Zdravotní rizika
(význam rovnováh)
A. Kozubík
Biofyzikální ústav AVČR, v.v.i., (Oddělení cytokinetiky)
Ústav experimentální biologie, PřF MU
(Oddělení fyziologie a imunologie živočichů)
Brno
Zpětné vazby
3
receptory
růstové signály
molekuly
signálové
transdukce
molekuly
zesilovací
kaskády
regulátory
transkripce
cykliny
CDKs
p27
p21
p16
p15
mRNA
RE
proteiny
inhibice
(NSAID)
membránové
fosfolipidy
jaderné receptory
transkripční faktory
(NFkB, PPAR, AP-1...)
signální
kaskáda
membránová
fluidita
PUFA
vnitrobuněčné
funkce
membránové
fosfolipidy
SIGNÁL
(např. cytokiny)
sekrece
inserce
n-6 PUFA
(AA, LA)
n-3 PUFA
Mimobuněčné podněty (cytokiny, hormony,
polutanty, záření)
eikosanoidy
LOX COXP450
kyselinakyselina arachidonováarachidonová
ROS
lipidová
peroxidace
genová exprese
DNA
mRNA
RE
mRNA
RE
proteiny
inhibice
(NSAID)
membránové
fosfolipidy
jaderné receptory
transkripční faktory
(NFkB, PPAR, AP-1...)
signální
kaskáda
membránová
fluidita
PUFA
vnitrobuněčné
funkce
membránové
fosfolipidy
SIGNÁL
(např. cytokiny)
sekrece
inserce
n-6 PUFA
(AA, LA)
n-6 PUFA
(AA, LA)
n-3 PUFAn-3 PUFA
Mimobuněčné podněty (cytokiny, hormony,
polutanty, záření)
eikosanoidy
LOX COXP450
kyselinakyselina arachidonováarachidonovákyselinakyselina arachidonováarachidonová
ROSROS
lipidová
peroxidace
lipidová
peroxidace
genová exprese
DNA
(stresory)
změny metabolismu,
buněčného růstu
diferenciace a apoptózy
lipidové
rafty
MOLEKULÁRNÍ MECHANISMY působení ω-3 a ω-6 VNMK
(mediátory a modulátory buněčné signalizační sítě)
MEMBRÁNOVÉ
SYSTÉMY
a buněčné
kompartmenty
protientropické
důsledky
STRUKTURNÍ ÚLOHA
FOSFOLIPIDŮ V BUŇKÁCH
NEODDĚLITELNÁ OD BUNĚČNÝCH FUNKCÍ
VNMK
7
Dynamický charakter biologických membrán (model)
Pietzsch J et al., Nature Reviews, October 2004
Zajištění většiny biologických funkcí
se neobejde bez unikátních interakcí lipidových
komponent jako jsou VNMK s dalšími biologicky
významnými molekulami.
VNMK jsou součástí lipidových raftů:
membránových mikrodomén obohacených o
glykosfingolipidy a cholesterol
Jejich modulace mohou významně
měnit intenzitu a také směr
signálové transdukce
Lipidy patří spolu s proteiny a sacharidy mezi hlavní složky výživy.
Důležité je nejen jejich množství a kvalita těchto živin, ale také
časové rozložení jejich příjmu.
Lipidy jsou nejen významným zdrojem energie, ale
představují i jedny z hlavních stavebních kamenů buněk.
Kromě strukturní úlohy (jako složky membránových fosfolipidů)
je neméně podstatná řada jejich funkčních vlastností.
Změny spektra mastných kyselin (MK/VNMK) v membránových
strukturách mají dopad nejen na fyzikálně-chemické vlastnosti
(fluiditu, konformaci apod.), ale zejména na interakce receptorů s jejich ligandy.
MK/VNMK tak hrají důležitou úlohu v přenosu signálů a fungují jako
intra- i intercelulární mediátory a modulátory b. signalizační sítě.
Proto patří mezi významné faktory schopné ovlivnit jak dělení a zánik normálních,
ale i transformovaných buněčných populací, tak proces maligní transformace.
