PatologickPatologickéé stavy spojenstavy spojenéé s ROS as ROS a RNSRNS -- 2.2.ččáástst Úloha ROS a RNS při plicních a kardiovaskulárních nemocech, diabetes, karcinogenezi, poškození kůže PharmDr. JPharmDr. Jáán Vann Vanččo, Ph.D.o, Ph.D. ÚÚstav chemických lstav chemických lééččiv, FaF VFU Brnoiv, FaF VFU Brno Úloha ROS a RNS u plicních nemocí • Plíce – jediný vnitřní orgán v kontaktu s vnějším prostředím • celková plocha 100 m2, z toho asi 4 m2 dýchací cesty • velká kontaktní plocha činí dýchací ústrojí velmi citlivým ke kyslíku ale také škodlivinám • nejvýznamnější škodliviny (plyny a pevné látky) • cigaretový kouř • oxidy síry a dusíku, ozon – vyvolávají zánět • azbest, křemík, oxid křemičitý – depozice, karcinogeneze? • paraquat, syntetické xenobiotika Úloha ROS a RNS u plicních nemocí Cigaretový kouř • bylo v něm identifikováno více než 3000 sloučenin, z nichž minimálně 50 je karcinogenních • jeden vdech cigaretového dýmu obsahuje až 1017 ROS • způsobuje inaktivaci antiproteas, peroxidaci lipidů buněčných membrán, aktivace transkripčních faktorů (NF-kB) a genů, poškozuje DNA a vede k buněčné smrti nebo karcinogenezi • v alveolách dochází k zánětu a mikrohemoragiím, které vedou k depozici železa a černé pigmentaci tkáně Úloha ROS a RNS u plicních nemocí ARDS (adult respiratory distress syndrome) • akutní selhání plic způsobené edémem • vzniká z různých příčin: těžký šok, aspirace obsahu žaludku, popáleniny, masivní infekce, traumata, diseminovaná intravakulární koagulopatie, anafylaxe, působení toxinů, pankreatitida, uremie a jiné • pneumocyty postižené škodlivinami uvolňují chemokiny – chemotaxe neutrofilů • aktivované neutrofily jsou vydatným zdrojem superoxidu a kyseliny chlorné, uvolňují se z nich také proteolytické enzymy kolagenasa a elastasa – tím jsou poškozované kapilární membrány a zvyšuje se jejich permeabilita • v akutním stadiu ARDS se alveoly plní tekutinou a erytrocyty, neutrofily, makrofágy a buněčnými fragmenty • pneumocyty I.typu jsou poškozené a endotelie zduřené – vzniká intersticiální edém • byla dokázána vyšší koncentrace H2O2 v místě poškození Úloha ROS a RNS u plicních nemocí Další patologické stavy spojené s účastí ROS u zánětu: • CHOPN – chronická obstrukční plicní nemoc, • CHB – chronická bronchitida • bronchiální astma • kryptogenní fibrotizující alveolitida Úloha ROS a RNS u plicních nemocí Interakce imunitních buněk u astmatu Úloha ROS a RNS u plicních nemocí Perspektivy diagnostiky – analýza vydechovaného vzduchu, kondenzátu, resp. sputa • u astmy – zvýšená koncentrace vydychovaného NO a přítomnost eosinofilů v sputě, zvýšená koncentrace 3-nitrotyrosinu, nitrosothiolů v sputě, zvýšená koncentrace cysteinyl-leukotrienů LTE4, LTD4, LTC4 a 8-isoprostanu v kondenzátu vydechovaného vzduchu • u kuřáků byla pozorována vyšší koncentrace CO ve vydechovaném vzduchu – souvislost s aktivací hem-oxygenasy 1 (HO-1) aktivované makrofágy Hem b + 3O2 + 3½NADPH + 3½H+ + 7e- → biliverdin + Fe2+ + CO + 3½NADP+ + 3H2O • u všech výše uvedených stavů jsou detekovány zvýšené koncentrace H2O2 a malondialdehydu v kondenzátu • u kuřáků s COPD – detekovány vyšší koncentrace kovů v kondenzátu (Cd, Pb, Al) zdroj: Corradi M., Mutti A. Acta Biomed. 