Dieedist saadavate rauda kelaativate bioaktiivsete ühendite mõju oksüdatiivsest stressist põhjustatud rakkude vananemise molekulaarmehhanismides, 2. osa

Palun võtke ühendustoscar.xiao@wecistanche.comrohkem informatsiooni

3.2. Rakuline vananemine

Rakkude vananemine on organismi vananemise üks levinumaid markereid. Selle põhilise rakuprotsessi kõige silmatorkavam omadus on rakutsükli püsiv seiskumine, millega kaasneb kahjustatud makromolekulide rakusisene akumuleerumine, samuti sekretoorne fenotüüp ja muutunud metabolism [55,56]. Imetajate rakkudes on tuvastatud kahte tüüpi rakkude vananemist; neid nimetatakse "replikatiivseks vananemiseks" ja "stress-indutseeritud raku vananemiseks"[56]. Esimene toimub tavaliselt pärast teatud arvu jagunemist erinevat tüüpi rakkudes. Seda kirjeldati mitu aastakümmet tagasi kultiveeritud inimese fibroblastides [57]. See nähtus omistati hiljem telomeeride hõõrdumisele, kromosoomide lineaarsete otste järkjärgulisele lühenemisele iga DNA replikatsiooni korral [58]. Teisest küljest on stressist põhjustatud raku vananemine suures osas sõltumatu telomeeri pikkusest ja kujutab endast ägedat vastust paljudele stressoritele, sealhulgas oksüdatiivne stress, genotoksiline stress, mitokondriaalne kahjustus, hüpoksia, toitainete puudus ja onkogeenide ebanormaalne aktiveerimine |56, { {8}}. Huvitaval kombel on oksüdatiivne stress kõigi nende juhtumite ühine nimetaja, kuna see võib olla seotud kõigi ülalmainitud stressi tekitavate signaalidega [62-65].

Rakkude vananemine on kahtlemata seotud organismi vananemisega [55,56].künomooriumi eelised,Vananevaid rakke ei tuvastata aga ainult vananevates kudedes; neid saab tuvastada igal eluetapil ja neil võib olla kasulik roll paljudes inimese füsioloogilistes ja patoloogilistes protsessides, sealhulgas embrüogeneesis, haavade paranemises ja kasvaja supressioonis [56,61]. Vananevate rakkude pidev kuhjumine koos vanusega avaldab aga kahjulikku mõju ning seda on seostatud vananemisega seotud haiguste ja haigestumusega [56,59,66-69].

Lisateabe saamiseks klõpsake siin

Mis puutub nende morfoloogiasse, siis vananevatel rakkudel on ühised märgid, sealhulgas laienenud, lamenenud ja ebakorrapärase kujuga rakukehad; plasmamembraani muutunud koostis; tuumakondensatsiooni kadu; ja vananemisega seotud beeta-galaktosidaasi (SA- -gal)J70,71] suurenenud lüsosomaalne sisaldus. Samuti näitavad nad dramaatilisi muutusi nende sekretoorses profiilis, suurendades põletikueelsete tsütokiinide ja kemokiinide, kasvufaktorite, rakuvälise maatriksi komponentide (maatriksi metalloproteinaasid, seriinproteaasid) ja ROS-i ekspressiooni ja sekretsiooni [59]. Kõigi nende muutustega kaasneb ka bioloogilise mittelaguneva "jääkmaterjali", mida tavapäraselt nimetatakse "lipofustsiiniks" või "tseroidiks" või isegi "vanusepigmendiks"[72-74], progresseeruv rakusisene kuhjumine.

Järgnevates osades kirjeldatakse lipofustsiini moodustumise mehaanilisi aspekte ja pakutakse välja võimalikud vahendid selle akumuleerumise takistamiseks või ärahoidmiseks.

3.3. Lipofustsiini moodustumine ja akumuleerumine vananevates rakkudes

Pigmendi, mida tänapäeval tuntakse kui "lipofustsiini", avastas ja teatas 1842. aastal Hollandi histoloog Hannover [75]. Algselt kasutas Borst oma loengutes terminit lipofustsiin, kuid Hueck avaldas selle esmakordselt 1912. aastal [76,77]. Nimi tulenes kreekakeelsest sõnast lipo (mis tähendab rasva) ja ladinakeelsest sõnast fuscus (mis tähendab tumedat või hämarat). Lipofustsiini moodustumine ja akumuleerumine on iseloomulikud muutused, mis avalduvad üldiselt vananevates rakkudes[78-80] ja on sügavamad pikaealistes postmitootilistes rakkudes, nagu neuronid, kardiomüotsüüdid, skeletilihasrakud ja võrkkesta pigmentepiteeli (RPE) rakud [ 74,81]. Need rakud elavad normaalselt veel pikka aega pärast proliferatsiooni lõppemist, kuid nad koguvad järk-järgult suurenevaid koguseid lipofustsiini, mida ei saa lagundada ega eksotsütoosida.

