Důsledky dietních bioaktivních sloučenin chelatujících železo v molekulárních mechanismech stárnutí buněk indukovaného oxidačním stresem, část 2

Prosím kontaktujteoscar.xiao@wecistanche.comPro více informací

3.2. Buněčné stárnutí

Stárnutí buněk je jedním z běžných markerů stárnutí organismu. Nejvýraznější charakteristikou tohoto základního buněčného procesu je trvalé zastavení buněčného cyklu, které je doprovázeno intracelulární akumulací poškozených makromolekul, stejně jako sekrečním fenotypem a změněným metabolismem [55,56]. V savčích buňkách byly rozpoznány dva typy buněčného stárnutí; ty jsou označovány jako „replikativní stárnutí“ a „stresem indukované stárnutí buněk“[56]. První obvykle nastává po určitém počtu dělení v různých typech buněk. Byl popsán před několika desetiletími u kultivovaných lidských fibroblastů [57]. Tento jev byl později přisuzován opotřebení telomer, postupnému zkracování lineárních konců chromozomů při každé replikaci DNA [58]. Na druhou stranu stresem vyvolané stárnutí buněk je do značné míry nezávislé na délce telomer a představuje akutní reakci na četné stresory včetně oxidačního stresu, genotoxického stresu, mitochondriální deteriorace, hypoxie, nedostatku živin a aberantní aktivace onkogenů |56,{ {8}}. Je zajímavé, že oxidační stres je společným jmenovatelem všech těchto případů, protože se může podílet na všech výše zmíněných stresových signálech [62-65].

Stárnutí buněk je nepochybně spojeno se stárnutím organismu [55,56].výhody cynomorium,Senescentní buňky však nejsou detekovány výhradně ve stárnoucích tkáních; mohou být detekovány v jakékoli životní fázi a mohou hrát prospěšnou roli v širokém spektru lidských fyziologických a patologických procesů včetně embryogeneze, hojení ran a suprese tumoru [56,61]. Stálá akumulace senescentních buněk s věkem má však škodlivé účinky a je spojována s nemocemi a morbiditou souvisejícími se stárnutím [56,59,66-69].

Kliknutím sem se dozvíte více

Pokud jde o jejich morfologii, senescentní buňky vykazují běžné znaky včetně zvětšených, zploštělých a nepravidelně tvarovaných buněčných těl; změněné složení plazmatické membrány; ztráta jaderné kondenzace; a zvýšený lysozomální obsah beta-galaktosidázy spojené se stárnutím (SA- -gal)J70,71]. Vykazují také dramatické změny v jejich sekrečním profilu, vykazují zvýšenou expresi a sekreci prozánětlivých cytokinů a chemokinů, růstových faktorů, složek extracelulární matrix (matrix metaloproteinázy, serinové proteázy) a ROS [59]. Všechny tyto změny jsou také doprovázeny progresivní intracelulární akumulací biologického nedegradovatelného „odpadního materiálu“, který se běžně nazývá „lipofuscin“ nebo „ceroid“ nebo dokonce „stářící pigment“[72-74].

Následující části popisují mechanické aspekty tvorby lipofuscinu a navrhují možné způsoby, jak zabránit nebo zabránit jeho akumulaci.

3.3. Tvorba a akumulace lipofuscinu v senescentních buňkách

Pigment je dnes známý jako "lipofuscin" byl objeven a popsán v roce 1842 holandským histologem Hannoverem [75]. Termín lipofuscin zpočátku používal Borst ve svých přednáškách, ale poprvé jej publikoval Hueck v roce 1912 [76,77]. Název byl odvozen z řeckého slova lipo (což znamená tuk) a latinského slova fuscus (což znamená tmavý nebo tmavý). Tvorba a akumulace lipofuscinu jsou charakteristické změny s univerzální manifestací v senescentních buňkách[78-80] a jsou hlubší v postmitotických buňkách s dlouhou životností, jako jsou neurony, kardiomyocyty, buňky kosterního svalstva a buňky pigmentového epitelu sítnice (RPE) [ 74,81]. Tyto buňky žijí normálně ještě dlouhou dobu po ukončení své proliferace, ale akumulují postupně rostoucí množství lipofuscinu, který nemůže být degradován nebo exocytózován.

