UNIVERZITA KOMENSKÉHO V BRATISLAVE LEKÁRSKA FAKULTA Ústav lekárskej chémie, biochémie a klinickej biochémie Oxidačný stres v nádorových ochoreniach Ingrid Žitňanová
Oxidačný stres Antioxidanty Prooxidanty
Endogénne Zdroje voľných radikálov ZDROJ RMO Mitochondrie O 2.-, H 2 O 2,. OH Cytochróm P450 O 2.-, H 2 O 2 Makrofágy/zápalové bunky O 2.-, H 2 O 2, NO, OCl - Peroxizómy H 2 O 2 Exogénne UV svetlo (200-300 nm) slnka röntgenove žiarenie, gamma žiarenie chemikálie, chemoterapia, rádioterapia vírusy
Dvojitá úloha RMO a RMN Negatívna úloha: Poškodenie bunkových štruktúr (L, P, NK) Pozitívna úloha: Ochrana pred infekciou (fagocytóza) Indukcia apoptózy (anti-tumorové účinky) Druhé posly (second messengers) v bunkovej signalizácii
Faktory vplývajúce na výskyt rakoviny Žiarenie Doll a Peto (1981)
RMO INICIÁCIA PROMÓCIA Štádium pre-neoplastických buniek Poškodenie DNA Proliferácia Normálna bunka Oprava DNA Iniciovaná bunka Apoptóza ireverzibilné PROGRESIA Štádium neoplastických buniek Tumor
1) Úloha RMO v iniciácii karcinogenézy Oxidačné zásahy DNA - 10 5 / bunku a deň Účinok OS na iniciáciu rakoviny cez mutagenézu - závislý od intezity OS Najúčinnejší mutagénny efekt - stredné dávky OS vysoké dávky OS - smrť bunky
Účinok OS na iniciáciu rakoviny cez mutagenézu je závislý od intenzity OS Karcinogénny účinok Signálna funkcia Mutagenéza Apoptóza/ Nekróza Nízka Stredná Vysoká Hladina oxidačného stresu
Účasť oxid. stresu na poškodení DNA OXIDAČNÝ STRES Uvoľňovanie katalytického Fe a Cu do bunky Tvorba. OH z H 2 O 2 a iónu kovu viazaného na DNA Väzba atómov kovov na DNA Štiepenie reťazca DNA Modifikácia dusíkových zásad Poškodenie deoxyribózy
Poškodenie DNA vplyvom RM Poškodenie DNA vplyvom endogénnych RM Poškodenie DNA vplyvom exogénnych RM Nestabilita genómu karcinogenéza
Poškodenie DNA rôznymi RMO O 2.- - nereaguje s DNA bázami HO. - reaguje so všetkými 4 DNA bázami tvorba množstva produktov 1 O 2 selektívne reaguje s guanínom 8-hydroxyguanín RMN (NO, NO 2, ONOO -, N 2 O 3, HNO 2 ) nitrácia DNA báz
Priame Poškodenie DNA Nepriame
Priame poškodenie DNA pomocou RM Guanín C8-OH-aduktový radikál guanínu 8-hydroxyguanín G:C T:A transversie
Modifikácia dusíkových zásad v DNA 4,6-diamino-5-formamidopyrimidín tymínglykol 5-OH-cytozín
Modifikácia dusíkových zásad pomocou RMN Reakcia guanínu s ONOO - G:C T:A transversie Indentifikovaných viac ako 100 oxidačných produktov DNA
Nepriama mutagenicita RM Poškodenie proteínov DNA reparačné enzýmy DNA polymeráza Proteíny signálnych dráh Poškodenie lipidov Peroxidácia lipidov a tvorba mutagénnych karbonylových zlúčenín (MDA, 4HNE)
Účinok RM závisí od: typu RM koncentrácie RM času expozície koncentrácie AO
Štruktúrne zmeny DNA Peroxidácia lipidov Oxidácia proteínov Znížená aktivita DNA reparačných enzýmov RMO/RMN Regulácia bunkovej smrti apoptózou alebo nekrózou
2) Úloha RMO v promócii nádorov Účinky RMO: Modulácia génov súvisiacich s proliferáciou alebo smrťou buniek
RM a redoxná homeostáza Redoxný stav koncentrácia elektrónov v bunke udržiavaný v úzkom rozmedzí (GSH, TRX) Redukujúce prostredie proliferácia diferenciácia apoptóza nekróza Oxidované prostredie RM menia redoxnú homeostázu a podporujú tvorbu nádoru iniciáciou zmenených signálnych dráh. Redoxná nerovnováha zistená v rôznych typoch nádorov
Bunkový redoxný systém Glutatión OS (Redukovaný) 2GSH GSSG (Oxidovaný) 10-100 : 1 Tioredoxín (oxido-reduktáza) - redukuje peroxidy a RMO v bunke Glutaredoxín (tioltransferáza) - reguluje transkripčné faktory (napr. NF-kappaB) - reguluje signálne kaskády
