결과는 포함 기준에 의해 더욱 복잡해집니다. 인간을 대상으로 수행된 많은 연구는 초기 과체중 코호트를 사용하며, 이는 효과의 메커니즘이 노화에 직접적인지 또는 질병 진행 수정으로 인한 간접적인지 여부에 대한 의문을 제기합니다. 궁극적으로, 칼로리 제한은 이 수정이 구현되는 연령에 따라 인간의 수명을 1~5년 연장할 잠재력을 가진 것으로 추정됩니다(134).
점점 더 많은 증거에 따르면,
칼로리 섭취량보다는 칼로리 섭취 패턴을 변경하는 간헐적 단식은
칼로리 제한과 유사한 유리한 이점을 유도할 수 있습니다(135).
단식 기간은
칼로리 제한에서 보이는 것과 같은 대사 변화를 유발하여
질병 및 퇴화를 예방하는 이점을 제공합니다(136).
실제로,
칼로리 제한 식단에서 나타나는 핵심 분자 및 대사 효과를 유도하기 위해서는
장기간의 단식이 필요합니다(137).
Antioxidative diets have also gained popularity to attenuate the rate of aging, with many commercial products now using the antioxidative term as a marketing strategy. However, little evidence exists to justify an influence on longevity in humans. Dietary supplementation of antioxidative molecules demonstrated cognitive benefits in mammalian models but failed to increase lifespan (96). Several studies looking at gain-of-function mutations in superoxide dismutase and catalase, two antioxidant enzymes, found that these mutations did yield an increase in Drosophila lifespan (96), and in a dose-dependent manner (138). Interestingly, alterations to other antioxidant enzymes, such as glutathione reductase, did not yield an increase in lifespan, suggesting that distinct ROS signaling pathways influence the aging process (139). These mutations had the greatest effect on adult motor neurons, indicating a site-specific benefit (140). In fact, oxidative stress has the greatest detrimental effect on cognition and neuronal functionality in mammalian models (96, 141).
Collectively, lifestyle modifications, such as diet and exercise, are the most straightforward method to attenuate the effects of aging and other disease processes. While widely studied and highly promising, dietary modifications are difficult to maintain and require sustained effort and discipline. Therefore, alternative strategies using pharmaceutical mimetics are under consideration. Many common medications, such as aspirin, metformin, rapamycin, and resveratrol, have demonstrated metabolic modulation (142–144). It was even reported that patients receiving recombinant human GH displayed evidence of epigenetic deaging on the basis of four different epigenetic clocks (145).
항산화 식단 또한 노화 속도를 늦추는 데 인기를 얻었으며,
많은 상업용 제품이 이제 항산화라는 용어를 마케팅 전략으로 사용하고 있습니다.
그러나 인간의 장수에 영향을 미친다는 증거는 거의 없습니다. 항산화 분자의 식이 보충은 포유류 모델에서 인지적 이점을 보여주었지만 수명 증가에는 실패했습니다(96). 두 가지 항산화 효소인 슈퍼옥사이드 디스뮤타제와 카탈라아제의 기능 획득 돌연변이를 조사한 여러 연구에서는 이러한 돌연변이가 초파리 수명 증가를 가져왔으며(96), 용량 의존적 방식으로 나타났습니다(138). 흥미롭게도, 글루타티온 환원효소와 같은 다른 항산화 효소의 변화는 수명 증가를 가져오지 않았으며, 이는 뚜렷한 ROS 신호 경로가 노화 과정에 영향을 미친다는 것을 시사합니다(139). 이러한 돌연변이는 성인 운동 신경원에 가장 큰 영향을 미쳐 특정 부위의 이점을 나타냈습니다(140). 실제로, 산화 스트레스는 포유류 모델에서 인지 및 신경 기능에 가장 해로운 영향을 미칩니다(96, 141).
