In early May 2011, Professor João Gonçalves, from the Faculty of Pharmacy, University of Lisbon, was in the news because he won a grant from the Bill and Melinda Gates Foundation to investigate a new way to fight AIDS.
The technique proposed by Professor Gonçalves is relatively complex, but what interests us is that it includes a methodology for the transport of large molecules into cells. Now, transport of macromolecules such as telomerase to the nucleus is precisely what we want. This technology is absolutely crucial to our future.
Shortly after the news was out I contacted the Professor, who initially had a very positive reaction. However, this first impression did not develop, and I continued my research.
And here's what I found.
Human (and rodent) telomerase is already produced commercially. To view a selection of companies working in this field go to http://www.biocompare.co.uk/ProductListings/16563/Biomolecule.html?s=telomerase , where you can see that there are already several companies producing telomerase (in various designations, from "Human Telomerase" to "TERT"). It is an area that seems to arouse great interest, and on that side I do not think we’ll have great difficulties.
And what about the transport of telomerase to the place where it should act?
When I learned about the endeavors of Professor João Gonçalves, I thought that the technique of nanoparticles (which is the methodology that you need to master to make macromolecules reach the interior of cells) was a cutting edge technology, practiced only in sophisticated laboratories. I was wrong.
A few weeks later, I found that in Spain a very small company located in a small town in Navarre, BioNanoPlus (www.bionanoplus.com) already offers technology capable of transporting proteins (ie, telomerase) into the cells. If a company as small as BioNanoPlus, in a remote region of Spain already offers this technology, what are we waiting for?
To get old?
In addition, there is one last "detail", which is the following: telomerase is a natural substance, and its production and marketing is dependent on a regulatory environment much less demanding than that of artificial molecules. The latter requires extensive toxicology and efficacy testing, which does not apply to natural molecules. What this does mean is that everything is in our favor.
In my book, 2009-2049: Forty Years on a Roller Coaster (available on Amazon as an e-book at http://www.amazon.com/2009-2049-Forty-Roller-Coaster-ebook/dp/B004JN11QQ/ref=ntt_at_ep_dpt_2 ) in Chapter 2 I make some proposals for experiments which could lead to considerable progress in our knowledge. The main ones have to do with a fish that lives only 13 weeks, Nothobranchius furzeri. This fish, which obviously is a vertebrate such as Man and therefore has the same nucleotide sequence in telomeres (the biological clocks of cells) would be an ideal vehicle to try to obtain significant extensions of life span. Imagine if we can get the fish that lives only thirteen weeks to live two years ... or twenty.
In addition, there is another experiment which is much simpler and gets us almost immediate results: to give telomerase to aged rats, to see if this achieves the same results as those obtained by Ronald DePinho of Harvard (a radical rejuvenation of the animals).
Aging is, as any doctor can confirm, a process of decay which can be extremely violent. Great possibilities are now open to us. Unless we are waiting to get old …
No princípio de Maio de 2011, o Prof. João Gonçalves, da Faculdade de Farmácia da Universidade de Lisboa, foi notícia porque ganhou um financiamento da Fundação Bill e Melinda Gates para investigar uma nova forma de combater a SIDA.
A técnica proposta pelo Prof. Gonçalves é relativamente complexa, mas o que nos interessa é que inclui uma metodologia para o transporte de grandes moléculas para o interior das células. Ora, transportar macromoléculas como a telomerase para o núcleo celular é justamente o que queremos. Esta tecnologia é absolutamente crucial para o nosso futuro.
Pouco depois de a notícia sair contactei o Professor, que inicialmente teve uma reacção muito positiva. Contudo, essa primeira impressão não se desenvolveu, e eu continuei as minhas pesquisas.
E eis o que descobri.
Já se produz comercialmente telomerase humana (e de roedores). Para ver uma selecção de empresas a trabalhar neste campo vá à Biocompare, onde pode ver que já há diversas companhias a produzir telomerase (sob diversas designações, desde “Human Telomerase” até “TERT”). É uma área que parece estar a despertar grande interesse, e por esse lado não creio que houvesse grandes dificuldades.
