Specii reactive de oxigen (ROS, specii reactive de oxigen, ROS, ing. Specii reactive de oxigen, ROS ) - includ ioni de oxigen , radicali liberi și peroxizi atât de origine anorganică, cât și organică. Acestea sunt de obicei molecule mici cu reactivitate excepțională datorită prezenței unui electron nepereche în nivelul electronic exterior.
ROS se formează în mod constant într-o celulă vie ca produse ale metabolismului normal al oxigenului . Sub acțiunea radiațiilor ionizante se formează și specii reactive de oxigen . Unele ROS pot juca rolul de mediatori ai căilor importante de semnalizare intracelulară. Cu toate acestea, producția crescută de ROS duce la stres oxidativ . Funcțiile normale ale ROS includ inducerea sistemului imunitar și mobilizarea sistemelor de transport ionic . De exemplu, celulele sanguine de la locul leziunii încep să producă ROS, care recrutează trombocitele necesare pentru a începe procesul de vindecare a rănilor. ROS declanșează, de asemenea, moartea celulară programată ( apoptoză ).
Aproximativ 98% din oxigenul total consumat de celulă este redus în mitocondrii la apă în procesul de fosforilare oxidativă , dar 2% din cauza reacțiilor secundare, în principal la începutul sau la mijlocul lanțului respirator mitocondrial , inclusiv reacții catalizate de citocrom c oxidaza , sunt transformate mai întâi în superoxid de oxigen parțial redus , iar apoi în radicalul hidroxil OH•, înrudit tot cu ROS [1] . Pe lângă mitocondrii, acumularea de lipofuscină în celule poate duce la formarea ROS ca urmare a reacției Fenton datorită capacității sale de a se combina cu anumite metale de tranziție [2] [3] . Protecția celulelor împotriva ROS este realizată de mai multe enzime antioxidante ( superoxid dismutază , catalază și peroxiredoxine ) și antioxidanți cu greutate moleculară mică ( vitamina C , glutation , acid uric ). În plus, polifenolii (de exemplu, analogii unor componente ale vinului roșu ) au proprietăți antioxidante .
Efectul ROS asupra metabolismului celular a fost dovedit științific și susținut de dovezi din diverse studii [4] . Ele nu sunt doar implicate în apoptoză (moartea celulară programată), dar conduc și la rezultate pozitive, cum ar fi inducerea genelor gazdă protectoare [5] [6] și mobilizarea transportatorilor de ioni . Acest lucru sugerează că ei controlează funcțiile celulare. În special, trombocitele, care sunt implicate în vindecarea rănilor și homeostazia, eliberează ROS pentru a atrage și mai multe trombocite la locul leziunii. Există, de asemenea, o legătură cu sistemul imunitar adaptativ prin atragerea leucocitelor .
Speciile reactive de oxigen sunt implicate în procesele celulare în diferite reacții inflamatorii, inclusiv boli ale sistemului cardiovascular . În plus, aceștia sunt responsabili de pierderea auzului din cauza leziunilor cohleei prin zgomote puternice, din cauza ototoxicității medicamentelor precum cisplatina și a surdității congenitale la animale și la oameni. ROS mediază procesul de apoptoză sau moartea celulară programată și ischemie. Exemple sunt accidentul vascular cerebral și atacul de cord.
În general, efectul distructiv al speciilor reactive de oxigen asupra celulei constă cel mai adesea în [7] :
Când o plantă recunoaște un agent patogen străin, în primul rând produce rapid superoxid sau peroxid de hidrogen pentru a întări peretele celular. Acest lucru împiedică răspândirea agentului patogen în alte părți ale plantei. În jurul agentului patogen se formează de fapt o plasă, limitând mișcarea și reproducerea acestuia.
La o gazdă de mamifere, ROS activează protecția antimicrobiană [8] . Importanța acestei protecții poate fi observată la pacienții cu boală granulomatoasă cronică care suferă de producție inadecvată de ROS. Sunt foarte sensibili la diferite infecții, inclusiv cele cauzate de Salmonella enterica , Staphylococcus aureus , Serratia marcescens și Aspergillus spp .