종합적으로,
식단 및 운동과 같은 생활 방식 수정은
노화 및 기타 질병 과정의 영향을 완화하는 가장 간단한 방법입니다.
광범위하게 연구되고 매우 유망하지만,
식단 수정은
유지하기 어렵고 지속적인 노력과 규율이 필요합니다.
따라서
약리학적 모방 물질을 사용하는
대안적 전략이 고려되고 있습니다.
아스피린, 메트포르민, 라파마이신, 레스베라트롤과 같은
많은 일반적인 약물이 대사 조절을 보여주었습니다(142–144).
심지어 재조합 인간 성장 호르몬을 투여받은 환자들이
네 가지 다른 후성 유전적 시계를 기반으로
후성 유전적 탈노화 증거를 보였다는 보고도 있었습니다(145).
Senolytics.
In 2011, Baker et al. (13) demonstrated that removal of senescent cells in a transgenic mouse model promoted longevity and a youthful phenotype. Since then, numerous biotech companies have sought pharmaceutical means to reduce expression of this phenotype, and research on senotherapeutics, or drugs targeting the cellular senescence pathway, is a highly active area.
Only a handful of pharmaceuticals are categorized specifically as senolytics. These include dasatinib, quercetin, navitoclax, A1331852, A1155463, and fisetin. These drugs have shown promising results in preclinical models to reduce senescent cells, resulting in delaying and preventing age- and senescence-related conditions (14). Recent trials in humans for idiopathic pulmonary fibrosis (NCT02874989) using a combination of dasatinib and quercetin showed inconclusive results about these compounds’ senolytic properties but did find improved functional changes upon pulmonary function testing (146). Additional placebo-controlled, double-blinded, randomized clinical trials are needed to adequately assess the potential benefits of these pharmaceuticals in organ function and longevity.
세포 노화 세포 제거제(Senolytics).
2011년 Baker et al. (13)은 형질전환 쥐 모델에서 노화 세포를 제거하면 수명과 젊은 표현형이 촉진된다는 것을 입증했습니다. 그 이후로 수많은 생명공학 회사들이 이 표현형의 발현을 줄이기 위한 약학적 수단을 모색해왔으며, 세포 노화 경로를 표적으로 하는 약물인 노화 치료제(senotherapeutics)에 대한 연구는 매우 활발한 분야입니다.
소수의 의약품만이 특히 세포 노화 세포 제거제로 분류됩니다. 여기에는 다사티닙, 케르세틴, 나비토클락스, A1331852, A1155463, 피세틴이 포함됩니다. 이 약물들은 전임상 모델에서 노화 세포를 줄이는 데 유망한 결과를 보여 노화 및 노화 관련 질환의 지연 및 예방을 초래했습니다(14). 다사티닙과 케르세틴의 조합을 사용한 특발성 폐섬유증(NCT02874989)에 대한 최근 인간 대상 임상 시험에서는 이러한 화합물의 세포 노화 세포 제거 특성에 대한 결정적인 결과를 보여주지는 못했지만, 폐 기능 검사에서 개선된 기능 변화를 발견했습니다(146). 이러한 의약품이 장기 기능 및 수명에 미칠 수 있는 잠재적 이점을 적절히 평가하기 위해서는 추가적인 위약 대조, 이중 맹검, 무작위 임상 시험이 필요합니다.
The most advanced candidates in this field are repurposed pharmaceuticals with senolytic properties. Metformin, a widely prescribed type II diabetes medication, has been found to decrease rates of DNA damage, cellular senescence, and mitochondrial oxidation while increasing rates of autophagy of pathogenic cells through a wide array of possible mechanisms (147–149). Metformin is currently under investigation in FDA-approved clinical trials [the TAME (Targeting Aging with Metformin) trials] as a prevention strategy for age-related diseases. Unity Biotechnology gained attention through billionaire investments for its senolytic candidate drug UBX0101, which was hoped to reduce the joint stiffness and pain associated with osteoarthritis, although trial results failed to show significance. Other well-established therapeutics targeting the mTOR pathway, such as rapamycin or sirolimus, have demonstrated senolytic properties and are currently under investigation (12, 150).