3) Úloha RMO v progresii nádorov Nádorové bunky - zvýšená tvorba RMO znížená aktivita AO enzýmov (Mn-SOD) permanentný OS genómová nestabilita Účinok OS závislý od dávky OS: OS urýchľuje progresiu nádoru zvyšovaním genómovej nestability Vysoká hladina OS v nádorových bunkách smrť apoptózou Antioxidačný paradox
Antioxidačný paradox Antioxidanty Zabraňujú rastu nového nádoru v in vitro experimentoch (VR...mutácie...rakovina) Sú bez účinku alebo s negatívnym účinkom v in vivo experimentoch
Jadrové versus mitochondriové poškodenie DNA Jadrová DNA Mitochondriová DNA RMO vedľajšie produkty pri tvorbe ATP SOD prítomná v mitochondriách (Mn-SOD ), cytoplazme (Cu, Zn-SOD zneškodňuje O 2. - 2O.- SOD 2 + 2H + H 2 O 2 + O 2
Poškodenie mitochondriovej DNA a karcinogenéza Počet mutácii v mitochondriovej DNA 100x vyššie ako v jadrovej DNA Faktory zvýšenej citlivosti mitochond. DNA na ox. poškodenie: 1) Mitochond. DNA v tesnej blízkosti dých. reťazca (zdroj RMO) 2) Mitochond. DNA nechránená histónmi 3) Obmedzená reparačná schopnosť mitochond. DNA mitochond. dysfunkcia
Epidemiologické štúdie PHS I (Physician Health Study), 1982 1995: 22 071 mužov (40-84 rokov) nefajčiarov, 50 mg β -karotén, 325 mg aspirín/deň/placebo β -karotén - bez efektu na kardiovaskulárny systém a výskyt rakoviny kože a pľúc, nízka dávka aspirínu redukuje riziko CVCH (o 44%) PHS II (Physician Health Study), 5 rokov, 1999: 15 000 nefajčiarov, 50 mg β-karotén/deň, 400 IU vit.e, 500 mg vit.c alebo placebo bez efektu na kardiovaskulárny systém a výskyt rakoviny
Klinické testovanie α-tokoferolu a β-karoténu na rakovinu hrdla (1994) Rakovina hrdla -α-tokoferol (400 U/deň) β-karotén (30 mg/deň) počas rádioterapie 3 roky Výsledok: - tendencia menej vážnych negatívnych účinkov počas terapie - vyššia tendencia návratu rakoviny v testovanej skupine Bairati et al. J. Clin. Oncol. 23, 5805-5813
Epidemiologické štúdie s negatívnym výsledkom ATBC (alfa-tokoferol-β-karotén) (1994), Fínsko: 29 133 fajčiarov ( 20 cigariet denne), 50-69 roční 20 mg β-karoténu/deň, 50 mg alfa-tokoferolu, 5 rokov o 18% vyšší výskyt rakoviny pľúc o 8% nárast celkovej úmrtnosti 32% znížený výskyt rakoviny prostaty (vitamín E) ATBC group: New Eng.J.med. 330, 1029-1035, 1994
CARET (Carotene And Retinol Efficacy Trial), 5 rokov, USA 18 314 fajčiarov (>20 rokov) 30 mg β-karoténu (AO), 25 000 IU vit.a, placebo predčasné ukončenie štúdie (o 21 mesiacov) 28% vyšší výskyt rakoviny pľúc u ťažkých fajčiarov 17% nárast smrti (rakovina pľúc) vyšší výskyt smrti z kardiovaskulárnych ochorení žiadny účinok u ľahkých fajčiarov Omen GS et al.: New Eng.J.Med. 334, 1150-1155, 1996
...po 6 rokoch Výskyt rakoviny pľúc klesal pomalšie ako v ATBC štúdii Výskyt rakoviny pľúc a smrť (z akýchkoľvek príčin) bol vyšší u žien v testovanej sk.
Endogénne zdroje RMO Exogénne zdroje Poškodenie lipidov proteínov Zmena redox. stavu bunky Mutácie jadrovej DNA mitochondriovej DNA Poškodenie DNA Jedno a dvojvláknové zlomy Ovplyvnenie signálnych dráh Zmena v expresii génov KARCINOGENÉZA
Zhrnutie RMO Antikancerogénne účinky Prokancerogénne účinky v závislosti od ich koncentrácie, typu RMO, času expozície, koncentrácie AO Poškodenie DNA RMO Priame mutácie Nepriame poškodenie L MDA, HNE poškodenie P signálne dráhy reparač. enzýmy
Ďakujem za pozornosť...