E quanto ao transporte da telomerase para o sítio onde ela deverá actuar?
Quando soube dos empreendimentos do Prof. João Gonçalves, pensava que a técnica das nanopartículas (que é a metodologia que é necessário dominar para se fazerem chegar macromoléculas ao interior das células) era uma técnica de ponta, praticada apenas nos laboratórios mais sofisticados. Estava enganado.
Umas semanas depois descobri que em Espanha uma muito pequena empresa situada numa pequena cidade de Navarra, a BioNanoPlus, já oferece tecnologia capaz de transportar proteínas (ou seja, a telomerase) para o interior das células. Se uma empresa tão pequena com a BioNanoPlus, numa região remota de Espanha, já propõe esta tecnologia, de que é que estamos à espera?
De ficar velhos?
Além disso, há um último “pormenor”, que é o seguinte: a telomerase é uma substância natural, cuja produção e comercialização está dependente de um ambiente regulatório muito menos exigente que moléculas artificiais. Estas últimas necessitam de extensos teste de toxicologia e eficácia, que não se aplicam às moléculas naturais. O que quer dizer que está tudo a nosso favor.
No meu livro 2009-2049: Quarenta Anos de Montanha Russa (à venda na Amazon, como e-book), faço no capítulo 2 algumas propostas de experiências que nos poderiam fazer avançar consideravelmente no nosso conhecimento. As principais têm a ver com um peixe que vive apenas 13 semanas, o Nothobranchius furzeri. Este peixe, que obviamente é um vertebrado como o Homem e por isso tem a mesma sequência de nucleótidos nos telómeros (os relógios biológicos das células) seria um veículo ideal para se tentarem obter extensões significativas do tempo de vida. Imaginem se conseguíssemos que o peixe que vive apenas treze semanas vivesse dois anos… ou vinte.
Além disso, há uma outra experiência muito mais simples, e com resultados quase imediatos: dar telomerase a ratos envelhecidos para ver se se consegue o mesmo resultado que o que Ronald DePinho obteve em Harvard (um rejuvenescimento radical dos animais).
O envelhecimento é, como qualquer médico pode confirmar, um processo de decadência que pode ser extremamente violento. Abrem-se-nos agora grandes possibilidades. A não ser que estejamos à espera de ficar velhos...
Illustration by Cristina Sampaio, published in Expresso
Rui Zambujal
A shorter version of this article appeared in the Portuguese weekly Expresso, June 9, 2007, on page 53 of the main body (opinion page), titled "Luta Contra O Envelhecimento" (Fight Against Aging).
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It was a moment of illumination in research on aging to find that the biological clocks of our cells reside in the telomeres, the ends of chromosomes. In each cell division, these structures lose some of their length, and that progressive shortening, from a certain point, causes a change in the expression of genes to an aged state; that's when the cell stops dividing and dies. At least at the cellular level the origin of aging had been found.
Since then, researchers have determined that the shortening of telomeres is of crucial importance in many human degenerative processes, such as cardiovascular disease, osteoporosis, atrophy (aging) of the skin, and Werner’s syndrome (a disease of accelerated aging) , for example.
And we seem to have finally gotten to the time of the practical application of these observations. So far, only the introduction of the gene for telomerase (the enzyme that lengthens telomeres) was used, in aged cells, resulting in rejuvenation of cell cultures. In addition, there are small molecules able to make a modest telomerization (lengthening of telomeres). For example, Geron Corporation (an American company), which is one of the most active in research of telomeres, announced recently that it could decrease 2 to 5 times the viral load of HIV in cell cultures of AIDS patients through the use of a molecule (TAT0002) which stimulates the action of telomerase. The CD8+ T cells of the immune system, due to their hyperactivity in combating the virus, are aged and have no replicative capacity (the telomeres of a 40 year-old patient with AIDS are comparable to a person of 90 years); Geron’s molecule renews them.