Cistanche může proti stárnutí

Použitím různých technik k detekci senescentních buněk bylo pozorováno, že rychlost akumulace lipofuscinu v podobných typech postmitotických buněk různých organismů je nepřímo úměrná jejich délce života [82]. Zejména rychlost byla rychlá u krátkověkých druhů a pomalá u dlouhověkých, což naznačuje, že akumulace lipofuscinu má s největší pravděpodobností škodlivé účinky na buněčné funkce a je spojena se zkrácením délky života organismu [80,83,84]. . Navzdory významnému významu této korelace zůstávají přesné biochemické mechanismy, které jsou základem akumulace lipofuscinu, stejně jako jeho dopad na buněčné funkce, špatně pochopeny.

Lipofuscin byl nalezen hlavně v lysozomech, ale také v menším množství v cytosolu starých buněk [85,86]. Vykazuje široké spektrum autofluorescence se žlutohnědou barvou [80,87], ale jeho struktura a složení zůstávají špatně definované. Ačkoli se jeho složení u různých typů buněk liší, ukázalo se, že se skládá hlavně z oxidovaných proteinů a lipidů (jako jsou triglyceridy, volné mastné kyseliny, cholesterol a lipoproteiny) a malého počtu sacharidů a fragmentů nukleotidů spojených navzájem kovalentní vazby různých typů [84].pouštní hyacintPřichycení železa na jeho povrchu také představuje společnou charakteristiku lipofuscinu [88,89].

Ačkoli konečné účinky akumulace lipofuscinu na buněčné funkce zůstávají nejasné, ukázalo se, že může inhibovat aktivity jak proteasomálních, tak lysozomálních systémů degradace proteinů. Kromě toho existují experimentální důkazy ukazující, že může katalyzovat další tvorbu reaktivních volných radikálů prostřednictvím redoxně aktivních iontů železa (labilní železo) připojených k jeho povrchu [89].

3.4. Lipofuscin jako přeoxidovaný materiál v buňkách vystavených oxidačnímu stresu

Vzhledem k tomu, že lipofuscin obsahuje vysoce oxidovaný agregát složený převážně z kovalentně zesítěných proteinů a lipidů |90], je rozumné předpokládat, že labilní železo – je schopno katalyzovat tvorbu extrémně reaktivních volných radikálů – je zapojeno do cest jeho tvorby. [91]. Důkazy získané převážně z experimentálních systémů ukázaly, že vystavení buněk zvýšeným úrovním oxidačního stresu vždy vede k rozvoji silného senescentního fenotypu napříč různými typy buněk, s paralelním urychlením intracelulární tvorby a akumulace materiálů podobných lipofuscinu. [87,89,92,93]. Jednotlivé postupné kroky vedoucí k tvorbě lipofuscinu jsou znázorněny na obrázku 2.

Jak bylo diskutováno výše, přítomnost labilního železa je nutná pro tvorbu vysoce reaktivních ROS (stupeň HO a RO*), které jsou zodpovědné za oxidaci a nadměrnou oxidaci buněčných makromolekul (obrázek 2A, B). Kromě toho mohou oxidativně modifikované makromolekuly inhibovat degradaci proteinů a systémy opravy buněk, čímž usnadňují marné cykly zvyšující se rychlosti oxidace (obrázek 2C). Postupná akumulace přeoxidovaných, nedegradovatelných buněčných složek do buněk vede k tvorbě lipofuscinu (obrázek 2D), o kterém se předpokládá, že přispívá k procesu stárnutí buněk (obrázek 2E).

Obrázek 2. Schematické znázornění sekvenčních kroků, které vedou k tvorbě lipofuscinu a přispívají ke stárnutí buněk. Všimněte si, že Fe2 plus je vyžadován pro tvorbu vysoce reaktivních ROS (HO a RO), které jsou zodpovědné za oxidaci a přeoxidaci buněčných makromolekul (A, B). Nadměrně oxidované makromolekuly mohou inhibovat buněčné opravné systémy (zejména proteazom 20S), a tak usnadňovat marné cykly progresivně se zvyšujících rychlostí oxidace (C). Oxidačně modifikované, nedegradovatelné buněčné složky se postupně akumulují v buňkách jako kovalentně propojené agregáty ve formě lipofuscinu(D), což je skutečnost, která je navrhována pro ovlivnění procesu stárnutí buněk (E). Šipky a ploché hroty označují indukci a inhibici procesů.Metoda extrakce flavonoidů pdfZajímavé je, že Marzabadi et al.[94] pozorovali, že akumulaci lipofuscinu v buňkách ochuzených o železo bylo zabráněno použitím léčiva desferrioxaminu chelatujícího železo, což ukazuje, že tvorba lipofuscinu vyžaduje vysoce reaktivní volné radikály, jako je stupeň HO a stupeň RO (obrázek 2). Je zřejmé, že tyto reaktivní radikály mohou iniciovat řetězové reakce, které vedou k produktům rozkladu peroxidace lipidů, které vyvolávají tvorbu nedegradovatelného, ​​nespecifického zesíťování buněčných složek.

