Aldur er helsti áhættuþáttur algengra sjúkdóma og dauða. Hins vegar eru tengslin milli aldurstengdra lífeðlisfræðilegra breytinga og líftíma illa skilin. Við sameinuðum greiningar- og vélanámstæki til að lýsa öldrunarferlinu í stórum lengdarmælingum. Að því gefnu að öldrun stafi af kraftmiklum óstöðugleika lífveruástandsins, hönnuðum við djúpt gervi taugakerfi, þar á meðal sjálfkóðara og sjálfvirka aðhvarfshluta (AR). AR líkanið tengdi gangverki lífeðlisfræðilegs ástands við stokastíska þróun einnar breytu, „dýnamísks veikleikavísirinn“ (dFI). Í undirmengi blóðrannsókna úr músarfyrirbæragagnagrunninum jókst dFI veldisvísis og spáði fyrir um eftirstandandi líftíma. Athugun á takmarkandi dFI var í samræmi við hraðaminnkun á dánartíðni seint á ævinni. dFI breyttist ásamt einkennum öldrunar, þar á meðal veikleikavísitölu, sameindamerki um bólgu, uppsöfnun öldrunarfrumna og viðbrögð við lífsskemmtandi (fituríku fæði) og lífslengjandi (rapamycin) meðferðum.

Glýkósíð af cistanche getur einnig aukið virkni SOD í hjarta- og lifrarvef og dregið verulega úr innihaldi lipofuscins og MDA í hverjum vef, hreinsar í raun ýmsar hvarfgjarnar súrefnisradicals (OH-, H₂O₂, osfrv.) og verndar gegn DNA skemmdum af völdum af OH-róttækum. Cistanche phenylethanoid glýkósíð hafa sterka hreinsunargetu sindurefna, meiri afoxunargetu en C-vítamín, bæta virkni SOD í sæðisviflausn, draga úr innihaldi MDA og hafa ákveðin verndandi áhrif á virkni sæðishimnu. Cistanche fjölsykrur geta aukið virkni SOD og GSH-Px í rauðkornum og lungnavef í tilraunamúsum af völdum D-galaktósa, auk þess að draga úr innihaldi MDA og kollagens í lungum og plasma og auka innihald elastíns, hafa góð hreinsunaráhrif á DPPH, lengja tíma súrefnisskorts í öldruðum músum, bæta virkni SOD í sermi og seinka lífeðlisfræðilegri hrörnun lungna í öldruðum tilraunamúsum. Með frumuformfræðilegri hrörnun hafa tilraunir sýnt að Cistanche hefur góða andoxunargetu og hefur tilhneigingu til að vera lyf til að koma í veg fyrir og meðhöndla öldrunarsjúkdóma í húð. Á sama tíma hefur echinacoside í Cistanche umtalsverða getu til að hreinsa DPPH sindurefni og hefur getu til að hreinsa hvarfgjarnar súrefnistegundir og koma í veg fyrir niðurbrot kollagen af ​​völdum sindurefna og hefur einnig góð viðgerðaráhrif á anjónskemmdir af týmín sindurefnum.

Smelltu á Cistanche töflur kostir

【Frekari upplýsingar: david.deng@wecistanche.com / WhatApp:86 13632399501】

Öldrun kemur fram á mörgum stigum í skipulagi lífverunnar. Í samræmi við það er hægt að nota fjölbreytt sett lífeðlisfræðilegra ástandsbreyta, svo sem DNA metýleringarmynstur eða blóðsamsetningarmerki 1–5, til að mæla öldrun. Nýjustu lífmerki um öldrun komu frá eftirlitslíkönum sem krefjast tímaröðunaraldurs eða dánaraldurs sem merki fyrir þjálfun (sjá td nýjustu 6). Að öðrum kosti er fjöldi uppsafnaðra heilsubrests7 eða samsettra veikleikavísitalna8,9 í samræmi við sjúkdómsbyrði og eftirstandandi líftíma manna og dýra9,10 og finna notkun í rannsóknarstofutilraunum og klínískum rannsóknum á inngripum gegn öldrun3,11,12. Framtíðarnotkun lífmerkja fyrir öldrun mun ráðast af betri skilningi á tengslum öldrunareinkenna, líffræðilegra aldursspárþátta, veikleikavísitalna og líftíma sem eftir er.

Hér sýnum við blöndu af nútíma vélanámsaðferðum og nálgunum sem eru fengin að láni frá dynamic kerfiskenningunni sem vinna saman að því að bera kennsl á megindlegar reglur sem stjórna birtingarmyndum öldrunar og tengsl þeirra við dánartíðni af öllum orsökum í stórum líflæknisfræðilegum gögnum á lengd. Við byrjum á því að gera ráð fyrir því að öldrun sé sérstakt tilfelli af gangverki flókins kerfis sem þróast nálægt tvískiptingu eða veltipunkti á mörkum kraftmikils stöðugleikasvæðis. Við þessar aðstæður ættu sveiflur lífveruástands að vera knúin áfram af gangverki örfárra, ef ekki eins sameiginlegs eiginleika sem hefur merkingu raðbreytu sem samsvarar óstöðuga fasanum 13–15. Dæmi um slíka víddarminnkun í líffræði eru þróun16, öldrun og dánartíðni5,17,18.

