Radioprotektivní látky, které zabraňují poškození buněk v důsledku ionizujícího záření

Kontakt:joanna.jia@wecistanche.com/ WhatsApp: 008618081934791

Tyler A. Smith1, Daniel R. Kirkpatrick2, Sean Smith2, Trevor K. Smith3, Tate Pearson4, Aparna Kailasam2, Kortney Z. Herrmann4, Johanna Schubertv2 a Devendra K. Agrawal2*

Lékařské zobrazování se stalo ústřední složkou moderní lékařské diagnostiky. Za posledních 10 let vedlo zvýšené využívání rentgenových vyšetření a počítačové tomografie (CT) k odpovídajícímu zvýšení expozice pacientůionizující radiacezvyšování povědomí veřejnosti o jeho škodlivých účincích. Navzdory výraznému poklesu radiační dávky spojené s jednotlivými skeny je zvýšené využití lékařského zobrazování hlavním přispěvatelem k radiační expozici a patologii spojené s radiací [1, 2]. Dlouhodobé studie přeživších atomových bomb v Japonsku z druhé světové války; tj. u pacientů s významnou radiační expozicí bylo zjištěno, že mají zvýšený výskyt jak leukémie, tak solidních rakovin [1]. Na základě lineárního bezprahového modelu může záření související se zobrazováním, i když je jistě méně dramatické než atomový výbuch, představovat významná rizika související s radiací. Je známo, že rizika spojená s radiační expozicí jsou výraznější u mladších pacientů. Tuto skutečnost dokládá zvýšená prevalence leukémie a solidních nádorů u dětí, které přežily atomovou bombu, ve srovnání s těmi, kteří podstoupili stejnou radiační zátěž ve vyšším věku [1]. Gilbert a kol. [2] prokázali na dávce závislý vztah mezi radiační expozicí a leukémií, rakovinou prsu, rakovinou štítné žlázy a dalšími solidními nádory. Ionizující záření má okamžité, měřitelné škodlivé účinky na buňky, včetně zvýšení reaktivních forem kyslíku (ROS), vytváření zlomů jednořetězcové DNA (SSB) a zlomů dvouřetězcové DNA (DSB).

cistancheumětprotizáření

Několik autorů navrhlo použití různých činidel k modulaci souvisejícího buněčného poškozeníradiační zátěž. Předpokládá se například, že antioxidanty nebo sloučeniny zvyšující hladinu glutathionu mohou být schopny snížit poškození DNA a teoreticky snížit karcinogenezi po ozáření [4, 5]. Ačkoli mnoho studií prokázalo potenciální přínosy pro různé látky, radioprotektivní sloučeniny nejsou rutinně podávány pacientům před nebo po lékařském zobrazení [6]. Cílem tohoto přehledu je shrnout a kriticky zhodnotit nedávno publikované poznatky v literatuře, které zkoumaly použití radioprotektivních látek, aby se zabránilo poškození buněk souvisejícím s zářením.

Ionizující radiaceje široce používán v lékařské diagnostice, terapii související s rakovinou a má další průmyslové aplikace [7]. Mezi známá rizika spojená s vystavením člověka ionizujícímu záření patří indukce buněčné smrti, genetické mutace a karcinogeneze [7]. Kromě přímých buněčných účinků může radiační expozice také poškodit buňky tvorbou reaktivních forem kyslíku (tj. peroxidu vodíku, lipidových hydroperoxidů, superoxidů, hydroxidů, hydridů a peroxynitritů). Reaktivní formy kyslíku (ROS) se tvoří, když je ionizující záření absorbováno malými molekulami, především vodou, obklopujícími buněčné bio-makromolekuly. Tyto ROS reagují s buněčným obsahem, včetně DNA a proteinů [7].

Buňka reaguje na zvýšené koncentrace volných radikálů tvorbou přirozených antioxidantů (včetně superoxiddismutázy, glutathionu, katalázy), které mohou minimalizovat nebo eliminovat poškození buněčných struktur vyvolané volnými radikály. Glutathionperoxidáza primárně katalyzuje přeměnu hydroxidových iontů na vodu. Superoxiddismutáza přeměňuje superoxidy na peroxid vodíku, který je následně katalázou přeměněn na kyslík a vodu. Superoxiddismutáza existuje v několika různých izoformách, z nichž každá je specializovaná na specifické oblasti buňky [8]. Při vystavení zvyšující se hladině ionizujícího záření buňka zvyšuje expresi antioxidačních enzymů [8]. Když však hladina ROS přemůže tuto buněčnou obranu, buňka utrpí poškození (v závislosti na dávce), které může vést ke karcinogenezi, teratogenezi, nekróze nebo apoptóze.