Celkově vzato výše uvedené výsledky naznačují, že citlivá rovnováha mezi hladinou intracelulárního peroxidu a dostupným labilním železem určuje spouštění různých toxických účinků, které kulminují akumulací lipofuscinu, stejně jako indukci buněčné senescence a buněčné smrti buď apoptózou. nebo nekróza [29,95].

Indukce buněčného stárnutí pomocí peroxidů může být také dosaženo různými cestami. Například střední rychlosti H, O, buněk mohou přímo indukovat aktivaci specifických MAP kináz a transdukci signálů senescence, které spouštějí aktivaci osy p16INK4aINK4A a vedou k indukci stárnutí buněk [64,65,92 ,96]. Na druhou stranu vyšší koncentrace HO, jako je tomu v případě silně zanícených oblastí, které přitahují aktivované fagocyty, mohou indukovat přímou železem katalyzovanou oxidaci na DNA, která následně spouští signální dráhy senescence. V obou případech představuje zjevné důsledky paralelní tvorba a akumulace oxidativně modifikovaných buněčných makromolekul. Je však třeba poznamenat, že otázka, zda akumulace lipofuscinu představuje kauzální faktor buněčného stárnutí nebo je jeho důsledkem, zůstává ústřední, ale neuzavřenou otázkou.

3.5. Intracelulární homeostáza železa a tvorba lipofuscinu

Jak bylo uvedeno výše, železo je nezbytným prvkem pro živé buňky a organismy, protože se účastní různých biochemických reakcí, které podporují základní funkce, jako je transport kyslíku, buněčné dýchání a syntéza a oprava DNA. Železo se však také může podílet na reakcích, které vedou ke vzniku škodlivých volných radikálů, známých jako reakce Fentonova typu. Aby se minimalizovala toxicita železa, savci vyvinuli sofistikované mechanismy, které regulují jeho dostupnost35,37I. Navzdory tomu je vždy přítomna malá a jemně upravená část redox-aktivního železa obvykle označovaného jako „labilní železo“, pravděpodobně představující skutečný pohyb železa mezi různými buněčnými kompartmenty [6,38]. Labilní železo tedy představuje dynamický buněčný parametr, který může reagovat na různé podněty změnou své hladiny, s cílem vyvážit prevenci poškození buněk a zaručené buněčné požadavky.

V podmínkách dočasně zvýšených koncentrací peroxidů (konvenčně nazývaných oxidační stres) může labilní železo zprostředkovávat následující děje: (a) iniciaci a šíření řetězových reakcí peroxidace lipidů, (b) oxidaci a síťování proteinů, (c) indukce poškození DNA, jako jsou jedno a dvouvláknové zlomy, a (d) spouštění různých komplexních redoxních signálních drah [10,29,43]. Všechny tyto železem katalyzované účinky mohou vést k buněčné senescenci doprovázené tvorbou a akumulací lipofuscinu.

Zde stojí za zdůraznění, že jsme již v řadě publikací prokázali prevenci poškození DNA a apoptózy vyvolané H2O2-v buňkách s vyčerpanými hladinami la-žlučového železa pomocí různých látek chelatujících železo [11 ,29,42,43,97]. V těchto výzkumech jsme použili experimentální systém založený na buněčné kultuře in vitro, ve kterém byly různé typy lidských buněk vystaveny oxidativnímu stresu ve formě H a O a poškození jaderné DNA bylo kvantitativně odhadnuto pomocí kometového testu, a citlivá metoda, která detekuje tvorbu jednořetězcových zlomů DNA v jednotlivých buňkách. Zajímavé je, že předinkubace buněk s řadou známých silných antioxidantů, jako je kyselina askorbová, o-tokoferol, Trolox, N-acetylcystein a kyselina o-lipoová před expozicí H, O, nenabízela žádnou ochranu [7 ]. Protože schopnost těchto činidel bojovat proti volným radikálům byla prokázána v četných studiích in vitro, byly výše uvedené negativní výsledky připisovány neschopnosti těchto činidel účinně vychytávat reaktivní volné radikály generované uvnitř buněk.

