АНТИОКСИДАНТИ ЗНИЖАЮТЬ НАСЛІДКИ РАДІАЦІЙНОГО ВПЛИВУ

Анотація

Антиоксиданти вивчали на предмет здатності зменшувати цитотоксичну дію радіації в нормальних тканинах принаймні протягом 50 років. Ранні дослідження визначили сірковмісні антиоксиданти як такі, що мають найбільш сприятливе терапевтичне співвідношення, хоча ці сполуки мають значну токсичність при введенні in vivo. Інші антиоксидантні молекули (малі молекули та ферментативні) вивчались щодо їх здатності запобігати радіаційній токсичності як щодо зменшення радіаційної цитотоксичності, так і для зменшення непрямих радіаційних ефектів, включаючи довгострокові окислювальні пошкодження. Нарешті, категорії захисників від випромінювання, які в основному не є антиоксидантами, включаючи ті, що діють за рахунок прискорення проліферації клітин (наприклад, фактори росту), запобігання апоптозу, інших клітинних сигнальних ефектів (наприклад, модифікатори сигналів цитокінів) або посилення відновлення ДНК - все це має прямий або непрямий вплив на клітинно-відновний стан та рівень ендогенних антиоксидантів. У цьому огляді ми обговорюємо, що відомо про радіозахисні властивості антиоксидантів, і що ці властивості говорять нам про ДНК та інші клітинні мішені випромінювання.

1. ВСТУП

Існує багато видів радіаційного ураження нормальних тканин. Види пошкодження залежать від опромінюваних клітин та органів, дози та потужності дози опромінення та часу після опромінення, що оцінюється на радіаційний ефект. Багато видів пошкоджень, що спостерігаються після опромінення, можуть бути покращені антиоксидантами. Цей огляд викладе низку токсикологічних процесів, пов’язаних із радіацією, та обговорить роль, яку можуть відігравати антиоксиданти у впливі на ці процеси з точки зору ймовірних клітинних типів або компартментів, в яких використовується антиоксидант. Роль, яку різні комбінації антиоксидантів можуть зіграти у запобіганні кожному з цих окремих ефектів, також буде вивчена.

2. КЛІТИНОВІ КОМПОНЕНТИ

Вплив клітини на іонізуюче випромінювання призводить до утворення вільних радикалів всередині клітини, що призводить до пошкодження клітинних компонентів. Тут ми наведемо кілька прикладів того, як антиоксиданти зменшують або запобігають шкідливу дію радіації на три чутливі мішені в клітині, ядро, клітинні мембрани та мітохондрії.

2.1. Ядро

2.1.1. Негайні ефекти антиоксидантів

Як і синтетичні антиоксиданти (наприклад, аміфостин, каптоприл та NAC), антиоксиданти, отримані з природних джерел, також виявляють модифікуючий дозу вплив на пошкодження ДНК та виживання клітин, коли вони присутні на момент опромінення. Цей негайний захист опосередковується знищенням радикалів. Наприклад, існує ряд антиоксидантів, включаючи кофеїн, мелатонін, флавоноїди, поліфеноли та інші фітохімікати (наприклад, албана), які, як показано, зменшують радіаційне пошкодження як плазмідної, так і клітинної ДНК за рахунок вилучення кисневих радикалів та/або пероксиди. 7 - 12

2.1.2. Хронічний радіопротекторний ефект антиоксидантами

2.2. Мембрани

Відомо, що активна форма вітаміну Е в мембранах підтримується завдяки реакціям з аскорбіновою кислотою. Без цього регенеративного механізму активна форма вітаміну Е швидко вичерпується в мембранах. Отже, оптимальними властивостями антиоксидантів, призначених для захисту клітинних мембран, є: 1) здатність знешкоджувати ліпідні радикали та реагувати з перекисами ліпідів у мембранах у концентраціях, які не змінюватимуть структуру або властивості мембрани; 2) забезпечуватиме максимальну взаємодія сполуки з цитозольредукуючими агентами (аскорбінова кислота або GSH) для регенерації антиоксиданту. Ця стратегія також вимагає використання багаторазової антиоксидантної терапії, наприклад, поєднання вітаміну Е та вітаміну С, які забезпечують як ефективний захист мембран, так і підвищений радіорезистентність у клітинах. 30, 31

2.3. Мітохондрії

Таблиця 1

Характерні відмінності між ДНК в ядрі та мітохондріях.