Despite sparse data showing real-world efficacy of senolytics in humans, senolytics continue to be highly sought after among pharmaceutical companies and academic centers (150). Companies are searching for novel senolytic targets, leveraging advances in artificial intelligence, to prevent cellular senescence and promote regenerative growth. The majority of senolytics under investigation are small-molecule or peptide-based pharmaceuticals. However, recently (18) a cell-based approach using senolytic CAR T cells targeting urokinase-type plasminogen activator receptor, a cell surface protein induced during senescence, extended the survival of mice with lung adenocarcinoma that were treated with a senescence-inducing combination of drugs, and this approach restored tissue homeostasis in mice in which liver fibrosis was induced chemically or by diet.
이 분야에서 가장 발전된 후보는 세포 노화 세포 제거 특성을 가진 용도 변경된 의약품입니다.
널리 처방되는 제2형 당뇨병 치료제인
메트포르민은
다양한 가능한 메커니즘을 통해
DNA 손상, 세포 노화, 미토콘드리아 산화를 감소시키고
병원성 세포의 자가포식률을 증가시키는 것으로 밝혀졌습니다(147–149).
메트포르민은
현재 FDA 승인 임상 시험[TAME (메트포르민으로 노화 표적) 시험]에서
노화 관련 질병 예방 전략으로 연구 중입니다.
유니티 바이오테크놀로지(Unity Biotechnology)는 억만장자 투자를 통해
세포 노화 세포 제거제 후보 약물 UBX0101로 주목을 받았는데,
이는 골관절염과 관련된 관절 경직 및 통증을 줄일 것으로 기대되었으나,
임상 시험 결과 유의미성을 보여주지 못했습니다.
라파마이신 또는 시롤리무스와 같이
mTOR 경로를 표적으로 하는 다른 잘 확립된 치료제들도
세포 노화 세포 제거 특성을 보여주었으며 현재 연구 중입니다(12, 150).
인간에서 세포 노화 세포 제거제의 실제 효능을 보여주는 데이터는 부족하지만,
세포 노화 세포 제거제는 제약 회사 및 학술 센터에서 여전히 높은 관심을 받고 있습니다(150).
기업들은 세포 노화를 예방하고 재생 성장을 촉진하기 위해 인공 지능의 발전을 활용하여 새로운 세포 노화 세포 제거 표적을 찾고 있습니다. 조사 중인 세포 노화 세포 제거제의 대부분은 소분자 또는 펩타이드 기반 의약품입니다. 그러나 최근 (18) 세포 노화 중에 유도되는 세포 표면 단백질인 유로키나아제형 플라스미노겐 활성제 수용체를 표적으로 하는 세포 기반 접근 방식인 세포 노화 CAR T 세포는 노화 유도 약물 조합으로 치료받은 폐 선암종 쥐의 생존을 연장했으며, 이 접근 방식은 화학적으로 또는 식단에 의해 유도된 간 섬유증 쥐에서 조직 항상성을 회복시켰습니다.
Rejuvenation Strategies
One approach to combat aging is through restoration of youthful properties, or rejuvenation. These strategies leverage our understanding of embryonic development and stem cell biology to remove markers of damage accumulated with age.
회춘 전략(Rejuvenation Strategies)
노화에 대처하는 한 가지 접근 방식은 젊음의 특성을 회복하는 것,
즉 회춘입니다.
이러한 전략은 배아 발달 및 줄기세포 생물학에 대한 우리의 이해를 활용하여 나이가 들면서 축적된 손상 마커를 제거합니다.
Cellular reprogramming.