Důležitým parametrem železem katalyzovaného síťování může být usnadnění kovalentní vazby oxidovaných rozpustných buněčných složek na biologické membrány. Taková událost by měla bránit exocytóze materiálů připojených k membráně, což vede k jejich trvalé intracelulární akumulaci. Je rozumné spekulovat, že primárními cíli by v tomto případě měly být lysozomální membrány kvůli jejich blízkosti k místu tvorby lipofuscinu. Ve skutečnosti byl lipofuscin často detekován uvnitř buněk objatých segmenty lysozomální membrány [98].

Vzhledem k důležitosti dostupného labilního železa pro tvorbu a akumulaci lipofuscinu se zdá, že regulace jeho intracelulární homeostázy je z hlediska procesu stárnutí nanejvýš důležitá. Ocenění labilní dostupnosti železa jako klíčového faktoru, který určuje oxidaci a nadměrnou oxidaci buněčných složek a akumulaci lipofuscinu v buňkách, může otevřít cestu pro vývoj nových strategií, jejichž cílem je interferovat s biologickými hodinami a modulovat je. proces stárnutí.

3.6. Inaktivace opravných systémů příliš zoxidovanými buněčnými složkami

Buněčné strategie pro opravu různých oxidovaných buněčných složek se široce liší v závislosti na povaze konkrétních složek. Například oxidované nukleotidy DNA jsou odstraněny a nahrazeny normálními pomocí procesu zvaného „oprava vyříznutím nukleotidů, zatímco oxidované proteiny jsou degradovány na jednotlivé aminokyseliny, které pak mohou být znovu použity pro syntézu nových proteinů.

Existuje několik různých systémů degradace proteinů: v buňkách jsou lysozomální enzymy; v cytosolu jsou proteazomy a calpainy; v mitochondriální matrici jsou Lon proteázy (ATP-dependentní proteázy); a v mitochondriální membráně jsou proteázy triple-A [78,98-100]. Navíc kromě oxidativně modifikovaných proteinů mohou lysozomy také absorbovat a degradovat i silně poškozené organely, jako jsou mitochondrie nebo část cytoplazmy, v procesech zvaných chaperony zprostředkovaná autofagie, makroautofagie a mikroautofagie [82,101].

Navzdory skutečnosti, že většina oxidativně modifikovaných biomolekul a organel může být účinně opravena nebo degradována buňkami, bylo pozorováno, že některé z nich se s věkem hromadí, což naznačuje inherentní nedostatečnost mechanismů buněčného obratu.flavonoidyBylo prokázáno, že již oxidované buněčné složky mohou podléhat dalším oxidačním modifikacím, vedoucím k tvorbě produktů, se kterými si systémy buněčné degradace nejsou schopny poradit [34,84]. Hromadění takových nedegradovatelných konglomerátů může zase bránit funkčnosti degradačních systémů, a tím zhoršovat účinky a vést k začarovanému kruhu, jak je schematicky znázorněno na obrázku 2.

V případech zvýšeného a dlouhotrvajícího oxidačního stresu může opravná kapacita buněk obecně a zejména kapacita degradace proteinů dosáhnout úrovně nasycení, což vede k trvalé přítomnosti oxidovaných složek. Tato situace zvyšuje pravděpodobnost další oxidace již oxidovaných složek a vzniku dalších a hlubších oxidačních modifikací, včetně tvorby intra- a intermolekulárních kovalentních vazeb. Celková komplexnost vytvořených chemických struktur přesahuje degradační schopnost buněčných proteolytických systémů (zejména proteazomu 20S), což vede k postupné akumulaci přeoxidovaných nedegradovatelných „odpadních“ materiálů uvnitř buněk, především do lysozomů [82,102].

