Геропротекторы: самая полная база данных (часть 1)

[bsivko]

Geroprotectors: уникальный ресурс для исследователей в области старения.
Аннотация

По мере увеличения интереса к исследованиям в области старения растет и количество геропротекторов или терапевтических вмешательств, направленных на увеличение продолжительности здоровой жизни и восстановление или уменьшение выраженности ассоциированных с возрастом нарушений у модельных организмов и, в конечном итоге, у человека. Существует неоспоримая потребность в проверяемой вручную базе данных геропротекторов, которая позволила бы накапливать и упорядочивать информацию об их влиянии на старение и возрастные болезни, а также предоставлять ссылки на соответствующие исследования и многочисленные биохимические базы данных и базы данных лекарственных препаратов.

В данной статье мы представляем первый подобный ресурс Geroprotectors. Он представляет собой простую в обращении публичную базу данных, содержащую информацию о более чем 250 экспериментах, в которых изучались более 200 подтвержденных или потенциальных геропротекторов, увеличивающих продолжительность жизни модельных организмов. Каждое соединение имеет подробное описание, содержащее информацию по биохимическим свойствам, механизмам действия и влиянию на продолжительность жизни различных модельных организмов, а также о молекулярной структуре, побочных эффектах, токсичности и статусу, присвоенному Управлением по контролю за продуктами и лекарствами США (FDA).

Все это представлено в виде визуально понятной, эффективной системы, одинаково удобной как для быстрого просмотра, так и для глубокого анализа. Данные снабжены ссылками на исследования-источники или базы данных, что обеспечивает быстрый и удобный доступ к исходным данным. База данных Geroprotectors облегчает проведение перекрестного анализа по многочисленным исследованиям, разным организмам и дисциплинам, экономя ученым огромное количество времени, обычно затрачиваемого на неэффективный поиск по литературе и в интернете. Geroprotectors - это универсальный ресурс, предоставляющий информацию и возможность сэкономить время исследователям, занимающимся поиском решений проблемы здорового старения.



Введение

Старение представляет собой сложный биологический процесс, включающий прогрессивное ухудшение работы механизмов клеточного гомеостаза и накопление молекулярных повреждений [1-4]. Старение открывает двери заболеваниям и постепенному угасанию функций организма, поэтому поиск направленных на борьбу с ним вмешательств ведется с незапамятных времен. Современные условия жизни требуют ускорения этих поисков. Демографические показатели сдвигаются в сторону увеличения доли старших возрастных групп с рекордной скоростью [5,6], подавляя экономический рост в развитых странах и повышая риск экономического коллапса [7]. На фоне этого сдвига в ближайшие десятилетия произойдет резкий рост заболеваемости болезнью Альцгеймера [8], а также целым рядом других тяжелых хронических заболеваний, требующих продолжительного медицинского обслуживания [9].

Геропротекторы - это препараты или терапевтические методы, направленные на предотвращение, замедление или обращение вспять процессов старения модельных организмов или человека для обеспечения возможности увеличения продолжительности жизни и в особенности - продолжительности здоровой жизни. Их мишенями могут быть любые из механизмов и генетических систем, вовлеченных в старение. В настоящее время существуют буквально сотни геропротекторов, однако многие их них прошли только тестирование на животных [10-15]. Так как многие из геропротекторов находятся на стадии изучения, существует необходимость их каталогизации и классифицирования в централизованной базе данных, а также разработки квалификационных критериев для определения геропротекторов. Основанная на этих критериях рабочая модель повысила бы прогностические возможности при проведении скрининга и систематизации соединений, потенциально обладающих геропротективными свойствами. Это, в свою очередь, способствовало бы направленной идентификации и разработке новых геропротекторов, сокращая таким образом период, проходящий до внедрения в клиническую практику, и общие финансовые затраты [16].

В настоящее время существует несколько функциональных подходов к идентификации изменений, происходящих в процессе старения, и особенностей, характерных одновременно для старения и заболеваний [17,18]. Один из подходов подразумевает помощь в идентификации геропротекторов, минимизирующих патологические изменения на разных уровнях организации организма. Другие подходы могут включать в себя тестирование соединений, способных откладывать или предотвращать развитие рака, патологий центральной нервной системы и других возрастных болезней [19-21]. Существует неоспоримая потребность в системе отслеживания, которая обеспечивала бы доступ к информации о потенциальных геропротекторах, а также актуальность этой информации, предоставляя таким образом базу для оценки эффективности потенциальных геропротективных воздействий на человека.