Cistanche on vananemisvastane toime

Kasutades erinevaid tehnikaid vananevate rakkude tuvastamiseks, täheldati, et lipofustsiini akumuleerumise kiirus erinevate organismide sarnast tüüpi postmitootilistes rakkudes on pöördvõrdeline nende elueaga [82]. Eelkõige oli kiirus lühiealiste liikide puhul kiire ja pikaealiste liikide puhul aeglane, mis näitab, et lipofustsiini akumulatsioonil on tõenäoliselt kahjulik mõju raku funktsioonidele ja see on seotud organismi eluea lühenemisega [80,83,84] . Vaatamata selle korrelatsiooni olulisele tähtsusele on lipofustsiini akumulatsiooni aluseks olevad täpsed biokeemilised mehhanismid ja selle mõju raku funktsioonidele endiselt halvasti mõistetavad.

Lipofustsiini on leitud peamiselt lüsosoomidest, kuid väiksemates kogustes ka vananenud rakkude tsütosoolis [85,86]. Sellel on lai kollakaspruunika värvusega autofluorestsentsi spekter [80,87], kuid selle struktuur ja koostis jäävad halvasti määratletud. Kuigi selle koostis on erinevates rakutüüpides erinev, on näidatud, et see koosneb peamiselt oksüdeeritud valkudest ja lipiididest (nagu triglütseriidid, vabad rasvhapped, kolesterool ja lipoproteiinid) ning väikesest arvust süsivesikutest ja nukleotiidide fragmentidest, mis on omavahel ühendatud. erinevat tüüpi kovalentsed sidemed [84].kõrbehüatsintRaua kinnitumine selle pinnale on ka lipofustsiini ühine tunnus [88, 89].

Kuigi lipofustsiini akumulatsiooni lõplik mõju raku funktsioonidele jääb ebaselgeks, on näidatud, et see võib pärssida nii proteasomaalsete kui ka lüsosomaalsete valkude lagunemissüsteemide aktiivsust. Lisaks on eksperimentaalseid tõendeid selle kohta, et see võib katalüüsida reaktiivsete vabade radikaalide edasist moodustumist selle pinnale kinnitatud redoksaktiivsete raua ioonide (labiilse raua) kaudu [89].

3.4. Lipofustsiin kui üleoksüdeerunud materjal rakkudes, mis on avatud oksüdatiivsele stressile

Kuna lipofustsiin sisaldab tugevalt oksüdeeritud agregaati, mis koosneb peamiselt kovalentselt ristseotud valkudest ja lipiididest |90], on mõistlik oletada, et labiilne raud, mis on võimeline katalüüsima äärmiselt reaktiivsete vabade radikaalide teket, osaleb selle moodustumise radades. [91]. Peamiselt eksperimentaalsetest süsteemidest saadud tõendid on näidanud, et rakkude kokkupuude suurenenud oksüdatiivse stressiga viib alati tugeva vananemisfenotüübi väljakujunemiseni erinevates rakutüüpides koos rakusisese moodustumise ja lipofustsiinilaadsete materjalide akumuleerumise paralleelse kiirenemisega. [87,89,92,93]. Lipofustsiini moodustumiseni viivad erinevad järjestikused etapid on kujutatud joonisel 2.

Nagu ülalpool arutatud, on labiilse raua olemasolu vajalik väga reaktiivse ROS (HO aste ja RO *) tekitamiseks, mis vastutavad raku makromolekulide oksüdatsiooni ja üleoksüdatsiooni eest (joonis 2A, B). Veelgi enam, oksüdatiivselt modifitseeritud makromolekulid võivad pärssida valkude lagunemist ja rakkude parandamise süsteeme, hõlbustades seega oksüdatsioonikiiruse suurendamise mõttetuid tsükleid (joonis 2C). Üleoksüdeerunud, mittelagunevate rakukomponentide järkjärguline akumuleerumine rakkudesse viib lipofustsiini moodustumiseni (joonis 2D), mis arvatavasti aitab kaasa rakkude vananemisprotsessile (joonis 2E).

