Vpliv prehranskih bioaktivnih spojin, ki kelirajo železo, v molekularnih mehanizmih staranja celic, povzročenega z oksidativnim stresom, 2. del

Prosim kontaktirajteoscar.xiao@wecistanche.comza več informacij

3.2. Celično staranje

Celično staranje je eden od pogostih označevalcev staranja organizma. Najpomembnejša značilnost tega temeljnega celičnega procesa je trajna zaustavitev celičnega cikla, ki jo spremlja intracelularno kopičenje poškodovanih makromolekul, pa tudi sekretorni fenotip in spremenjen metabolizem [55,56]. V celicah sesalcev sta bili prepoznani dve vrsti celičnega staranja; ti se imenujejo "replikacijsko staranje" in "celično staranje, povzročeno s stresom" [56]. Prvi se običajno pojavi po določenem številu delitev v različnih tipih celic. Opisan je bil pred več desetletji v gojenih človeških fibroblastih [57]. Ta pojav so kasneje pripisali atriciji telomer, postopnemu krajšanju linearnih koncev kromosomov ob vsaki replikaciji DNK [58]. Po drugi strani pa je s stresom povzročeno celično staranje v veliki meri neodvisno od dolžine telomera in predstavlja akutni odziv na številne stresorje, vključno z oksidativnim stresom, genotoksičnim stresom, poslabšanjem mitohondrijev, hipoksijo, pomanjkanjem hranil in nenormalno aktivacijo onkogenov |56,{ {8}}. Zanimivo je, da je oksidativni stres skupni imenovalec za vse te primere, ker je lahko vpleten v vse zgoraj omenjene stresne signale [62-65].

Celično staranje je nedvomno povezano s staranjem organizma [55,56].prednosti cinomorija,Vendar se starajoče se celice ne odkrijejo izključno v starajočih se tkivih; zaznati jih je mogoče v katerem koli življenjskem obdobju in lahko igrajo koristne vloge v širokem spektru človeških fizioloških in patoloških procesov, vključno z embriogenezo, celjenjem ran in supresijo tumorjev [56,61]. Vendar pa ima enakomerno kopičenje starajočih se celic s starostjo škodljive učinke in je povezano z boleznimi in obolevnostjo, povezanimi s staranjem [56,59,66-69].

Za več informacij kliknite tukaj

Kar zadeva njihovo morfologijo, imajo stare celice skupne znake, vključno s povečanimi, sploščenimi in nepravilno oblikovanimi celičnimi telesi; spremenjena sestava plazemske membrane; izguba jedrske kondenzacije; in povečano lizosomsko vsebnost beta-galaktozidaze (SA- -gal)J70,71, povezane s staranjem. Kažejo tudi dramatične spremembe v svojem sekretornem profilu, kažejo povečano izražanje in izločanje protivnetnih citokinov in kemokinov, rastnih faktorjev, komponent zunajceličnega matriksa (matrične metaloproteinaze, serinske proteaze) in ROS [59]. Vse te spremembe spremlja tudi progresivno znotrajcelično kopičenje biološko nerazgradljivega "odpadnega materiala", ki se običajno imenuje "lipofuscin" ali "ceroid" ali celo "starostni pigment"[72-74].

Naslednji razdelki opisujejo mehanične vidike nastajanja lipofuscina in predlagajo možna sredstva za oviranje ali preprečevanje njegovega kopičenja.

3.3. Tvorba in kopičenje lipofuscina v starajočih se celicah

Pigment, ki je danes znan kot "lipofuscin", je leta 1842 odkril in poročal nizozemski histolog Hannover [75]. Izraz lipofuscin je sprva uporabil Borst v svojih predavanjih, prvič pa ga je objavil Hueck leta 1912 [76,77]. Ime je izpeljano iz grške besede lipo (kar pomeni maščoba) in latinske besede fuscus (kar pomeni temen ali temen). Tvorba in kopičenje lipofuscina sta značilni spremembi z univerzalno manifestacijo v starajočih se celicah[78-80] in sta globlji v dolgoživih postmitotičnih celicah, kot so nevroni, kardiomiociti, celice skeletnih mišic in celice pigmentnega epitelija mrežnice (RPE) [ 74,81]. Te celice normalno živijo še dolgo po prenehanju njihove proliferacije, vendar kopičijo postopoma naraščajoče količine lipofuscina, ki se ne morejo razgraditi ali eksocitozirati.