In 2006, it was demonstrated that fully differentiated cells derived from a patient could be induced into an embryonic state with pluripotent differentiative capacity and indefinite self-renewal (151). Through induction of four key transcription factors, OCT4, SOX2, KLF4, and C-MYC (OSKM factors), cells can be brought back to an embryonic state, with the potential to differentiate into any cell type or tissue among the three germ layers: ectoderm, mesoderm, and endoderm (152). These cells, iPSCs, have become a bedrock of the modern field of stem cell engineering, with promising applications in modeling and treating a wide array of human diseases, including age-related diseases (152, 153).
The principle behind this strategy is that, throughout the reprogramming process, cells return to a youthful state and, as a result, will confer youthful characteristics to the organism. The induction process decreases levels of the senescence markers p16INK4A and p21CIP1 and resets the epigenetic DNA methylation clock (154). This may be a preferable strategy over directly targeting methylation sites, given the sheer number of age-associated DNA methylation sites (∼500,000) (155). This process appears to be mediated through a cytokine signaling cascade converging through NF-κB and mediated by IL-6 signaling (156). Patient-derived iPSCs exhibit reduced ROS, restored telomeric lengths, restored mitochondrial function, and reversal of other hallmarks of aging (97, 154, 157). Thus, cellular reprogramming holds promising applications in treatment of age-related diseases, although inducing this youthful phenotype is not without its risks. Chronic expression of OSKM genes has generated reports of teratomas (158) and reprogramming-derived cancers (159, 160). Cyclical expression of OSKM genes appears to have overcome this limitation, with no reports of cancer in studies utilizing this approach (160–162).
세포 재프로그래밍.
2006년,
환자에서 유래한 완전히 분화된 세포가
다능성 분화 능력과 무한한 자가 재생 능력을 가진 배아 상태로 유도될 수 있음이 입증되었습니다(151).
OCT4, SOX2, KLF4, C-MYC(OSKM 인자)의 네 가지 핵심 전사 인자의 유도를 통해 세포는
세 가지 배엽(외배엽, 중배엽, 내배엽) 중
어떤 세포 유형이나 조직으로도 분화할 잠재력을 가진
배아 상태로 되돌려질 수 있습니다(152).
이러한 세포, 즉
iPSC는 현대 줄기세포 공학 분야의 초석이 되었으며,
노화 관련 질병을 포함한 광범위한 인간 질병을 모델링하고 치료하는 데
유망한 응용 분야를 가지고 있습니다(152, 153).
이 전략의 기본 원리는
재프로그래밍 과정 전반에 걸쳐 세포가 젊은 상태로 돌아가고,
그 결과 유기체에 젊음의 특성을 부여한다는 것입니다.
유도 과정은
노화 마커 p16INK4A 및 p21CIP1의 수준을 감소시키고
후성 유전적 DNA 메틸화 시계를 재설정합니다(154).
이는 연령 관련 DNA 메틸화 부위의 엄청난 수(약 500,000개)(155)를 고려할 때
메틸화 부위를 직접 표적으로 하는 것보다
선호되는 전략일 수 있습니다.
이 과정은
NF-κB를 통해 수렴되고
IL-6 신호 전달에 의해 매개되는 사이토카인 신호 연쇄를 통해 매개되는 것으로 보입니다(156).
환자 유래 iPSC는
ROS 감소,
텔로미어 길이 회복,
미토콘드리아 기능 회복 및 노화의 다른 특징 역전을 나타냅니다(97, 154, 157).
따라서
세포 재프로그래밍은 노화 관련 질병 치료에 유망한 응용 분야를 가지고 있지만,
이러한 젊은 표현형을 유도하는 데는 위험이 없는 것은 아닙니다.
OSKM 유전자의 만성 발현은
기형종(158) 및 재프로그래밍 유래 암(159, 160) 보고를 생성했습니다.
OSKM 유전자의 주기적 발현은 이러한 한계를 극복한 것으로 보이며,
이 접근 방식을 활용한 연구에서 암 보고는 없습니다(160–162).