Studiile privind homeostazia tractului digestiv al muștelor de fructe (Drosophila melanogaster) arată că producția de ROS acționează ca un factor cheie în răspunsul imun în intestinul insectelor. ROS îndeplinește o funcție bactericidă, dăunând ADN-ului, ARN-ului și proteinelor și, de asemenea, acționează ca molecule de semnalizare care declanșează mecanismele de regenerare epitelială [9] . Uracilul , care este excretat de microorganisme, inițiază producerea și activitatea ulterioară a dublei oxidaze (Duox), o enzimă care produce ROS în intestin. Activitatea Duox se corelează cu concentrația de uracil în intestin și, în condiții bazale, este suprimată de protein kinaza MkP3 . Controlul strict al Duox inhibă producția excesivă de ROS și facilitează recunoașterea microorganismelor benefice și dăunătoare din intestin [10] .
Modul în care ROS protejează gazda de microorganismele dăunătoare nu este încă pe deplin înțeles. Cel mai probabil constă în deteriorarea ADN-ului microbilor. Cercetările cu Salmonella arată că avea nevoie de mecanisme de reparare a ADN-ului pentru a se apăra împotriva atacurilor letale de ATP. Rolul ROS în mecanismele de apărare antivirală poate fi observat prin intermediul helicazei-1 de tip Rig și al proteinei de semnalizare antivirale mitocondriale. Nivelurile ridicate de ROS amplifică semnalele prin acești receptori antivirali mitocondriali pentru a activa factorul de reglare a interferonului (IRF) 3, IRF7 și factorul nuclear kappa B (NF-κB) și pentru a neutraliza virusurile [11] . Celulele epiteliale ale căilor respiratorii activează ROS mitocondrial ca răspuns la infecția gripală. Activitatea ROS presupune stimularea interferonului de tip III și neutralizarea virusurilor, limitând posibilitatea de replicare [12] . ROS sunt implicate în apărarea gazdei împotriva micobacteriilor, deși probabil că nu le ucid direct. Mai degrabă, ROS acționează asupra semnalizării dependente de ROS, de exemplu, pentru producerea de citokine, autofagie și formarea granulomului [13] [14] .
Speciile reactive de oxigen sunt, de asemenea, implicate în activarea, anergia și apoptoza limfocitelor T [15] .
În formele de viață aerobe, energia necesară implementării funcțiilor biologice este produsă de mitocondrii de-a lungul lanțului de transport de electroni . Speciile reactive de oxigen (ROS), care au potențialul de a dăuna celulelor, sunt produse împreună cu energia. ROS poate deteriora lipidele, ADN-ul, ARN-ul și proteinele, care, teoretic, contribuie la modificări fiziologice în timpul îmbătrânirii.
ROS apar ca un produs normal al metabolismului celular . Printre acestea, principalul instigator al daunelor oxidative este peroxidul de hidrogen (H 2 O 2 ), care provine din superoxidul secretat de mitocondrii. Catalaza și superoxid dismutaza atenuează efectele dăunătoare ale peroxidului de hidrogen și, respectiv, superoxidului, transformând aceste substanțe în oxigen și peroxid de hidrogen (care ulterior se transformă în apă) - adică produc molecule inofensive. Cu toate acestea, aceste transformări nu sunt eficiente 100%, iar reziduurile de peroxid rămân în celule. Deși ROS sunt un produs al funcționării normale a celulelor, excesul lor duce la consecințe dăunătoare [16] .