Joonis 2. Skemaatiline esitus järjestikustest etappidest, mis viivad lipofustsiini moodustumiseni ja aitavad kaasa rakkude vananemisele. Pange tähele, et Fe2 plus on vajalik väga reaktiivsete ROS-ide (HO ja RO) tekitamiseks, mis vastutavad raku makromolekulide (A, B) oksüdatsiooni ja üleoksüdatsiooni eest. Üleoksüdeeritud makromolekulid võivad pärssida raku parandamise süsteeme (eriti 20S proteasoomi), hõlbustades seega järk-järgult suurenevate oksüdatsioonikiiruste (C) mõttetuid tsükleid. Oksüdatiivselt modifitseeritud, mittelagunevad rakulised komponendid akumuleeruvad järk-järgult rakkudesse kovalentselt ühendatud agregaatidena lipofustsiini (D) kujul, mis väidetavalt mõjutab rakkude vananemisprotsessi (E). Noole- ja lamepead näitavad vastavalt protsesside esilekutsumist ja inhibeerimist.flavonoidide ekstraheerimise meetod pdfHuvitaval kombel Marzabadi jt.[94] täheldas, et rauasisaldusega rakkudes takistati lipofustsiini akumuleerumist rauda kelaativa ravimi desferrioksamiini kasutamine, mis näitab, et lipofustsiini moodustumine nõuab väga reaktiivseid vabu radikaale, nagu H O aste ja RO aste (joonis 2). Ilmselgelt võivad need reaktiivsed radikaalid algatada ahelreaktsioone, mis viivad lipiidide peroksüdatsiooni lagunemissaaduste tekkeni, mis provotseerivad rakukomponentide lagunematute, mittespetsiifiliste ristsidemete moodustumist.

Kokkuvõttes näitavad ülaltoodud tulemused, et tundlik tasakaal rakusisese peroksiidi taseme ja saadaoleva labiilse raua vahel määrab erinevate toksiliste mõjude vallandamise, mis kulmineeruvad lipofustsiini akumuleerumisega, samuti rakkude vananemise ja rakusurma esilekutsumise mõlema apoptoosi tõttu. või nekroos [29,95].

Rakkude vananemise indutseerimist peroksiidide abil saab saavutada ka erinevate radade kaudu. Näiteks võivad H, O, rakkude vahepealsed kiirused otseselt indutseerida spetsiifiliste MAP kinaaside aktivatsiooni ja vananemissignaalide ülekande, mis vallandavad p16INK4aINK4A telje aktivatsiooni ja põhjustavad rakkude vananemise indutseerimist [64, 65, 92 ,96]. Teisest küljest võivad kõrgemad H O kontsentratsioonid, nagu juhtub tugevalt põletikulistes piirkondades, mis meelitavad ligi aktiveeritud fagotsüüte, kutsuda esile otsese raua katalüüsitud oksüdatsiooni DNA-s, mis seejärel käivitab vananemise signaalirajad. Mõlemal juhul on oksüdatiivselt modifitseeritud raku makromolekulide paralleelne moodustumine ja akumuleerumine ilmsed tagajärjed. Siiski tuleb märkida, et küsimus, kas lipofustsiini akumuleerumine on rakkude vananemise põhjuslik tegur või on selle tagajärg, jääb keskseks, kuid lõpetamata küsimuseks.

3.5. Intratsellulaarne raua homöostaas ja lipofustsiini moodustumine

Nagu eespool mainitud, on raud elusrakkude ja organismide jaoks oluline element, kuna see osaleb erinevates biokeemilistes reaktsioonides, mis toetavad selliseid põhifunktsioone nagu hapniku transport, rakuhingamine ning DNA süntees ja parandamine. Raud võib aga osaleda ka reaktsioonides, mis põhjustavad kahjulike vabade radikaalide teket, mida nimetatakse Fentoni tüüpi reaktsioonideks. Raua toksilisuse minimeerimiseks töötasid imetajad välja keerukad mehhanismid, mis reguleerivad selle kättesaadavust35,37I. Sellest hoolimata on alati olemas väike ja peenelt reguleeritud osa redoksaktiivset rauda, ​​mida tavaliselt nimetatakse "labiilseks rauaks", mis arvatavasti esindab raua tegelikku liikumist erinevate rakuosade vahel [6, 38]. Seega kujutab labiilne raud endast dünaamilist rakuparameetrit, mis suudab reageerida erinevatele stiimulitele, muutes selle taset, eesmärgiga tasakaalustada rakukahjustuste vältimist ja rakunõuete tagamist.

Ajutiselt kõrgendatud peroksiidide kontsentratsiooni tingimustes (tavaliselt nimetatakse seda oksüdatiivseks stressiks) võib labiilne raud vahendada järgmisi sündmusi: a) lipiidide peroksüdatsiooni ahelreaktsioonide käivitamine ja levimine, b) valkude oksüdatsioon ja ristsidumine, c) DNA kahjustuste, näiteks ühe- ja kaheahelaliste katkestuste esilekutsumine ja (d) mitmesuguste keeruliste redoks-signalisatsiooniradade käivitamine [10, 29, 43]. Kõik need raua katalüüsitud toimed võivad viia rakkude vananemiseni, millega kaasneb lipofustsiini moodustumine ja kuhjumine.

