Quercetin zmírňuje neurotoxicitu způsobenou nanočásticemi oxidu železitého, část 2

Prosím kontaktujteoscar.xiao@wecistanche.comPro více informací

Železo u nemocí spojených s demencí Železo a Alzheimerova choroba

AD je progresivní mozková porucha, která pomalu ničí schopnosti učení, paměti a myšlení. Rizikovými faktory souvisejícími s AD jsou věk, pohlaví, genetická náchylnost, životní styl a několik patologických stavů, jako je diabetes a mrtvice, stejně jako akumulace železa v mozku [87, 88]. Senilní plaky obsahují agregáty extracelulárních amyloid-beta (A) oligomerů a neurofibrilární klubka (NFT) obsahují agregáty intracelulárních abnormálníchhyperfosforylovanýtau protein jsou dva běžné patologické znaky AD. Existuje vztah mezi akumulací železa apatologické znakyAD. Byly hlášeny abnormální hladiny železa v hipokampu a kortexu subjektů postižených AD75]. Studie in vivo ukazuje depozita železa doprovázená senilními plaky v mozku transgenního myšího modelu AD pomocí kvantitativního mapování susceptibility (QSM), nové techniky v MRI [89]. Časné plaky se tvořily paralelně s přetížením železem na myším modelu AD[90]. Fe plus uvnitř senilních plaků

může být převeden na reaktivnější formu železa, Fe2 plus, pomocí A [78]. Na druhou stranu,4-HNE vznikla z lipidůperoxidacepřímo reaguje s A a vytváří oxidační produkty, což vede k agregaci A [76]. Peptid A také přímo produkuje H, O v procesu závislém na redukci železa, což je proces, který zhoršuje oxidační stres a přetížení železem [91]. Železo může zvýšit expresi amyloidového prekurzorového proteinu (APP) ovlivněním místa IRE mRNA APP. Kromě toho se železo může vázat na A a zvyšovat agregaci A 92]. Vztah mezi ukládáním železa a fosforylací tau byl prokázán pomocí kortikálního zobrazení pomocí QSM a skenování tau pozitronovou emisní tomografií (tau-PET) u pacientů s AD [93]. Železo podporuje fosforylaci tau aktivací komplexu cyklin-dependentní kinázy (CDK5)/P25 aglykogensyntázová kináza-3 (GSK-3) k tvorbě NFT a snížení odtoku iontů železa[92]. Podle těchto vysvětlení lze dojít k závěru, že existuje pozitivní zpětná vazba mezi akumulací železa, oxidačním stresem, agregací A a hyperfosforylací tau. Výzkumníci by mohli snížit toxicitu plaků, zvýšit rozpustnost A a snížit tvorbu NFT odstraněním iontů železa pomocí chelátorů železa.

Kliknutím sem se dozvíte více

Železo a Parkinsonova nemoc

PD je další neurodegenerativní onemocnění charakterizované motorickými příznaky. K poklesu kognitivních funkcí obvykle dochází dvě desetiletí před diagnózou motorických příznaků. Včasná diagnostika se zvážením poklesu kognitivních funkcí tedy může částečně zabránit progresi PD [94]. PD vzniká v důsledku degeneracedopaminové neuronyzejména v části substantia nigra zvané pars compacta. Výrazně ztráta dopaminu

v pars compacta narušuje dobrovolné řízení motoru, zvyšuje celkový excitační pohon v bazalgangliaa způsobuje charakteristické příznaky PD. V rámci synapse může být dopamin štěpen a inaktivován dvěma enzymy včetně monoaminooxidázy (MAO) a katechol-O-methyltransferázy (COMT)[95]. Je známo, že aktivita MAO ovlivňuje hladiny železa u zvířat a lidí. Mezi hladinami volného železa a MAO v mozku existují složité interakce. Zdá se však, že zvýšený oxidační stres je spojnicí mezi MAO, hladinou železa a poškozením neuronů. H, O2 je normální produkt oxidace monoaminů přes MAO. H, O se může účastnit Fentonovy reakce a produkovat vysoce aktivní volné radikály. Ve stárnutí se zvyšuje hladina MAO a železa v mozku, což vede ke zvýšení složek Fentonovy reakce a poškození makromolekul [96]. Inhibice MAO nebo odstranění iontů Fe² chelátorem železa jsou tedy dva přístupy se stejným cílem u pacientů s PD současně, zvýšení hladin monoaminů, snížení složek Fentonovy reakce a následný oxidační stres.