However, a new company, Telomolecular Corporation (also American), is developing two new methods for lengthening telomeres: using telomerase itself and through DNA molecules called nanocircles. These two molecules are delivered within the nucleus of each cell using a technology with the name of PLGA nanoparticles: Poly (Lactic-co-Glycolic Acid) nanoparticles. The PLGA technology (more specifically a technique called ELMD1) is a technology already well developed and approved by the US FDA (the regulatory agency for medicines). The PLGA nanoparticles are not toxic, do not cause immune response, are biodegradable and cross the blood brain barrier, and are an ideal vehicle for the supply of molecules too large to be transported by other techniques.
Nanocircles were developed by a team of Stanford University led by Eric T. Kool, and consist of circles of DNA complementary to the TTAGGG sequence (the sequence of letters of genetic code that repeats in telomeres). It has been shown in cell cultures that they’re able to rejuvenate aged tissues, serving as a template for the elongation of telomeres. In the near future Telomolecular promises to create a telomerized sheep, which will be named Dolly II in honor of Dolly the cloned sheep, who had excessively short telomeres. We’ll see.[Update 03 July 2010: Telomolecular exists no more. Its patents were sold to a London company called RCP Therapeutics, which leads a very discreet life]
How promising is this new technology? Can we seriously consider a true promise of rejuvenation? The data that have accumulated since 1998 are very promising. In January 1998 the journal Science published an article that described how normal human cells, which have a limited life expectancy of between 50 and 70 divisions (in contrast to cancer cells, which divide without limit), became immortal without becoming cancerous by introducing the telomerase gene. The rejuvenated cells remain quite young (they produce the antioxidants catalase, superoxide dismutase, glutathione peroxidase and other proteins in quantities typical of young cells) without any sign of abnormality (they have a normal number of chromosomes, for example). These experiments, originally conceived by Calvin Harley, from Geron Corporation, and Woodring Wright and Jerry Shay, from the Southwestern Medical Center, University of Texas (and colleagues) were repeated over 800 times at many universities and companies. And the experiments were done on cells relevant to human disease processes such as endothelial cells (from the endothelium of blood vessels, important in atherosclerosis), cells of the retinal pigment epithelium (the cause of macular degeneration, which leads to the loss of vision), and fibroblasts (important in aging skin and other tissues).
More recently (a study published in 2003 in The Lancet) a team led by Richard M. Cawthon measured telomeres in blood cells of 143 adults over 60 years-old. He found that those who belonged to the group of 50% with larger telomeres lived 4 to 5 years longer (4.8 years for women and 4 years for men)than those belonging to the 50% with the shortest telomeres. The authors observed in the latter group a mortality rate 3 times higher for cardiovascular diseases. The 25% with shorter telomeres had a mortality rate 8 times higher for infectious diseases than the 75% with longer telomeres.
Also in 2003, in Neurobiology of Aging, researchers discovered the existence of a strong negative correlation between the length of telomeres in T lymphocytes and the level of mental decline in Alzheimer's patients: the shorter telomeres were in those lymphocytes, the worst was the mental condition of patients. Length of telomeres in T lymphocytes was also inversely correlated with plasma levels of inflammatory cytokine TNF-alpha protein. The researchers speculated that there could be an immune component in Alzheimer's disease.
Closer, in May 2005 in the journal Circulation, researchers found that telomere loss in immune cells is correlated with increased insulin resistance, a condition associated with cardiovascular disease and an early death, and more body fat.
Finally, an interesting animal model: in April 2000, in an article published in Science, Robert Lanza and colleagues showed that cows cloned using a technique that increases the length of telomeres showed a much longer cell youth in comparison to normal cows at the same age: their cells divided in culture over 90 times, much higher than their normal limit (50 to 60 times). The researchers say that these telomerized cows can live 50% more than their normal life expectancy.