Shrnutí (teoreticko praktické dopady)
Hlavní mechanismy působení PUFA v
buněčných signalizacích
1) přímé ovlivnění aktivity transkripčních faktorů regulujících expresi genů
významných z hlediska cytokinetiky
2) produkce eikosanoidů působících na přenos signálů růstových faktorů, cytokinů a
imunitní systém
3) produkce reaktivních kyslíkových metabolitů (ROS) vznikajících peroxidací
lipidů.
Významným faktorem je množství lipidů v potravě.
Vysoké koncentrace VNMK (anebo přílišná aktivace lipidového/fosfolipidového
Metabolismu) mohou nepříznivě ovlivnit buněčné funkce.
Tyto negativní účinky VNMK lze účinně inhibovat (např. NSAIDs)
a tak napomáhat navrátit deregulovaný systém k homeostáze.
Získané poznatky mají význam jak pro obecné pochopení
1) poruch homeostázy
(např. negenotoxických mechanismů karcinogeneze)
2) tak pro oblast toxikologie, nádorové prevence a
3) hledání nových protinádorových terapeutických postupů
SOUČASNÝ VÝZKUM - PERSPEKTIVY
Spolupůsobení
„regulátorů růstu“
rozdílné chemické povahy
na proliferaci
Zpětné vazby
Pozitivní zp. vazba
Pozitivní zpětná
vazba
Zpětné vazby
Negativní zp. vazba
(obecnější východiska)
Negativní zpětná vazba
Reakce
na vychýlení
Vácha, J.: Problém normálnosti v biologii a lékařství (Avicenum, 1980)
Výstup
systému
Žádaná
hodnota
Akční
veličina
Regulační
odchylka
-
+
Efekty inhibitorů
metabolismu AA
význam rovnováhy
v přísunu prekursorových PUFAs
a
v produkci jednotlivých jejich metabolitů
Ca 2+
Ca 2+
Ca 2+
Ca 2+
AA 5HETE LTC4LTA4 PIP2DAG
Tyr-K Tyr-K
PLA2
5-LOX
PKC PLC
+
Nuclear responses
EGF EGF
positive effect on cell proliferation–an example
Negative effect on cell proliferation– an example
cell cycle phases
e.g. G protein,
kinase
PGE2Phorbol esters CSF-1 GM - CSF
IL- 3
cAMP
PKC
PKC
CSF-1R
(c- fms)
GM - CSF R
IL- 3R
tyr-P
EFFECTOR
RESPONSE
PKA
DNA synthesis
G0 G1 S
?
-
adenylyl
cyclase
+
-
MEMBRANE PHOSPHOLIPIDS
CYCLOOXYGENASES
EPOXYGENASES
(P450)
LIPOXYGENASES
CH2
CH CO NH CH2 COOH
NH
COCH2CH2CHCOOH
NH2
C5H11
OH
S
COOH
COOH
LTA4
LTF4
LTE4
LTD4
LTC4LTB4
EPOXYACIDS,
DIOLS, etc.
TXB2
TXA2 PGI2 PGD2 PGE2
PGH2
PGG2
LTC4:
PLA2
O
OH
COOH
OH
PGE2:
ARACHIDONIC
ACID
MEMBRANE PHOSPHOLIPIDS
INDOMETHACIN
DICLOPHENAC
MK - 886
NDGA ESC
5-LIPOXYGENASE
CYCLOOXYGENASES 12-LIPOXYGENASE
P450-MONOOXYGENASES
FLAP
Arachidonic acid: metabolic pathways and its
possible modulations
abbreviations:
ETYA = 5,8,11,14 -eicosatetraynoic acid ESC
= esculetin NDGA =
nordihydroguaiaretic acid
FLAP = 5-lipoxygenase activating protein 9HE
= 9-hydroxyellipticin HETEs =
hydroxyeicosatetraenoic acids HPETEs =
hydroperoxyeicosatetraenoic acids EETs
= epoxyeicosatrienoic acids SKF525A
= proadifen
SKF525A,
9-HE
ETYA
PROSTAGLANDINS
THROMBOXANES
PROSTACYCLINS
12-HETEs
12-HPETEs
LEUKOTRIENES
EETs
HETEs
DIOLS
(15-LIPOXYGENASE)
dříve - dnes
-90
-70
-50
-30