Siinkohal tasub rõhutada, et oleme juba mitmetes publikatsioonides tõestanud H2O2-indutseeritud DNA kahjustuste ja apoptoosi ärahoidmist rakkudes, kus la-sapi rauasisaldus on vähenenud, kasutades erinevaid rauda kelaativaid aineid [11]. ,29,42,43,97]. Nendes uuringutes kasutasime in vitro rakukultuuril põhinevat katsesüsteemi, milles erinevat tüüpi inimese rakud puutusid kokku H ja O kujul oksüdatiivse stressiga ning tuuma DNA kahjustusi hinnati kvantitatiivselt, kasutades komeedi analüüsi. tundlik meetod, mis tuvastab DNA üheahelalise katkestuse moodustumise üksikutes rakkudes. Huvitaval kombel ei pakkunud rakkude eelinkubeerimine tuntud tugevate antioksüdantidega, nagu askorbiinhape, o-tokoferool, trolox, N-atsetüültsüsteiin ja o-lipoehape enne kokkupuudet H, O-ga, mingit kaitset [7] ]. Kuna nende ainete võime võidelda vabade radikaalidega on kindlaks tehtud paljudes in vitro uuringutes, omistati ülalmainitud negatiivsed tulemused nende ainete võimetusele tõhusalt eemaldada rakkudes tekkivaid reaktiivseid vabu radikaale.

Rauaga katalüüsitud ristsidumise oluline parameeter võib olla oksüdeeritud lahustuvate rakukomponentide kovalentse seondumise hõlbustamine bioloogiliste membraanidega. Selline sündmus peaks takistama membraaniga seotud materjalide eksotsütoosi, mis viib selle püsiva rakusisese akumulatsioonini. On mõistlik oletada, et lüsosomaalsed membraanid peaksid sel juhul olema peamised sihtmärgid, kuna need on lipofustsiini moodustumise asukohale lähedal. Tõepoolest, lipofustsiini on sageli tuvastatud lüsosomaalsete membraani segmentidega hõlmatud rakkudes [98].

Arvestades saadaoleva labiilse raua tähtsust lipofustsiini moodustumisel ja akumuleerumisel, näib selle rakusisese homöostaasi reguleerimine olevat vananemisprotsessi seisukohalt ülimalt oluline. Labiilse raua kättesaadavuse kui pöördelise teguri tunnustamine, mis määrab rakukomponentide oksüdatsiooni ja üleoksüdatsiooni ning lipofustsiini akumuleerumise rakkudes, võib avada tee uute strateegiate väljatöötamiseks, mille eesmärk on häirida ja moduleerida raku bioloogilist kella. vananemisprotsess.

3.6. Remondisüsteemide inaktiveerimine üleoksüdeerunud rakukomponentide poolt

Rakustrateegiad erinevate oksüdeeritud rakukomponentide parandamiseks on väga erinevad, sõltuvalt konkreetsete komponentide olemusest. Näiteks oksüdeeritud DNA nukleotiidid eemaldatakse ja asendatakse normaalsetega protsessi kaudu, mida nimetatakse "nukleotiidide ekstsisiooni parandamiseks", samal ajal kui oksüdeeritud valgud lagundatakse üksikuteks aminohapeteks, mida saab seejärel uuesti kasutada uute valkude sünteesiks.

On mitmeid erinevaid valkude lagundamise süsteeme: rakkudes on lüsosomaalsed ensüümid; tsütosoolis on proteasoomid ja kalpaiinid; mitokondriaalses maatriksis on Lon proteaasid (ATP-sõltuvad proteaasid); ja mitokondriaalses membraanis on kolmik-A proteaasid [78, 98-100]. Lisaks oksüdatiivselt modifitseeritud valkudele võivad lüsosoomid haarata ja lagundada isegi tugevalt kahjustatud organelle, nagu mitokondrid või osa tsütoplasmast protsessides, mida nimetatakse chaperoni vahendatud autofagiaks, makroautofagiaks ja mikroautofagiaks [82,101].

Hoolimata asjaolust, et rakud saavad enamikku oksüdatiivselt modifitseeritud biomolekule ja organelle tõhusalt parandada või lagundada, on täheldatud, et mõned neist akumuleeruvad vanusega, mis viitab rakkude ringlusmehhanismide loomupärasele ebapiisavusele.flavonoididOn näidatud, et juba oksüdeeritud rakukomponendid võivad läbida täiendavaid oksüdatiivseid modifikatsioone, mille tulemuseks on produktide moodustumine, millega raku lagunemissüsteemid ei suuda toime tulla [34, 84]. Selliste mittelagunevate konglomeraatide kuhjumine võib omakorda takistada lagunemissüsteemide funktsionaalsust, süvendades seega mõjusid ja viia nõiaringi, nagu on skemaatiliselt näidatud joonisel 2.

Suurenenud ja kauakestvate oksüdatiivse stressi tingimustes võib rakkude paranemisvõime üldiselt ja eriti valkude lagunemisvõime jõuda küllastustasemeni, mis viib oksüdeeritud komponentide püsiva esinemiseni. Selline olukord suurendab juba oksüdeerunud komponentide edasise oksüdeerumise tõenäosust ning täiendavate ja põhjalikumate oksüdatiivsete modifikatsioonide, sealhulgas molekulidesisese ja molekulidevahelise kovalentse sideme moodustumist. Moodustunud keemiliste struktuuride üldine keerukus ületab rakuliste proteolüütiliste süsteemide (eriti 20S proteasoomi) lagunemisvõime, mis viib üleoksüdeerunud lagunematute "prügi" materjalide järkjärgulise akumuleerumiseni rakkude sees, peamiselt lüsosoomidesse [82, 102].