Система, позволяющая отслеживать эксперименты по увеличению продолжительности жизни и изучению различных параметров каждого отдельного геропротектора, таких как побочные эффекты, токсичность и результаты более ранних клинических исследований, послужила бы хорошей стартовой платформой для исследователей, планирующих проведение экспериментов по изучению долголетия или пытающихся валидировать теоретические предположения.

Для того чтобы удовлетворить растущую потребность в надежной online-системе для отслеживания препаратов, увеличивающих продолжительность жизни различных организмов, авторы создали Geroprotectors.org - проверяемую вручную базу данных, доступную online и предоставляющую мгновенный доступ ко всем перечисленным выше данным. Содержащая последние данные и простая в обращении система, включающая подробную информацию о более чем 200 геропротективных соединениях и предоставляющая ссылки на более чем 250 исследований, подтверждающих (или опровергающих) их влияние на модельные организмы, Geroprotectors.org предназначена как для новичков, так и для экспертов в данной области. Ее современный удобный интерфейс максимально облегчает усилия пользователей. Содержащиеся в ней данные проверяются вручную группой экспертов в данной области и подтверждаются публикациями в рецензируемых журналах. Как поверхностно просматривающие данные, так и ищущие детальную информацию по интересующим их геропротекторам пользователи могут делать это, не затрачивая время на обширные поиски в литературе или освоение сложных систем.

Geroprotectors.org представляет собой интуитивно и визуально понятную всеобъемлющую коллекцию замедляющих старение вмешательств, которая со временем станет незаменимым биогеронтологическим ресурсом. На сегодняшний день она отслеживает только препараты, имеющие доказанную способность увеличивать продолжительность жизни модельных организмов. Однако учитывая то, что некоторые из препаратов, эффективных в лечении возрастных патологий у человека, также могут выступать в роли геропротекторов [22,23], в будущем они тоже могут быть включены в базу данных. Эти препараты могут быть представлены на рассмотрение с помощью формы «submit» («представить на рассмотрение»).

Мотивацией к созданию базы данных Geroprotectors.org было желание предоставить исследователям, заинтересованным в замедляющих старение соединениях, универсальный ресурс, позволяющий сэкономить огромное количество времени на поиски данных, изучение литературы и экспертный анализ. В результате была создана платформа для сравнения эффектов, оказываемых этими соединениями на различные организмы и выявленные в разных исследованиях. Разработанный интерфейс визуально и интуитивно понятен, что обеспечивает возможность быстрого и не требующего больших усилий анализа геропротективных соединений, каждое из которых снабжено ссылками на оригинальные исследования и другие базы данных для пользователей, ищущих более детальную информацию. Сайт представляет собой не просто список геропротекторов и их фенотипических эффектов, вместо этого для каждого соединения был создан подробный профиль, включающий биохимические свойства, биологическую активность, влияние на продолжительность жизни (в том числе опровержения), токсичность, побочные эффекты и актуальный статус препарата. Профили соединений были сформированы с учетом критериев, важных для разработки рабочей модели геропротективной кандидатуры. На рисунке 1 представлен визуальный обзор содержимого, источников данных и управляемых пользователем механизмов их изучения в рамках Geroprotectors.
Анализ экспериментов, касающихся геропротективных соединений

База данных содержит резюме для более чем 250 экспериментов, в которых изучалось более 200 геропротективных соединений. Каждое исследование было вручную выбрано из существующих биомедицинских публикаций путем поиска в базе данных PubMed с использованием ключевых слов, описывающих фармакологические вмешательства в процесс старения. После этого были выделены эффекты, оказываемые на продолжительность жизни, и условия проведения эксперимента (такие как возраст, пол, питательная среда, модельный организм). Параметры продолжительности жизни включали среднее значение, медиану и максимальное значение продолжительности жизни, а также сниженный уровень смертности. Эти данные были внесены в Geroprotectors в форме таблицы для облегчения сравнения результатов разных исследований, полученных при работе с разными организмами. Все пункты Geroprotectors имеют ссылки на оригинальные публикации, что обеспечивает быстроту и легкость доступа к исходным данным. Для каждого из соединений ссылки на соответствующие работы доступны как в результатах поиска, так и в профилях соединений под ярлыком «Lifespan Experiments» («Эксперименты по продолжительности жизни»), открывающим удобное для визуального восприятия резюме условий эксперимента и результатов.