Við byggðum á þessu fræðilega hugtaki og framleiddum djúpt gervi taugakerfi sem samanstendur af sjálfskóðara (AE) og sjálfvirkri afturhvarfslíkani (AR) líkani - reiknilíkingu fyrir stokastísku gangverki raðbreytu. Til að prófa nálgunina notuðum við netið til að búa til lýsingu á öldrun sem byggir á heildar blóðtalningu (CBC) mælingum frá stærstu opna uppsprettu svipgerðargagna, músarfyrirbæragagnagrunninum (MPD)19. Úttaksbreytan netkerfisins, hér á eftir nefnd kvikur veikleikavísirinn (dFI), er besta tölulega nálgunin fyrir röð breytu sem tengist sundrun lífveruástands og þar með öldrun út frá tilteknum gögnum. Við sýndum fram á að gangverki dFI knýr dánarhröðunina og útskýrir frávik seint á lífsleiðinni frá Gompertz dánarlögmálinu. DFI sýndi eftirsóknarverðustu eiginleika líffræðilegs aldursmerkis: það jókst veldisvísis með aldrinum, spáði fyrir um eftirstandandi líftíma dýranna, hafði fylgni við mörg einkenni öldrunar og svaraði inngripum sem vitað er að flýta fyrir (fituríku fæði) og hægja á ( rapamýsín) öldrun í músum.

Niðurstöður

Aðalþáttagreining á CBC í MPD

Við notuðum stærsta almenna tiltæka langvarandi svipgerðargagnauppsprettu, MPD19. Til að ná sem bestum samhæfni við fyrri rannsóknir, skönnuðum við gagnagrunnsskrárnar til að hámarka fjölda tiltækra mælinga sem eru sameiginlegar þeim sem notaðar eru við að byggja upp lífeðlisfræðilega veikleikavísitöluna (PFI) í tilf. 3. Þar af leiðandi völdum við undirmengi af 12 CBC mælingum úr níu gagnasöfnum, samtals með 6693 dýrum (sjá viðbótargögn 1 fyrir heildarlistann yfir gagnapakka sem notuð eru til að þjálfa líkanin í þessari vinnu).

Til að sjá {{0}}víddar CBC gögnin frá MPD, framkvæmdum við aðalhlutagreiningu (PCA). PCA á MPD sneiðinni sem táknar fullvaxin dýr (fer yfir 25-vikugömul aldri, sjá Aðferðir til að fá upplýsingar um viðkomandi aldursbilsákvörðun) reyndist sérstaklega einfalt. Í þessu tilviki skýrist megnið af frávikinu í gögnunum (31 prósent ) af fyrsta PC-einkunn, z0, með síðari PC-einkunnum (z1, z2, o.s.frv., sem hvert um sig skýrir 19 prósent , 16 prósent , osfrv. heildarfrávik í gögnunum, í sömu röð). Stigveldisflokkun CBC eiginleikanna benti til þess að fyrstu tvö PC stigin gætu aðallega tengst fjölda rauðra og hvítra blóðkorna, eins og sýnt er á mynd 1a, í sömu röð.

Aðeins fyrsta tölvustigið, z0, sýndi áberandi fylgni við tímaröð (samsvarandi fylgnistuðlar Pearsons voru r=0.59 (p < 10−5 ) og r=0 .08 (p=0.003) fyrir fyrstu tvær PC-einkunnirnar, í sömu röð (Mynd 1b). Dreifni PC-einkunna jókst með aldrinum (sjá innfellinguna á mynd 1b), sem er merki um stokastískt ferli.

Öldrun og afgerandi gangverki ástands lífverunnar (samantekt fræðilegra niðurstaðna)

Tengsl sveiflna meðfram ríkjandi tölvunni við hægasta kraftmikla ferlið (öldrun, í okkar tilfelli) á sér djúpar rætur í kraftmiklu kerfisfræðinni og mikilvægum fyrirbærum14. Umskiptin frá stöðugleika yfir í óstöðugleika í netkerfum þar sem netgrafin hafa ekki sérstaka samhverfu er venjulega tengd við samvídd 1 (eða hnakkahnút) tvískiptingar20,21. Slíkar umbreytingar einkennast af tapi á stöðugleika meðfram einni stefnu í vigurrými ástandsins, um það bil saman við fyrsta aðalþáttinn. Aftur á móti haldast framlög frá öllum öðrum meginþáttum stöðug (og þar af leiðandi aldursóháð). Í samræmi við það, yfir nægilega langan tíma, er búist við að sveiflur lífeðlisfræðilegra vísitalna (eins og CBC eiginleika), xi, fylgi gangverki röðunarbreytunnar, z, sem tengist óstöðugleikanum: xi ≈ biz plús ξi. Hér er ξi hávaði, bi er vigur, og heiltöluvísitalan ég tel upp mælda eiginleika.

Nálægt veltipunktinum er gangverk lífeðlisfræðilegs ástands hægt og um það bil línulegt. Þess vegna uppfyllir breytan z hina stokastísku Langevin jöfnu með hærri röð tímaafleiðuorðanna vanrækt:

Hér táknar línulegi hugtakið, z, hægra megin við jöfnuna áhrif stífleika stjórnkerfisins sem stjórnar viðbrögðum lífverunnar við litlum álagi og framkallar lítilsháttar frávik á ástandi lífverunnar frá stöðugustu stöðu hennar. Eftirfarandi hugtak, gz2, táknar lægstu röð ólínuleg tengingaráhrif eftirlitssamskipta.