Kokkuvõttes suurendab üleoksüdeerunud materjalide kuhjumine rakkudesse juba oksüdeerunud rakukomponentide edasise oksüdeerumise tõenäosust aja jooksul, hõlbustades seega oksüdatsiooni, üleoksüdatsiooni ja akumuleerumise nõiaringi käivitamist; kõik need viivad lõppkokkuvõttes raku funktsioonide järkjärgulise halvenemiseni, nagu ilmneb vananemises ja vananemises.

3.7. Lüsosoomid kui lipofustsiini moodustumise peamised kohad

Normaalse autofaagilise lagunemise tulemusena on lüsosomaalne sektsioon eriti rikas labiilse raua poolest, kuna paljud autofagotsütiseeritud makromolekulid ja organellid sisaldavad rauda. Redoks-aktiivse raua ja madal pH kombinatsioon lüsosoomides hõlbustab Fentoni reaktsiooni kaudu äärmiselt reaktiivsete radikaalide moodustumist suhteliselt mittereaktiivsetest peroksiididest. Seetõttu on see organell eriti tundlik kerge oksüdatiivse stressi suhtes, mida rakud loomulikult kogevad rakusisese H, O püsiseisundi mööduva kõikumise ajal. Loodud HO·-d indutseerivad koheselt lüsosomaalsete komponentide, näiteks valkude ja membraanilipiidide ahela oksüdatsiooni, mille tulemuseks on lipofustsiinilaadsete materjalide moodustumine, mis on tõepoolest lüsosoomidesse kogunenud.

Intensiivsete ja pikaajaliste oksüdatiivse stressi tingimustes kutsub H2O2 ja labiilse raua samaaegne esinemine esile edasise oksüdatsiooni juba oksüdeerunud au-fagotsütoositud biomolekulide peal, mille tulemuseks on üleoksüdeerunud produktid, mis on ristseotud mitme kovalentse sidemega. .hesperidiini kasutamineSee materjal võib lisaks lagunemiskindlusele pärssida rakkude taastamise süsteeme, nagu on tõestatud proteasoomides [85, 102]. Seda ettepanekut toetab tugevalt tähelepanek, et oksüdatiivse stressi kombinatsioon lüsosomaalsete proteaaside inhibeerimisega lükkas edasi autofagotsütoositud makromolekulide lagunemise ja andis rohkem aega nende oksüdatsiooniks, kiirendades dramaatiliselt lipofustsiini moodustumist kultiveeritud rakkudes [7]. Lipofustsiin ise võib pärineda erinevat tüüpi auto- või heterofagotsütoositud materjalist. Paljudes rakkudes, eriti väga aeroobsetes rakkudes, nagu südame müotsüüdid ja neuronid, moodustavad autofagotsütoositud mitokondrid suurema osa lüsosomaalsest lagunematust materjalist. Tugevad tõendid lipofustsiini keha olulise osa mitokondriaalse päritolu kohta näitavad tähelepanekut, et lipofustsiini laetud rakkudes on palju ATP süntaasi subühikuid [103]. Kuid aktiivse fagotsütoosiga professionaalsetes püüdurirakkudes, nagu makrofaagid, mikrogliiarakud ja võrkkesta pigmendiepiteelirakud, võib samuti saada olulise osa nende lipofustsiini sisaldusest.

3.8. Vananevate rakkude tuvastamine

Vananevate rakkude äratundmine on kriitiline probleem, arvestades üha rohkem tõendeid vananemise rolli kohta inimese patoloogiates [56,104]. Lisaks nõuab kiiresti laienev kemoterapeutikumide valdkond vananevate rakkude täpset tuvastamist [105]. Tabelis 1 on esitatud erinevad markerid, mis tuvastavad raku vananemise andureid. Hiljutised leiud on näidanud vananemise mõju COVID-i-19 korral, mis õigustab kemoterapeutikumide kasutamist COVID{5}} patsientide raviks või ennetamiseks [106.