Cistanche lahko upočasni staranje

Z uporabo različnih tehnik za odkrivanje starajočih se celic je bilo ugotovljeno, da je stopnja kopičenja lipofuscina v podobnih tipih postmitotskih celic različnih organizmov obratno sorazmerna z njihovo življenjsko dobo [82]. Zlasti je bila stopnja hitra pri kratkoživih vrstah in počasna pri dolgoživih, kar kaže, da ima kopičenje lipofuscina najverjetneje škodljive učinke na celične funkcije in je povezano s skrajšanjem življenjske dobe organizma [80,83,84]. . Kljub pomembnemu pomenu te korelacije ostajajo natančni biokemični mehanizmi, na katerih temelji kopičenje lipofuscina, kot tudi njegove posledice na celične funkcije, slabo razumljeni.

Lipofuscin so večinoma našli v lizosomih, v manjših količinah pa tudi v citosolu starih celic [85, 86]. Prikazuje širok spekter avtofluorescence z rumeno-rjavkasto barvo [80,87], vendar njegova struktura in sestava ostajata slabo definirani. Čeprav se njegova sestava razlikuje v različnih tipih celic, se je pokazalo, da je v glavnem sestavljen iz oksidiranih beljakovin in lipidov (kot so trigliceridi, proste maščobne kisline, holesterol in lipoproteini) ter majhnega števila ogljikovih hidratov in nukleotidnih fragmentov, ki so med seboj povezani z kovalentne vezi različnih vrst [84].puščavska hijacintaPritrjevanje železa na njegovo površino prav tako predstavlja skupno značilnost lipofuscina [88, 89].

Čeprav končni učinki kopičenja lipofuscina na celične funkcije ostajajo nejasni, je bilo dokazano, da lahko zavira aktivnosti tako proteasomskih kot lizosomskih sistemov za razgradnjo beljakovin. Poleg tega obstajajo eksperimentalni dokazi, ki kažejo, da lahko katalizira nadaljnjo tvorbo reaktivnih prostih radikalov prek redoks-aktivnih železovih ionov (labilno železo), pritrjenih na njegovo površino [89].

3.4. Lipofuscin kot prekomerno oksidiran material v celicah, izpostavljenih oksidativnemu stresu

Ker lipofuscin obsega visoko oksidiran agregat, ki je v glavnem sestavljen iz kovalentno zamreženih proteinov in lipidov |90], je razumno domnevati, da je labilno železo – sposobno katalizirati nastajanje izjemno reaktivnih prostih radikalov – vključeno v poteh njegovega nastajanja [91]. Dokazi, pridobljeni predvsem iz eksperimentalnih sistemov, so pokazali, da izpostavljenost celic povečanim stopnjam oksidativnega stresa vedno vodi do razvoja močnega fenotipa staranja v različnih vrstah celic, z vzporednim pospeševanjem znotrajcelične tvorbe in kopičenjem lipofuscinu podobnih snovi. [87,89,92,93]. Različni zaporedni koraki, ki vodijo do tvorbe lipofuscina, so prikazani na sliki 2.

Kot je razloženo zgoraj, je prisotnost labilnega železa potrebna za ustvarjanje visoko reaktivnih ROS (stopnja HO in RO *), ki so odgovorni za oksidacijo in prekomerno oksidacijo celičnih makromolekul (slika 2A, B). Poleg tega lahko oksidativno modificirane makromolekule zavirajo razgradnjo beljakovin in sisteme popravljanja celic, s čimer olajšajo jalove cikle naraščajočih stopenj oksidacije (slika 2C). Postopno kopičenje prekomerno oksidiranih, nerazgradljivih celičnih komponent v celicah vodi do tvorbe lipofuscina (slika 2D), ki naj bi prispeval k procesu staranja celic (slika 2E).

Slika 2. Shematski prikaz zaporednih korakov, ki vodijo do tvorbe lipofuscina in prispevajo k staranju celic. Upoštevajte, da je Fe2 plus potreben za ustvarjanje visoko reaktivnih ROS (HO in RO), ki so odgovorne za oksidacijo in prekomerno oksidacijo celičnih makromolekul (A, B). Prekomerno oksidirane makromolekule lahko zavirajo celične popravljalne sisteme (zlasti proteasom 20S) in tako olajšajo jalove cikle progresivno naraščajočih stopenj oksidacije (C). Oksidativno modificirane, nerazgradljive celične komponente se postopoma kopičijo v celicah kot kovalentno povezani agregati v obliki lipofuscina (D), kar naj bi vplivalo na proces staranja celic (E). Konice puščic in ploščate konice označujejo indukcijo oziroma inhibicijo procesov.Metoda ekstrakcije flavonoidov pdfZanimivo je, da Marzabadi et al.[94] opazili, da je kopičenje lipofuscina v celicah, osiromašenih z železom, preprečeno z uporabo zdravila desferioksamin, ki kelira železo, kar kaže, da so za tvorbo lipofuscina potrebni visoko reaktivni prosti radikali, kot sta stopnja H O in stopnja RO (slika 2). Očitno lahko ti reaktivni radikali sprožijo verižne reakcije, ki vodijo do razgradnih produktov lipidne peroksidacije, ki izzovejo nastanek nerazgradljivega, nespecifičnega navzkrižnega povezovanja celičnih komponent.