-10
10
30
50
70
90
1 3 10 30 100
%kontroly
-90
-70
-50
-30
-10
10
30
50
70
90
0,3 1 3 10 30
koncentrace (mM)
%kontroly
Ibuprofen
-90
-70
-50
-30
-10
10
30
50
70
90
1 3 10 30 100
koncentrace (mM)
%kontroly
-90
-70
-50
-30
-10
10
30
50
70
90
0,3 1 3 10 30
koncentrace (mM)
%kontroly
PRODUKTY
LIPOXYGENÁZ A CYKLOOXYGENÁZ
VORE et al., J. Immunol. : 11,
435 - 442, 1989
koncentrace (mM)
NDGA
Esculetin Indomethacin
Zpětné vazby
Negativní zp. Vazba
na systémové úrovni
(tkáně a organismus)
Fosfolipidový metabolismus
a působení ioniz. radiace
(škodlivých faktorů
životního prostředí)
Aplikace NDGA
„protektivním režimu“
a její dávkově závislé
účinky na regeneraci ESC
a GM-CFC
Kostní
dřeň
Periferní
krev
Efekty dalších
inhibitorů
Příklad aplikace inhibitorů metabolismu AA
v „terapeutickém režimu“
Efekty inhibitorů mohou být tedy způsobeny zásahy do biosyntézy eikosanoidů a jejich
regulačními účinky na krvetvorbu
Radiorezistence
kmenových a
prekurzorových
buněk není
oblivněna !!!
Dílčí shrnutí
(MOŽNÉ MECHANISMY)
Příklad aplikace
inhibitorů
metabolismu AA v
„terapeutickém
režimu“
Inhibitory
cyklooxygenáz stimulují (+)
a lipoxygenáz inhibují (-)
granulopoézu
i
lymfopoézu
Major eicosanoid biosynthetic pathways. The metabolites of the
major pathways are indicated in color:
COX (purple),
5-LOX (orange),
15-LOX (green),
12-LOX (yellow),
CYP epoxygenase (red),
CYP ω-hydroxylase (cyan),
and nonenzymatic oxidation (gray)
J Lipid Res. 2009 June; 50(6): 1015–1038.
.
Temporal genomic and lipidomic changes
in eicosanoid biosynthesis in RAW264.7 macrophages in response
to Kdo2-Lipid A stimulation.
Greater intensity of red indicates increasing levels,
greater intensity of green indicates decreasing levels,
and gray represents
J Lipid Res. 2009 June; 50(6): 1015–1038.
dose (6.5Gy)
ESCNo.
6 6.5 7 7.5 8
100
80
60
40
1
2
4
8
6
10
20
cystamine
control
indomethacin
Indomethacin + cystamine
Kozubík A., Pospíšil M., Netíková J.:
Folia biologica (Prague) 36, 291, 1990
control
cystamine
indomethacin
Indomethan +
cystamine
3,5
4
3
2,5
2
1,5
1
0,5
0
0 5 10 15 20 25 30
4,5
5
days after irradiation 6.5 Gy
Kozubík A., Pospíšil M., Netíková J.:
Folia biologica (Prague) 36, 291, 1990
dose (6.5 Gy)
control
cystamine
indomethacin
Indomethacin +
cystamine
120
130
110
90
80
60
50
30
20
0 5 10 15 20 25 30
140
150
40
70
100
days after irradiation 6.5 Gy
Kozubík A., Pospíšil M., Netíková J.:
Folia biologica (Prague) 36, 291, 1990
36
Dosažení dynamické rovnováhy v systému po
podnětech rozdílné intenzity
kontroly
cystamin
indomethacin
indomethan
+ cystamin
3,5
4
3
2,5
2
1,5
1
0,5
0
0 5 10 15 20 25 30
4,5
5
leukocyty/mlx103
Dny po ozáření 6,5 Gy
kontroly
cystamin
indomethacin
indomethan
+ cystamin
3,5
4
3
2,5
2
1,5
1
0,5
0
0 5 10 15 20 25 30
4,5
5
leukocyty/mlx103
Dny po ozáření 6,5 Gy
dose (Gy)
ESCNo.