Celkově vzato, akumulace přeoxidovaných materiálů uvnitř buněk zvyšuje pravděpodobnost další oxidace již zoxidovaných buněčných složek v průběhu času, a tak usnadňuje zahájení začarovaného kruhu oxidace, přeoxidace a akumulace; všechny tyto nakonec vedou k progresivnímu poškození buněčných funkcí, jak je patrné při stárnutí a senescenci.

3.7. Lysozomy jako hlavní místa tvorby lipofuscinu

V důsledku normální autofagické degradace je lysozomální kompartment mimořádně bohatý na labilní železo, protože mnoho autofagocytovaných makromolekul a organel obsahuje železo. Kombinovaná přítomnost redox-aktivního železa a nízké pH v lysozomech usnadňují tvorbu extrémně reaktivních radikálů z relativně nereaktivních peroxidů prostřednictvím Fentonovy reakce. Proto je tato organela extra citlivá na mírný oxidační stres, který buňky přirozeně zažívají během přechodné fluktuace intracelulárního H, O, ustáleného stavu. Generované HO·s okamžitě indukují řetězovou oxidaci lysozomálních složek, jako jsou proteiny a membránové lipidy, což vede k tvorbě materiálů podobných lipofuscinu, u kterých bylo skutečně prokázáno, že se akumulují v lysozomech.

V případech intenzivního a dlouhotrvajícího oxidačního stresu současná přítomnost H2O2 a labilního železa indukuje další oxidaci na vrcholu již zoxidovaných auto-fagocytovaných biomolekul, což vede k přeoxidovaným produktům, které jsou zesíťovány více kovalentními vazbami. .používá hesperidinTento materiál, kromě toho, že je odolný vůči degradaci, může inhibovat systémy buněčné reparace, jak bylo prokázáno u proteazomů [85,102]. Tento návrh je silně podpořen pozorováním, že kombinace oxidačního stresu s inhibicí lysozomálních proteáz oddálila degradaci autofagocytovaných makromolekul a poskytla více času na jejich oxidaci, čímž se dramaticky urychlila tvorba lipofuscinu v kultivovaných buňkách [7]. Lipofuscin samotný může pocházet z různých typů auto- nebo heterofagocytovaného materiálu. V mnoha buňkách, zejména ve vysoce aerobních, jako jsou srdeční myocyty a neurony, tvoří autofagocytované mitochondrie většinu intralysozomálního nedegradovatelného materiálu. Silný důkaz o mitochondriálním původu významné části lipofuscinového těla představuje pozorování, že v buňkách naplněných lipofuscinem jsou přítomny hojné podjednotky ATP syntázy [103]. Avšak v profesionálních scavengerových buňkách s aktivní fagocytózou, jako jsou makrofágy, mikrogliální buňky a buňky pigmentového epitelu sítnice, může být také odvozena podstatná část jejich obsahu lipofuscinu.

3.8. Detekce senescentních buněk

Rozpoznání senescentních buněk je kritickým problémem vzhledem k rostoucím důkazům o úloze stárnutí v lidských patologiích [56,104]. Navíc rychle se rozvíjející pole chemoterapeutik vyžaduje přesnou detekci senescentních buněk [105]. Různé markery detekující senzory buněčného stárnutí jsou uvedeny v tabulce 1. Nedávné poznatky naznačují implikaci stárnutí u COVID-19, což ospravedlňuje aplikaci chemoterapeutik k léčbě nebo prevenci pacientů s COVID-19 [106.

Akumulaci nově vytvořeného lipofuscinu lze detekovat a kvantifikovat pomocí elektronové, konfokální a fluorescenční mikroskopie a také průtokové cytometrie [108,109]. Navíc lze lipofuscin detekovat na základě jeho autofluorescence v kombinaci s řadou histochemických a cytochemických technik [68,87,110,111]. Konkrétně GL13, biotinylovaný chemický analog Sudan Black-B(SBB), který je komerčně dostupný jako "SenTraGorTM", interaguje s lipofuscinem a umožňuje přesnou identifikaci senescentních buněk in vitro a ex vivo aplikací detekční metody zprostředkované protilátkami [ 56,107,110]. Při použití tohoto testu je také dosažitelné kvantitativní stanovení hladin rozpustného nebo extrahovaného lipofuscinu v supernatantech buněčných kultur, tělesných tekutinách a tkáňových homogenátech [112]. Sekvence událostí vedoucích k akumulaci lipofuscinu během stárnutí a jeho interakce s lipofuscinem je schematicky znázorněna na obrázku 3A. Reprezentativní snímky Li-Fraumeni-p21WAF1/Cip1 Tet-OFF a ON (senescentních) buněk, obarvených SenlraGor, jsou uvedeny na obrázku 3B. Silný hnědý cytoplazmatický signál je patrný u senescentních buněk (pravý obrázek), zatímco žádné indukované buňky nejsou negativní (levý obrázek).