Stochastic kraftarnir f tákna ytri streitu og áhrif innrænna þátta sem ekki er lýst með áhrifaríku jöfnuðinum. (1). Eðlilega gerum við ráð fyrir að tilviljunarkenndar truflanir á ástandi lífverunnar séu ófylgnir í röð, þannig að ðtÞf ðt0 Þi ~ Bδðt0 tÞ, þar sem B er kraftur hávaða, δ er delta-fall Dirac , og 〈…〉 stendur fyrir meðaltal eftir öldrunarferil. Jöfnuður (1) er stærðfræðilegt samband á milli hraða breytinga á ástandsbreytu lífveru, z_=dz=dt, vinstra megin við jöfnuna, og áhrifa deterministic ( z, gz2 ) og stokastískir kraftar (f), hægra megin.

Það fer eftir merki stífleikastuðulsins, , ástand lífverunnar getur verið kvikfræðilega stöðugt (ef < {0}}) eða óstöðugt (ef > 0). Í síðara tilvikinu magnast minniháttar frávik á ástandi lífverunnar veldishraða með tímanum, þannig að ekkert jafnvægi er mögulegt. Í þessu tilviki er lausn Eq. (1) lýsir öldrun lífveru. Venjulega er hún lítil og þar af leiðandi sýnir þróun lífeðlisfræðilegra vísbendinga einkenni gagnrýni: gangverki raðbreytu er hægt (mikilvæg hægja á), en sveiflur lífeðlisfræðilegs ástands eftir breytileika í z eru miklar, z2 ~ B expð2 tÞ=2 ≫1 (mikilvægar sveiflur).

Mjög snemma á ævinni eru frávikin frá mikilvæga punktinum lítil og þróun ástands lífverunnar einkennist af útbreiðslu. Síðar á ævinni tekur línulega hugtakið við þannig að frávikin frá æskuástandinu hraðar veldisvísis:

þar sem z ~ ðB{{0}} Þ 1=2 og z0 eru fastar sem tákna uppsöfnuð snemma áhrif tilviljunarkenndra og ákveðinna krafta, í sömu röð.

Að lokum, þegar röð færibreytan er nægilega stór, z ≳ Z=/g, taka ólínulegu hugtökin við, sundrun lífveruástandsins heldur áfram á hraða sem er meiri en veldisvísis og dýrið deyr í endanlegum tíma. Jöfnuður (1) er hægt að leysa til að fá einfalda greiningartjáningu fyrir þann hluta dýra sem lifa fram að aldri t: SðtÞ ≈ ErfðZ=z expð tÞÞ, þar sem Erf(x) er villufallið18. Fræðileg lifunaraðgerð er önnur en í Gompertz dánarlögmálinu sem gefur til kynna veldishraða dánartíðni á öllum aldri.

Dánartíðni af öllum orsökum í líkaninu, MðtÞ =  _ SðtÞ=SðtÞ, eykst fljótt fyrst í dreifingarráðandi stjórnkerfi og hægist síðan á aldrinum, um það bil saman við meðallíftíma t {{4 }} logðZ=zÞ. Hjá elstu dýrunum er ágreiningurinn við Gompertz dánarlögmálið hvað sterkastur: dánartíðnin í líkaninu hægir á sér og nær hálendinu við Mðt ≫ tÞ ≈ .

Að lokum tökum við eftir því að sambreytifylki úrtaks breytu lífveruástands í óstöðugu kerfi einkennist af gangverki raðbreytu:

þar sem 〈…〉 stendur fyrir meðaltal úrtaks. Í veikum ólínuleikamörkum, t ≫ 1, myndi PCA slíks merkis sýna hleðsluvigur sem samsvarar fyrsta PC stiginu sem fellur saman við bi. Fyrsta tölvustigið z0=(b, x) er þá nálgunin við röðunarbreytuna z ≈ z0 sjálfa.

Djúpt nám öldrunarlýsingar frá lengdargögnum

Að eldast við gagnrýni getur verið gagnlegt fræðilegt hugtak. Hins vegar veitir það ekki hagnýt reiknirit til að bera kennsl á röð færibreytuna annað en áætlaða notkun PCA. Til að einkenna öldrunarferlið út frá mælingunum greindum við lengdaröldrunarferil CBC mælinga úr 6.693 sýnum í níu MPD gagnapakka (sjá aðferðir og viðbótargögn 1) með hjálp gervi taugakerfis. Reikniritið innihélt blöndu af djúpum sjálfvirkum kóðara (AE) fyrir víddarminnkun og einfalt AR líkan til að passa netframsetningu síðari mælinga á lausnir Eq. (1) (AE–AR; sjá aðferðir).

Lausn AR vandamálsins, z, er úttak reikniritsins og er besta matið á röðunarbreytu sem tengist sundrun lífveruástands og þar með öldrun út frá fyrirliggjandi gögnum. Hér að neðan stofnum við tengsl z með einkennum öldrunar, veikleika og dánartíðni. Í samræmi við það völdum við að vísa til dFI. z sem dFI.

Sýnt var fram á frammistöðu AR líkansins með því að teikna upp sjálfvirka fylgnieiginleika dFI, sem er fylgni milli dFI gilda mæld meðfram öldrunarferlum sömu músa á aldurspunktum aðskildum með 14 og 28 vikum í prófunargagnagrunninum MA{{8 }}072 (Mynd 2). Samsvarandi Pearson fylgnistuðlar milli viðkomandi aldursleiðréttra dFI mats voru r=0.71 (p < 0.{{20}}01) og r=0 0,70 (p < 0,001). Sjálfvirk fylgni dFI var betri en sjálfvirk fylgni í fyrsta PC stiginu z0 fyrir sömu mýs, sjá viðbótarmynd 2; samsvarandi fylgnigildi Pearsons voru r=0.55 (p < 0.001) og r=0.71 (p < 0.001) fyrir 14- og 28-vikutímatöf, samsvarandi .