Odată cu vârsta, memoria unei persoane se deteriorează, așa cum este evident în bolile degenerative precum boala Alzheimer , care sunt însoțite de acumularea de daune oxidative. Cercetările moderne arată că acumularea de ROS reduce performanța fizică a organismului, deoarece daunele oxidative contribuie la senescență. În special, acumularea daunelor oxidative duce la disfuncții cognitive, așa cum a confirmat un studiu la șobolani în vârstă cărora li sa administrat metaboliți mitocondriali și apoi au fost supuși unor teste cognitive. Pe baza rezultatelor, șobolanii s-au descurcat mai bine la sarcinile după metaboliți, sugerând că metaboliții au inversat daunele oxidative și au îmbunătățit funcția mitocondrială [17] . Acumularea daunelor oxidative poate afecta eficiența mitocondriilor și poate accelera producția de ROS [18] . Daunele oxidative acumulate și rolul său în procesul de îmbătrânire depind de tipul de țesut deteriorat. Testele suplimentare au ajutat la determinarea faptului că daunele oxidative sunt responsabile pentru deteriorarea funcției creierului cauzată de vârstă. Gerbilii bătrâni cu gheare au o concentrație mai mare de proteine oxidate decât rozătoarele tinere. Tratamentul șoarecilor bătrâni și tineri cu capcane spin a dus la o scădere a proteinelor oxidate la gerbilii bătrâni, dar nu a avut niciun efect asupra celor tineri. În plus, gerbilii mai în vârstă au avut rezultate mai bune la testele cognitive în timpul tratamentului, dar au avut o funcționalitate redusă atunci când tratamentul a fost oprit și nivelurile de proteine oxidate au crescut din nou. Pe baza acestor rezultate, oamenii de știință au concluzionat că oxidarea proteinelor celulare este potențial asociată cu funcționarea creierului [19] .
Teoria radicalilor liberi a îmbătrânirii afirmă că daunele oxidative cauzate de speciile reactive de oxigen provoacă deteriorarea funcțiilor caracteristice îmbătrânirii. Rezultatele studiilor pe nevertebrate sugerează că animalele predispuse genetic la lipsa anumitor enzime antioxidante (cum ar fi SOD ( superoxid dismutaza )) au o durată de viață redusă (după cum s-ar sugera pe baza teoriei), cu toate acestea, manipularea inversă pentru a crește enzimele antioxidante nu a făcut au un efect susținut asupra longevității (deși unele studii în Drosophila confirmă că longevitatea poate fi crescută prin supraexprimarea manganului-SOD și a enzimelor implicate în biosinteza glutationului). Această teorie este contrazisă de faptul că îndepărtarea SOD2 mitocondrială crește durata de viață la Caenorhabditis elegans [20] .
Cu șoarecii există o poveste trecătoare. Îndepărtarea enzimelor antioxidante are ca rezultat, în general, durata de viață scurtă, deși studiile de supraexpresie (cu câteva excepții recente) nu au crescut în mod constant durata de viață [21] . Un studiu al îmbătrânirii premature la șobolani a relevat stres oxidativ crescut, activitate redusă a enzimelor antioxidante și leziuni semnificative ale ADN-ului în neocortex și hipocamp la animalele model îmbătrânite prematur, comparativ cu șobolanii de control în vârstă [22] . Markerul de deteriorare a ADN-ului 8-OHdG ( 8-Oxo-2′-deoxiguanozină ) este un produs al interacțiunii ROS cu ADN-ul. Numeroase studii au arătat că conținutul de 8-OHdG crește odată cu vârsta în diferite organe ale mamiferelor [23] .
ROS apar constant în sistemul biologic pentru a îndeplini funcții de reglare și apoi sunt îndepărtate din acesta [24] . În condiții fiziologice normale, celulele controlează nivelul ROS prin menținerea unui echilibru între generarea și eliminarea ROS prin sistemele de purificare. Dar, în condiții de stres oxidativ, acumularea excesivă de ROS distruge proteinele celulare, lipidele și ADN-ul, ceea ce provoacă leziuni focale ireversibile în celulă, care contribuie la carcinogeneză.