Исследования для включения в базу данных отбирались по следующим критериям:

1. Статьи содержат четкую информацию о модельных организмах, тестируемых соединениях, условиях проведения эксперимента и результатах.
2. Эксперименты проводились на много- и/или одноклеточных организмах. Исследования in vitro не включались для того, чтобы исключить вопросы о возможности переноса полученных in vitro данных по репликативному и хронологическому увеличению продолжительности жизни на увеличение продолжительности жизни целого организма.
3. Эксперименты проводились на животных дикого типа (нелинейных), для исключения случаев использования животных с мутациями, обеспечивающими предрасположенность к той или иной патологии.

Рисунок 1. Схема, отражающая содержание, источники данных и управляемых пользователем механизмов их изучения в рамках Geroprotectors.

Статьи, опровергающие увеличение продолжительности жизни под влиянием потенциальных геропротекторов, были включены для обеспечения объективности, а также для того, чтобы пользователи могли получать и интерпретировать информацию о любых противоречивых результатах. Для каждого из соединений такие статьи перечислены и снабжены ссылками под ярлыком «Opposite Effect» (Противоположный эффект) на странице профиля «Lifespan Experiments».
Анализ соединений с геропротективной активностью

Помимо информации об экспериментах по изучению продолжительности жизни для каждого из соединений, база данных содержит биохимические и механистические профили, которые, несмотря на полноту, для удобства пользователей представлены в стиле «беглого просмотра». Профили были составлены в соответствии с параметрами, которые разработчики считают важными для разработки рабочей модели геропротекторов. Профили соединений включают следующие пункты:

1. Названия: для удобства и эффективности поиска в профили включены все названия соединений, тестируемых в экспериментах. Эти данные были получены из базы данных PubChem.

2. Статус, присвоенный препарату Управлением по контролю за продуктами и лекарствами США (FDA): несколько одобренных FDA препаратов с приемлемым профилем безопасности для человека продемонстрировали геропротективные эффекты при работе с модельными организмами. Поиск по базе данных исследований FDA/Центра по оценке и исследованию лекарственных средств проводился по названию препарата, активному ингредиенту или номеру заявки на одобрение, что позволило выбрать препараты, одобренные FDA. Статус каждого из соединений был получен из базы данных терапевтический мишеней DrugBank, использующей следующую номенклатуру:

• не является препаратом - не используется как лекарственное средство;
• экспериментальный - экспериментальный препарат, рутинное использование которого в клинической и ветеринарной практике на текущий момент не одобрено национальным регулирующим органом;
• одобрен - одобрен для применения в качестве лекарственного средства;
• отозван - отозван из-за возможного риска для пациентов в связи неожиданными побочными эффектами, не выявленными при проведении фазы III клинических исследований;
• исследуемый (только в США) - одобрен национальным регулирующим органом для использования в особых случаях (обычно при проведении ключевых клинических исследований) для последующего внедрения на рынок с одновременным мониторингом безопасности препарата;
• клинические исследования - препарат на стадии клинических исследований.

3. Количество клинических исследований: информация получена с сайта clinicaltrials.gov. В настоящее время этой сайт представляет собой самый крупный каталог зарегистрированных клинических исследований. Он создан Национальной медицинской библиотекой США и содержит информацию о более чем 192 862 клинических исследованиях, проведенных в США и 189 других странах, в том числе детальные описания протоколов, условий, исследуемых препаратов и пр. Статусы некоторых соединений были сформированы на основании информации, имеющейся в литературе.