Transient expression of OSKM factors in a mouse model demonstrated youthful epigenetic methylation patterns in the pancreas, liver, spleen, and blood (163). Indeed, partial reprogramming of cells in a Hutchinson–Gilford progeria syndrome mouse model demonstrated delayed onset of aging that was characterized by increased median lifespan (from 18 to 24 weeks) and tissue-level reduction in age-related characteristics (161). Researchers also recently reported that activation of three of the main iPSC-deriving factors restored youthful DNA methylation expression patterns in mouse retinal ganglion cells and reversed vision loss (164). Furthermore, short-term expression of OSKM factors in a mouse model showed that expression of these factors during myocardial infarction reduced myocardial damage and improved cardiac function, supporting the use of these factors to facilitate cardiac regeneration following tissue insults (160).
These results have inspired companies to use partial reprogramming as a rejuvenation process in humans (165, 166). Many reports of this process have been demonstrated in vitro (167), but no reports of human clinical trials using cellular reprogramming have been reported. There are many challenges facing the clinical implementation of this strategy, calling into question its future applications. The models used to demonstrate its effect are genetically modified organisms with engineered promoters to ectopically express the OSKM factors, which cannot be implemented in humans. Transient expression may be possible through transfection of plasmids, but that approach incurs the further challenges of achieving effective transduction efficiency to generate a meaningful effect.
쥐 모델에서 OSKM 인자의 일시적 발현은 췌장, 간, 비장 및 혈액에서 젊은 후성 유전적 메틸화 패턴을 보여주었습니다(163). 실제로, 허친슨-길포드 조로증 증후군 쥐 모델에서 세포의 부분적 재프로그래밍은 평균 수명 증가(18주에서 24주로) 및 조직 수준에서 연령 관련 특성의 감소를 특징으로 하는 노화 발병 지연을 입증했습니다(161). 연구자들은 또한 최근 세 가지 주요 iPSC 유도 인자의 활성화가 쥐 망막 신경절 세포에서 젊은 DNA 메틸화 발현 패턴을 회복시키고 시력 손실을 역전시켰다고 보고했습니다(164). 또한, 쥐 모델에서 OSKM 인자의 단기 발현은 심근 경색 시 이러한 인자의 발현이 심근 손상을 줄이고 심장 기능을 개선하여 조직 손상 후 심장 재생을 촉진하는 데 이러한 인자를 사용하는 것을 지지했습니다(160).
이러한 결과는 기업들이 인간에서 부분적 재프로그래밍을 회춘 과정으로 사용하도록 고무시켰습니다(165, 166). 이 과정에 대한 많은 보고가 시험관 내에서 입증되었지만(167), 세포 재프로그래밍을 사용한 인간 임상 시험에 대한 보고는 없습니다. 이 전략의 임상적 구현에 직면한 많은 과제가 있어 미래 적용 가능성에 의문을 제기합니다. 그 효과를 입증하는 데 사용된 모델은 OSKM 인자를 이소적으로 발현하기 위해 조작된 프로모터를 가진 유전자 변형 유기체이며, 이는 인간에게 구현될 수 없습니다. 플라스미드 전염을 통한 일시적 발현은 가능할 수 있지만, 그 접근 방식은 의미 있는 효과를 생성하기 위한 효과적인 형질도입 효율 달성이라는 추가적인 과제를 수반합니다.
Modulating the stem cell niche.
Reports of rejuvenation and regeneration have been documented in aged parabionts due to exposure to young serum, inducing histological organ-level changes across multiple tissue types, in all primordial germ layers (168). While the exact mechanisms mediating these effects vary between organs and are currently poorly defined, the findings from these studies have prompted the exploration of young blood components as a potential rejuvenation strategy (169).