6 6.5 7 7.5 8
100
80
60
40
1
2
4
8
6
10
20
cystamin
kontroly
indomethacin
indomethacin +
cystamin
Kozubík A., Pospíšil M., Netíková J.: Folia biologica (Prague) 36, 291, 1990
Dny po ozáření 6,5 Gy
dose (Gy)
ESCNo.
6 6.5 7 7.5 86 6.5 7 7.5 8
100
80
60
40
1
2
4
8
6
10
20
100
80
60
40
1
2
4
8
6
10
20
cystamin
kontroly
indomethacin
indomethacin +
cystamin
Kozubík A., Pospíšil M., Netíková J.: Folia biologica (Prague) 36, 291, 1990
Dny po ozáření 6,5 Gy
kontroly
cystamin
indomethacin
indomethacin
+ cystamin
Hmotnostslezity(mg)
120
130
110
90
80
60
50
30
20
0 5 10 15 20 25 30
140
150
40
70
100
Dny po ozáření 6,5 Gy
kontroly
cystamin
indomethacin
indomethacin
+ cystamin
Hmotnostslezity(mg)
120
130
110
90
80
60
50
30
20
0 5 10 15 20 25 30
140
150
40
70
100
Dny po ozáření 6,5 Gy
Kontrola
Cystamin
Indomethacin
Cystamin +
Indomethacin
Silně
poškozený
systém
Zátěž
nižší
intenzityVlastní výsledky
Posílení inhibitorů COX
Kombinovaná léčba
některá
OBECNÁ VÝCHODISKA,
DŮLEŽITÁ PRO POSTIŽENÍ CHOVÁNÍ A SMĚROVÁNÍ BUNĚČNÝCH
POPULACÍ, Z NICHŽ LZE VYCHÁZET, MOHOU BÝT TATO:
- Zachování rovnováhy v nejširším slova smyslu mezi produkcí buněk (intenzitou
proliferace) a jejich úbytkem (např. smrtí apoptózou) je podmínkou pro zachování
homeostázy na tkáňové úrovni.
- Proto změny v intenzitě proliferace, diferenciace a apoptózy po působení jakýchkoli
podnětů, jež mohou tyto procesy ovlivnit, lze chápat jako integrální ukazatele
porušení této homeostázy.
- Vhodný způsob detekce těch změn, které vedou k trvalejšímu porušení rovnováhy
mezi produkcí a úbytkem buněk může celkově odrážet nejen poruchy, které jsou
základem tzv. proliferativních chorob (nádorových onemocnění), ale být i ukazatelem
procesů vedoucích k obnově porušené rovnováhy.
- Parametry, jimiž lze postihnout tyto tendence, by proto měly být předmětem zájmu
nejen teoreticky orientovaných pracovníků, ale i laboratoří zabývajících se účinky
škodlivých látek vnějšího prostředí, šlechtitelských a zejména klinicky
orientovaných laboratoří.
Zpětná vazba negativní:
Působení na vyšších úrovních
organizace systémů
HDP
představuje veškerou finální produkci v peněžních jednotkách
(celkový objem výrobků a služeb) za určité období (zpravidla 1 rok)
národními výrobními faktory dané země ,
bez ohledu na to, ve kterém státě působí.