4. Токсичность: так как допустимая токсичность является одним из основных критериев для геропротекторов, в базу данных также внесена информация о токсичности каждого из соединений, оценка которой проводилась по результатам перорального введения полулетальной дозы (ЛД50) трем модельным организмам (мышам, крысам и кроликам). Величину полулетальной дозы узнавали в предоставляемых поставщиками сертификатах безопасности. Токсикологические данные также получали из базы данных TOXNET.

5. Мишени: подходы антивозрастной терапии, воздействующие на определенные мишени или системы, демонстрируют большой потенциал. С этой точки зрения в базу данных внесены мишени, активируемые и ингибируемые воздействием потенциальных геропротекторов. Эти данные получены из энциклопедии генов и геномов Института химических исследований в Киото (KEGG).

6. Побочные эффекты: для геропротекторов допустимы только минимальные побочные эффекты или полное их отсутствие; они также не должны оказывать нежелательных побочных эффектов. Поэтому составители базы данных провели поиск в системе PubMed и составили представленный ниже список баз данных, содержащих информацию по упомянутым выше эффектам:

• http://sideeffects.embl.de/drugs/5040/
• http://www.fda.gov/Safety/MedWatch/SafetyInformation/default.htm
• http://toxnet.nlm.nih.gov/
• http://www.reference.md/
• http://livertox.nih.gov/

7. Микроорганизмы: микроорганизмы могут поддерживать функционирование организма хозяина посредством регуляции энергетического гомеостаза или иммунитета на протяжении репродуктивного периода, однако вполне вероятно, что по окончании репродуктивного периода происходит селекция микроорганизмов, способствующих скорейшей кончине хозяина [24]. В связи с этим был проведен дополнительный поиск по двум базам данных, PubMed и Selleck Chemicals, целью которого было выявление у потенциальных геропротекторов возможной антибактериальной, противогрибковой или противовирусной активности.

8. Возрастные патологии и механизмы старения: также были проанализированы ассоциации между соединениями и возрастными патологиями (хроническое воспаление, рак, накопление амилоида и др.), активацией способствующих долголетию механизмов (гормезис, миметики низкокалорийной диеты, устойчивость к стрессу и др.), а также подавлением способствующих старению механизмов (образование хелатных соединений ионов металлов, антиоксидантная защита, ингибирование избыточного биосинтеза белков). Каждый из перечисленных механизмов является важным фактором при составлении классификации потенциальных геропротекторов. Возрастные патологии отбирались на основании доступности данных об их взаимосвязи с содержащимися в базе соединениями. Механизмы старения и долголетия отбирались на основании наиболее популярных теорий старения, таких как теория накопления мутаций, теория запрограммированной клеточной гибели и др. [4].

9. Биомаркеры старения: биомаркеры старения представляют собой минимально- или неинвазивные универсальные и стабильные физиологические и биохимические индикаторы, отражающие реальный биологический возраст [25]. Они являются уникальными легко регистрируемыми и измеряемыми факторами, которые могут изменяться на протяжении жизни человека [26,27]. Поэтому при скрининге соединений, потенциально обладающих геропротективными эффектами, особенно важно понимать характер влияния этих соединений на биомаркеры старения. По этой причине при составлении базы были идентифицированы исследования, демонстрирующие влияние содержащихся в ней соединений на биомаркеры старения.

10. Другие ссылки: Geroprotectors дополнительно содержит ссылки на базу данных Gene Expression Omnibus, изменения транскрипционного профиля, выявленные при проведении анализа LINCSCLOUD L1000 и представленные на сайте LINCS, естественные источники несинтезируемых соединений, а также структурные аналоги. Все базы данных, интегрированные в рамках Geroprotectors.org, представлены в ниже.
Список биологических и химических баз данных, а также баз данных лекарственных средств, интегрированных в рамках Geroprotectors.org.
Химические базы данных

PubChem [28, 29]. Одна из наиболее крупных химических баз данных в интернете. Создана и поддерживается Национальным центром биотехнологической информации (NCBI). Содержит более 68 миллионов записей для соединений и более 198 миллионов записей для субстанций, в том числе микстур, комплексов неохарактеризованных субстанций и др. Каждая запись содержит полное описание химических и биологических свойств, информацию об использовании вещества и его поставщиках и др.