According to Telomolecular, there are already commercial applications of telomerization: University of Tennessee-Memphis produces new corneas from old corneal cells, something impossible to do without telomerization because the original cells do not divide enough, and a Dutch company produces skin grafts for burn victims.
What to do to buy time while these technologies are not ready? Telomolecular intends to develop, for the earliest, cosmetic products for skin and scalp; the reason is that the legal process of licensing is much simpler for these products. Experiments in tissue culture have shown that skin cells (fibroblasts) modified to produce telomerase secrete much higher levels of collagen, restoring skin elasticity in a model of aging skin. These experiments, of scientists from Geron Corporation and Stanford University, were published in August 2000 in the journal Experimental Cell Research. The products targeted at the degenerative diseases and aging in general will have to go through a much longer regulatory process.
However, there is something you can do to delay the shortening of your telomeres. In an issue completely dedicated to the biology of aging of the Annals of the New York Academy of Sciences (April 2002), scientists from the UK (Thomas von Zglinicki and his colleague Gabriele Saretzki) concluded that the rate of telomere shortening is dependent on oxidative stress : the weaker the antioxidant defenses of a cell the more quickly telomeres are "spent". Therefore, the strategy is simple: take your antioxidants (vitamins and minerals, and other antioxidants such as resveratrol [update 30/03/2013: resveratrol discontinued, due to bad results], coenzyme Q10 [ubiquinol is better], grape seed extract or alpha lipoic acid), and make the most antioxidant nutrition possible. It is (highly?) possible that this small extra effort will have a potential return of many years of life.
Note: there is a process in organic chemistry called telomerization, but in this article we refer to a biological telomerization, of course.
Uma versão mais curta deste artigo foi publicada no semanário Expresso, a 9 de Junho de 2007, na página 53 do caderno principal (página de opinião), com o título "Luta Contra o Envelhecimento".
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Foi um momento de iluminação na investigação sobre envelhecimento a descoberta de que os relógios biológicos das nossas células residem nos telómeros, as extremidades dos cromossomas. Em cada divisão celular estas estruturas perdem um pouco do seu comprimento, e esse encurtamento progressivo, a partir de um certo momento, provoca a alteração da expressão dos genes para um estado envelhecido; é aí que a célula deixa de se dividir e morre. Pelo menos ao nível celular estava descoberta a origem do envelhecimento.
Desde esse momento, os investigadores têm determinado que a diminuição do comprimento dos telómeros tem importância fulcral em muitos processos degenerativos humanos, como as doenças cardiovasculares, a osteoporose, a atrofia (envelhecimento) da pele e o Sindroma de Werner (uma doença de envelhecimento acelerado), por exemplo.
E parece ter chegado finalmente a hora da aplicação prática destas observações. Até agora, apenas era utilizada a introdução do gene da telomerase (a enzima que alonga os telómeros) em células envelhecidas, resultando num rejuvenescimento dos tecidos. Para além disso, há pequenas moléculas capazes de fazer uma modesta telomerização (alongamento dos telómeros). Por exemplo, a Geron Corporation (uma companhia americana), que é uma das empresas mais activas na investigação dos telómeros, comunicou recentemente que conseguia uma diminuição de 2 a 5 vezes na carga viral de VIH em culturas de células de doentes de SIDA, através do uso de uma molécula (TAT0002) que estimula a acção da telomerase. Os linfócitos T CD8+ do sistema imunitário, devido a sua superactividade no combate ao vírus, encontram-se envelhecidos e sem capacidade replicativa (os telómeros de um doente de SIDA com 40 anos, nessas células, são comparáveis aos de uma pessoa de 90 anos) ; a molécula da Geron renova-os.
