Влияние длительного ограничения калорий на показатели метилирования ДНК при биологическом старении у здоровых взрослых по данным исследования CALERIE

Nature Aging | Volume 3 | March 2023 | 248–257

doi.org

Effect of long-term caloric restriction on DNA methylation measures of biological aging in healthy adults from the CALERIE trial

Аннотация

Комплексная оценка долгосрочных последствий снижения потребления энергии (CALERIE) Фаза 2 представляла собой многоцентровое рандомизированное контролируемое исследование, проведенное в трех клинических центрах Соединенных Штатов. Целью исследования было оценить временной эффект 25% ограничения калорий (Caloric restriction - CR) (то есть потребление на 25% ниже исходного уровня для человека) в течение 2-летнего периода у здоровых взрослых (мужчины в возрасте 21-50 лет, женщины в пременопаузе в возрасте 21-47 лет) с индексом массы тела (ИМТ) в пределах нормального или слегка избыточного веса (ИМТ 22,0–27,9 кг м−2).

Участники были случайным образом распределены в соотношении 2:1 в группу поведенческого вмешательства CR или в контрольную группу ad libitum (AL), стратифицированную по месту жительства, полу и ИМТ. Из 238 подходящих лиц CALERIE рандомизировала N = 220 участников (145 человек с CR-вмешательством и 75 человек с AL-контролем). Участникам группы CR было предписано ограничение потребления калорий на 25% на основе потребностей в энергии. Точный достигнутый уровень CR был определен количественно путем сравнения потребления энергии (периодически определяемого на протяжении всего исследования методом DLW21) во время вмешательства CR с исходным потреблением энергии. Исследование CALERIE более подробно описано в разделе Методы.

Данные DNAm (метилирование ДНК) крови были получены на исходном этапе и, по крайней мере, в течение одного периода наблюдения для n = 197 участников (128 CR и 69 AL). Из этой выборки для анализа у n = 105 (82%) участников CR и n = 59 (86%) участников AL были доступны данные DNAm за все три периода времени (базовый уровень, 12 месяцев и 24 месяца). Средний возраст участников составлял 38 лет (стандартное отклонение = 7), 70% составляли женщины и 77% были белыми; не было различий в возрасте, поле или расе/этнической принадлежности между AL и CR на исходном уровне.

Целью анализа было проверить влияние вмешательства CALERIE на биологическое старение. Мы измеряли биологическое старение по DNAm крови, используя опубликованные алгоритмы. Цель этих алгоритмов – зафиксировать накопление молекулярных изменений, которые лежат в основе прогрессирующей потери целостности системы, происходящей с увеличением хронологического возраста. Первичный анализ был сосредоточен на DNAm-часах второго поколения PhenoAge22 и GrimAge23 и измерителе темпов старения DunedinPACE24, все из которых демонстрируют значимую связь с заболеваемостью и смертностью, связанными со старением.

Мы проанализировали версии часов PhenoAge и GrimAge, построенных на основных компонентах DNAm (далее – PC clocks), которые обладают превосходной технической надежностью по сравнению с оригинальными версиями этих измерений. DunedinPACE изначально был спроектирован так, чтобы обладать высокой технической надежностью.

Мы рассчитали показатели изменения показателей старения DNAm как разницу значений через 12 и 24 месяца наблюдений от исходных значений. Для анализа показатели изменений были масштабированы таким образом, чтобы величину эффекта можно было интерпретировать как стандартизированную разницу между средними значениями. Для часов PhenoAge и GrimAge значения показателей изменений масштабировались по стандартному отклонению разницы между возрастом часов и хронологическим возрастом на исходном уровне до лечения. Для DunedinPACE, который измеряет темпы старения (то есть изменение биологического возраста за хронологический год), значения оценки изменений были масштабированы по стандартному отклонению на исходном уровне до лечения.