Chemical Entities of Biological Interest (ChEBI) [30-32] Химическая база данных с бесплатным доступом, главным образом посвященная малым молекулам. Каждая запись предоставляет информацию о названиях, синонимах, регистрационном номере(ах), молекулярной формуле и основных химических идентификаторах. Эта база данных является частью проекта Европейской лаборатории молекулярной биологии (EMBL).

ChEMBL [33-35]. Схожа с ChEBI, однако преимущественно содержит информацию о соединениях, свойства которых подобны свойствам лекарственных препаратов или потенциально обладающих лечебным действием. Содержит более 1,7 миллиона записей. Демонстрирует преимущества новейших инструментов поиска. Возможен поиск по структуре лиганда, актуальным мишеням соединения и другим ключевым словам, доступным в интернет. Признается ELMB.

ChemSpider [36-38]. Интегративная химическая база данных от Королевского химического общества. Включает 43 миллиона химических структур из 49 источников данных. Для каждого из аннотированных соединений предоставляет информацию о патентах, поставщиках и др.
Базы данных лекарственных препаратов

Drug Bank [39-41]. Всеобъемлющий ресурс, содержащий данные о препаратах, находящихся на всех стадиях исследования и разработки: одобренных для клинического применения, проходящих клинические исследования, а также экспериментальных препаратах. Предоставляет резюме по влиянию каждого из препаратов на молекулярные мишени. Также подтверждает информацию по фармакологическому действию, побочным эффектам и др.

The Pharmacogenomics Knowledgebase (PharmGKB) [43]. Показывает взаимодействия между лекарственными препаратами и генами.

Side Effects Data Base [44]. Описывает более 4 000 побочных эффектов (нежелательных реакций) 996 препаратов, одобренных для клинического применения.

Therapeutic Targets Database (TTD) [45, 46]. Предоставляет информацию о клеточных терапевтических мишенях, ассоциированных с ними метаболических сигнальных механизмах и соответствующих препаратах. Предоставлена Национальным университетом Сингапура.
Базы данных метаболических сигнальных механизмов

Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes (KEGG) [47]. Ресурс, включающий различные базы данных, такие как химические и биологические базы данных, а также базы данных метаболических сигнальных механизмов, лекарственных препаратов и заболеваний. Создан университетом Киото.

The Human Metabolome Database (HMDB) [48, 49]. База данных метаболитов, регистрируемых в организме человека. Первый ресурс, разработанный для нужд метаболомики. В настоящее время содержит более 42 000 записей.
Токсикологические базы данных

TOXNET [50]. Включает множество связанных с токсикологией ресурсов, имеющих ссылки на оригинальные статьи в рецензируемых журналах. Liver Tox [51]. Предоставляет данные по сотням соединений, обладающих подтвержденной или потенциальной токсичностью для печени.
Экспрессия генов

Gene Expression Omnibus [52, 53]. Международное публичное хранилище, представляющее собой архив микрочипов, результатов секвенирования нового поколения и других геномных данных. Пополняется пользователями.

L1000 [54]. Проект института Брода. Использует 1 000 знаковых генов, отобранных путем вычислений, для получения данных о транскриптоме.
Базы данных белков

UniProt [55]. Наиболее крупная база данных аннотированных белков.
Базы данных клинических исследований

Clinical Trials [56,57]. Самый крупный веб-каталог зарегистрированных клинических исследований, созданный Национальной лабораторией клинической медицины США. Содержит информацию о более чем 200 клинических исследованиях, проведенных в США, и еще примерно о 200 клинических исследованиях, проведенных в других странах. Описывает протоколы, условия, изучаемые препараты и др.
Другие источники

MeSH (Medical Subject Headings) Контролируемый Национальной медицинской библиотекой США словарный справочник.

Reference.MD Ресурс, объединяющий медицинскую информацию из MeSH, Drugs@FDA, FDA Adverse Event Reporting System и др.
Коммерческие организации (поставщики химических соединений)

Chemnet Китайская компания; является платформой, предоставляющей комплексное обслуживание в сфере химических реактивов. База данных содержит информацию о 300 000 продуктов.

Sigma Aldrich Американская компания, производящая более 230 000 химических, биохимических и других важных продуктов. Имеет более 1,4 миллионов клиентов во всем мире.