ПараметрNucleusMitochondriaAdvantage

Розмір цілі	Менше 30000 генів	37 генів	Мітохондрії
Співвідношення ДНК/ген	Високий	Низький	Ядро
Напруга кисню	Нормоксичний	Потенційно гіпоксичний	Мітохондрії
Ремонтна потужність	> 99,9% SSB і 98% DSB відремонтовано	Низький ремонт	Ядро
Генні копії	Одна копія на клітинку	Велика кількість повторюється на клітинку	Мітохондрії
Радикальні рівні	Малорадикальний навколишнє середовище	Високорадикальний навколишнє середовище	Ядро
Антиоксидантний рівень	Помірний антиоксидант навколишнє середовище	Високий антиоксидант навколишнє середовище	Мітохондрії

ДНК в ядрі та мітохондріях мають різні окислювальні середовища та механізми відновлення окисних пошкоджень. Це призводить до різних тимчасових та функціональних реакцій на пошкодження ДНК після опромінення. ДНК мітохондрій має перевагу у випадку випромінювання завдяки своїй малій масі, великій кількості повторностей та високій від природи антиоксидантній здатності. Ядерна ДНК має потужний набір ферментативно опосередкованих шляхів відновлення ДНК; мітохондріальна ДНК натомість більше покладається на наявність антиоксидантів. Через нижчий ступінь відновної здатності та вірність прямого пошкодження мітохондріальної ДНК, постійне випромінювання з низькою дозою та дуже пізні прояви радіаційного ураження можуть бути відносним недоліком для мітохондріальної ДНК порівняно з ядерною ДНК. Після терапевтичного опромінення або іншого впливу високої дози або високої дози рання цитотоксичність, ймовірно, не зумовлена пошкодженням ДНК мітохондрій. Немає комплексних досліджень пізньої радіаційної токсичності для мітохондрій, тому ступінь впливу цієї органели на певні сценарії випромінювання через місяці чи роки після впливу залишається невідомою.

Наслідком генерування енергії мітохондрій (синтез АТФ) є виділення тепла (ентропія) та вироблення АФК. Мітохондрії мають властиву антиоксидантну здатність (наприклад, взаємодія між GSH, GPx, глутатіонредуктазою [GRd] та MnSOD) для протидії більшій частині АФК. Стресори, такі як іонізуюче випромінювання, пошкоджують функцію мітохондрій, що, ймовірно, призводить до додаткового вироблення АФК, що може перекрити антиоксидантну здатність органели. Нескопійовані АФК можуть призвести до подальшого пошкодження мітохондріальних компонентів, включаючи мітохондріальну ДНК, що призведе до додаткових пошкоджень мітохондрій та утворення АФК. Забезпечення додаткової антиоксидантної здатності до мітохондрій, або через поглинання додаткових антиоксидантних засобів, таких як вітамін Е, або за рахунок підвищення рівня GSH та мітохондріальних антиоксидантних ферментів, може забезпечити необхідний антиоксидантний буфер для знешкодження додаткових АФК, що утворюються в результаті впливу радіації, а отже мінімізувати пошкодження мітохондрій та їх ДНК.

Антиоксидант, мелатонін, особливо ефективний при захисті мітохондрій, збільшуючи ефективність окисного фосфорилювання, зменшуючи тим самим витік електронів з електронно-транспортного ланцюга. 8 Зменшення витоку електронів зменшує утворення АФК з цих електронів і, отже, пошкодження мітохондрій. Крім того, мелатонін індукує рівні антиоксидантних ферментів, таких як GPx, і, що більш важливо, також підвищує рівень GSH в клітині. Цей останній ефект може знизити рівень радіаційно-індукованих кисневих радикалів та пероксидів у мітохондріях завдяки підвищеній доступності глутатіону для циклічного руху GSH/GSSG, який використовується для регенерації GPx. 8 Подібний окислювально-відновний цикл був запропонований для WR-1065 для пояснення регенерації тіолу після його перетворення в дисульфідну форму після реакцій з перекисами ліпідів у мембрані мітохондрій. У цьому випадку дисульфідна форма WR-1065 переробляється до зниженого стану шляхом окислення GSH до дисульфіду GSSG. Потім GSSG зменшується до GSH на GRd. 39