Parabiosis studies suggest that young blood may contain rejuvenation-promoting factors that decline with age and that the dilution of old serum decreases the accumulation of detrimental factors. Mehdipour et al. (170) investigated this question by performing blood exchanges in mice with either isochronic pairings or albumin-rich saline. The authors suggest that a single exchange of plasma with albumin-rich saline is sufficient to induce enhanced properties of muscle regeneration, neurogenesis, and reduced liver adiposity and fibrosis. These findings suggest that the dilution of detrimental factors, rather than the beneficial effects gained from youth, may be the primary driving force behind heterochronic parabiosis. In contrast, Sinha et al. (104) and Katsimpardi et al. (171) found that GDF11 was elevated in young serum and that this factor contributed to muscle regeneration and olfactory neurogenesis. These seemingly contradictory results from parabiosis studies require additional investigation prior to implementation in humans.
줄기세포 틈새 조절.
젊은 혈청에 노출되어 노화된 동체결합 개체에서 회춘 및 재생이 보고되었으며,
이는 모든 원시 배엽의 여러 조직 유형에 걸쳐 조직학적 기관 수준 변화를 유도했습니다(168).
이러한 효과를 매개하는 정확한 메커니즘은
기관마다 다르며 현재 제대로 정의되지 않았지만,
이러한 연구의 발견은 젊은 혈액 성분을 잠재적인 회춘 전략으로 탐색하도록 촉발했습니다(169).
동체결합 연구는 젊은 혈액이 나이가 들면서 감소하는 회춘 촉진 인자를 포함할 수 있으며, 오래된 혈청의 희석이 해로운 인자의 축적을 감소시킨다고 제안합니다. 메흐디푸르(Mehdipour) 외 연구진(170)은 등시간성(isochronic) 짝짓기 또는 알부민이 풍부한 생리 식염수를 사용하여 쥐에서 혈액 교환을 수행하여 이 질문을 조사했습니다. 저자들은 알부민이 풍부한 생리 식염수와 한 번의 혈장 교환만으로 근육 재생, 신경 발생 및 간 지방증 및 섬유증 감소의 향상된 특성을 유도하기에 충분하다고 제안합니다. 이러한 발견은 젊음에서 얻은 유익한 효과보다는 해로운 인자의 희석이 이종연령 동체결합의 주요 추진력일 수 있음을 시사합니다. 대조적으로, 신하(Sinha) 외 연구진(104)과 카침파르디(Katsimpardi) 외 연구진(171)은 GDF11이 젊은 혈청에서 증가했으며 이 인자가 근육 재생 및 후각 신경 발생에 기여한다는 것을 발견했습니다. 동체결합 연구에서 나타나는 이러한 겉보기에 모순되는 결과는 인간에 적용하기 전에 추가 조사가 필요합니다.
이 모델과 다른 노화 모델을 발전시키는 데 필요한 중요한 영역은 방법론의 표준화입니다. 증식과 단순히 상관관계가 있는 핵 마커를 사용하여 증식을 측정하는 분석법은 줄기세포 회춘의 좋지 않은 지표이며, 초기 측정 후 기능 분석이 거의 이루어지지 않습니다. 독성 거대 분자의 세포질 축적; Wnt, Notch 및 Hedgehog 경로의 이상 활성; 후성 유전적 변화를 포함한 줄기세포 고갈의 많은 특징을 측정할 수 있습니다(114). 여러 생물학적 규모에 걸쳐 효과를 조사하는 데 더 큰 중점을 두어야 하며, 조직 병리학적 증거는 시작점이지만, 유기체의 진정한 기능적 평가도 수행되어야 합니다.
CONCLUSIONS
The field of anti-aging therapeutics is highly active. However, it is currently characterized by an emerging pattern of initial excitement and popularity followed by a loss of interest due to underwhelming results. For the field to advance toward meaningful and impactful work, there must be some reformation. Specifically, there must be standardization of methodologies and baseline analyses for all therapeutic candidates to help screen for interventions that hold the greatest potential to combat aging.