Чтобы проверить гипотезу о том, что CR замедляет биологическое старение, мы провели анализ по назначению лечения (ITT), в котором сравнили показатели изменений между участниками, рандомизированными для вмешательства CR, и контрольной группой AL, используя ковариационный анализ повторных измерений (ANCOVA), реализованный в рамках смешанных моделей, следуя подходу, использованному в предыдущем анализе CALERIE. Мы используем P < 0,005 в качестве консервативного порога статистической значимости, следуя рекомендациям лидеров в этой области. Как и ожидалось, значения PhenoAge и GrimAge участников имели тенденцию к увеличению с течением времени. Лечение CR снизило показатель DunedinPACE у участников через 12 месяцев наблюдения, и это снижение сохранялось в течение 24 месяцев наблюдения (12-месячный d = -0,29 (95% ДИ -0,45, -0,13), 24-месячный d = -0,25 (95% ДИ -0,41, -0,09), P < 0,003 для обоих).

Стандартизированные эффекты лечения по DunedinPACE соответствуют снижению темпов старения на 2-3%. Эти средние эффекты лечения суммируют различные реакции на вмешательство; у некоторых участников группы лечения снижение DunedinPACE было намного больше, тогда как у других DunedinPACE увеличивалось от исходного уровня к последующему наблюдению. Эффекты CR варьировались в зависимости от анализируемых нами показателей старения DNAm. Вмешательство CALERIE замедлило темпы старения по измерениям DunedinPACE, в то время как вмешательство CR не повлияло на PhenoAge и GrimAge DNAm.

Все три показателя имеют доказательства своей валидности в качестве биомаркеров старения, в частности, доказательства связи с заболеваемостью и смертностью, а также с воздействиями, связанными с сокращением продолжительности здоровой жизни. Однако эти показатели DNAm были разработаны с использованием различных методов и отражают различные модели старения. PhenoAge и GrimAge были разработаны для прогнозирования риска смертности в один момент времени у людей разного возраста и пожилых людей. Этот подход количественно определяет старение как статическую конструкцию риска, накапливаемого на протяжении всей жизни. Напротив, DunedinPACE был разработан для прогнозирования мультисистемного физиологического снижения в течение двух десятилетий наблюдения – от раннего взросления до среднего возраста. Этот подход количественно оценивает старение как динамическую конструкцию, отражающую изменения в накоплении риска. Таким образом, DunedinPACE может быть более чувствительным, чем PhenoAge и GrimAge, к изменениям, вызванным 2-летним вмешательством CALERIE.

В наших предыдущих отчетах о CALERIE установлено, что вмешательство CR улучшило кардиометаболическое здоровье участников и замедлило связанные со старением изменения целостности физиологической системы. В некоторых случаях эти эффекты больше, чем эффекты, которые мы наблюдали для DunedinPACE. Изменения DunedinPACE в ответ на вмешательство CR опосредовали лишь малую долю вызванных CR изменений в клинических показателях. Целью анализа DNAm в CALERIE была оценка эффектов вмешательства на молекулярном уровне, где, как предполагается, возникают процессы старения. Исследования на подгруппах участников CALORIES предполагают влияние CR на молекулярные механизмы иммунной и метаболической регуляции. Результаты исследования DunedinPACE расширяют доказательства молекулярных изменений в ответ на CR на биомаркер старения DNAm, установленный для прогнозирования заболеваемости и смертности.

Последующее наблюдение в исследовании CALERIE не выходило за рамки вмешательства. Поэтому неясно, приведут ли изменения в DunedinPACE, наблюдаемые во время двухлетнего вмешательства, к снижению заболеваемости и смертности в долгосрочной перспективе. В обсервационных исследованиях с долгосрочным наблюдением люди с более медленным DunedinPACE находятся в лучшем положении по целому ряду показателей продолжительности жизни, включая снижение заболеваемости и увеличение выживаемости. Эти предыдущие исследования показывают, что эффект лечения CALERIE, заключающийся в замедлении темпов старения на 2-3%, соответствует снижению риска смертности на целых 10-15%, что по величине аналогично эффекту вмешательства по прекращению курения. Требуется дополнительное наблюдение за участниками исследования, чтобы определить, приведет ли CR-индуцированное снижение DunedinPACE в CALERIE к профилактике заболеваний и увеличению продолжительности здоровой жизни. Более того, изменения DunedinPACE за время последующего наблюдения показали существенное совпадение между группой, получавшей CR, и контрольной группой AL; оценки размера эффекта предполагают почти 90%-ное перекрытие траекторий DunedinPACE между двумя группами.