Zgornji rezultati skupaj kažejo, da občutljivo ravnovesje med znotrajceličnim nivojem peroksida in razpoložljivim labilnim železom določa sprožitev različnih toksičnih učinkov, ki kulminirajo s kopičenjem lipofuscina, kot tudi indukcijo celičnega staranja in celične smrti z apoptozo ali nekroza [29,95].

Indukcijo celičnega staranja s peroksidi lahko dosežemo tudi po različnih poteh. Na primer, vmesne stopnje celic H, O lahko neposredno inducirajo aktivacijo specifičnih kinaz MAP in transdukcijo signalov staranja, ki sprožijo aktivacijo osi p16INK4aINK4A in povzročijo indukcijo celičnega staranja [64,65,92 ,96]. Po drugi strani pa lahko višje koncentracije H O , kot je to v primeru močno vnetih območij, ki pritegnejo aktivirane fagocite, povzročijo neposredno oksidacijo, katalizirano z železom, na DNA, ki nato sproži signalne poti staranja. V obeh primerih sta vzporedna tvorba in kopičenje oksidativno spremenjenih celičnih makromolekul očitne posledice. Vendar je treba opozoriti, da vprašanje, ali kopičenje lipofuscina predstavlja vzročni dejavnik za celično staranje ali je njegova posledica, ostaja osrednje, a nedokončano vprašanje.

3.5. Znotrajcelična homeostaza železa in tvorba lipofuscina

Kot je navedeno zgoraj, je železo bistven element za žive celice in organizme, ker sodeluje v različnih biokemičnih reakcijah, ki podpirajo osnovne funkcije, kot so transport kisika, celično dihanje ter sinteza in popravilo DNK. Vendar pa je železo lahko vključeno tudi v reakcije, ki vodijo do nastajanja škodljivih prostih radikalov, znane kot Fentonove reakcije. Da bi zmanjšali toksičnost železa, so sesalci razvili sofisticirane mehanizme, ki uravnavajo njegovo razpoložljivost35,37I. Kljub temu je vedno prisoten majhen in natančno prilagojen delež redoks-aktivnega železa, ki se običajno imenuje "labilno železo", kar domnevno predstavlja dejansko gibanje železa med različnimi deli celic [6, 38]. Tako labilno železo predstavlja dinamičen celični parameter, ki se lahko odzove na različne dražljaje s spreminjanjem svoje ravni, s ciljem uravnotežiti preprečevanje poškodb celic in zagotavljanje potreb celic.

V pogojih začasno povišanih koncentracij peroksidov (ki jih običajno imenujemo oksidativni stres) lahko labilno železo posreduje pri naslednjih dogodkih: (a) sprožitev in širjenje verižnih reakcij peroksidacije lipidov, (b) oksidacija beljakovin in navzkrižno povezovanje, (c) indukcijo poškodb DNA, kot so prelomi enojne in dvojne verige, in (d) sprožitev različnih kompleksnih redoks signalnih poti [10,29,43]. Vsi ti z železom katalizirani učinki lahko vodijo do celičnega staranja, ki ga spremlja nastajanje in kopičenje lipofuscina.

Tukaj je vredno poudariti, da smo v seriji publikacij že dokazali preprečevanje poškodb DNK, ki jih povzroči H2O2-, in apoptoze v celicah z nizko vsebnostjo žolčnega železa z uporabo različnih kelatnih sredstev za železo [11]. ,29,42,43,97]. V teh raziskavah smo uporabili in vitro eksperimentalni sistem na osnovi celične kulture, v katerem so bile različne vrste človeških celic izpostavljene oksidativnemu stresu v obliki H in O, poškodbe jedrske DNK pa so bile kvantitativno ocenjene z uporabo kometnega testa, občutljiva metoda, ki zaznava nastanek enoverižnih prelomov DNA v posameznih celicah. Zanimivo je, da predhodna inkubacija celic z nizom znanih močnih antioksidantov, kot so askorbinska kislina, o-tokoferol, troloks, N-acetilcistein in o-lipoična kislina, pred izpostavitvijo H, O, ni nudila nobene zaščite [7]. ]. Ker je bila sposobnost teh učinkovin za boj proti prostim radikalom ugotovljena v številnih študijah in vitro, so bili zgoraj omenjeni negativni rezultati pripisani nezmožnosti teh učinkovin, da učinkovito lovijo reaktivne proste radikale, ki nastajajo v celicah.