Vývoj teranostických aplikací založených na nanotechnologii by mohl umožnit přesné zaměření senescentních buněk [113-115]. Velkou výzvou zůstává mapování senescentních buněk in vivo. V tomto kontextu by nová sloučenina GL13 mohla být obohacena začleněním kvantových teček nebo jiných vhodných nano-nosičů a hydrofilního obalu k zapouzdření celého systému, což z GL13 činí slibného kandidáta pro molekulární zobrazování in vivo [114].

Obrázek 3. (A)SenTraGorTM specificky reaguje proti lipofuscinu, nedegradovatelnému vedlejšímu produktu buněčného stárnutí, což umožňuje přesnou identifikaci senescentních buněk in vitro a ex vivo použitím detekční metody zprostředkované protilátkou. (B) Barvení SenTraGor na Li-Fraumeni-p21WAF1/Cip1 Tet-OFF (levý obrázek) a ON buňkách (pravý obrázek); původní zvětšení:×200. 4. Dietní bioaktivní sloučeniny a oxidační stres

Četné epidemiologické studie provedené zejména během druhé poloviny minulého století uvedly do souvislosti tradiční středomořskou stravu (strava, která převládala na severním pobřeží Středozemního moře) s nižším výskytem některých chronických onemocnění a sníženým rizikem nemocnosti a úmrtnosti [{{0 }}]. Proto bylo vynaloženo intenzivní výzkumné úsilí k identifikaci středomořských dietních látek, které jsou schopny předcházet nebo zmírňovat škodlivé účinky oxidačního stresu a vymezit jejich molekulární způsob působení.

4.1. Bioaktivní sloučeniny ve stravě: Antioxidanty zachycující volné radikály nebo slabé chelátory železa?

Tradiční středomořská strava se vyznačuje vysokou spotřebou olivového oleje a rostlinných potravin, jako je ovoce, zelenina, nerafinované obiloviny a luštěniny; mírná konzumace ryb, mléčných výrobků a vína; a nízká spotřeba masných výrobků [119]. Jeho zdravotní přínosy byly často připisovány vysokému množství antioxidantů typu lapačů volných radikálů, které jsou z velké části přítomny v typických potravinách této diety. Obecně se předpokládalo, že tyto lapače volných radikálů mohou interagovat s volnými radikály a neutralizovat je, čímž bojují proti oxidaci v těle a následně oddalují nebo dokonce zabraňují výskytu různých chronických onemocnění, včetně procesu stárnutí [120-123].

Výsledky dosud provedených největších klinických studií suplementace antioxidanty však neprokázaly podstatnou ochranu proti rozvoji chronických onemocnění [124-137]. Kromě toho se objevily obavy ohledně bezpečnosti suplementace vysokými dávkami antioxidantů, protože v některých případech byly pozorovány souvislosti se zdravotními riziky [138,139]. Toto selhání lze vysvětlit skutečností, že volné radikály, jako je stupeň HO a stupeň RO, jsou extrémně reaktivní, okamžitě a nespecificky napadají a oxidují každou chemickou skupinu přítomnou v blízkosti jejich vzniku[140]. Když jsou tedy vytvářeny uvnitř buněk, je prakticky nemožné, aby je jakýkoli externě odvozený lapač volných radikálů neutralizoval. Zde je třeba zdůraznit, že jedinou šancí, jak ochránit buněčné složky před oxidací a poškozením za podmínek oxidačního stresu, je zabránit tvorbě takto vysoce reaktivních volných radikálů. Další možnou strategií, jak se za takových okolností vyhnout oxidaci kritických biologických makromolekul, jako je DNA a proteiny, by mohla být manipulace s umístěním jejich tvorby pomocí činidel chelatujících železo. Jak je diskutováno níže, strava obecně a středomořská strava zvláště obsahuje velké množství takových slabých chelátorů železa (obrázek 4), které, pokud jsou schopny projít buněčnou membránou, mohou oddělit slabě vázané labilní železo od důležitých makromolekul, tím je chrání před nežádoucí oxidací bez ohledu na to, zda inhibují Fentonovu reakci či nikoliv