Cistanche může zlepšit imunitu

Podobně jako AD může hyperfosforylovaný tau a pokles rozpustného tau způsobit přetížení neuronů železem prostřednictvím snížení exportu železa zprostředkovaného APP, což může být jednou z příčin dysfunkce paměti u PD [97]. Kromě toho bylo pozorováno ukládání železa ve strukturách podporujících kognitivní funkce, jako je hipokampus [85]. Důkazy shromážděné v letech 1988 až 2008 A Jon Stoessl et al. ukázaly abnormální ukládání železa, které je hlavně spolu s feritinem v neuronech substantia nigra, motoricky podmíněné oblasti pacientů s PD. Tyto údaje ukázaly, že koncentrace železa přímo souvisí se závažností onemocnění [98]. Lewyho tělíska a Lewyho neurity složené z abnormálních a-synukleinových filament jsou nejdůležitější neuropatologické charakteristiky PD [94]. Na molekulární úrovni existuje úzký vztah mezi a-synukleinovou agregací a akumulací železa. Fe3 plus z Fentonovy reakce přímo indukuje expresi a agregaci a-synukleinu. Nadměrná exprese hepcidinu, potenciálního regulátoru přenašečů železa, snižuje akumulaci železa v mozku a Fentonovu reakci, čímž se snižuje agregace a-synukleinu a produkce ROS ve vysoce rizikových oblastech mozku souvisejících s demencí a motorickými poruchami [99, 100]. Aplikace chelátorů železa, které zesilují expresi hepcidinu, tedy může inhibovat agregaci a-synukleinu.

Žehlení a mrtvice

Existují důkazy o přeslechů mezi určitými typy mrtvice, přetížením železem a dysfunkcí paměti [86, 101, 102]. Cévní mozková příhoda je jednou z hlavních příčin dysfunkce paměti a téměř u 30 procent pacientů s cévní mozkovou příhodou se demence rozvine do 1 roku od začátku mrtvice [103]. Ateroskleróza, diabetes, hypertenze, kouření, vysoký BMI a dyslipidémie jsou rizikové faktory pro ischemickou cévní mozkovou příhodu [104]. Na poraněních mozku vyvolaných ischemií se podílí několik mechanismů včetně zánětu, oxidačního stresu, zvýšené koncentrace intracelulárního vápníku, zvýšených excitačních aminokyselin a zvýšených hladin volného železa a feritinu [105]. Dysfunkce paměti po mrtvici může být také způsobena vaskulární demencí, patologií AD [103], přetížením železem a oxidačním stresem [86]. Tvorba edému přebytkem železa indukuje oxidační poškození buněk po hemoragické mrtvici [106]. U neuronů modelů ischemické cévní mozkové příhody byla popsána depozice železa doprovázená poklesem GSH a GPX a zvýšením peroxidace lipidů [83]. Kondo et al. zaznamenali ukládání železa v hippocampu, striatu a mozkové kůře u potkanů ​​s přechodnou ischemií předního mozku. Pozdní a časná peroxidace lipidů v důsledku ukládání železa po ischemii může být jednou z příčin smrti neuronálních buněk [107]. Stav nedostatku kyslíku způsobený ischemickou mrtvicí vede k většímu přílivu železa do mozku. Na druhé straně kyselé pH způsobené ischemickou mrtvicí vede k disociaci Fe3 z transferinu a jeho redukci na Fe2 plus, čímž dochází k absorpci NTBI. Neurony vychytávají NTBI a podléhají Fenton/Haber-Weissově reakci, která produkuje škodlivé reaktivní radikály a vede k peroxidaci lipidů a smrti neuronových buněk [55].

IONPs metabolismem indukovaná neurotoxicita

IONP se skládají z jádra z oxidu železa a ochranného povlaku [108, 109]. Oxidy železa mají několik chemických struktur, jako je magnetit (Fe, O)), maghemit y-Fe, O3), hematit (a-Fe,O:) a wustit (FeO)[108]. Mezi nimi jsou v nanomedicíně více používány Fe, Land Y-Fe, O [14]. Navzdory velké podobnosti mezi těmito dvěma oxidy železa je Fe, O magnetický a méně stabilní než y-Fe, O,[110]. Holé IONP se akumulovaly při vstupu do oběhu v důsledku hydrofobních interakcí mezi nimi. Akumulace IONP stimuluje imunitní systém, čímž mohou být IONP zničeny mechanismem závislým na opsonizaci.