Hálf-magnbundin stigveldisþyrping á sambreytileika CBC eiginleika í prófunargagnagrunninum leiddi til fylgni milli eiginleika sem tengdust ónæmiskerfinu (fjöldi hvítra blóðkorna og skyld magn), efnaskiptahraða/súrefnisneyslu (fjöldi rauðra blóðkorna og blóðrauðaþéttni ), og sjálfstætt undirkerfi myndað af blóðflögum (aukamynd. 6).

dFI jókst með aldri dýranna bæði í prófinu og í þjálfunarsettunum (mynd 3 og viðbótarmynd 3, í sömu röð). Eins og búist var við af eigindlegri lausn Eq. (1), dFI jókst upp að aldri sem samsvarar meðallíftíma dýra (~100 vikur í okkar tilviki). Við gerðum veldisvísis passa í formi eq. (2) á gögnum úr prófunargagnasöfnunum (að undanskildum dýrum sem lifðu lengur en meðallíftími stofnsins og dýrum við lok lífs úr gagnasafninu MA0073). Útreikningurinn skilaði dFI vaxtarvísitölu upp á=0.02 á viku.

Mettun dFI umfram meðallíftíma í þjálfunar- og prófunargagnasöfnunum leiddi í ljós takmörkunargildi sem er ósamrýmanlegt við lifun dýranna. Til að varpa ljósi á þennan möguleika teiknuðum við dFI svið frá sérstökum hópi „óheilbrigðra“ músa úr MA0073 tilrauninni, sem tákna dýrin sem áætlað var að fá líknardráp samkvæmt kröfum rannsóknarstofu (mynd 3, rauðar stjörnur).

Eðli dFI hröðunar með aldri og dFI tvöföldunarhlutfall sem samsvarar dánartíðni (jöfn 0.037 á viku22) eru góðar vísbendingar um tengsl milli dFI og dánartíðni. Athugunina mætti ​​styðja enn frekar með því að reikna fylgni Spearman á milli dFI "hröðunar" (þ.e. munurinn á dFI dýrs og meðalgildi þess í samsvarandi aldurs- og kynferðissamsettum árgöngum) og röð dauðans. atburðir meðal dýra af sama aldri og kyni (sjá töflu 1). Við fengum marktæka fylgni á milli dFI og eftirstandandi líftíma fyrir alla árganga.

Sem viðmið framleiddum við einnig Cox hlutfallshættulíkan (PH) undir eftirliti sem spáir fyrir um lifun dýra í sömu gögnum. Athyglisvert er að aldurs- og kynleiðrétt dFI spáði fyrir um eftirstandandi líftíma jafn vel eða lítillega betri en spávísirinn um log-áhættuhlutfall úr eftirlitslíkaninu sem var þjálfað í sömu gögnum (sbr. línurnar sem samsvara "dFI" og "HRCBC" í töflunni 1).

DFI spáði fyrir um eftirstandandi líftíma síðar á ævinni betur en líkamsþyngd (BW) eða insúlínlíkur vaxtarþáttur 1 (IGF1) í sermi. Áður var sýnt fram á að báðir þættir tengdust dánartíðni í refs. 23 og 24. Eins og bent er á í viðskrh. 24 og athugað hér, styrkur IGF1 í sermi var marktækt tengdur líftíma (r=− 0.28, p=0.008) aðeins í einum hópi yngri, {{ 12}}vikugamlar karlkyns mýs. Samkvæmt viðskrh. 23 og útreikningar okkar, er BW betur tengt dánartíðni hjá yngstu dýrunum (26 og 52 vikna aldur).

Hröðun dánartíðni á seinni árum og takmarkandi dánartíðni

Fjöldi dýra með skráða líftíma í MPD var ófullnægjandi til að skilja frávik dánartíðni frá Gompertz dánarlögum, eins og spáð var með öldrun við gagnrýni líkansins á lengstum aldri. Sem betur fer var hægt að framkvæma megindlega greiningu á dánartíðni seint á lífsleiðinni með því að nota gögnin frá ómeðhöndluðu viðmiðunum í stórri tilraun þar sem þúsundir músa tóku þátt25. Gompertz dánartíðni leiddu til eftirfarandi mats fyrir líftíma, t, Gompertz veldisvísi, og upphafsdánartíðni, M0 sérstaklega fyrir karla: t=100:3 vikur,=0. 0385 ± 0.0002 á viku, M0=(4,1 ± 0,1)⋅ 10−4 á viku; og fyrir konur: t=115:8 vikur,=0,0568 ± 0,0003 á viku, M0=(3,4 ± 0,1)⋅ 10−5 á viku.

Seint á lífsleiðinni hjá báðum kynjum falla reynslulínurnar hægar en spárnar úr Gompertz dánarlögmálinu (sjá heilbláu og appelsínugulu strikalínurnar á mynd 4a og viðbótarmynd 4a, í sömu röð). Þetta er til marks um hægfara dánartíðni. Bláu línurnar á mynd 4b og aukamynd 4b eru reynsluferlar dánartíðni. Gráu strikalínurnar samsvara fræðilegri væntingum um dánarstig á hálendinu, sem samsvarar fræðilegri takmarkandi dánartíðni Mðt ≫ tÞ=, þar sem tvöföldun dánartíðni frá Gompertz-fitunni er.