Obrázek 4. Schematické znázornění ukazuje, že potraviny rostlinného původu středomořské stravy obsahují rostoucí množství sloučenin vázajících železo schopných chelatovat intracelulární labilní železo a zabránit tvorbě vysoce reaktivních volných radikálů, které jsou zodpovědné za neregulovanou oxidaci buněčných složek. Typické potraviny středomořské stravy obsahují četné sloučeniny, včetně fenolických alkoholů, fenolových kyselin a flavonoidů, o kterých bylo opakovaně navrhováno, aby působily jako antioxidanty zachycující volné radikály. Naše výzkumná skupina zkoumala řadu takových sloučenin a pozorovali jsme silný vztah mezi ochrannou kapacitou každé sloučeniny a její schopností chelatovat intracelulární labilní železo, ale ne s jejich schopností vychytávat volné radikály in vitro [8,9, 12]. Další nezbytnou vlastností těchto sloučenin, které byly vyžadovány pro uplatnění jejich ochranné kapacity, byla jejich schopnost dosáhnout vnitřku buňky difúzí nebo jakýmkoli jiným druhem transportu přes plazmatickou membránu [11,42,141]. Na základě těchto pozorování jsme navrhli, že bioaktivní sloučeniny všudypřítomné ve středomořské stravě nabízejí své cytoprotektivní účinky tím, že oddělují intracelulární labilní železo od kritických buněčných složek, čímž snižují jejich nežádoucí oxidaci.

4.2. Zabraňují dietní chelatační látky železa tvorbě lipofuscinu?

Na základě výše uvedených úvah je důvodné spekulovat, že bioaktivní chelatační činidla železa přítomná ve středomořské stravě mohou představovat klíčové faktory, které jsou zodpovědné za prevenci tvorby lipofuscinu a následně i procesu stárnutí obecně. Pokud je nám známo, systematické úsilí směřující k experimentálnímu testování této důležité hypotézy dosud nebylo provedeno.

Typická středomořská strava obsahuje velké množství molekul chelatujících železo s různými chemickými strukturami a vlastnostmi. Například jsme rozsáhle studovali rostlinné extrakty obsahující četné polyfenoly a zjistili jsme, že fenolové sloučeniny s ortho-dihydroxylovou skupinou chrání před oxidačním stresem, zatímco ty, kterým chybí jeden hydroxyl nebo je umístěn v meta- nebo para-poloze, jsou zcela neúčinné. [8,10-12]. Tato pozorování vyvolala další otázku, zda jsou činidla chelatující železo obsažená v potravinách schopna proniknout několika bariérami, aby se dostala do nitra cílových buněk. V tomto případě mohou být konkrétní dietní činidla považována za "nepřímé antioxidanty", protože zabraňují tvorbě reaktivních volných radikálů spíše než je detoxikují po jejich intracelulární produkci.

V některých případech mohou být intracelulární labilní ionty železa neúplně koordinovány s činidly získanými ze stravy v důsledku jejich nízkého příjmu a značného zředění v těle, což umožňuje zapojení železa do redoxních reakcí. Nicméně stejná činidla mají obvykle dvojí funkci, protože mohou zahrnovat jak vlastnosti vázající železo, tak vlastnosti zachycující volné radikály ve stejné molekule. Chelatátory železa získané ze stravy mohou tedy fungovat dvojím způsobem: buď zmírňují poškození buněk způsobené oxidačním stresem odstraněním volně vázaného labilního železa z citlivých buněčných makromolekul a jeho úplnou inaktivací, nebo neúplnou koordinací železa, která vede k jeho odstranění z jeho původní poloha, ale umožňuje mu zůstat redoxně aktivní a schopný oxidovat odpovídající chelátory železa pocházející ze stravy.