Jako jeden ze způsobů snížení bylo navrženo podávání radioprotektivních látekškodlivé účinky záření na buňky. Antioxidanty mají potenciál působit jako lapače volných radikálů, a tím snižovat některá poškození DNA způsobená ionizujícím zářením [4, 7, 9, 10]. Teoreticky by tento zásah umožnil buněčné obraně držet krok s volnými radikály generovanými radiační expozicí (za předpokladu, že intracelulární hladina antioxidantů je v době radiační expozice dostatečná). Radioprotektivní sloučeniny mohou potlačovat tvorbu volných radikálů, odstraňovat volné radikály, indukovat přirozenou produkci radioprotektorů (jako je superoxiddismutáza, glutathionperoxidáza a kataláza), zlepšovat opravu DNA, snižovat postradiační zánětlivou reakci nebo dokonce zpomalovat buněčné dělení, což poskytuje více času na buňky opravit nebo podstoupit apoptózu [10] (tabulka 1). Ačkoli se ukázalo, že radioprotektivní látky jsou účinné při snižování vedlejších účinků radiační terapie, v současné době neexistují žádná radioprotektivní činidla používaná v diagnostické radiologii.

Abychom shrnuli stávající kandidáty na klinické radioprotektory, provedli jsme přehled literatury pomocí vyhledávání Pubmed/MEDLINE s klíčovými frázemi včetně: „antioxidanty v lékařském zobrazování“, „antioxidanty v radioterapii“, „antioxidantzáření“, „radioprotektivní látky“, „radioprotektivní radioterapie“, „radioprotektivní lékařské zobrazování“ a „radioprotekce.“ Aby mohly být články zahrnuty, bylo vyžadováno, aby se jednalo o recenzované články primárního výzkumu publikované v posledních 10 letech, které zkoumaly jeden nebo více látek jako potenciálních radioprotektivních látek Tento článek představuje souhrn a kritickou analýzu vybraných článků zabývajících se radioprotekcí Kromě toho tento článek shrnuje klíčové poznatky relevantní pro následující klinickou otázku: lze radioprotektiva použít v diagnostickém zobrazování ke snížení poškození DNA?

Poznatky ze studií in vitro- In vitro: lidské lymfocyty

Převážná část literatury o radioprotektivních látkách pochází ze studia lidských lymfocytů in vitro před a po expozicizáření. Občas to zahrnuje odběr vzorků krve pacientům poté, co podstoupí klinické zobrazování. Obvykle tyto studie kvantifikují radiací indukované zlomy dvouřetězcové DNA (DSB) prostřednictvím -H2AX foci (H2AX). Například Brand a kol. [9] prokázali, že několik antioxidantů, pokud je podáno před vystavením lidské krve záření, může snížit výskyt DSB v lymfocytech. Důležité je, že N-acetyl cystein (NAC) a vitamín C snížily DSB o 43 a 25 procent, což bylo významně více než kterákoli jiná studovaná látka [9]. Je zajímavé, že navzdory tomu, že jednotlivá činidla se jevila slibně jako radioprotektiva, žádná z kombinací testovaných autory nevykazovala aditivní účinek, pokud bylo použito více látek společně [9]. Tato studie podporuje použití antioxidantů, zejména NAC a analog vitaminu C, k prevenci poškození DNA souvisejícího s radiací. Stejně jako Brand a spol. [9], Kuefner a kol. [11] provedli studii zkoumající účinky směsi antioxidantů (askorbát vápenatý, d-alfa-tokoferylsukcinát, karotenoidy, NAC, kyselina R- -lipoová, l-selenomethionin) na lidské lymfocyty in vitro. Kuefner a kol. [11] to provedli dvěma způsoby: nejprve byly lymfocyty in vitro ošetřeny antioxidanty a poté ozářeny. Za druhé, vzorky krve byly odebrány 15, 30, 60 minut, 2, 3, 5 hodin po požití pilulky obsahující studované antioxidanty, poté byly lymfocyty ozářeny. Zatímco podávání antioxidantů po ozáření nevedlo ke snížení DSB, předléčení antioxidanty způsobilo významné snížení DSB, s 23procentním snížením po 15 minutách a 58procentním snížením při podání 60 minut před ozářením [11]. Tato studie měla klinickou hodnotu, protože experimentální radiační expozice byla srovnatelná s expozicí získanou během CT vyšetření. V jiné studii byly NAC a vitamín C podávány bezprostředně před a poté, co byli pacienti vystaveni rentgenovému záření. Poté byla pacientovi odebrána krev a byly měřeny DSB v lymfocytech. Bylo zjištěno, že vitamín C i NAC snižují DSB, měřeno pomocí H2AX, ve srovnání s kontrolami [12]. V každé z těchto studií NAC významně snížil poškození DNA v lidských lymfocytech související s radiací.