Мы осознаем наши ограничения. Не существует золотого стандарта измерения биологического старения. Мы проанализировали несколько показателей, которые отражают текущее состояние дел в количественной оценке биологического старения с помощью DNAm. Тем не менее, признается, что эти показатели являются неполным обобщением биологических изменений, происходящих при старении, и имеют технические ограничения. Воздействие лечения на аспекты биологического старения, не отраженные в показателях DNAm, не включаются в оценки эффекта; ошибка измерения из-за технических ограничений анализов DNAm может привести к смещению оценок эффекта в сторону нуля. Таким образом, оценки эффекта лечения могут представлять собой нижнюю границу истинного воздействия вмешательства CALERIE на биологическое старение. Изученные нами показатели обобщают биологическое старение в целом и не изолируют системно-специфические процессы старения. Однако CR оказывает различное воздействие на множество биологических систем. Таким образом, наши общие показатели биологического старения обеспечивают разумную проверку межсистемных воздействий. В среднем участники исследования не достигали предписанной дозы 25% CR, а некоторые участники контрольной группы снизили потребление калорий. Несмотря на такую несовершенную приверженность лечению, участники группы лечения испытали существенную и устойчивую потерю веса и связанные с этим изменения в составе тела и тканей, значительное улучшение кардиометаболического здоровья и замедление физиологических изменений, связанных со старением. Наблюдение CALERIE пока ограничено окончанием периода вмешательства. В настоящее время неизвестно, привело ли лечение и вызванное им замедление биологического старения к долгосрочному клиническому эффекту.

В контексте этих ограничений наши результаты имеют значение для будущих исследований в области геронтологии. Исследования в области биологии старения выявили множество методов лечения, которые потенциально могут улучшить продолжительность здоровой жизни людей. Препятствием для продвижения внедрения этих методов лечения посредством испытаний на людях является то, что интервенционные исследования длятся месяцы или годы, но старению человека требуются десятилетия, чтобы вызвать заболевание. Новые измерения, обобщающие биологические изменения, происходящие при старении, потенциально могут преодолеть эту проблему; измерения для количественной оценки биологического старения, которые одновременно предсказывают будущие заболевания, инвалидность и смертность и могут обнаруживать изменения в процессах старения за короткие промежутки времени, потенциально могут выступать в качестве суррогатных конечных точек для воздействия вмешательства на продолжительность здоровой жизни. Методы, предложенные для количественной оценки биологического старения, проанализированные в этом исследовании, позволяют прогнозировать ухудшение здоровья и смертность, связанные со старением. Однако до этого исследования ни один из них не был протестирован в рандомизированном контролируемом исследовании вмешательства, основанного на науке геронтологии. Наши результаты подчеркивают, что DunedinPACE является мерой, потенциально полезной в будущих исследованиях. DunedinPACE обладает высокой надежностью при повторном тестировании и демонстрирует сильную связь с конечными показателями продолжительности здоровья в валидационных анализах. В конечном счете, установление DunedinPACE и других показателей старения DNAm в качестве конечных точек для геронауки потребует доказательств того, что изменения в показателях DNAm учитывают влияние вмешательства на первичные конечные точки здорового старения, включая частоту хронических заболеваний и смертность. Данные, представленные CALERIE, свидетельствуют о том, что DunedinPACE может быть полезен при выявлении краткосрочных вмешательств, заслуживающих долгосрочного наблюдения для получения таких данных.