Jafnun dánartíðni er betur áberandi í kvenkyns árgöngum (mynd 4) og er í samræmi við fræðilega spá um dánartíðni síðla hálendis í líkaninu okkar. Í karlkyns árgöngunum eldast dýrin áður en hálendi er náð (aukamynd 4), hugsanlega vegna aukinnar bakgrunnsdauða fyrr á ævinni á milli viku 40 og 100. Engu að síður er hámarksdánartíðni enn ekki mjög langt frá (og er örugglega í sömu röð og) spáð takmörkunargildi jafnvel í karlkyns árgöngum.

dFI og einkenni öldrunar

Til að sannreyna enn frekar dFI sem lífmerki öldrunar, skoðuðum við tengsl þess við PFI, magnmælingu á öldrun og veikleika sem nýlega var lagt til í skv. 3. dFI og PFI reyndust vera sterk fylgni (Pearson's r=0.64, p < 0.001), mynd 5a. PFI er samsett veikleikastig og fer einnig eftir CBC ráðstöfunum til að ákvarða það. Hins vegar felur útreikningur á PFI í sér fleiri þætti, þar á meðal hefðbundna mælikvarða á viðkvæmni hjá dýrum og mönnum, eins og gripstyrk, hjarta- og æðaheilbrigði, bólgumerki o.s.frv. Merkilegt nokk var fylgnin milli PFI og dFI áfram marktæk eftir leiðréttingu fyrir kyni og aldri ( Aukamynd 5, Pearson's r=0.59, p < 0,001).

Eins og sýnt er á mynd. 5b og viðbótarmynd. 6, 7, sáum við að dFI var marktækt tengt víðtæku mengi CBC eiginleika yfir sjálfstæða starfhæfa undirkerfi (einkum, en ekki takmarkað við, mergfrumuætt). Fylgni milli dFI og mergfrumueiginleika var minna djúpstæð í þjálfunarsettinu, þar sem margir stofnar tóku þátt (viðbótarmynd 7). Fylgnistuðullinn er mælikvarði á svörun dFI við einstökum CBC eiginleika breytileika og er mismunandi (stundum jafnvel með gagnstæðu formerki) í ýmsum músastofnum (aukamynd 8). Breytileiki á tengslum einstakra eiginleika og dFI myndi vera veruleg áskorun fyrir hvaða línulegu líkani sem er og er sönnun á ólínulegu eðli AE.

DFI var sterklega tengt við dreifingu rauðra blóðkorna (RDW) og BW (mynd 5b), þekktir spár um veikleika í bæði músum26 og mönnum27. dFI var einnig sterklega tengt magni C-hvarfs próteins (CRP,r=0.39, p < 0.001) og músa chemokine CXCL1 (KC, r {{ 9}}.28, p < 0,001), sem bæði eru þekkt merki um altæka bólgu og dánartíðni28,29.

Öldrun tengist auknu álagi öldrunarfrumna30–32, sem almennt er talið uppspretta langvarandi dauðhreinsaðrar kerfisbólgu, „bólgueyðandi“ 33. Aldrunarfrumur (SC) eru almennt greindar in vivo sem þýði p16/Ink4a-jákvæðra frumna sem safnast fyrir með aldur viðurkenndur af virkni p16/Ink4a verkefnisstjóradrifna fréttamanna34. Við notuðum arfhreinar p16/Ink4a fréttamýs með einni p16/Ink4a samsætu sem var slegin inn með eldflugu luciferasa cDNA35. Mynd 6a sýnir fylgni milli aldurs dýra og nærveru öldrunarfrumna, eins og hún er mæld með flæði frá p16/Ink4a örvunardrifinni lúsiferasavirkni (r=0.54, p=0.008).

Fylgni þessa SC umboðs (heildar lúsiferasaflæði) við dFI var enn sterkari (r {{0}}.69, p < 0.001; mynd 6b). Athugunin passar vel við fræðilega spá okkar: hreyfijafna fyrir röð breytu (dFI) er sjálfstæð (stuðlar hennar eru ekki háðir tímanum). Þetta þýðir að ástandsbreytur lífverunnar, þar á meðal mælingar á öldrunarfrumubyrði, mega ekki vera beinlínis háðar aldri, þannig að aldursfíknin getur aðeins komið í gegnum háð dFI.

dFI bregst við líftímamótandi inngripum

Til að meta notagildi dFI fyrir greiningu á áhrifum inngripa á öldrun, metum við afturvirkt dFI og tengsl þess við eftirstandandi líftíma sem svar við fituríku mataræði (HFD) með því að nota gögnin úr fyrri tilraun3. Karlkyns músum var gefið HFD í stað venjulegs fæðis (RD) sem byrjaði við 50 vikna aldur höfðu marktækt styttri líftíma (viðbótarmynd 9a) og sýndu einnig marktæka aukningu á meðaltali dFI mæld í viku 78 (p=0). 05, tvíhliða t-próf ​​nemenda; mynd 6c) í samanburði við RD-fóðraða karldýr. Aftur á móti hafði HFD fóðrun kvenkyns músa hvorki áhrif á líftíma né meðaltal dFI (viðbótarmynd 9b og mynd 6d). Þannig virtist dFI vera góður spámaður um kynháðan mun á lífveru til HFD, undirliggjandi ástæður þess á eftir að útskýra.

Útreikningar okkar sýndu að öldrunarhröðunin sem dFI fangar var í samræmi við áður tilkynnt aukningu á PFI (p=0.02 samkvæmt t-prófi nemenda) hjá karlkyns og engin áhrif í kvenmúsum í viku 78 í sömu tilraun. Þetta er athyglisverð staðhæfing varðandi næmni dFI þar sem PFI var þróað (þjálfað) í MA0071 tilrauninni og notar fleiri (18 á móti 12) breytum en eingöngu CBC til að ákvarða það. Þvert á móti notuðum við engin gögn úr MA0071-73 gagnapakkanum til að þjálfa dFI líkanið. Mynd 6c, d sýnir frammistöðu dFI miðað við sjálfstætt þróað PFI í utanaðkomandi gagnasafni.