Pomemben parameter z železom kataliziranega navzkrižnega povezovanja je lahko olajšanje kovalentne vezave oksidiranih topnih celičnih komponent na biološke membrane. Takšen dogodek bi moral ovirati eksocitozo materialov, pritrjenih na membrano, kar vodi do njihovega trajnega znotrajceličnega kopičenja. Smiselno je špekulirati, da bi morale biti lizosomske membrane v tem primeru primarna tarča zaradi njihove bližine mestu nastajanja lipofuscina. Dejansko so lipofuscin pogosto odkrili znotraj celic, ki jih objemajo segmenti lizosomske membrane [98].

Glede na pomen razpoložljivega labilnega železa za tvorbo in kopičenje lipofuscina se zdi uravnavanje njegove znotrajcelične homeostaze izrednega pomena v procesu staranja. Spoštovanje labilne razpoložljivosti železa kot ključnega dejavnika, ki določa oksidacijo in prekomerno oksidacijo celičnih komponent ter kopičenje lipofuscina v celicah, lahko odpre pot za razvoj novih strategij, katerih cilj je poseganje v biološko uro in njeno prilagajanje. proces staranja.

3.6. Inaktivacija popravljalnih sistemov s prekomerno oksidiranimi celičnimi komponentami

Celične strategije za popravilo različnih oksidiranih celičnih komponent se zelo razlikujejo, odvisno od narave posameznih komponent. Na primer, oksidirani nukleotidi DNA se odstranijo in nadomestijo z normalnimi s postopkom, imenovanim "popravilo izločanja nukleotidov", medtem ko se oksidirani proteini razgradijo na posamezne aminokisline, ki se nato lahko ponovno uporabijo za novo sintezo beljakovin.

Obstaja več različnih sistemov razgradnje beljakovin: v celicah so lizosomski encimi; v citosolu so proteasomi in kalpaini; v mitohondrijskem matriksu so Lon proteaze (ATP-odvisne proteaze); in v mitohondrijski membrani so trojne proteaze A [78,98-100]. Poleg tega lahko lizosomi poleg oksidativno spremenjenih proteinov prevzamejo in razgradijo celo močno poškodovane organele, kot so mitohondriji ali del citoplazme, v procesih, imenovanih avtofagija, posredovana s šaperonom, makro-avtofagija in mikro-avtofagija [82,101].

Kljub dejstvu, da lahko celice večino oksidativno spremenjenih biomolekul in organelov učinkovito popravijo ali razgradijo, je bilo ugotovljeno, da se nekatere med njimi kopičijo s staranjem, kar kaže na inherentno neustreznost mehanizmov celične presnove.flavonoidiIzkazalo se je, da so lahko že oksidirane celične komponente podvržene nadaljnjim oksidativnim modifikacijam, kar vodi v nastanek produktov, ki jih sistemi celične razgradnje niso sposobni obvladati [34,84]. Kopičenje takšnih nerazgradljivih konglomeratov lahko posledično ovira delovanje razgradnih sistemov, kar poslabša učinke in povzroči začaran krog, kot je shematično prikazano na sliki 2.

V primerih povečanih in dolgotrajnih pogojev oksidativnega stresa lahko popravljalna sposobnost celic na splošno in zlasti sposobnost razgradnje beljakovin doseže nivo nasičenosti, kar vodi do obstojne prisotnosti oksidiranih komponent. To stanje poveča verjetnost nadaljnje oksidacije že oksidiranih komponent in tvorbe dodatnih in globljih oksidativnih modifikacij, vključno s tvorbo intra- in medmolekularnih kovalentnih vezi. Celotna kompleksnost oblikovanih kemičnih struktur presega sposobnost razgradnje celičnih proteolitičnih sistemov (zlasti proteasoma 20S), kar vodi v postopno kopičenje prekomerno oksidiranih nerazgradljivih "smeti" v celicah, predvsem v lizosomih [82,102].

