Orologi Epigenetici come Predittori dell'Età: La loro Storia, Punti di Forza e Limitazioni
Sappiamo fin troppo bene che la vecchiaia è il principale fattore di rischio per il cancro, le malattie cardiovascolari e la neurodegenerazione. Frustrantemente, i progressi nella ricerca sull'invecchiamento sono stati ritardati per molti anni a causa della scarsa affidabilità degli strumenti utilizzati per prevedere il tasso di invecchiamento biologico dei pazienti. Per comprendere meglio il processo di invecchiamento e sviluppare interventi, il campo dell'anti-invecchiamento aveva bisogno di un sistema più efficace per misurare l'età biologica.
Entrano in gioco gli orologi epigenetici. Questi predittori dell'età, basati sulla metilazione del DNA (DNAm), sono diventati prominenti nell'ultimo decennio circa, aprendo la strada a studi più quantitativi. Nuovi orologi e applicazioni, inclusa la medicina legale, vengono annunciati frequentemente. Rappresentano una vera svolta, anche se gli aspetti precisi dell'invecchiamento catturati dagli orologi epigenetici rimangono poco chiari. Esaminiamo alcuni degli orologi epigenetici disponibili oggi e riassumiamo i loro punti di forza e di debolezza.
Quindi, il DNAm è emerso come uno dei biomarcatori più efficienti per prevedere l'età biologica. Gli orologi epigenetici (noti anche come predittori dell'età DNAm) sono sviluppati utilizzando i CpG (regioni del DNA) che cambiano con l'età. La maggior parte degli orologi è costruita utilizzando un modello di regressione penalizzata, che aiuta i ricercatori a selezionare gruppi rilevanti di CpG. Gli orologi vengono quindi utilizzati per stimare l'età cronologica in base alla percentuale di metilazione nei siti chiave di CpG. Miglioramenti e nuove scoperte stanno arrivando rapidamente.
Accelerazione dell'età
Iniziamo esaminando l'accelerazione dell'età, che si riferisce alla differenza tra età epigenetica (eAge) ed età cronologica (chAge). Questo è associato a diverse condizioni legate all'età. Ad esempio, i pazienti con obesità, sindrome di Down, malattia di Huntington, sindrome di Sotos e sindrome di Werner tendono a mostrare un'aumentata accelerazione dell'età. L'accelerazione dell'eAge è anche collegata alla forma fisica e cognitiva. La variazione nei tassi di invecchiamento epigenetico varia notevolmente a seconda del sesso e dell'origine etnica.
Le persone che hanno un sufficiente livello di vitamina D presentano una minore accelerazione dell'età epigenetica (eAge) e telomeri leucocitari (LTL) più lunghi. Il fumo è stato collegato a un aumento dell'eAge nelle cellule delle vie aeree e nel tessuto polmonare (rispettivamente di 4,9 e 4,3 anni). Inoltre, i ricercatori hanno stabilito che fumare durante la gravidanza potrebbe avere un effetto dannoso sull'eAge della prole. Nuove scoperte vengono rivelate continuamente, ma è chiaro che gli orologi epigenetici si sono dimostrati accurati nel predire l'età biologica.
I primi giorni del design degli orologi
I primi orologi epigenetici includevano relativamente pochi siti CpG e campioni nei loro set di dati di addestramento, rispetto alle versioni successive. I primi ricercatori crearono un orologio da 68 campioni (34 coppie di gemelli) che prevedeva l'età nella saliva con una precisione media di 5,2 anni. Dopo gli studi iniziali, gli orologi epigenetici sono cresciuti in complessità in termini di numero di campioni, tessuti e CpG implementati.
Il primo predittore di età multi-tessuto — l'orologio di Horvath o Pan-Tissue — utilizzava 353 CpG e aveva un errore medio di 3,6 anni, senza precedenti all'epoca. L'orologio è stato sviluppato utilizzando 8000 campioni provenienti da 82 studi, inclusi più di 50 tessuti sani. La notevole dimensione dei dati di addestramento rappresentava un nuovo punto di riferimento nella progettazione degli orologi. L'orologio di Horvath ha rapidamente guadagnato una vasta base di fan nella comunità scientifica grazie alla sua capacità di prevedere l'età in più tessuti utilizzando un numero minimo di CpG.
Evoluzione del Design
L'orologio di Horvath è stato utilizzato anche per stabilire che i tessuti possono invecchiare a ritmi diversi. Ad esempio, sembra che il tessuto cerebrale invecchi più lentamente rispetto ad altri tessuti del corpo. Tuttavia, l'orologio non ha funzionato in modo coerente sulle cellule coltivate, in particolare sui fibroblasti. Di conseguenza, Horvath si è impegnato a sviluppare un orologio epigenetico che prevedesse l'età dei fibroblasti umani, delle cellule buccali, delle cellule endoteliali, dei cheratinociti, delle cellule linfoblastoidi, del sangue, della pelle e dei campioni di saliva. Questo nuovo orologio, chiamato orologio della pelle e del sangue (S&B), può prevedere con grande precisione sia i tessuti in vivo che quelli in vitro.
Altri ricercatori hanno successivamente sviluppato un predittore accurato dell'età della pelle. Nel frattempo, l'orologio di Zhang, sebbene principalmente addestrato per lavorare sul sangue, è in grado di prevedere l'età dei tessuti del seno, del fegato, del tessuto adiposo e muscolare con lo stesso grado di accuratezza dell'orologio di Horvath. Questo orologio supera anche sia l'orologio di Horvath che quello di Hannum quando si tratta di prevedere l'età del sangue. Si distingue per la dimensione dei suoi dati di addestramento, con oltre 13.000 campioni.
Limitazioni e imprecisioni
Alcune imprecisioni negli orologi epigenetici sono diventate evidenti quando si prevedeva l'età delle persone più giovani (sotto i 20 anni), e l'orologio Pediatric-Buccal-Epigenetic (PedBE) è stato creato per affrontare questo problema. Era destinato specificamente all'uso nei neonati fino ai ventenni. Questo fornisce un buon esempio di come l'accuratezza degli orologi epigenetici possa essere migliorata — non solo mirandoli a determinati tessuti, ma anche a specifici gruppi di età. Tuttavia, nonostante le loro promesse, gli orologi epigenetici soffrono ancora di alcune limitazioni al momento.
La maggior parte degli orologi epigenetici dipende da un costoso array di metilazione Illumina Infinium, il che rende l'applicazione diffusa della tecnologia eAge impraticabile nel campo della scoperta di nuovi farmaci. La piattaforma di sequenziamento Qiagen consente un approccio più economico, ma presenta i suoi svantaggi. L'uso di orologi minimizzati in ambito forense è ancora in evoluzione e manca la convalida incrociata per la maggior parte degli orologi. I ricercatori hanno dimostrato che sia gli orologi Horvath che Hannum sottostimano regolarmente l'età delle persone anziane.
Promessa per il futuro
In sintesi, la previsione dell'eAge è un campo nuovo ed entusiasmante in rapida crescita che ha già trasformato radicalmente il mondo della gerontologia sperimentale. Con l'aumento del numero e della varietà degli orologi epigenetici, aumenta anche la comprensione dell'età biologica da parte dell'umanità. Tuttavia, è ancora presto. Sebbene i modelli lineari siano utili per prevedere l'eAge degli individui tra i 20 e i 70 anni, al di fuori di queste età l'accuratezza è minore.
Gli scienziati stanno anche sperimentando una serie di altre tecniche che non si basano esclusivamente sui dati DNAm. Orologi compositi come PhenoAge e GrimAge sono i primi passi in quella direzione.
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