Celulele canceroase experimentează un stres mai mare de ROS decât celulele sănătoase, în parte din cauza stimulării oncogene, a activității metabolice crescute și a insuficienței mitocondriale. AFC este o sabie cu două tăișuri. Pe de o parte, ele contribuie la supraviețuirea celulelor canceroase, deoarece progresia ciclului celular sub influența factorilor de creștere și a receptorilor tirozin kinazelor (RTK) necesită ROS pentru activare [25] . Inflamația cronică, principalul mediator al cancerului, este, de asemenea, controlată de ROS. Pe de altă parte, o concentrație crescută de ROS suprimă creșterea tumorii prin activarea susținută a unui inhibitor al ciclului celular [26] [27] și inițierea unui program de moarte celulară și îmbătrânire fiziologică din cauza deteriorării macromoleculelor. Majoritatea agenților chimioterapeutici și radioterapeutici ucid de fapt celulele canceroase prin exacerbarea stresului ROS [28] [29] . Capacitatea celulelor canceroase de a distinge între semnalele ROS pentru supraviețuire și apoptoză este determinată de doza, durata, tipul și locația producției de ROS. Celulele canceroase necesită o concentrație moderată de ROS pentru a supraviețui, iar un nivel prea ridicat duce la moartea lor.
Adaptarea metabolică a țesutului tumoral echilibrează nevoia de energie a celulei cu nevoia la fel de importantă de componente macromoleculare și controlul strict al echilibrului redox. Ca rezultat, producția de NADPH ca cofactor reducător în multe reacții enzimatice de biosinteză macromoleculară este mult îmbunătățită . În același timp, acest compus salvează celulele de excesul de ROS care rezultă din proliferarea rapidă. Celulele contrabalansează efectele nocive ale ROS prin producerea de antioxidanți precum glutationul redus (GSH) și tioredoxina (TRX), care necesită capacitatea de reducere a NADPH de a menține activitatea [30] .
Majoritatea factorilor de risc de cancer interacționează cu celulele prin ROS. ROS activează diverși factori de transcripție, cum ar fi factorul de transcripție universal activat al celulelor B ( NF-κB ), proteina activatoare-1 (AP-1), factorul 1-alfa inductibil de hipoxie, traductorul de semnal și activatorul de transcripție 3 (STAT3), care conduce la exprimarea proteinelor care controlează inflamația, transformarea celulelor, supraviețuirea celulelor tumorale, proliferarea celulelor tumorale, invazia, angiogeneza și metastaza. ROS controlează, de asemenea, expresia diferitelor gene supresoare tumorale, cum ar fi p53, proteina retinoblastomului (gena Rb), fosfataza și omologul tensinei (PTEN) [31] .
Oxidarea ADN-ului legată de ROS este una dintre principalele cauze ale mutațiilor care duc la mai multe tipuri de leziuni ale ADN-ului, inclusiv modificări ale bazelor slabe (8-oxoguanină și formamidopirimidină) și puternice (aducti ciclopurină și eteno), situsuri AP, monocatenar atipice. rupturi, aducti ADN și legături încrucișate intra și intermoleculare [32] . Cercetătorii au calculat că ROS endogene, care se formează ca rezultat al metabolismului celular normal, modifică aproximativ 20.000 de baze ADN pe zi într-o celulă. 8-oxoguanina este cea mai comună dintre toate diferitele baze azotate oxidate observate. În timpul replicării, ADN polimeraza nepotriviază 8-oxoguanina cu adenina, rezultând o transversie G→T. Instabilitatea genomică rezultată contribuie direct la carcinogeneză. Transformarea celulară duce la dezvoltarea cancerului, iar interacțiunea unei izoforme atipice a proteinei kinazei C tip zeta ( PKC-ζ) cu p47phox controlează producția și transformarea ROS din celulele stem tumorale printr-un program de urgență „bubble shield” [33] [34] .
Proliferarea necontrolată este o trăsătură caracteristică a celulelor canceroase. SRO exogene și endogene cresc proliferarea celulelor canceroase. Faptul că ROS promovează creșterea tumorii susține în continuare observațiile suplimentare că agenții cu potențial de a inhiba formarea ROS pot, de asemenea, inhiba proliferarea celulelor canceroase [31] . Deși ROS promovează proliferarea celulelor tumorale, o creștere semnificativă a concentrației de ROS este asociată cu o scădere a proliferării datorită opririi fazei G2/M a ciclului celular, fosforilării crescute a proteinei mutante în ataxia telangiectasia (ATM), kinaza punct de control 1 (Chk1). ), Chk 2 și scurtarea diviziunii celulare ciclului 25 omolog C (CDC25) [35] .