Skupaj kopičenje prekomerno oksidiranih materialov v celicah poveča verjetnost nadaljnje oksidacije že oksidiranih celičnih komponent skozi čas, kar olajša začetek začaranega kroga oksidacije, prekomerne oksidacije in kopičenja; vse to na koncu vodi do progresivne okvare celičnih funkcij, kot je očitno pri staranju in staranju.

3.7. Lizosomi kot glavna mesta tvorbe lipofuscina

Kot rezultat normalne avtofagne razgradnje je lizosomski predel izjemno bogat z labilnim železom, saj številne avtofagocitirane makromolekule in organele vsebujejo železo. Kombinirana prisotnost redoks-aktivnega železa in nizek pH v lizosomih olajšata nastanek izjemno reaktivnih radikalov iz relativno nereaktivnih peroksidov preko Fentonove reakcije. Zato je ta organel še posebej občutljiv na blag oksidativni stres, ki ga celice naravno doživljajo med prehodnim nihanjem intracelularnega H, O, ravnotežnega stanja. Ustvarjene HO·s takoj inducirajo verižne oksidacije lizosomskih komponent, kot so proteini in membranski lipidi, kar vodi do tvorbe lipofuscinu podobnih materialov, za katere je bilo dokazano, da se kopičijo v lizosomih.

V primerih intenzivnega in dolgotrajnega oksidativnega stresa sočasna prisotnost H2O2 in labilnega železa inducira nadaljnjo oksidacijo na vrhu že oksidiranih aufagocitiranih biomolekul, kar vodi do prekomerno oksidiranih produktov, ki so navzkrižno povezani z več kovalentnimi vezmi. .uporaba hesperidinaTa material poleg tega, da je odporen na razgradnjo, lahko zavira sisteme obnavljanja celic, kot je bilo dokazano pri proteasomih [85,102]. Ta predlog je močno podprt z ugotovitvijo, da je kombinacija oksidativnega stresa z zaviranjem lizosomskih proteaz odložila razgradnjo avtofagocitiranih makromolekul in zagotovila več časa za njihovo oksidacijo, kar je dramatično pospešilo tvorbo lipofuscina v gojenih celicah [7]. Sam lipofuscin lahko izvira iz različnih vrst avto- ali heterofagocitiranega materiala. V mnogih celicah, zlasti v visoko aerobnih, kot so srčni miociti in nevroni, avtofagocitirani mitohondriji predstavljajo večino intra-lizosomskega nerazgradljivega materiala. Močan dokaz za mitohondrijski izvor pomembnega dela telesa lipofuscina predstavlja opažanje, da so v celicah, obremenjenih z lipofuscinom, prisotne obilne podenote ATP sintaze [103]. Vendar pa lahko v profesionalnih čistilnih celicah z aktivno fagocitozo, kot so makrofagi, mikroglialne celice in pigmentne epitelijske celice mrežnice, izhaja tudi znaten del njihove vsebnosti lipofuscina.

3.8. Odkrivanje starajočih se celic

Prepoznavanje starajočih se celic je kritično vprašanje glede na vse več dokazov o vlogi staranja pri človeških patologijah [56,104]. Poleg tega hitro rastoče področje kemoterapevtikov zahteva natančno detekcijo starajočih se celic [105]. Različni označevalci, ki zaznavajo senzorje celičnega staranja, so predstavljeni v tabeli 1. Nedavne ugotovitve so pokazale vpliv staranja na COVID-19, kar upravičuje uporabo kemoterapevtikov za zdravljenje ali preprečevanje bolnikov s COVID-19 [106.

Kopičenje novo nastalega lipofuscina je mogoče zaznati in kvantificirati z uporabo elektronske, konfokalne in fluorescenčne mikroskopije ter pretočne citometrije [108,109]. Poleg tega je mogoče lipofuscin zaznati na podlagi njegove avtofluorescence v kombinaciji s številnimi histokemičnimi in citokemičnimi tehnikami [68,87,110,111]. Zlasti GL13, biotinilirani kemični analog Sudan Black-B(SBB), ki je komercialno dostopen kot "SenTraGorTM", medsebojno deluje z lipofuscinom in omogoča natančno identifikacijo starajočih se celic in vitro in ex vivo z uporabo detekcijske metode, posredovane s protitelesi [ 56,107,110]. Z uporabo tega testa je mogoče tudi kvantitativno določiti nivoje topnega ali ekstrahiranega lipofuscina v supernatantih celične kulture, telesnih tekočinah in tkivnih homogenatih [112]. Zaporedje dogodkov, ki vodijo do kopičenja lipofuscina med staranjem, in njegove interakcije z lipofuscinom je shematično predstavljeno na sliki 3A. Reprezentativne slike celic Li-Fraumeni-p21WAF1/Cip1 Tet-OFF in ON(senescent), obarvanih s SenlraGor, so predstavljene na sliki 3B. Močan rjav citoplazemski signal je očiten v starajočih se celicah (desna slika), medtem ko nobena inducirana celica ni negativna (leva slika).