Äsja moodustunud lipofustsiini akumulatsiooni saab tuvastada ja kvantifitseerida elektron-, konfokaalse ja fluorestsentsmikroskoopia ning voolutsütomeetria abil [108,109]. Lisaks saab lipofustsiini tuvastada selle autofluorestsentsi põhjal koos mitmete histokeemiliste ja tsütokeemiliste tehnikatega [68, 87, 110, 111]. Eelkõige interakteerub GL13, biotinüülitud Sudan Black-B(SBB) keemiline analoog, mis on kaubanduslikult saadaval nime all "SenTraGorTM", lipofustsiiniga ja võimaldab vananevaid rakke täpselt identifitseerida in vitro ja ex vivo, kasutades antikehade vahendatud tuvastamismeetodit. 56 107 110]. Seda testi kasutades on võimalik ka lahustuva või ekstraheeritud lipofustsiini taseme kvantitatiivne määramine rakukultuuri supernatantides, kehavedelikes ja koehomogenaatides [112]. Sündmuste jada, mis põhjustab lipofustsiini akumuleerumist vananemise ajal ja selle interaktsiooni lipofustsiiniga, on skemaatiliselt esitatud joonisel 3A. SenlraGoriga värvitud Li-Fraumeni-p21WAF1 / Cip1 Tet-OFF ja ON (vananevate) rakkude tüüpilised kujutised on esitatud joonisel 3B. Tugev pruun tsütoplasmaatiline signaal on ilmne vananevates rakkudes (parempoolne pilt), samas kui ükski indutseeritud rakk pole negatiivne (vasak pilt).

Nanotehnoloogial põhinevate teranostiliste rakenduste arendamine võib võimaldada vananevate rakkude täpset sihtimist [113-115]. Vananevate rakkude kaardistamine in vivo on endiselt suur väljakutse. Selles kontekstis võib uudset GL13 ühendit rikastada kvantpunktide või muude sobivate nanokandjate ja hüdrofiilse korpuse lisamisega kogu süsteemi kapseldamiseks, muutes GL13 paljutõotavaks kandidaadiks molekulaarseks pildistamiseks in vivo [114].

Joonis 3. (A)SenTraGorTM reageerib spetsiifiliselt lipofustsiini vastu, mis on rakkude vananemise mittelagunev kõrvalsaadus, võimaldades vananevaid rakke täpselt identifitseerida in vitro ja ex vivo, kasutades antikehade vahendatud tuvastamismeetodit. (B) SenTraGori värvimine Li-Fraumeni-p21WAF1/Cip1 Tet-OFF (vasakpoolne pilt) ja ON rakkudel (parempoolne pilt); algne suurendus: × 200. 4. Dieedi bioaktiivsed ühendid ja oksüdatiivne stress

Arvukad epidemioloogilised uuringud, mis viidi läbi peamiselt eelmise sajandi teisel poolel, on seostanud traditsioonilist Vahemere dieeti ( Vahemere basseini põhjakaldal valitsenud dieet) teatud krooniliste haiguste väiksema esinemissageduse ning haigestumuse ja suremuse vähenemisega [{{0 }}]. Seetõttu on tehtud intensiivseid uuringuid, et tuvastada Vahemere dieedi aineid, mis suudavad ära hoida või nõrgendada oksüdatiivse stressi kahjulikke mõjusid ja piiritleda nende molekulaarset toimeviisi.

4.1. Bioaktiivsed toiduühendid: vabu radikaale püüdvad antioksüdandid või nõrgad rauakelaatorid?

Traditsioonilist Vahemere dieeti iseloomustab oliiviõli ja taimsete toiduainete (nt puuviljad, köögiviljad, rafineerimata teraviljad ja kaunviljad) suur tarbimine; mõõdukas kala, piimatoodete ja veini tarbimine; ja lihatoodete väike tarbimine [119]. Selle kasu tervisele on sageli omistatud vabade radikaalide püüdja ​​tüüpi antioksüdantide suurele kogusele, mida leidub suures osas selle dieedi tüüpilistes toitudes. Üldiselt eeldati, et sellised vabade radikaalide püüdjad võivad vabade radikaalidega suhelda ja neid neutraliseerida, võideldes seega kehas oksüdatsiooniga ja seega edasi lükates või isegi ennetades mitmesuguste krooniliste haiguste, sealhulgas vananemisprotsesside esinemist [120-123].

Seni läbi viidud suurimate antioksüdantide lisamise kliiniliste uuringute tulemused ei ole aga näidanud olulist kaitset krooniliste haiguste tekke eest [124-137]. Lisaks on tekitatud muret antioksüdantide suurte annuste lisamise ohutuse pärast, kuna mõnel juhul on täheldatud seoseid terviseriskidega [138, 139]. Seda ebaõnnestumist saab seletada asjaoluga, et vabad radikaalid, nagu HO aste ja RO aste, on äärmiselt reaktiivsed, rünnates ja oksüdeerides koheselt ja mittespetsiifiliselt kõiki nende tekke läheduses esinevaid keemilisi rühmi[140]. Seega on rakkude sees tekitatuna praktiliselt võimatu ühelgi väliselt saadud vabade radikaalide püüdjal neid neutraliseerida. Siinkohal tuleb rõhutada, et ainus võimalus kaitsta raku koostisosi oksüdatsiooni ja kahjustuste eest oksüdatiivse stressi tingimustes on vältida selliste väga reaktiivsete vabade radikaalide teket. Teine võimalik strateegia kriitiliste bioloogiliste makromolekulide, nagu DNA ja valkude oksüdeerumise vältimiseks sellistes tingimustes võib olla nende moodustumise asukohaga manipuleerimine, kasutades rauda kelaativaid aineid. Nagu allpool arutatud, sisaldab dieet üldiselt ja eriti Vahemere dieet palju selliseid nõrku raua kelaate (joonis 4), mis läbides rakumembraani võivad eraldada nõrgalt seotud labiilse raua olulistest makromolekulidest, kaitstes seega neid soovimatu oksüdatsiooni eest sõltumata sellest, kas nad inhibeerivad Fentoni reaktsiooni või mitte