Mas uma nova empresa, a Telomolecular Corporation (também americana), está a desenvolver dois novos métodos de alongamento de telómeros: usando a própria telomerase e através de moléculas de ADN chamadas nanocírculos. Estas duas moléculas serão entregues no interior do núcleo de cada célula utilizando uma tecnologia com o nome de nanopartículas PLGA: Poly (Lactic-co-Glycolic Acid). A tecnologia PLGA (mais precisamente, uma técnica mais especifica chamada ELMD1) é uma tecnologia já bastante desenvolvida e aprovada pela FDA americana (a agência reguladora dos medicamentos). As nanopartículas PLGA não são tóxicas, não provocam reacção imunitária, são biodegradáveis e atravessam a barreira hematoencefálica, sendo um veículo ideal para o aporte de moléculas demasiado grandes para serem transportadas por outras técnicas.
Os nanocírculos foram desenvolvidos por uma equipa da Universidade de Stanford liderada por Eric T. Kool, e consistem em círculos de ADN complementares à sequência TTAGGG (a sequência de letras do código genético que se repete nos telómeros). Já se demonstrou em culturas de células serem capazes de rejuvenescer tecidos envelhecidos, servindo como molde para o alongamento dos telómeros.
No futuro próximo a Telomolecular promete ter uma ovelha telomerizada, à qual pretendem chamar Dolly II em homenagem à ovelha clonada Dolly, que tinha os telómeros excessivamente curtos. Vamos ver.[Actualização de 03 de Julho de 2010: a Telomolecular já não existe. As suas patentes foram vendidas a uma empresa londrina chamada RCP Therapeutics, que leva uma vida muito discreta]
Quão promissora pode ser esta nova tecnologia? Poderemos encarar seriamente uma verdadeira promessa de rejuvenescimento? Os dados que se têm acumulado desde 1998 são muito promissores. Em Janeiro de 1998 a revista Science publicou um artigo em que se descrevia como células humanas normais, que têm uma esperança de vida limitada a entre 50 e 70 divisões (ao contrário das células do cancro, que se dividem sem limite), se tornavam imortais sem se tornarem cancerosas através da introdução do gene da telomerase. As células rejuvenescidas mantêm-se perfeitamente jovens (produzem os antioxidantes catalase, superóxido dismutase, glutationa peroxidase e outras proteínas em quantidades típicas de células jovens) e sem qualquer sinal de anormalidade (têm um numero normal de cromossomas, por exemplo). Estas experiências, originalmente da autoria de Calvin Harley, da Geron Corporation, e de Woodring Wright e Jerry Shay, do Southwestern Medical Center da Universidade do Texas (e respectivos colaboradores) foram repetidas mais de 800 vezes em muitas universidades e empresas. E as experiências foram feitas em células importantes para processos patológicos humanos, como células endoteliais (do endotélio dos vasos sanguíneos, importantes na aterosclerose), células do epitélio pigmentar da retina (na origem da degeneração macular, que leva á perda de visão), e fibroblastos (importantes no envelhecimento da pele e outros tecidos).
Mais recentemente (estudo publicado em 2003 no The Lancet) uma equipa liderada por Richard M. Cawthon mediu os telómeros em células do sangue de 143 adultos com mais de 60 anos. Descobriu que os que pertenciam ao grupo de 50% com maiores telómeros viviam 4 a 5 anos mais (4.8 anos mais para as mulheres e 4 anos para os homens) que os pertencentes aos 50% com menores telómeros. Observou-se neste último grupo uma taxa de mortalidade 3 vezes maior para doenças cardiovasculares. Os 25% com menores telómeros tinham uma taxa de mortalidade 8 vezes maior para doenças infecciosas que os 75% com maiores telómeros.
Também em 2003, na Neurobiology of Aging, investigadores descobriram a existência de uma forte correlação negativa entre o tamanho dos telómeros nos linfócitos T e o nível de declínio mental em doentes de Alzheimer: quanto mais curtos eram os telómeros dos linfócitos pior era a condição mental dos doentes. O comprimento dos telómeros nos linfócitos T estava também inversamente correlacionado com os níveis plasmáticos da proteína inflamatória citoquina TNFalfa. Os investigadores especularam que poderia haver uma componente imunológica na doença de Alzheimer.