2005; 76(Suppl 2): 20–29. Úloha ROS a RNS u plicních nemocí Pneumotoxické látky • paraquat – N,N´-dimethyl-4,4´-bipyridinium dichlorid • herbicid zasahující do elektrontransportního řetězce ve fotosystému I • patří do skupiny viologenů – radikálové formy jsou zabarveny (lmax ≈ 600 nm) • v lidském organizmu je vychytáván polyamínovým systémem a akumulován v plících • je metabolizován na stabilní kation-radikál enzymaticky NADPH-cytochrom P-450 reduktasou (Clejan and Cederbaum, 1989), NADH:ubichinon oxidoreduktasou (complex I) (Fukushima et al., 1993; Yamada and Fukushima, 1993), xantinoxidasou (XO) (Winterbourn, 1981; Kelner et al., 1988; Waintrub et al., 1990; Kitazawa et al., 1991), nebo NO-synthasou (NOS) (Day et al., 1999) a následně s kyslíkem je regenerován na dikationt a superoxid (vytváří se redoxní cyklus) N + N + CH3 CH3 2 ClPQ2+ PQ+. PQ+. + O2 PQ2+ + O2 -. Úloha ROS a RNS u kardiovaskulárních nemocí Rizikové faktory • zvýšené koncentrace celkového cholesterolu (TC), LDL-cholesterolu (LDL-C), snížené koncentrace HDL-cholesterolu (HDL-C), arteriální hypertenze, kouření, diabetes mellitus (DM), oxidační stres Patologické stavy • dysfunkce endotelu a ateroskleróza • ischemicko-reperfuzní syndrom, transplantace srdce, akutní infarkt myokardu, subakutní a chronická ischemická choroba srdeční, reperfuzí-indukované arytmie, kongestivní srdeční selhání, srdeční hypertrofie Úloha ROS a RNS u kardiovaskulárních nemocí Ateroskleróza • významný vplyv na poškození endotelu má poměr koncentrace NO a superoxidu • NO má antiaterogenní efekt – způsobuje vazodilataci, snižuje adhezi a agregabilitu krevních destiček, snižuje adhezi a migraci leukocytů, snižuje produkci superoxidu, snižuje oxidaci LDL, snižuje syntézu DNA, mitogenezi a proliferaci buněk hladké svaloviny • při zvýšeném poměru koncentrace superoxidu a NO dochází ke tvorbě ONOO- a oxidačnímu poškození endotelu Úloha ROS a RNS u kardiovaskulárních nemocí Low-density lipoprotein (LDL) • má molekulovou hmotnost asi 2500 kDa, jádro obsahuje asi 1600 molekul esterů cholesterolu a 200 molekul triacylglcerolů; vnější obal je tvořen asi ze 700 molekul fosfolipidů, 600 molekul cholesterolu a apolipoproteinu B-100 • na efektorových buňkách (téměř všechny buňky) – receptor pro LDL, který rozpoznává právě apolipoprotein B-100, jeho molekulová hmotnost je asi 160 kDa • jsou citlivé ke oxidaci a povrchové modifikaci (glykace, acylace) • potom nemůžou být rozpoznány LDL-receptorem efektorových buněk, ale cirkulují krevním řečištěm • poškozením fosfolipidové obálky získávají toxický potenciál pro endotel, jsou schopny pronikat do cévní stěny • jsou rozpoznatelné pro makrofágy – vznikají pěnové buňky • působením volných radikálů, produkovaných makrofágy dochází k iniciaci lipoperoxidace • buňky hladké svaloviny a makrofágy produkují cytokiny a dochází k chemotaxi dalších monocytů Úloha ROS a RNS u kardiovaskulárních nemocí Úloha ROS a RNS u kardiovaskulárních nemocí Úloha ROS a RNS u kardiovaskulárních nemocí Úloha ROS a RNS u kardiovaskulárních nemocí Úloha ROS a RNS