Zdá se tedy, že ochranný povlak je nezbytný pro optimalizaci vlastností IONP včetně stability, biokompatibility, multifunkčnosti, optimální biodegradace, hydrofilních interakcí a rozpustnosti [109]. Pro nanomedicínu se obvykle používají dva typy IONP: superparamagnetické nanočástice oxidu železa (SPION) o průměru 50-100 nm a ultra-malé superparamagnetické nanočástice oxidu železa (USPION) o průměru do 50 nm [lll] . IONP mohou vstupovat do lidského těla mnoha způsoby podávání, včetně intravenózního (IV), intramuskulárního (IM), subkutánního, intratekálního, intratumorálního, perorálního a nazálního. Pro příjem IONP buňkami je navrženo několik mechanismů, jako je pasivní difúze, fagocytóza a typy endocytózy, ať už závislé nebo nezávislé na clathrinu a caveolae [112]. Cesta vstupu IONP do buňky závisí na jejich fyzikálně-chemických vlastnostech, jako je velikost, tvar, typ povlaku a funkční skupina těchto částic[113-115]. IONP mají velikost nanometrů a vysoký poměr povrchu k hmotnosti. Přestože jsou tyto vlastnosti výhodou, mohou způsobit větší reaktivitu a cytotoxicitu [116]. Bylo provedeno několik studií o možnosti toxicity IONPs v různých tkáních, zejména nervových buňkách. Přestože zlepšují poruchy paměti, jejich relativní role v neurodegeneraci a zhoršování poruch paměti byla poněkud diskutována. Cytotoxicita IONP závisí na fyzikálně-chemických vlastnostech včetně velikosti, tvaru, typu povlaku, povrchového náboje, doby expozice/koncentrace, funkčních skupin a také typu buňky ošetřené IONP [14, 117]. Kromě toho bylo hlášeno, že oxidační stav Fe iontů v jádru oxidu železa určuje cytotoxicitu IONP. Fe; O4 v důsledku vysoké potenciální oxidace prokázal větší genotoxicitu než y-Fe, O v epiteliální buňce lidských plic A549 [112]. Ačkoli důkazy z několika studií naznačují, že IONP obsahující Fe, O2core měl nižší toxicitu ve srovnání s y-Fe, O, kvůli jejich rychlému vylučování z těla [14,118]. Obecně platí, že hlavním zdrojem toxicity IONPs jsou ionty železa. uvolněné z jádra [119]. Tyto ionty železa spolu s dalšími vedlejšími produkty metabolismu IONPs mohou interferovat s homeostázou železa. Studie in vivo ukázaly, že hladiny jaterního feritinu se po léčbě IONPs zvýšily, což naznačuje, že IONP jsou degradovány a jejich metabolické produkty indukují změny v reakcích na železo [120, 121]. IONP procházejí BBB mechanismy internalizace nebo destrukcí membrán endoteliálních buněk [14]. Příjem železa vyplývající z metabolismu NPS závisí na hladinách exprese TfR na buněčném povrchu [122]. Bylo popsáno, že IONP procházejí přes BBB interakcí s TfR na abluminální membráně endoteliálních buněk. Bylo také popsáno narušení BBB a zvýšení ROS způsobené expozicí 10 ug/ml Fe-NP (10 a 30 nm) po dobu 24 hodin v umělých BBB [121]. V tomto ohledu Jain a kol. uvedli, že IV podání MNP (10 mg Fe/kg ve 100 μl fyziologického roztoku) v dřívějších časových bodech nezměnilo hladiny železa v mozku krys. Postupem času vede vazba uvolněného komplexu železo-transferin na TfR na BBB ke zvýšení obsahu železa v mozku, zejména týden po injekci MNP [122]. Úroveň exprese TfR na buňce je tedy dalším faktorem, který odlišuje vychytávání NP. Po internalizaci IONP v buňce jsou umístěny do kyselého prostředí lysozomu a metabolizovány, což vede k uvolnění volných iontů železa do cytosolu. Tato degradace začíná od povrchu NP a postupně pokračuje až k jejich jádru. Uvolněné ionty železa se mohou účastnit Fentonových/Haber-Weissových reakcí. Důsledky této události se projevují tvorbou časných a sekundárních oxidačních produktů, které by mohly poškodit buněčné složky, jako jsou nukleové kyseliny, proteiny, lipidy, mitochondrie[112, 123], a nakonec způsobit apoptózu[14,124]. Je tedy prokázáno, že CNS může být ovlivněn IONPs. Tyto stavy nějak souvisí s neurodegenerací [121]. Během neurodegenerativních onemocnění, kdy se BBB stává propustnou pro mnoho prvků, zejména NPS, může použití IONPs zhoršit onemocnění [14]. Existují důkazy o toxicitě NP u nemocí spojených s demencí, jako je AD, PD[121] a mrtvice|125|. Model AD in vitro ukazuje, že NP na bázi oxidu železa mohou zhoršit stav tvorbou komplexů s A [126]. Tyrosinkináza c-Abl hraje klíčovou roli při smrti neuronových buněk u PD. Aktivace c-Abl, zvýšený -synuklein, snížená buněčná proliferace, zvýšená ROS a mitochondriální permeabilita byla hlášena v neuronech po léčbě SPIONs Imam et al. [121]. Únik elektronů do cytosolu v důsledku mitochondriální permeability způsobuje podstatné snížení striatálních dopaminergních neuronů u potkanů ​​[121]. byly pozorovány u modelu mrtvice myší. Bylo také prokázáno, že USPIONs se mohou dostat do mozkového parenchymu a CSF křížením BBB, což bylo zjištěno detekcí USPIONs v meningeálních makrofázích a fagocytech v oblastech omývaných CSF [125].