Razvoj teranostičnih aplikacij, ki temeljijo na nanotehnologiji, bi lahko omogočil natančno ciljanje starajočih se celic [113-115]. Kartiranje starajočih se celic in vivo ostaja velik izziv. V tem kontekstu bi lahko novo spojino GL13 obogatili z vgradnjo kvantnih pik ali drugih ustreznih nano-nosilcev in hidrofilne lupine za inkapsulacijo celotnega sistema, zaradi česar je GL13 obetaven kandidat za molekularno slikanje in vivo [114].

Slika 3. (A)SenTraGorTM specifično reagira proti lipofuscinu, nerazgradljivemu stranskemu produktu celičnega staranja, kar omogoča natančno identifikacijo starajočih se celic in vitro in ex vivo z uporabo metode odkrivanja, posredovane s protitelesi. (B) SenTraGor barvanje na celicah Li-Fraumeni-p21WAF1/Cip1 Tet-OFF (leva slika) in ON (desna slika); originalna povečava:×200. 4. Prehranske bioaktivne spojine in oksidativni stres

Številne epidemiološke študije, izvedene predvsem v drugi polovici prejšnjega stoletja, povezujejo tradicionalno sredozemsko prehrano (prehrana, ki je prevladovala na severnih obalah Sredozemskega bazena) z nižjo pojavnostjo nekaterih kroničnih bolezni in zmanjšanim tveganjem obolevnosti in umrljivosti [{{0 }}]. Zato so bila opravljena intenzivna raziskovalna prizadevanja za identifikacijo učinkovin sredozemske prehrane, ki lahko preprečijo ali ublažijo škodljive učinke oksidativnega stresa, in za določitev njihovega molekularnega načina delovanja.

4.1. Prehranske bioaktivne spojine: antioksidanti, ki lovijo proste radikale, ali šibki kelatorji železa?

Za tradicionalno sredozemsko prehrano je značilno veliko uživanje oljčnega olja in rastlinskih živil, kot so sadje, zelenjava, nerafinirana žita in stročnice; zmerno uživanje rib, mlečnih izdelkov in vina; in nizko porabo mesnih izdelkov [119]. Njegove zdravstvene koristi so pogosto pripisovali visokim količinam antioksidantov vrste lovilcev prostih radikalov, ki so v veliki meri prisotni v tipičnih živilih te diete. Na splošno se domneva, da lahko takšni lovilci prostih radikalov sodelujejo s prostimi radikali in jih nevtralizirajo ter se tako borijo proti oksidaciji v telesu in posledično upočasnijo ali celo preprečijo pojav različnih kroničnih bolezni, vključno s procesom staranja [120-123].

Vendar rezultati največjih doslej izvedenih kliničnih preskušanj dodatkov antioksidantov niso pokazali bistvene zaščite pred razvojem kroničnih bolezni [124-137]. Poleg tega so se pojavili pomisleki glede varnosti dodajanja visokih odmerkov antioksidantov, ker so bile v nekaterih primerih opažene povezave z zdravstvenimi tveganji [138,139]. Ta neuspeh je mogoče razložiti z dejstvom, da so prosti radikali, kot sta stopnja HO in RO, izjemno reaktivni, takoj in nespecifično napadajo in oksidirajo vsako kemično skupino, ki je prisotna v bližini njihovega nastanka [140]. Ko torej nastanejo znotraj celic, je praktično nemogoče, da bi jih kakršen koli zunanji lovilec prostih radikalov nevtraliziral. Tu je treba poudariti, da je edina možnost za zaščito celičnih sestavin pred oksidacijo in poškodbami v pogojih oksidativnega stresa preprečitev nastajanja tako zelo reaktivnih prostih radikalov. Druga možna strategija za izogibanje oksidaciji kritičnih bioloških makromolekul, kot so DNA in proteini v takih okoliščinah, bi lahko bila manipulacija lokacije njihovega nastanka z uporabo kelatnih sredstev za železo. Kot je razloženo spodaj, prehrana na splošno in zlasti sredozemska prehrana vsebujeta množico tako šibkih kelatorjev železa (slika 4), ki lahko, ko lahko prehajajo skozi celično membrano, ločijo šibko vezano labilno železo od pomembnih makromolekul, tako jih zaščiti pred neželeno oksidacijo ne glede na to, ali zavirajo Fentonovo reakcijo ali ne