Je odrazem sumy vnějších a vnitřních faktorů schopných ovlivnit ekonomiku
Nevypovídá nic o “kvalitě života”,
finální produkce - taková produkce, která je vyrobena a prodána,
aby byla spotřebována domáctnostmi, státem,
použita jako investice nebo vyvezena jako export
Nominální mzda SŠ profesora
3990,- Kč
13528,-Kč
(3,4x)
1989 90 91 92 93 94 95 96 97
13528,-
Kč
6764
ROK
60
70
80
90
120
110
100
199719961995
199419931992199119901989
3990,-Kč
13528,-Kč
mzdav%
hrubá mzda
čistá mzda
Vývoj reálných mezd (relace k roku 1989)
0,3
-11,6
-0,5
0,1
2,2
5,9
4,2
-0,7 -1,1
1,2
3,9
2,5
1,9
3,6
4,5
6,3
6,8
6
3,2
-2,3
0,8
-12
-10
-8
-6
-4
-2
0
2
4
6
8
1990
1991
1992
1993
1994
1995
1996
1997
1998
1999
2000
2001
2002
2003
2004
2005
2006
2007
2008
*2009
*2010
12
29
41
46
0
10
20
30
40
50
2006 2008 2010 2012
41
35
25
15
0
10
20
30
40
50
2006 2008 2010 2012
Výsledky voleb do senátu ČR 2006-2012 (%)
LN 22.10.2012
Vývoj HDP meziročně v % - reálné oscilace
0,3
-11,6
-0,5
0,1
2,2
5,9
4,2
-0,7 -1,1
1,2
3,9
2,5
1,9
3,6
4,5
6,3
6,8
6
3,2
-2,3
0,8
-12
-10
-8
-6
-4
-2
0
2
4
6
8
1990
1991
1992
1993
1994
1995
1996
1997
1998
1999
2000
2001
2002
2003
2004
2005
2006
2007
2008
*2009
*2010
* predikce dle MFČR
ZměnaHDPv%
Vývoj inflace meziročně v %
17,5
52
12,7
18,2
10,2
7,9 8,6
10
6,8
2,5
4 4,1
0,6 1
2,8 2,2 1,7
5,4
3,6
0
10
20
30
40
50
60
1990
1991
1992
1993
1994
1995
1996
1997
1998
1999
2000
2001
2002
2003
2004
2005
2006
2007
2008
Inflacev%
Vývoj inflace meziročně v %
Vývoj HDP meziročně v %
Porušení funkcí
negativní zpětné vazby
(důsledky,………….
…obecnější platnost….!!!)
Důsledky převahy
pozitivní zpětné vazby
1,1 1,1 1,1
-1,6
-29,6
-87,7
-109
-97,6
-19,4
-175
-200
-150
-100
-50
0
50
Státnírozpočet(vmld.Kč)
1993
1994
1995
1996
1997
1998
1999
2000
2001
2002
2003
2004
2005
2006
2007
2008
2009
rok
Masivní příjmy z privatizací
„povodně“
„KRIZE“
sanace bank cca 400 - 800 mld Kč ???
„Krachy bank“
Deficity
Plýtvání
Fakta - dynamika a některé příčiny zadlužování
??
2010 2011 2012
-156
-135
-105
??
-20
-10
0
10
20
2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013
nároky
Propad „možností ??“
%
Propad HDP???
Očekávané tendence – 2009/2013
Kritické období
Propad „možností??“
?
Příklad extrémně
„regulačně nevyváženého“
vnitřně rozporného systému
(očekávánému zachování růstu
Neodpovídají prostředky a zdroje)
52
Vyváženost tendencí
54
Tendence k nestabilitě
55
Vácha, J.: Problém normálnosti v biologii a lékařství (Avic
Hledání „OPTIMA“
Vácha, J.: Problém normálnosti v biologii a lékařství (Av
According to: Pospíšil 1977 ?
100
50
%hynutípoozáření
Na / K poměr v moči
vyvážená regulace (biol.
optimum)
nevyvážená regulace
tendence k retenci Na tendence ke ztrátám Na
1
1´
2
3
3´
1,1´ - „celkové náklady“ potřebné k navození změny stavu
(reakce)
3,3´ - „celkové náklady“ potřebné k utlumení (reakce)
Charakter odpovědi je nelineární
Intenzita je závislá na délce adaptace
Deregulace cytokinetiky:
možnosti jejího ovlivnění modulací
metabolismu PUFAs
0
20
40
60
80
100
120
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15
%
týdny
Kontrola
Dicloph 0.15 mg p<0,01
Dicloph 0.5 mg p<0,05
Ibuprof 0.5 mg
Ibuprof 0.15 mg p<0,01
Flurbiprof 0.5 mg
Flurbiprof 0.15 mg p<0,05
Příklad působení
NSAIDs u myší
s nádorem (G:5:113)
po terapii inhibitory COX
POTENCIÁL VYUŽITÍ
inhibitorů metabolismu AA
V nádorové problematice in vivo
PŘEŽÍVÁNÍ MYŠÍ