u diabetes mellitus Úloha ROS a RNS u diabetes mellitus Úloha ROS a RNS u diabetes mellitus Úloha ROS a RNS u diabetes mellitus Úloha ROS a RNS u diabetes mellitus N N O O OO H H NADH NAD+ + H+ N N O OH OO H H N N O OH OO H H alloxan radikál alloxanu kyselina dialurová O2 O2 Cu(II) Cu(I) O2 O2 Cu(II) Cu(I) SOD SOD H2O2 Fe2+ OH Diabetogenní látky Alloxan – model DM I Streptozotocin – model DM I i DM II Úloha ROS a RNS u diabetes mellitus Maillardova reakce Úloha ROS a RNS u diabetes mellitus Karboxymethyllysin (CML) Úloha ROS a RNS u diabetes mellitus Produkty pokročilé glykace proteinů (AGE) Úloha ROS a RNS u diabetes mellitus Produkty pokročilé glykace proteinů (AGE) • jsou schopny samotné tvořit superoxid nebo H2O2 • monocyty a makrofágy mají speciální receptory pro AGE, tzv. RAGE • interakce s nimi vede k imunitní odpovědi, nadprodukci adhezních molekul a lokálnímu poškození tkání • AGE-modifikované proteiny můžou aktivovat procesy nadměrné proliferace cév, což se projevuje zejména u diabetické retinopatie • modifikací metabolizmu glukózy a aktivací polyolové cesty se v buňkách mění poměr NADPH/NADP+ a stoupá poměr NADH/NAD+, což je situace podobná hypoxii • hyperglykemická hypoxie a nadbytek NADH vede k zvýšené syntéze diacylglycerolu (DAG) a při zvýšené retenci Ca2+ v buňce k aktivaci proteinkinasy C (PKC), zvyšuje syntézu prostaglandinů, endotelinu 1 a snižuje syntézu NO • tím přispívá ke vazokonstrikci v sítnici a moduluje hemodynamiku v ledvinách Úloha ROS a RNS u radiačního poškození kůže Hlavní chromofory kůže: • nukleové kyseliny • aminokyseliny tyrosin a tryptofan • bílkoviny • melaniny • lipidy, zejména obsahující PUFA • kyselina urokanová kyselina urokanová Úloha ROS a RNS u poškození kůže Zdroje poškození: • UV C záření •energeticky nejbohatší, pohlcováno ozonovou vrstvou, 200-290 nm, je schopno přímého poškození DNA (zejména tvorba cross-links) • UV B záření •290-320 nm, způsobuje zejména úžeh, proniká do stratum corneum, může poškozovat DNA a proteiny přímým i nepřímým způsobem, podporuje tvorbu ROS, zejména singletového kyslíku, superoxidu, peroxidu vodíku a hydroxylového radikálu • UV A záření •320-400 nm je odpovědné za většinu senzibilizačních a fototoxických reakcí, podporuje tvorbu ROS, zejména singletového kyslíku, superoxidu, peroxidu vodíku a hydroxylového radikálu • tepelné poškození • radiace • trauma Úloha ROS a RNS u poškození kůže Specifické antioxidační systémy kůže: • keratinizace • melaninová pigmentace – absorpce fotonů a proměna na teplo, pseudodizmutázová aktivita • kyselina trans-urokanová • antioxidační enzymy, zejména SOD, peroxidasa, katalasa, GSH-peroxidasa • nízkomolekulové antioxidanty – vit. E, GSH, cystein, • v dermis se hromadí karoteny – výborné zhášeče singletového kyslíku • ozáření UV A indukuje tvorbu HO-1 a její aktivitou vznikají z hemu biliverdin a bilirubin Tvorba melaninu Úloha ROS a RNS u poškození kůže Úloha ROS a RNS v karcinogenezi Úloha ROS a RNS v karcinogenezi Úloha ROS a RNS v karcinogenezi Úloha ROS a RNS v karcinogenezi Úloha ROS a RNS v karcinogenezi Úloha ROS a RNS v karcinogenezi Úloha ROS a RNS v karcinogenezi