Slika 4. Shematski prikaz kaže, da živila rastlinskega izvora sredozemske prehrane vsebujejo vse večje količine spojin, ki vežejo železo in so sposobne kelirati intracelularno labilno železo in preprečiti nastajanje visoko reaktivnih prostih radikalov, ki so odgovorni za neregulirano oksidacijo celičnih sestavin. Tipična živila sredozemske prehrane vsebujejo številne spojine, vključno s fenolnimi alkoholi, fenolnimi kislinami in flavonoidi, za katere je bilo večkrat predlagano, da delujejo kot antioksidanti, ki lovijo proste radikale. Naša raziskovalna skupina je pregledala številne takšne spojine in opazili smo močno povezavo med zaščitno zmogljivostjo vsake spojine in njeno sposobnostjo keliranja intracelularnega labilnega železa, ne pa z njihovo sposobnostjo lovljenja prostih radikalov in vitro [8,9, 12]. Dodatna nujna lastnost teh spojin, ki je bila potrebna za izvajanje njihove zaščitne sposobnosti, je bila njihova sposobnost, da dosežejo notranjost celice z difuzijo ali katero koli drugo vrsto transporta skozi plazemsko membrano [11,42,141]. Na podlagi teh opažanj smo predlagali, da bioaktivne spojine, ki so povsod prisotne v sredozemski prehrani, nudijo svoje citoprotektivne učinke tako, da ločijo intracelularno labilno železo od kritičnih celičnih sestavin in tako zmanjšajo njihovo neželeno oksidacijo.

4.2. Ali prehranska sredstva za keliranje železa preprečujejo tvorbo lipofuscina?

Na podlagi zgoraj navedenih premislekov je smiselno špekulirati, da bi bioaktivni kelati železa, prisotni v sredozemski prehrani, lahko predstavljali ključne dejavnike, ki so odgovorni za preprečevanje nastajanja lipofuscina in posledično procesa staranja na splošno. Kolikor vemo, sistematična prizadevanja za eksperimentalno preverjanje te pomembne hipoteze še niso bila izvedena.

Tipična sredozemska prehrana vsebuje veliko število molekul za keliranje železa z različnimi kemijskimi strukturami in lastnostmi. Na primer, obsežno smo preučevali rastlinske izvlečke, ki vsebujejo številne polifenole, in ugotovili, da fenolne spojine z orto-dihidroksilno skupino ščitijo pred oksidativnim stresom, medtem ko so tiste, ki nimajo enega hidroksila ali se nahajajo v meta- ali para-položaju, popolnoma neučinkovite. [8,10-12]. Ta opažanja so sprožila dodatno vprašanje, ali lahko sredstva za kelatiranje železa, ki jih vsebujejo živila, prodrejo skozi več ovir, da dosežejo notranjost ciljnih celic. V tem primeru se lahko določena prehranska sredstva štejejo za "posredne antioksidante", ker preprečujejo nastajanje reaktivnih prostih radikalov, namesto da jih razstrupljajo po njihovi znotrajcelični tvorbi.

V nekaterih primerih so znotrajcelični labilni železovi ioni lahko nepopolno usklajeni s sredstvi, pridobljenimi iz prehrane, zaradi njihovega nizkega privzema in znatne razredčitve v telesu, kar omogoča vključitev železa v redoks reakcije. Kljub temu imajo enaka sredstva običajno dvojne funkcije, ker lahko v isti molekuli vsebujejo lastnosti vezave železa in lovljenja prostih radikalov. Zato lahko kelatorji železa, pridobljeni iz prehrane, delujejo na dvojni način: bodisi ublažijo poškodbe celic, ki jih povzroči oksidativni stres, tako da odstranijo ohlapno vezano labilno železo iz ranljivih celičnih makromolekul in ga popolnoma inaktivirajo, ali pa z nepopolno koordinacijo železa, kar ima za posledico njegovo odstranitev iz njegov prvotni položaj, vendar mu omogoča, da ostane redoks-aktiven in sposoben oksidirati ustrezne kelatorje železa, pridobljene s prehrano.