Mais proximamente, em Maio de 2005, na revista Circulation, investigadores revelaram que a perda de telómero em células imunitárias está correlacionada com o aumento da resistência à insulina, uma condição associada às doenças cardiovasculares e a uma morte mais precoce, além de mais gordura corporal.
Finalmente, um curioso modelo animal: em Abril de 2000, num artigo publicado na Science, Robert Lanza e colaboradores revelaram que vacas clonadas usando uma técnica que aumenta o comprimento dos telómeros demonstravam uma muito maior juventude celular quando comparadas com vacas normais da mesma idade: as suas células dividiram-se em cultura mais de 90 vezes, limite muito superior ao limite normal (50 a 60 vezes). Os investigadores afirmam que estas vacas telomerizadas poderão viver mais 50% que a sua esperança de vida normal.
Segundo a Telomolecular já há aplicações comerciais das tecnologias da telomerização: na Universidade de Tennessee-Memphis produzem-se novas córneas a partir de células de córnea velhas, algo impossível de se fazer sem telomerização pois as células originais não se dividiriam em número suficiente; e uma companhia holandesa produz enxertos de pele para queimados.
Que fazer para ganhar tempo enquanto estas tecnologias não estão prontas? A Telomolecular pretende desenvolver, para os tempos mais imediatos, produtos cosméticos para a pele e couro cabeludo: a razão é que os processos legais de licenciamento são muito mais simples para esses produtos. As experiências em cultura de tecidos revelam que células da pele (fibroblastos) modificadas para produzir telomerase secretam níveis muito superiores de colágeno, restaurando a elasticidade cutânea de um modelo de pele envelhecida. Estas experiências, de cientistas da Geron Corporation e da Universidade de Stanford, foram publicadas em Agosto de 2000 na revista Experimental Cell Research. Entretanto, os produtos dirigidos às doenças degenerativas e ao envelhecimento em geral terão que passar por processos regulatórios muito mais longos.
Mas há algo que se pode fazer para atrasar o encurtamento dos nossos telómeros, enquanto se espera. Num número completamente dedicado à biologia do envelhecimento dos Annals of the New York Academy of Sciences (Abril de 2002), cientistas do Reino Unido (Thomas von Zglinicki e a sua colaboradora Gabriele Saretzki) concluiram que o ritmo de encurtamento dos telómeros está dependente do stress oxidativo: quanto menores forem as defesas antioxidantes de uma célula mais rapidamente se “gastam” os telómeros. Portanto, a estratégia é simples: é tomar os seus antioxidantes (vitaminas e minerais, e outros antioxidantes como o resveratrol [actualização 30/03/2013: resveratrol descontinuado, devido a maus resultados], a coenzima Q10 [o ubiquinol é preferível], o extracto de semente de uva ou o ácido alfa lipóico), e fazer uma alimentação o mais antioxidante possível. É (muito?) possível que esse pequeno esforço extra tenha um retorno potencial de muitos anos de vida.
Nota: existe um processo em química orgânica chamado telomerização, mas neste artigo referimo-nos a uma telomerização biológica e não química, como é claro.
Rui Zambujal is a biologist and was born in Lisbon in November 1963. Ever since his teens one of his main interests has been the biology of ageing. He makes the following comparison: life is as if we had been given Aladdin's lamp and its three wishes. What should be our first desire? It's to have more wishes, endless wishes. That's what the biology of ageing is all about: turning the limited number of wishes we get into a much larger number.
His book "2009-2049: Forty Years on a Roller Coaster" won the Best E-book Award of the 2011 New York Book Festival.
Some of his ideas can be seen at:
zambujal.com ,
Origin-of-aging.blogspot.com,
Telomerize.blogspot.com , Origen-del-envejecimiento.blogspot.com ,
Origem-do-envelhecimento.blogspot.com .