Enzo Life Sciences Американский производитель продуктов для научных исследований в области медико-биологических наук.

Santa Cruz Biotechnology, Inc. Американский производитель продуктов для биологических исследований.
Geroprotectors: визуализация и структура данных в базе

База данных Geroprotectors интегрирует информацию, представленную в виде четырех блоков (рис. 2):

1. Эксперименты по изучению продолжительности жизни: краткие изложения и абстракты (рефераты) результатов исследований, демонстрирующие увеличивающие продолжительность жизни эффекты определенного соединения.
2. Соединения: информация о геропротективных соединениях.
3. Механизмы: вовлеченность соединения в хорошо известные механизмы долголетия и замедления старения.
4. Возрастные патологии: действие соединения на преобладающие и хорошо изученные возрастные состояния и ассоциированные с ними заболевания.

Информация о соединении разделена на 3 блока. Первый блок содержит изображение, название и короткое описание, а также ссылки на другие химические базы данных. Он также включает информацию о количестве проведенных клинических исследований и статусе препарата. Второй блок содержит биологическую, фармакологическую и токсикологическую информацию, а также описывает механизмы долголетия. Третий блок посвящен взаимосвязи каждого из соединений с возрастными патологиями (хроническим воспалением, раком, накоплением бета-амилоида и др.).



Рисунок 2. Структура данных Geroprotectors.org, демонстрирующая разделение данных на 4 основных блока: эксперименты, соединения, механизмы и возрастные патологии, каждый из которых содержит многочисленные блоки информации, формирующие законченный профиль для каждого из изучаемых геропротективных соединений.
Интеграция с биохимическими базами данных и базами данных лекарственных соединений

Описание соединений и механизмов составлено с помощью множества химических и биологических баз данных. Профили соединений включают короткое описание, все варианты названий, химическую структуру, профиль токсичности, данные по клиническому применению, биологической и фармакологической активности, химическим взаимодействиям и др. Все соединения интегрированы с ключевыми химическими базами данных, а том числе PubChem, ChemSpider, DrugBank, CHEBIL, UniProt и GenAge.

Список химических баз данных, ссылки на которые представлены в профилях соединений базы данных Geroprotectors.org (в круглых скобках указано количество соединений, представленных в каждой базе данных).

• PubChem https://pubchem.ncbi.nlm.nih.gov/ (209) [28, 29]
• ChemSpider http://www.chemspider.com/ (208) [36-38]
• ChEMBL https://www.ebi.ac.uk/chembl/ (193) [33-35]
• ChEBI https://www.ebi.ac.uk/chebi/ (158) [30-32]
• Drug Bank http://www.drugbank.ca/ (98) [39-42]

Сравнение с существующими базами данных

В настоящее время уже существует несколько баз данных со свободным доступом, посвященных исследованиям в области старения, каждая из которых создана для удовлетворения определенной потребности и имеем в своей основе уникальный подход (см. таблицу). Некоторые из этих баз данных действительно содержат информацию о геропротекторах, в особенности созданная центром JenAge база данных AgeFactDB, содержащая профили 91 соединения, ассоциированного со старением, а также генов и других связанных со старением вмешательств. Однако ни одна из них не предоставляет полный список подтвержденных и потенциальных геропротекторов и полную информационную сводку по каждому из соединений. Также ни одна из них не содержит биохимических и механистических профилей геропротективных соединений, интегрированных с внешними базами данных. На момент своего запуска Geroprotectors.org описывает более чем в два раза больше геропротекторов, чем любая из других баз данных, посвященных старению. Более того, она предоставляет гораздо больше информации по каждому из соединений по-отдельности и регулярно проверяется вручную, что обеспечивает постоянную актуальность информации.

Alexey Moskalev et al., AGING, 2015: Geroprotectors.org: a new, structured and curated database of current therapeutic interventions in aging and age-related disease

http://www.vechnayamolodost.ru/pages/prodleniemolodosti/gersapobada3a.html

http://www.vechnayamolodost.ru/pages/prodleniemolodosti/gersapobada07.html

http://www.vechnayamolodost.ru/pages/prodleniemolodosti/gersapobadade.html