Moartea celulelor canceroase poate avea loc în trei moduri: apoptoză , necroză și autofagie . Excesul de ROS induce apoptoza atât prin căi extrinseci, cât și prin căi intrinseci [36] . În calea extrinsecă a apoptozei, ROS sunt generate de ligandul Fas ca precursor al activării Fas prin fosforilare, care este necesară pentru recrutarea ulterioară a proteinei din domeniul morții asociate cu Fas și a caspazei 8, precum și pentru inducerea apoptozei. [31] . Pe calea internă, ROS promovează eliberarea citocromului C prin activarea proteinelor de stabilizare a porilor (Bcl-2 și Bcl-xL) și blocarea proteinelor de destabilizare a porilor (proteina X legată de Bcl-2, proteina omoloagă antagonist-ucigatoare Bcl-2). ) [37] . Calea intrinsecă, denumită și cascada caspazei, începe cu deteriorarea mitocondrială care declanșează eliberarea citocromului C. Deteriorarea ADN-ului, stresul oxidativ și pierderea potențialului membranei mitocondriale duc la eliberarea proteinelor pro-apoptotice menționate mai sus care stimulează apoptoza. [38] . Leziunile mitocondriale sunt strâns legate de apoptoză și, deoarece mitocondriile sunt ușor afectate, există potențialul de oncoterapie [39] . Proprietățile citotoxice ale ROS acționează ca o forță motrice pentru apoptoză, dar la o concentrație și mai mare de ROS poate duce atât la apoptoză, cât și la necroză - o formă necontrolată de moarte celulară - a celulelor canceroase [40] .
Numeroase studii indică căi și asocieri ale nivelului ROS cu apoptoza, dar o nouă linie de cercetare leagă concentrația ROS și autofagia [41] . ROS poate provoca moartea celulelor prin autofagie, un proces catabolic independent care constă în sechestrarea conținutului citoplasmatic (organele epuizate sau deteriorate și proteine agregate) și degradarea acestuia de către lizozomi [42] . Prin urmare, autofagia menține sănătatea celulelor în timpul stresului oxidativ. Nivelurile concentrației de ROS pot induce autofagia în celulă într-o varietate de moduri pentru a scăpa de organele dăunătoare, cum ar fi agenții cancerigeni și pentru a preveni deteriorarea fără a declanșa apoptoza [43] . Moartea celulelor autofagice poate apărea ca urmare a supraexprimării autofagiei, atunci când o celulă înghite prea multe părți din ea însăși în încercarea de a compensa daunele și nu mai este capabilă să trăiască. În acest tip de deces, există o creștere sau pierdere a controlului asupra genelor care reglează autofagia [44] . Astfel, odată ce cercetătorii obțin o înțelegere mai profundă a procesului de moarte celulară autofagică și a relației sale cu ROS, această formă de moarte celulară programată poate servi ca o terapie nouă pentru cancer. Autofagia și apoptoza sunt mecanisme diferite de moarte celulară cauzate de niveluri ridicate de ROS. Cu toate acestea, autofagia și apoptoza se dezvoltă rareori pe căi strict independente. Există o legătură dovedită între ROS și autofagie și o corelație între excesul de ROS și apoptoză [43] . Depolarizarea membranei mitocondriale este o altă caracteristică a debutului autofagiei. Când mitocondriile deteriorate încep să elibereze ROS, este inițiată autofagia pentru a scăpa de organele inutile. Dacă medicamentul vizează mitocondriile și creează ROS, atunci autofagia va ajuta la eliminarea celulei de un număr mare de mitocondrii și alte organite deteriorate care nu erau viabile. O cantitate excesivă de ROS și deteriorarea mitocondriilor pot servi, de asemenea, drept semnal de apoptoză. Echilibrul autofagiei în interiorul celulei și influența reciprocă a autofagiei și apoptozei mediate de ROS sunt critice pentru supraviețuirea celulei. Interacțiunea și relația dintre autofagie și apoptoză poate deveni o țintă pentru oncoterapii sau poate găsi aplicație în metodele de tratament combinat al cancerelor rezistente.