Í annarri tilraun prófuðum við svörun dFI við stuttri meðferð með viðurkenndum lífslengjandi lyfi, rapamycin36,37. Hér kynnum við niðurstöður tilraunar með hópi 60 60- vikna gamalla C57BL/6 karlkyns músa. 48 dýr (meðferðarhópurinn) voru meðhöndluð með rapamýsíni daglega í 12 mg/kg skammti í 8 vikur. Hin 12 dýrin (viðmiðunarhópurinn) fengu burðarefnið á sömu áætlun.

BW voru mæld í hverri viku og hækkuðu eins og búist var við í samanburðarhópnum (mynd 6e). Aftur á móti hélst BW í hópnum sem fengu rapamýsín um það bil stöðugt nálægt upphafsgildi allan athugunartímann sem var 10 vikur. Lægri BW er dæmigerð fyrir mús sem fengu rapamýsín samanborið við samanburðarhópinn3,38. Til að búa til dFI gildi fyrir mýsnar í þessari tilraun, söfnuðum við og framleiddum CBC úr blóðsýnum úr hverju dýri á tveggja vikna fresti (mynd 6f).

Langsnið sýnatöku í tilrauninni gerir okkur kleift að nota sjálfvirka aðhvarfsgreiningu til að greina hugsanleg áhrif lyfs á gangverki dFI og þar með öldrun. Alltaf þegar ótilviljanakenndur kraftur (það er áhrif lyfsins) er til staðar í jöfnuði. (1), stökkið í dFI á milli einhverra afleiddra mælinga frá sama dýri ætti að uppfylla breytta jöfnun. (7):

þar sem J er uppsöfnuð áhrif lyfsins eftir öldrunarferil milli mælinga. Tímabilin eru yfirleitt mjög lítil, Δt ≪ 1, og þar af leiðandi er sjálfhverfa aðhvarfsstuðullinn r ≈ 1. Því var búist við að við gætum greint áhrif rapamýsíns með því að bera saman dreifingu dFI stiganna, ΔdFI=z(t plús Δt) − z(t), hjá dýrum sem fá eða ekki meðferð á milli mælinga bæði í meðhöndluðum hópum og í samanburðarhópum (sjá Aðferðir til að fá nánari upplýsingar um tölfræðilega greiningu). Tölfræðileg greining á dFI aukningunum sýndi marktæka öldrun hraðaminnkun í tengslum við rapamýsín meðferð (Mynd 6g, bls=0.05, tvíhliða próf nemanda).

Umræða

Við kynntum nýja leið til að sýna lífmerki um aldur og veikleika úr stórum líflæknisfræðilegum gögnum sem fela í sér lengdarmælingar, þ.e. mörg sýni af sömu dýrunum sem safnað er meðfram öldrunarferlum. Nálgunin tilheyrir flokki reiknirita án eftirlits náms þannig að það þarf ekki merkingar sem tengjast aldri, dánartíðni og sjúkdómum. Það gæti verið dæmigerð með uppgötvun og lýsingu á lífmerki um öldrun í músum, dFI, frá hefðbundnum og sjálfvirkum mælingum á CBC og þjálfað út frá gögnum frá MPD.

Öldrun er mjög hægt ferli sem á sér stað á einkennandi tímakvarða sem er langt umfram tíma sem tengjast sameindaferlum eða starfsemi starfrænna undirkerfa lífveru. Venjulega stafar slík stigveldi kvarða af gagnrýni, sem er sérstakt tilfelli af kraftmiklu kerfi sem starfar nálægt veltipunkti sem aðskilur stöðugt og óstöðugt svæði15–17,39. Í skv. 18, lögðum við til að öldrun stafi af eðlislægum, kraftmiklum óstöðugleika undirliggjandi eftirlitsneta og birtist þar sem lítil frávik á ástandsbreytum lífveru (lífeðlisfræðilegar vísitölur) magnast veldisvísis og leiða til veldisvísis hröðunar dánartíðni. Fyrsta aðalþáttaskorið er þá nálgun við röðunarbreytu sem einkennir óstöðuga fasann og hefur þýðingu heildarfjölda eftirlitsvillna sem safnast hefur upp á ævi dýrsins17. Þess vegna teljum við að tilgátur um öldrun við gagnrýni gefi góða skýringu á velgengni Principal Components Analysis (PCA) sem hálf-megindlegs verkfæris í öldrunarrannsóknum40–42.

Hugmyndin um röð breytu sem tengist óstöðugleika er alhæfing á hugtaki sem upphaflega var kynnt í Ginzburg-Landau kenningunni til að lýsa fasaskiptum í varmafræði. Hugmyndin var þróuð áfram að forritum til að opna ójafnvægiskerfi í formi „þrældómsreglunnar“ 13, sem segir að við hliðina á mikilvæga punktinum ræðst gangverki hratt slakandi (stöðugra) íhluta kerfis algjörlega af „hægt“ gangverki aðeins nokkurra „pöntunarbreyta“. DFI sem er auðkennt sem nálgun við röð færibreytuna er þá ekki eingöngu vélanámstæki þróað fyrir sérstakar spár heldur frekar grundvallar stórsæja eiginleiki öldrunar lífverunnar sem ójafnvægiskerfis.