Joonis 4. Skemaatiline esitlus näitab, et Vahemere dieedi taimsed toidud sisaldavad üha suuremas koguses rauda siduvaid ühendeid, mis on võimelised kelaatima rakusisest labiilset rauda ja takistama väga reaktiivsete vabade radikaalide teket, mis vastutavad raku koostisosade reguleerimata oksüdatsiooni eest. Tüüpilised Vahemere dieedi toidud sisaldavad arvukalt ühendeid, sealhulgas fenoolalkohole, fenoolhappeid ja flavonoide, mida on korduvalt soovitatud toimida vabu radikaale püüdvate antioksüdantidena. Meie uurimisrühm on uurinud mitmeid selliseid ühendeid ja me täheldasime tugevat seost iga ühendi kaitsevõime ja selle võime vahel kelaatida rakusisest labiilset rauda, ​​kuid mitte nende võime vahel vabu radikaale in vitro eemaldada [8,9, 12]. Nende ühendite täiendav vajalik omadus, mis oli vajalik nende kaitsevõime saavutamiseks, oli nende võime jõuda raku sisemusse difusiooni või mis tahes muu transpordi kaudu läbi plasmamembraani [11,42,141]. Nende tähelepanekute põhjal tegime ettepaneku, et Vahemere dieedis kõikjal esinevad bioaktiivsed ühendid pakuvad oma tsütoprotektiivset toimet, eraldades rakusisese labiilse raua kriitilistest rakukomponentidest, vähendades seega nende soovimatut oksüdatsiooni.

4.2. Kas toidust saadavad rauda kelaativad ained takistavad lipofustsiini moodustumist?

Ülalmainitud kaalutlustest lähtudes on mõistlik oletada, et Vahemere dieedis sisalduvad bioaktiivsed rauda kelaativad ained võivad olla peamised tegurid, mis vastutavad lipofustsiini moodustumise ja seega ka vananemisprotsessi ennetamise eest üldiselt. Meile teadaolevalt ei ole süstemaatilisi jõupingutusi selle olulise hüpoteesi eksperimentaalseks testimiseks veel tehtud.

Tüüpiline Vahemere dieet sisaldab suurt hulka erineva keemilise struktuuri ja omadustega rauda kelaativaid molekule. Näiteks oleme põhjalikult uurinud paljusid polüfenoole sisaldavaid taimeekstrakte ja tuvastanud, et orto-dihüdroksüülrühmaga fenoolsed ühendid kaitsevad oksüdatiivse stressi eest, samas kui need, millel üks hüdroksüülrühm puudub või mis asub meta- või para-asendis, on täiesti ebaefektiivsed. [8, 10-12]. Need tähelepanekud tõstatasid lisaküsimuse, kas toiduainetes sisalduvad rauda kelaativad ained on suutelised läbima mitmeid barjääre, et jõuda sihtrakkude sisemusse. Sel juhul võib konkreetseid toiduaineid pidada "kaudseteks antioksüdantideks", kuna need takistavad pigem reaktiivsete vabade radikaalide teket kui detoksifitseerivad neid pärast nende rakusisest tootmist.

Mõnel juhul võivad intratsellulaarsed labiilsed raua ioonid olla ebatäielikult koordineeritud dieedist pärinevate ainetega nende vähese omastamise ja märkimisväärse lahjenduse tõttu kehas, võimaldades seega raua osalemist redoksreaktsioonides. Sellegipoolest on samadel ainetel tavaliselt kaks funktsiooni, kuna need võivad sisaldada samas molekulis nii rauda siduvaid kui ka vabu radikaale püüdvaid omadusi. Seega võivad dieedist saadavad rauakelaatorid toimida kahel viisil: kas leevendada oksüdatiivsest stressist põhjustatud rakukahjustusi, eemaldades haavatavatest raku makromolekulidest nõrgalt seotud labiilse raua ja inaktiveerides selle täielikult, või raua mittetäieliku koordineerimisega, mille tulemuseks on raua eemaldamine algsesse asendisse, kuid võimaldab sellel jääda redoks-aktiivseks ja oksüdeerida vastavaid dieedist saadud raua kelaate.