Захист мітохондрій може бути додатково полегшений шляхом вироблення антиоксидантів, які призначені або для збільшення всмоктування в мітохондрії, або для підвищення активності ферментів антиоксидантів. Зв'язування позитивно зарядженої функціональної групи, іона алкіл-трифеніл-фосфонію, з вітаміном Е або убихіноном (CoQ) збільшило поглинання цих антиоксидантів у матрикс мітохондрій. 23 Однак дослідження для визначення того, як ця структурна модифікація може вплинути на радіозахист мітохондрій, ще не проводились. Показано, що підвищення рівнів антиоксидантної активності ферментів у мітохондріях відбувається при введенні мідеміків СОД або через надмірну експресію MnSOD шляхом трансфекції трансгену. Інший підхід до збільшення вмісту мітохондрій в антиоксиданті полягає у використанні низького рН за межами внутрішньої мембрани мітохрондрії, завдяки чому функціональні групи сполуки піддаються протонуванню, щоб змінити заряд на молекулі і, таким чином, запобігти елімінації з'єднання з мітохондрії.

3. АПОПТОЗ

Реактивні форми кисню відіграють ключову роль у започаткуванні апоптозу, і було показано, що антиоксиданти здатні інгібувати апоптоз. Здається, цей інгібуючий ефект виникає через низку шляхів, але загальним результатом є збереження цілісності мембрани мітохондрій та електрохімічний градієнт (ΔP) на мембрані. Припускають, що поглинання АФК антиоксидантами заважає ініціюванню апоптозу, виснажуючи рівень АФК у клітинах та підтримуючи цілісність мембрани. 41 Крім того, антиоксиданти, такі як розчинний у воді похідний вітаміну Е, тролок, зменшують як перекисне окислення ліпідних мембран, так і поглинання кальцію після опромінення, тим самим інгібуючи апоптоз. 42 Зниження вмісту пероксидів ліпідів та зниження апоптотичних індексів також було виявлено у опромінених мишей, які отримували або СОД, або, більш ефективно, комбінацією каталази та тролоксу. 43

4.1. Медіатори запалення

Цікаво, що цитокіни можуть бути радіозахисними завдяки індукції рівнів СОД. Наприклад, було встановлено, що попередня обробка мишей інтерлейкіном-1 за двадцять годин до отримання летальної дози (8 Гр) опромінення посилювала радіостійкість клітин кісткового мозку. 61 Висловлюється припущення, що однією з причин радіопротекторного ефекту цитокінів є підвищена експресія MnSOD у клітинах кісткового мозку в результаті попередньої обробки цитокінів. Так само було показано, що фактор некрозу пухлини-α (TNF-α) індукує MnSOD у гемопоетичних стовбурових клітинах із супутнім радіопротекторним ефектом. 62

5. ВИСНОВОК

Вплив випромінювання на мітохондріальну ДНК і, таким чином, довготривале репродуктивне здоров'я мітохондрій, розмноження клітини, а також на клітинний окислювально-відновний та енергетичний стан не було детально вивчено. Довгострокові наслідки радіації можуть сильно залежати від цього механізму радіаційної токсичності і можуть бути значно полегшені належним чином розробленими антиоксидантами.

Що стосується того, що відомо про радіопротекторну дію антиоксидантів на пізню радіаційну дію в тканинах, особливо щодо небілкових антиоксидантів, існує лише обмежене розуміння цих ефектів на механістичному рівні. Тому необхідні додаткові дослідження сучасних та нових антиоксидантних сполук, щоб вивчити ці та інші радіопротекторні ефекти в антиоксидантах в опромінених клітинах і тканинах, щоб підтримати раціональні підходи при розробці антиоксидантів як радіопротекторів.

ПОДЯКИ

Це дослідження було підтримано Центром медичних програм протидії радіаційній програмі, U19-> AI067733, Національний інститут алергії та інфекційних хвороб.