La stimularea cu receptori de factor de creștere tirozin kinaze (RTK), ROS poate declanșa activarea căilor de semnalizare implicate în migrarea și invazia celulelor, de exemplu din familia protein kinazei activate de mitogen (MAPK) - kinaza reglată de semnal extracelular (ERK), c-jun NH-2-kinaza terminală și p38 MAPK. ROS promovează migrarea prin îmbunătățirea fosforilării kinazei de adeziune focală (FAK) p130Cas și paxilină [45] .
Studiile in vitro și in vivo au arătat că ROS induc factori de transcripție și modulează moleculele de semnalizare implicate în angiogeneză (MMP, VEGF) și metastaze (reglarea în sus a AP-1, CXCR4, AKT și suprimarea PTEN) [31] .
Studiile experimentale și epidemiologice din ultimii câțiva ani au găsit asocieri strânse între ROS, inflamația cronică și cancer [31] . ROS provoacă inflamație cronică prin inducerea COX-2, citokine inflamatorii (TNFα, interleukina 1 ((IL-1), IL-6, chemokine (IL-8, CXCR4) și factori de transcripție proinflamatori ( NF-κB ) [ 31]) Chemokinele și receptorii de chemokine, la rândul lor, promovează invazia și metastazarea diferitelor tipuri de tumori.
Există strategii de creștere și scădere a nivelurilor de ROS, dar acesta din urmă este mai des preferat. Celulele canceroase cu o concentrație mare de ROS sunt dependente de un sistem de apărare antioxidant. Medicamentele care cresc ROS cresc stresul oxidativ, fie prin generarea directă de ROS (de exemplu, motexafină gadoliniu și elesclomol), fie prin agenți care închid sistemul antioxidant intrinsec, cum ar fi un inhibitor de SOD (ATN-224, 2-metoxiestradiol) și un inhibitor de GSH. (PEITC), butionin sulfoximină). Ca urmare, crește nivelul ROS endogen, care, dacă pragul de toleranță este depășit, poate provoca moartea celulelor [46] . Pe de altă parte, celulele normale la un nivel scăzut de stres sunt mai capabile să facă față efectelor suplimentare care generează ROS decât celulele canceroase [47] . Astfel, o creștere a concentrației de ROS în toate celulele poate fi considerată o modalitate de a distruge selectiv celulele canceroase.
Radioterapia se bazează și pe toxicitatea ROS, care distruge celulele tumorale. Radioterapia folosește raze X, raze gamma și radiații de la particule grele, cum ar fi protoni și neutroni, pentru a induce moartea celulară și catastrofa mitotică mediată de ROS [31] .
Datorită rolului dublu al ROS, au fost dezvoltați atât agenți anti-canceri prooxidanți, cât și antioxidanți. Cu toate acestea, modularea semnalului ROS în sine nu poate fi considerată o metodă ideală datorită adaptării celulelor canceroase la stresul ROS, căilor redundante de susținere a creșterii tumorii și toxicității medicamentelor anticancer care generează ROS. Este necesară combinarea medicamentelor generatoare de ROS cu produse farmaceutice care pot interfera cu adaptarea redox pentru a construi cea mai de succes strategie de creștere a citotoxicității celulelor canceroase [31] .
James Watson [48] împreună cu colegii [49] au sugerat că lipsa ROS intracelulare din cauza lipsei de efort contribuie la malignitatea tumorii, deoarece o concentrație maximă de ROS este necesară pentru plierea corectă a proteinelor în reticulul endoplasmatic. Un nivel scăzut de ROS previne în mod specific formarea proteinelor supresoare tumorale [49] . Deoarece exercițiul fizic provoacă creșteri temporare ale ROS, acest lucru explică faptul că activitatea fizică îmbunătățește prognosticul pacienților cu cancer. [50] Mai mult, medicamentele care cresc puternic nivelurile de ROS (de exemplu, 2-deoxi-D-glucoză și inductori de stres celular pe bază de carbohidrați) sunt mai eficiente în inducerea morții celulelor canceroase din cauza lăcomiei de zahăr a celulelor canceroase [51] .