5. Sklepi

Eden najvidnejših konceptov na področju staranja danes je tako imenovana "teorija staranja prostih radikalov". V skladu s to teorijo je staranje organizma posledica kumulativne oksidativne škode, ki jo povzročijo visoko reaktivni prosti radikali, ki nastanejo predvsem kot posledica aerobnega metabolizma. Nenehno nastajanje takih izredno reaktivnih radikalov povzroči postopno nastajanje in kopičenje nepopravljivih agregatov poškodovanih celičnih sestavin. Ta kemično nedefiniran material, ki je v glavnem sestavljen iz proteinov in lipidov in ima rumeno-rjavo fluorescenco, je znan kot "lipofuscin", ceroid" ali "starostni pigment" in velja za znak celičnega staranja.

Lipofuscin v glavnem nastaja z nenadzorovanimi in nespecifičnimi oksidativnimi modifikacijami celičnih makromolekul. Celice so opremljene z večplastnimi obrambnimi sistemi za nadzor in popravilo oksidiranih makromolekul. Vendar, ko intenziven oksidativni stres traja dlje časa, vedno povzroči nastanek visoko reaktivnih prostih radikalov in prekomerno oksidacijo že oksidiranih materialov, s čimer nastanejo izdelki, ki jih ni mogoče popraviti, razgraditi ali celo eksocitozirati. z ustreznimi celičnimi sistemi. Poleg tega se je pokazalo, da lahko prekomerno oksidirani materiali povzročijo postopno inaktivacijo celičnih sistemov za zaščito in popravilo, s čimer spodbujajo jalove cikle povečanih stopenj kopičenja lipofuscina.

Ker lahko v oksidacijskih procesih, ki jih katalizira železo (Fentonova reakcija), nastanejo visoko reaktivni prosti radikali, je razpoložljivost labilnega železa nujen predpogoj za nastanek in kopičenje lipofuscina v celicah. Na podlagi teh premislekov je verjetno špekulirati, da fina regulacija celične homeostaze železa v splošni in labilni porazdelitvi železa lahko predstavlja doslej necenjen način za upočasnitev nastajanja znotrajceličnega lipofuscina in posledično staranje celic (staranje). Prej smo pokazali, da lahko številna fitonutrienta, ki kelirajo železo in jih vsebuje sredozemski tip prehrane, prodrejo skozi biološke membrane in dosežejo notranjost celic [8,9,11,12]. Ta sredstva kelirajo intracelularno labilno železo (ne nujno z visoko afiniteto) in tako določajo njegovo porazdelitev in posledično mesta oksidacije, ki jo povzroči oksidativni stres. V skladu s predlaganim mehanizmom morajo fitokemikalije, pridobljene iz prehrane, v svoji strukturi združevati naslednje značilnosti, da lahko zaščitijo celice v pogojih oksidativnega stresa: biti morajo sposobne (a) prodreti skozi celične membrane; (b) kelirati celice. labilno železo; in (c) v primeru interakcije vezanega železa s peroksidi (nepopolna zasedba njegovih koordinacijskih mest) za odstranjevanje nastalega reaktivnega radikala.

Če povzamemo zaključke iz zgornje predstavitve, lahko podamo naslednje trditve: (a) labilno železo predstavlja glavno sredstvo, ki je odgovorno za proizvodnjo visoko reaktivnih prostih radikalov, ki lahko oksidirajo celične sestavine v pogojih oksidativnega stresa, (b) ) oksidirane in zlasti prekomerno oksidirane celične komponente obsegajo glavno telo lipofuscina, ki se tvori in kopiči v celicah pod temi pogoji, (c) izčrpavanje znotrajceličnega labilnega železa s kelatnimi sredstvi železa preprečuje oksidacijo celičnih komponent in ( d) naša prehrana in še posebej sredozemska prehrana vsebujeta množico spojin, ki lahko uravnavajo porazdelitev železa znotraj celice.

Ob upoštevanju zgornjih premislekov skupaj je razumno pričakovati, da lahko identifikacija bioaktivnih hranilnih spojin s pripisanimi lastnostmi omogoči njihovo uporabo kot farmakološka orodja za konkretne zaščitne ukrepe v pogojih povečanega oksidativnega stresa v celicah, tkivih in celih organizmih. Ta predlog bi lahko odprl nove poti za razvoj strategij, katerih cilj je upočasniti pojavnost in razvoj bolezni, povezanih s staranjem.

Ta članek je izvleček iz Antioxidants 2021, 10, 491. https://doi.org/10.3390/antiox10030491 https://www.mdpi.com/journal/antioxidants