An area in need of major reformation is investigation across biological scales. Despite novel features of aging at each scale of biology, many studies limit their analysis to a single scale and assume propagation of the effect. Furthermore, the data collected must truly reflect an effect on the feature of aging at that scale. Assays should measure the features directly and not measure surrogate markers, which can be the result of alternative hypotheses. In Table 3 , we outline examples of different assays that could be utilized at each scale to demonstrate therapeutic efficacy. Most critically, efficacy must be demonstrated at a functional level for both healthspan and lifespan to fully contextualize the therapeutic effect, with experiments ideally conducted in mammalian models for the greatest clinical relevance.
결론
항노화 치료제 분야는 매우 활발합니다.
그러나 현재는
초기 흥분과 인기가 있은 후 압도적으로 미흡한 결과로 인해
흥미를 잃는 패턴이 나타나고 있습니다.
이 분야가 의미 있고 영향력 있는 작업으로 발전하려면
어느 정도의 개혁이 있어야 합니다.
특히,
노화를 퇴치할 잠재력이 가장 큰 개입을 선별하는 데 도움이 되도록
모든 치료 후보에 대한 방법론 및 기본 분석의 표준화가 필요합니다.
주요 개혁이 필요한 영역은 생물학적 규모 전반에 걸친 조사입니다. 생물학의 각 규모에서 노화의 새로운 특징에도 불구하고, 많은 연구는 분석을 단일 규모로 제한하고 효과의 전파를 가정합니다. 더욱이, 수집된 데이터는 해당 규모에서 노화 특징에 대한 효과를 진정으로 반영해야 합니다. 분석은 특징을 직접 측정해야 하며, 대안적 가설의 결과일 수 있는 대체 마커를 측정해서는 안 됩니다. 표 3에서는 치료 효능을 입증하기 위해 각 규모에서 활용될 수 있는 다양한 분석법의 예를 제시합니다. 가장 중요하게, 치료 효과를 완전히 맥락화하기 위해 건강 수명과 수명 모두에서 기능적 수준에서 효능이 입증되어야 하며, 임상적 관련성을 극대화하기 위해 실험은 이상적으로 포유류 모델에서 수행되어야 합니다.
Table 3
Proposed standardized methods to effectively evaluate anti-aging strategies
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Biological scaleRepresentative featureExample assaysEvidence of efficacy
Genetic | Telomeric shortening | Quantitative PCR of telomere length (172) | ↑ Average length |
Epigenetic | Altered methylation | Methylation clocks | ↓ Biological age |
Organellar | Mitochondrial dysfunction | Reactive oxygen species staining | ↓ Reactive oxygen species expression |
Cellular | Senescence | p16INK4a and p53/p21WAF1/CIP expression | ↓ Expression |
Tissue | Fibrosis | Collagen quantification (173) | ↓ Extracellular matrix deposition |
Organ | Organ dependent, e.g., decreased glomerular filtration rate in kidneys | Organ dependent | Attenuation of aging-related decline |
System/function | System dependent, e.g., liver function testing, pulmonary function testing | Blood tests, plethysmography, etc. | System specific |
In conclusion, several promising strategies are emerging to combat the aging phenotype. Yet there is still a critical need for method standardization to efficiently evaluate potential candidates. Specifically, there is a need to increase reports of a drug candidate's effect on (a) organ and physical function in vivo, (b) lifespan duration in vivo, (c) changes to multiple hallmarks of aging by using assays that best represent the aging phenotype, (d) the therapeutic effect across the differing scales of biology, and most critically (e) the robustness and longevity of the therapeutic intervention. With this comprehensive and rigorous evaluation framework, high-impact therapeutics may be identified to promote longevity and extend healthspan.
disclosure statement
The authors are not aware of any affiliations, memberships, funding, or financial holdings that might be perceived as affecting the objectivity of this review.
literature cited
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