Důležitá studie Reliene et al. [13] sledovali účinky NAC na lidských, myších a kvasinkových modelech. I když tato studie zjistila, že NAC redukovala ložiska H2AX (náhrada za DSB), také poznamenala, že přežití buněčných kolonií se u kvasinek a lidských lymfocytů nezměnilo. Jinými slovy, zatímco NAC snižuje poškození DNA, nemusí nutně zabránit apoptóze nebo nekróze. Toto zjištění může mít důležité potenciální důsledky: NAC může snížit výskyt poškození DNA, aniž by zasahoval do cílené smrti rakovinných nebo prekancerózních buněk [13]. Schopnost NAC snížit nebo se vyhnout poškození DNA bez ochrany buněk před apoptózou může zvýšit jeho klinickou hodnotu (ve srovnání s jinými antioxidanty).

Jiné studie se zaměřily konkrétně na vitamín C a jeho deriváty. Ve studii z roku 2014 Xiao et al. [3] vystavili lidské lymfocyty záření poté, co byly na 3 hodiny naneseny na plotny s různými koncentracemi jednoho ze dvou derivátů vitaminu C: 6-O-palmitoyl askorbátu (PlmtVC) nebo kyseliny l-askorbové (l-AA). Jako radioprotektivní činidlo PlmtVC překonalo l-AA, což ukazuje, že ne všechny deriváty vitaminu C jsou stejně účinné jako antioxidanty [3]. PlmtVC významně snížil peroxidaci lipidů a karbonylaci proteinů ve srovnání s kontrolami a zároveň zvýšil endogenní glutathion [3]. PlmtVC také významně snížil celkový počet DSB ve srovnání s kontrolami nebo l-AA [3]. Zatímco některé studie prokázaly, že vitamin C má radioochrannou aktivitu, jiné studie prokázaly, že vitamin C potencujepoškození způsobené zářením[14–16]. Tato dichotomie dělá z vitaminu C kontroverzní látku pro klinické použití jako radioprotektivum. Přestože vitamin C a NAC prokázaly slibné výsledky, bylo pomocí lidských lymfocytů in vitro studováno mnoho dalších látek. Alcaraz a kol. [17] provedli studii s cílem posoudit 10 různých antioxidačních sloučenin (kyselina karnosová, extrakt ze zeleného čaje, apigenin, diosmin, kyselina rosmarinová, kyselina l-askorbová, δ-tokoferol, rutin, amifostin, dimethylsulfoxid) jako kandidátů na radioprotektiva proti způsobenému poškození chromozomů ionizujícím zářením (s DSMO jako řídícím a vehikulem). Ve srovnání s ozářenými kontrolami všechny sloučeniny vykazovaly snížení poškození DNA, přičemž největší účinky byly pozorovány u kyseliny rosmarinové, kyseliny karnosové, δ-tokoferolu (vitamin E) a apigeninu [17]. Mezi méně účinné látky patřila kyselina l-askorbová, amifostin, extrakt ze zeleného čaje, rutin a diosmin [17]. Stejný vzorec byl také pozorován z hlediska velikosti radiační ochrany poskytované těmito látkami [17].