Koncentrace železa v mozku není statická a je ovlivněna faktory, jako je věk, špatná strava obsahující železo, anémie z nedostatku železa a poruchy přetížení železem. Obsah železa v různých oblastech mozku se liší. Makro divizně bílá hmota má vyšší koncentraci železa. Lokálně divizně mají vyšší koncentraci železa globus pallidus, červené jádro, substantia nigra, caudate-putamen a dentate nucleus [l27]. Několik studií zkoumalo tkáňovou distribuci IONP v mozku. Existují také důkazy o toxicitě vyvolané potaženými IONP. Časté iv podávání ferumoxytolu (8 mg/kg) jako produktu náhrady železa po dobu 4 týdnů u potkanů ​​ukázalo, že IONP může vést k akumulaci železa v komorách. Změny koncentrace železa v průběhu času byly kvantifikovány technikou QSM. Pomocí analýzy oblastí zájmu (ROI) byly hlášeny mírné změny v obsahu železa ve striatu a corpus callosum, které mohou souviset s ukládáním železa v mozkovém parenchymu. Histopatologické vyšetření také ukázalo hemosiderózu choroidálního plexu a vakuolizaci středního mozku v mozkovém parenchymu [128].

Ve studii in vivo byly radioaktivně značené IONP potažené aminopropyltriethox-ysilanem (APTS) intranazálně instilovány potkanům Sprague Dawley v koncentraci 10 ug (v 10 ul). Byla měřena koncentrace IONPs v místních oblastech sedmý den expozice. Čichový bulbus, stria-tum, hippocampus, mozkový kmen, mozeček a frontální kortex vykazovaly nejvyšší koncentraci depozic IONP. Dokonce více než 50 procent IONP zůstává ve striatu a hippocampu o 14 dní později. Kromě toho se oxidační poškození zvyšuje ve stria-tu a hippocampu. Po in vivo studii byly zkoumány mechanismy toxicity indukované IONP v dopaminergních neuronových buňkách PC12. Inkubované buňky PC12 s IONP (100 a 200 mg/ml) vykazovaly významnou cytotoxicitu včetně zvýšených hladin MDA a snížení hladin GSH-PX a SOD. Exponované buňky PC12 také vykazovaly zvýšení fosforylace c-Jun, JNK a p53, které byly spojeny s oxidačním stresem a buněčnou smrtí [129]. Podle našich nejlepších znalostí neexistuje žádný určitý rozsah maximálních přípustných koncentrací IONP v různých oblastech mozku. To se u IONP liší a závisí na fyzikálně-chemických vlastnostech a standardizaci.