5. Kokkuvõtted

Üks silmapaistvamaid kontseptsioone vananemise vallas on tänapäeval niinimetatud "vananemise vabade radikaalide teooria". Selle teooria kohaselt põhjustab organismi vananemist kumulatiivne oksüdatiivne kahjustus, mida põhjustavad väga reaktiivsed vabad radikaalid, mis tekivad peamiselt selle tagajärjel. aeroobne ainevahetus. Selliste äärmiselt reaktiivsete radikaalide pidev teke põhjustab kahjustatud rakukomponentide parandamatute agregaatide järkjärgulist moodustumist ja kuhjumist. Seda keemiliselt määratlemata materjali, mis koosneb peamiselt valkudest ja lipiididest ning millel on kollakaspruun fluorestsents, nimetatakse "lipofustsiiniks", tseroidiks või "vanuse pigmendiks" ja seda peetakse rakkude vananemise tunnuseks.

Lipofustsiin moodustub peamiselt raku makromolekulide kontrollimatute ja mittespetsiifiliste oksüdatiivsete modifikatsioonide kaudu. Rakud on varustatud mitmetahuliste kaitsesüsteemidega oksüdeerunud makromolekulide jälgimiseks ja parandamiseks. Kui aga intensiivne oksüdatiivne stress püsib pikka aega, põhjustab see alati väga reaktiivsete vabade radikaalide teket ja juba oksüdeerunud materjalide üleoksüdeerumist, luues seega tooteid, mida ei saa parandada, lagundada ega isegi eksotsütoosida. asjakohaste rakusüsteemide poolt. Veelgi enam, on näidatud, et üleoksüdeeritud materjalid võivad indutseerida rakukaitse- ja parandussüsteemide järkjärgulist inaktiveerimist, soodustades seeläbi lipofustsiini suurenenud akumulatsiooni kiiruse mõttetuid tsükleid.

Kuna raua katalüüsitud oksüdatsiooniprotsessides (Fentoni reaktsioon) võivad tekkida väga reaktiivsed vabad radikaalid, on labiilse raua kättesaadavus vajalik eeltingimus lipofustsiini moodustumiseks ja akumuleerumiseks rakkudes. Nendele kaalutlustele tuginedes on usutav oletada, et rakulise raua homöostaasi peenregulatsioon raua üldises ja labiilses jaotuses võib olla seni hindamata viis, et aeglustada rakusisese lipofustsiini moodustumist ja sellest tulenevat rakkude vananemist (vananemist). Oleme varem näidanud, et mitmed Vahemere tüüpi dieedis sisalduvad rauda kelaativad fütotoitained on võimelised tungima läbi bioloogiliste membraanide ja jõudma raku sisemusse [8, 9, 11, 12]. Need ained kelaadivad rakusisese labiilse raua (mitte tingimata kõrge afiinsusega) ja määravad seega selle jaotuse ja sellest tulenevalt oksüdatiivse stressi poolt põhjustatud oksüdatsiooni asukohad. Kavandatava mehhanismi kohaselt peavad dieedist saadud fütokemikaalid oma struktuuris ühendama järgmised omadused, et olla võimelised kaitsma rakke oksüdatiivse stressi tingimustes: nad peavad suutma (a) tungida läbi rakumembraanide; (b) kelaatima rakke. labiilne raud; ja (c) seotud raua ja peroksiidide vastasmõju korral (selle koordinatsioonikohtade mittetäielik hõivamine) moodustunud reaktiivse radikaali eemaldamiseks.

Ülaltoodud esitluse järeldusi kokku võttes võib teha järgmised väited: (a) labiilne raud on peamine aine, mis vastutab väga reaktiivsete vabade radikaalide tootmise eest, mis on võimelised oksüdatiivse stressi tingimustes raku koostisosi oksüdeerima, (b )oksüdeeritud ja eriti üleoksüdeeritud rakukomponendid moodustavad põhiosa lipofustsiini, mis sellistel tingimustel moodustub ja akumuleerub rakkudes, c) rakusisese labiilse raua vähenemine rauda kelaativate ainete toimel takistab rakukomponentide oksüdeerumist ja d) meie dieet ja eriti Vahemere tüüpi dieet sisaldab hulgaliselt ühendeid, mis on võimelised moduleerima rakusisest raua jaotumist.

Arvestades ülaltoodud kaalutlusi koos, on mõistlik eeldada, et määratud omadustega bioaktiivsete toiteühendite tuvastamine võib võimaldada nende kasutamist farmakoloogiliste vahenditena konkreetsete kaitsemeetmete jaoks rakkudes, kudedes ja tervetes organismides suurenenud oksüdatiivse stressi tingimustes. See ettepanek võib avada uued teed strateegiate väljatöötamiseks, mille eesmärk on aeglustada vanusega seotud haiguste ilmnemist ja arengut.

See artikkel on välja võetud ajakirjast Antioxidants 2021, 10, 491. https://doi.org/10.3390/antiox10030491 https://www.mdpi.com/journal/antioxidants