Arivalagan a kol. [18] zkoumali karvakrol (CVC) jako potenciální radioprotektivní činidlo kvůli jeho bezpečnosti při konzumaci (je to běžná potravinářská přísada), protizánětlivým a antioxidačním vlastnostem. V této studii byly lymfocyty odebrány zdravým jedincům a poté ošetřeny DMSO nebo CVC před ozařováním. Není divu, jakozářenídávka zvýšila přežití buněk v kontrolních skupinách se snížilo a poškození DNA se zvýšilo [18]. Lymfocyty předem ošetřené CVC zaznamenaly statisticky významný nárůst letální dávky záření, které mohly tolerovat ve srovnání s kontrolami. Lymfocyty ošetřené CVC také vykázaly významné snížení poškození DNA, jakož i snížení peroxidace lipidů a apoptózy [18]. Zdá se, že CVC snižuje poškození volnými radikály dvěma způsoby: jako antioxidant a jako lapač volných radikálů [18]. CVC je slibné jako radioprotektivní činidlo s několika vedlejšími účinky nebo toxicitou.

Fenolické glykosidy, které se přirozeně vyskytují v rostlinách, mají také antioxidační vlastnosti [19]. Materska a kol. [19] zkoumali několik fenolických glykosidů: sinapoyl-E-glukosid (sEg), kvercetin-3-O-rhamnosid-7-O-glukosid (q3Or7Og), kvercetin-3-O-rhamnosid ( q3Or) a luteolin-7-O-(2-apiosyl)-glukosid (17O2ag). Autoři použili lidské lymfocyty získané od zdravých lidských dárců a poté je před ozářením rentgenovým zářením vystavili jednomu z fenolických glykosidů. Výzkumníci zjistili, že q3Or vykazoval nejvyšší radioprotektivní účinek, s 50procentním snížením poškození DNA ve srovnání s kontrolami. Důležité je, že v této studii tyto látky nevykazovaly žádné toxické účinky proti lidským lymfocytům [19]. Fenolické glykosidy mají také vynikající antiradikálové účinky [19]. V této studii sloučeniny s větší schopností pohlcovat superoxidové radikály také prokázaly lepší radioprotektivní účinky [19]. Radioprotektivní účinky jiných fenolových glykosidů včetně kyseliny chininové a chlorogenové byly také studovány na lidských lymfocytech in vitro. V jedné studii byly lymfocyty vystaveny různým dávkámRentgenové zářenía ošetřeny různými koncentracemi buď kyseliny chinové, kyseliny chlorogenové nebo falešné kontroly. Tato studie zjistila, že lymfocyty předem ošetřené jak kyselinou chinovou, tak kyselinou chlorogenovou před ozářením měly signifikantní snížení poškození DNA měřeno indexem genetického poškození [20]. V případě kyseliny chlorogenové však nedošlo k žádným významným změnám indexu genetického poškození v nižším rozmezí dávek rentgenového záření [20]. Kyselina chinová také snížila procento buněk poškozených zářením [20]. Kvantitativně byla velikost ochrany (na základě indexu genetického poškození) vypočtena na 5,99–53,57 procent pro kyselinu chinovou a 4,49–48,15 procent pro kyselinu chlorogenovou [20]. Radioprotektivní účinnost kyseliny chinové a kyseliny chlorogenové se zdá být srovnatelná s jinými fenolickými fytochemikáliemi, jako je kurkumin, kyselina kávová, hesperidin, vanilka a resveratrol [20]. Pozorované účinky kyseliny chininové i kyseliny chlorogenové mohou souviset s vicinálními hydroxylovými skupinami na aromatickém zbytku, který může mít antimutagenní, antikarcinogenní a antioxidační účinky in vitro [20].

Kyselina skořicová je fenolická látka získaná ze skořicového oleje a bylo prokázáno, že má antioxidační vlastnosti. Cinkilic a kol. [21] zkoumali radioprotektivní účinky kyseliny skořicové proti genomové nestabilitě v lidských lymfocytech vyvolané rentgenovým zářením. Zjistili, že lymfocyty ošetřené kyselinou skořicovou měly signifikantní pokles DNA DSB (v rozmezí od 16 do 55 procent snížení) ve srovnání s kontrolami [21]. Předběžná léčba kyselinou skořicovou také snížila celkové genetické poškození [21]. Samotná kyselina skořicová nezvyšovala DSB ani jiné poškození DNA, což naznačuje, že není genotoxická [21]. Autoři zjistili, že kyselina skořicová snižuje poškození DNA vyvolané ozářením rentgenovými paprsky tím, že snižuje intracelulární hladinu ROS prostřednictvím svých vlastností pohlcujících volné radikály [21]. Fenolické glykosidy jako skupina zahrnují mnoho látek, které vykazují potenciál pro sníženípoškození DNA spojené s radiací.