Povrchová úprava IONPs

Je dobře známo, že optimalizace fyzikálně-chemických parametrů IONP je vysoce účinná pro minimalizaci interakcí mezi těmito NP a buňkami, imunitní odpověď a toxicitu. Kdykoli se vyrábí nová nanočástice, jednou z prvních důležitých věcí, které je třeba zvážit, je její povrchová úprava. Povlak zachovává vnitřní jádro nanočástice a zabraňuje uvolňování nanočástic. Samotný nátěr by však neměl být toxický. Jedním ze způsobů, jak snížit toxicitu nanočástic, je jejich potažení. Potahování nanočástic, kromě toho, že je činí životaschopnými a snižuje jejich toxicitu, je také činí efektivnějšími [6]. V závislosti na typu a aplikaci nanočástic byly použity různé typy povlaků. Některé povlaky se používají k ochraně nanočástic před možnými změnami v gastrointestinálním traktu a některé se používají ke konjugaci materiálů na nanočástice. Povlaky nanočástic ovlivňují jejich absorpci a biodistribuci v těle a jsou dokonce účinné při autofagii nanočástic [14, 108, 117]. Jako většina nanočástic obsahují IONP jádro z oxidu železa a ochranný povlak. Povrchový povlak může optimalizovat funkci IONPs a jejich cytotoxické vlastnosti. Proto se povrchový povlak zdá být nezbytný pro optimalizaci vlastností IONP včetně stability, biokompatibility, multifunkčnosti, optimální biodegradace, hydrofilních interakcí a rozpustnosti [109]. Povrchový povlak by mohl souviset s fyzikálně-chemickými vlastnostmi IONP včetně interakcí s biologickými složkami, buněčným vychytáváním, osudem in vivo a toxicitou. Ovlivňuje také osud a biologické účinky IONP. Povlak poskytuje připojovací vrstvu k různým molekulárním ligandům, jako jsou chemické skupiny (např. karboxyl a hydroxyl) a biomolekuly (např. peptidy a polysacharidy), tzv. funkcionalizace [6]. Kvůli koloidní nestabilitě holých IONP bylo použito několik přírodních a syntetických povrchových povlaků, jako je chitosan, dextran, citrát, Pluronic, polyethylenglykol (PEG), poly(ethylenimin)(PEI), polyvinylalkohol (PVA), oxid křemičitý a zlato. použitý. PEG je nejoblíbenější povlakový polymer, protože zabraňuje agregaci a opsonizaci nanočástic. PEI se používá k přenosu DNA/siRNA. V našich studiích jsme použili dextran, hydrofobní přírodní polymerní sacharid s neutrálním nábojem [115, 130-134]. Ačkoli správný povlak může stabilizovat IONP, vyhnout se aglomeraci a zabránit rozpouštění a uvolňování toxických iontů, existují zprávy týkající se relativní toxicity povrchově potažených IONP. V tomto ohledu Kazemipour a kol. uvedli, že 100 mg/kg IONP potažených dextranem vyvolalo u potkanů ​​významné snížení hladiny GSH v játrech a aktivity CAT a významné zvýšení hladiny MDA v játrech [135]. Ve studii Feng a kol. ukázaly, že IONP potažené PEI způsobily závažnou cytotoxicitu prostřednictvím mnoha mechanismů, jako je produkce ROS a apoptóza. Zatímco PEGylované IONP vykazovaly mírně cytotoxický účinek pouze při vysokých koncentracích. Navíc IONP potažené PEI vykazovaly na dávce závislou letální toxicitu u myší BALB/c [136]. Výsledky studie in vitro ukázaly, že magnetické nanočástice potažené nejkratšími 0,75 kDa polyethylenoxidovými (PEO) konci způsobily cytotoxicitu a existovala inverzní korelace mezi délkou PEO koncového bloku s toxicitou [137]. Badman et al. zkoumali na dávce závislou neurotoxicitu dextranem potažených IONPs na kultivovaných primárních neuronech a ukázali, že koncentrace nad 20 ug/ml zvyšuje buněčnou ROS a vede k buněčné smrti [138]. Proto přítomnost silného chelátoru železa může zlepšit potenciální přínosy IONP s různým povlakem a zabránit jejich možné toxicitě.

Tento článek je převzat z Bardestani et al. J Nanobiotechnol (2021) 19:327 https://doi.org/10.1186/s12951-021-01059-0