5. Závěry

Jedním z nejvýznamnějších pojmů v oblasti stárnutí je dnes takzvaná "teorie stárnutí volných radikálů." Podle této teorie je stárnutí organismu způsobeno kumulativním oxidačním poškozením způsobeným vysoce reaktivními volnými radikály, které primárně vznikají jako důsledek aerobního metabolismu. Kontinuální generování takových extrémně reaktivních radikálů způsobuje postupnou tvorbu a akumulaci neopravitelných agregátů poškozených buněčných složek. Tento chemicky nedefinovaný materiál, který se skládá hlavně z proteinů a lipidů a který vykazuje žlutohnědou fluorescenci, je známý jako „lipofuscin“, ceroid nebo „stářící pigment“ a je považován za charakteristický znak buněčného stárnutí.

Lipofuscin se tvoří hlavně nekontrolovanými a nespecifickými oxidačními modifikacemi buněčných makromolekul. Buňky jsou vybaveny mnohostrannými obrannými systémy pro sledování a opravu oxidovaných makromolekul. Pokud však intenzivní oxidační stres přetrvává po delší dobu, vede vždy k tvorbě vysoce reaktivních volných radikálů a k nadměrné oxidaci již zoxidovaných materiálů, čímž vznikají produkty, které nelze opravit, degradovat nebo dokonce exocytovat. příslušnými buněčnými systémy. Navíc bylo prokázáno, že příliš oxidované materiály mohou vyvolat postupnou inaktivaci systémů buněčné ochrany a reparace, a tak podněcovat marné cykly zvýšené rychlosti akumulace lipofuscinu.

Vzhledem k tomu, že při oxidačních procesech katalyzovaných železem (Fentonova reakce) mohou vznikat vysoce reaktivní volné radikály, představuje dostupnost labilního železa nezbytný předpoklad pro tvorbu a akumulaci lipofuscinu uvnitř buněk. Na základě těchto úvah je možné spekulovat, že jemná regulace buněčné homeostázy železa v obecné a labilní distribuci železa, zejména, může představovat dosud nedoceněný způsob zpomalení tvorby intracelulárního lipofuscinu a následného buněčného stárnutí (senescence). Již dříve jsme ukázali, že řada fytonutrientů chelatujících železo obsažených ve stravě středomořského typu je schopna proniknout biologickými membránami a dostat se do nitra buněk [8,9,11,12]. Tyto látky chelatují intracelulárně labilní železo (ne nutně s vysokou afinitou) a určují tak jeho distribuci a následně i místa oxidace vyvolané oxidačním stresem. Podle navrhovaného mechanismu musí fytochemikálie získané ze stravy kombinovat ve své struktuře následující vlastnosti, aby byly schopny chránit buňky v podmínkách oxidačního stresu: musí být schopny (a) pronikat buněčnými membránami; (b) chelatovat buněčné membrány. labilní železo; a (c) v případě interakce vázaného železa s peroxidy (neúplné obsazení jeho koordinačních míst) k zachycení vytvořeného reaktivního radikálu.

Shrneme-li závěry z výše uvedené prezentace, lze učinit následující tvrzení: (a) labilní železo představuje hlavní činidlo, které je odpovědné za produkci vysoce reaktivních volných radikálů, které jsou schopny oxidovat buněčné složky v podmínkách oxidačního stresu, (b )oxidované a zvláště přeoxidované buněčné složky obsahují hlavní část lipofuscinu, který se za těchto podmínek tvoří a akumuluje uvnitř buněk, (c) vyčerpání intracelulárního labilního železa činidly chelatujícími železo zabraňuje oxidaci buněčných složek a( d) naše strava a zejména strava středomořského typu obsahuje velké množství sloučenin, které jsou schopny modulovat intracelulární distribuci železa.

Vezmeme-li v úvahu výše uvedené úvahy společně, je rozumné očekávat, že identifikace bioaktivních nutričních sloučenin s přiřazenými vlastnostmi může umožnit jejich použití jako farmakologických nástrojů pro konkrétní ochranné účinky v podmínkách zvýšeného oxidačního stresu v buňkách, tkáních a celých organismech. Tento návrh by mohl otevřít nové cesty pro rozvoj strategií zaměřených na zpomalení výskytu a rozvoje nemocí souvisejících s věkem.

Tento článek je extrahován z Antioxidants 2021, 10, 491. https://doi.org/10.3390/antiox10030491 https://www.mdpi.com/journal/antioxidants