Hins vegar er hæfileiki línulegrar röðunarlækkunaraðferða, eins og PCA, til að afhjúpa nákvæma kraftmikla lýsingu á öldrun takmörkuð af eftirfarandi ástæðum. Í fyrsta lagi eru engar ástæður til að ætla að áhrif ólínulegra samskipta milli mismunandi kraftmikilla undirkerfa séu lítil. Þess vegna er ekki hægt að búast við að lífmerki sem er framleitt úr slíkri línulegri greiningu skili góðum árangri í mismunandi líffræðilegu samhengi (stofnar, rannsóknarstofuaðstæður eða lækningaleg inngrip eins og lyf). Í öðru lagi eru líffræðilegar mælingar oft hávaðasamar. Þess vegna gæti einföld tækni sem skortir skilvirka reglusetningu mistekst að endurbyggja rými duldu breytanna á réttan hátt nema óhóflega mikill fjöldi sýna fáist43. Að lokum er tenging fyrsta aðalþáttarins við röðunarfæribreytuna aðeins áætluð fullyrðing. Í grundvallaratriðum er engin leið til að bera kennsl á gangverki kerfisins út frá gögnunum, sem felur ekki í sér gangverkið sjálft í mörgum mælingum á sömu lífverunni eftir öldrunarferilnum.

Til að vega upp á móti göllum PCA og sýna fram á skilvirka leið til að framleiða nákvæma nálgun við dFI út frá gögnunum, notuðum við gervi taugakerfi, sambland af djúpt denoising AE og AR líkani. AE hluti reikniritsins er ólínuleg alhæfing á PCA og var notuð til að þjappa fylgni og nauðsynlega hávaðasamar líffræðilegum mælingum í þétt sett af duldum breytum, lágvíddarmynd af ástandi lífverunnar. AR armur netsins er ekkert annað en besta mögulega spáin um framtíðarástand sama dýrs út frá núverandi mælingum. Lausnin á AR vandamálinu sem netið býður upp á er matið fyrir pöntunarfæribreytuna út frá tilteknum gögnum, dynamic frailty indicator (dFI).

Netkerfisarkitektúrinn sem notaður er hér var innblásinn af djúpri röð minnkunararkitektúr, sem nýlega var notaður til að einkenna tölulegar lausnir stórra ólínulegra kraftmikilla kerfa44,45. Í víðari skilningi greinum við frá þróun og lýsingu á fullkomlega túlkanlegum (líkönum) reiknirit, sérstakt dæmi um að bera kennsl á hreyfijöfnur undirliggjandi kraftkerfis út frá gögnum með hjálp djúpnáms46,47. Samkvæmt staðli raunvísinda reynist öldrun í músum vera "nákvæmlega leysanleg". Við sýndum greiningarhæft líkan sem bindur gangverki lífeðlisfræðilegs ástands og lifun af öllum orsökum við þróun eins aldursháðs magns, röð breytu óstöðuga fasans og eftir einfaldri fyrstu-gráðu stochastic mismunadrifjöfnu.

Hin djúpstæða fylgni milli CBC eiginleika og dFI getur endurspeglað lykilhlutverk í öldrun blóðmyndandi vefja við að ákvarða öldrun allrar lífverunnar. Þetta hugtak er innsæi ásættanlegt miðað við alhliða lífeðlisfræðilega virkni blóðs. Sem önnur skýring geta aldursháðar breytingar á blóðbreytum verið aukaverkanir sem orsakast af öldrun afgangsins af lífverunni (þ.e. ýmiss föstum vefjum). Hins vegar, uppsöfnuð tilraunagögn mæla gegn þessu. Margar skýrslur sýna fram á „endurnærandi“ áhrif ungs blóðmyndandi kerfis á gömul dýr sem eru afhent annaðhvort með beinmergsígræðslu eða með vænisýkingu (skoðað í tilvísun 48). Ennfremur sýndi endurheimt blóðmyndandi blóðmyndun músa með ígræðslu á blóðmyndandi stofnfrumum (HSCs) frá ungum á móti gömlum gjöfum að ekki er hægt að endurnýja aldraða HSCs af umhverfi ungs líkama49. Einnig myndi túlkun á aldursfíkn HSC-afleiddra eiginleika sem aukaáhrif öldrunar standa frammi fyrir formlegum erfiðleikum þar sem gangverki slíkra þátta ætti að sýna styttri, í raun að minnsta kosti tvöfalt styttri, tvöföldunartíma en dFI og tvöföldun dánartíðni.

Sérkennileg niðurstaða greiningar okkar er að gögn okkar benda eindregið í átt að mergfrumuætt sem gefur mun nákvæmari spá fyrir líffræðilegan aldur en eitilfrumufjöldabreytur. Þetta er andsnúið þar sem almennt er viðurkennt að öldrun tengist vel skjalfestri almennri hnignun ónæmis sem kallast ónæmissveifla50, fyrirbærið sem sést af minni skilvirkni bólusetningar51 og aukinni tíðni og dauða smitsjúkdóma og krabbameins í eldri lífverum52. Engu að síður eru sterkar tilraunavísbendingar sem styðja og veita vélræna skýringu á þeirri niðurstöðu okkar að mergfrumubreytur vega þyngra en eitilfrumur sem líffræðilegir aldursvísar. Í yfirgripsmikilli rannsókn á erfðafræðilegum aðferðum HSC öldrunar, lýstu Beerman o.fl.49 aldursháðri epigenetic endurforritun sem leiðir til verulegrar breytingar í átt að mergfrumugreiningu á afkvæmum aldraðra HSCs49,53. Þessi breyting er knúin áfram af sérstökum breytingum á metýleringu á DNA HSCs sem eiga sér stað við öldrun músa. Það kemur á óvart að þessar breytingar á metýleringu, sem breyta tjáningu gena, eiga sér stað ekki í þeim hluta erfðamengisins sem stjórnar HSC svipgerð, heldur breyta DNA svæðum sem kóða gen sem stjórna niðurstreymis aðgreiningarstigum. Merkilegt nokk virðist mynstur breytinga á DNA metýleringu sem tengist öldrun HSCs tákna sama ferli og áður var lýst sem klukku sem byggir á DNA metýleringu1,49, og getur því verið hluti af sama öldrunarkerfi sem er stýrt af erfðaefni. Annar þáttur sem gæti dregið úr áhrifum breytu sem tengjast eitilfrumuættum sem líffræðilegum aldursmerkjum er hvarfgóður eðli þessarar greinar blóðmyndandi blóðmyndunar, sem þjónar til að bregðast hratt við óreglulegum atburðum eins og veiru- eða bakteríusýkingu, sárum og öðrum tegundum streitu sem krefst neyðarviðbrögð venjulega í formi bráðrar bólgu. Þar sem tími slíkra atburða er ófyrirsjáanlegur geta aldurstengdar breytingar verið dulaðar af hávaða sem kemur frá stórfelldum aldurstengdum sveiflum í eitilhólfinu.

Þessar athuganir þýða ekki að blóðið sé eini ákvarðandi öldrunar (annars væri líffræðilegur aldur 100 prósent skilgreindur af aldri HSCs), en að minnsta kosti setja það meðal helstu drifkrafta ferlisins og útskýra árangur okkar á áreiðanlegan hátt. að ákvarða líffræðilegan aldur út frá blóðprufugögnum. Öldrun í líkaninu okkar kemur fram í samvinnu þannig að þrátt fyrir útlit „öldrunarklukku“ í formi röðunarbreytu eða mats hennar út frá gögnunum, dFI, er enginn sérstakur undirkerfisrakningartími (eða aldur) í dýri.

Gangverki lífveruástandsins er lýst með sjálfstæðu jöfnuði. (1), þar sem enginn af líkanstuðlunum er beinlínis háður tíma. Samkvæmt því getur engin lífeðlisfræðileg ástandsbreyta verið háð aldri dýranna beinlínis, aðeins óbeint með því að vera háð sameiginlegu breytunni, dFI. Þess vegna sáum við fylgni milli dFI annars vegar og margra öldrunar- og viðkvæmnimælinga sem almennt eru þekktar sem einkenni öldrunar54 hins vegar. Þetta felur í sér gripstyrk, BW, RDW og bólgumerki eins og CRP og KC (IL-8). dFI var einnig í góðu samhengi við p16-lúsiferasaflæði, sem er staðgengill fyrir fjölda öldrunarfrumna í öldruðum músum. Aftur á móti spáum við því að meðferð gegn öldrun sem breytir dFI ætti að draga verulega úr öðrum einkennum öldrunar á sama tíma. Þessi eiginleiki er ekki óalgengur meðal inngripa með hugsanlega lífslengjandi áhrif55.

Þar að auki þýðir óstöðugleiki lífveruástandsins að dýrin geta ekki slakað á í neinu jafnvægi jafnvel eftir stutta truflun (formlega birtist þessi eiginleiki sem sterkar sjálfvirkar fylgnir dFI yfir langan tíma). Því ættu áhrif stuttrar meðferðar líklega að haldast til æviloka. Samkvæmt því gætu áhrif slíkrar skammvinnrar meðferðar í grundvallaratriðum greinst í stuttum tilraunum sem snerta lengdar dFI mælingar á rúmum nokkrum vikum. Þrátt fyrir að áhrifastærð og boð- og hávaðahlutfall í rapamýsínmeðferðartilrauninni í stuttu sjónarhorni séu ekki mjög stór, er öldrunarhömlunin sem sést í þessari vinnu samrýmanleg fyrri ævilöngum langlífisáhrifum skammvinnrar rapamýsínmeðferðar37.

Algeng lífmerki öldrunar treysta á einstaka eða samsetta mælikvarða á frávik lífveru frá unglegu ástandi hennar. Áberandi dæmi eru form veikleikavísitölunnar (FI) sem er skilgreindur sem hlutfall uppsafnaðs skorts í hvaða tiltæku merki8,9 eða nánar tiltekið í blóðprufugögnum9–11,56,57. Þar sem við gerum ekki ráð fyrir að lífeðlisfræðilegu ástandsbreyturnar séu háðar aldri öðrum en háðinni á röð breytu, ætti að vera gott samræmi á milli samsettra merkja öldrunar og dFI. Reyndar sáum við mjög mikla samræmi milli dFI og PFI frá skv. 3, sem er dæmi um Mahalanobis fjarlægðina frá gömlum til ungra ríkja7 og er dregið af fjölmörgum eiginleikum þar á meðal CBC, líkamsrækt, hjarta- og æðaheilbrigði og lífefnafræði.

Af öllum slíkum mælingum kemur dFI eitt og sér með staðfesta hreyfijöfnu (1) og hefur þar af leiðandi besta sjálfvirka fylgnieiginleikann eftir einstökum öldrunarferlum (sjá td sjálfvirka fylgni dFI og fyrstu tölvunnar á mynd 2 og viðbótarmynd 2, í sömu röð). Eignin er hentug til að ákvarða áhrif lyfja eða annarra inngripa á öldrun í tilraunum sem fela í sér samanburð á lífveruástandi sömu dýra fyrir og meðan á meðferð stendur.

【Frekari upplýsingar: david.deng@wecistanche.com / WhatApp:86 13632399501】