Komórki nowotworowe a stres oksydacyjny

Postepy Hig Med Dosw. (online), 2009; 63: 58-72 e-ISSN 1732-2693

www.phmd.plReview

Received: 2008.09.17 Accepted: 2009.01.14 Published: 2009.02.23

Komrki nowotworowe a stres oksydacyjny Cancer cells and oxidative stressDorota cibior-Bentkowska, Hanna CzeczotKatedra i Zakad Biochemii, Warszawski Uniwersytet Medyczny

StreszczenieWytwarzanie reaktywnych form tlenu (RFT) jest nieodcznym elementem tlenowego metabolizmu komrek. S one jego naturalnymi produktami i w steniach zjologicznych odgrywaj wan rol w prawidowym funkcjonowaniu wielu procesw komrkowych. Zaburzenie rwnowagi midzy wytwarzaniem RFT a wydajnoci systemw antyoksydacyjnych prowadzi do stresu oksydacyjnego, co skutkuje uszkodzeniami wanych makroczsteczek komrkowych, tj. DNA, biaek i lipidw. Coraz wicej danych wskazuje na udzia RFT w transformacji nowotworowej komrek. Stwierdzono wystpowanie stresu oksydacyjnego w komrkach nowotworowych, ale mechanizmy odpowiedzialne za jego indukcj nie s do koca wyjanione. Wiadomo, e obejmuj one m.in. stany zapalne i dziaanie cytokin, sygnay onkogenne, intensywny metabolizm zwizany z cig proliferacj, mutacje w DNA mitochondrialnym i dysfunkcje w acuchu oddechowym. Due stenie RFT w komrkach nowotworowych moe prowadzi do adaptacji komrkowej, wzrostu tempa proliferacji, powstawania mutacji w DNA i niestabilnoci genomu, a take do opornoci na pewne grupy lekw stosowanych w terapii nowotworw, co wspomaga rozwj nowotworu. Zjawisko stresu oksydacyjnego w komrkach nowotworowych moe by wykorzystane w poszukiwaniu nowych strategii przeciwnowotworowych.

Sowa kluczowe:

komrki nowotworowe stres oksydacyjny reaktywne formy tlenu

SummaryReactive oxygen species (ROS) formation are a constant element of a cells oxygen metabolism. They are its normal products and in physiological concentrations they play important roles in a variety of cell processes. Disturbances in the balance between ROS formation and the efciency of antioxidant mechanisms lead to oxidative stress. Oxidative stress causes damage to important macromolecules, such as DNA, proteins, and lipids. Growing evidence indicates the participation of ROS in the cancerous transformation of cells. Oxidative stress was also found in cancer cells, but the mechanisms responsible for its induction have not been denitively explained. It is known that they include inammation and cytokine action, oncogenic signals, intensive metabolism related to constant proliferation, mutations in mitochondrial DNA, and malfunction in the respiratory chain. A high level of ROS in cancer cells may lead to a variety of biological responses, such as cell adaptation, increased proliferation rate, formation of DNA mutations and genetic instability, and resistance to some drugs used in anticancer therapy. Therefore, oxidative stress in cancer cells promotes tumor development, but it can also be useful in the search for new therapeutic strategies of cancer treatment.

-

-

-

Key words:-

cancer cells oxidative stress radical oxygen species

-

58Electronic PDF security powered by www.IndexCopernicus.com

cibior-Bentkowska D. i Czeczot H. Komrki nowotworowe a stres oksydacyjny

Full-text PDF: Word count: Tables: Figures: References: Adres autorki: Wykaz skrtw:

http://www.phmd.pl/fulltxt.php?ICID=879821 7626 1 96 dr hab. Hanna Czeczot, prof. nadzw. WUM, Katedra i Zakad Biochemii, Warszawski Uniwersytet Medyczny, ul. Banacha 1, 02-097 Warszawa; e-mail: [email protected] AP-1 czynnik transkrypcyjny 1 (activator protein 1); ASK1 kinaza 1 sygnalizujca apoptoz (apoptosis signal-regulating kinase 1); ATO trjtlenek arsenu; ATP adenozynotrjfosforan; BSO butioninosulfoksyimina; CAM biako adhezyjne (cell adhesion molecule), CAT katalaza; CuZnSOD cynkowo-miedziowa dysmutaza ponadtlenkowa; DNA kwas deoksyrybonukleoproteinowy; ERK kinaza regulowana przez sygna pozakomrkowy (extracellular signal-regulated kinases); G6PD dehydrogenaza glukozo-6-fosforanowa; GSH zredukowany glutation; GSHPx peroksydaza glutationowa; GSHR reduktaza glutationowa; GSSG utleniony glutation; GST transferaza S-glutationowa; 4HHE 4-hydroksyheksenal; 4HNE trans-4hydroksy-2-nonenal; H2O2 nadtlenek wodoru; HO2 rodnik wodoronadtlenkowy; HOCl kwas podchlorawy/kwas chlorowy (I); iNOS indukowana syntaza tlenku azotu; JNK C-Jun N-kocowa kinaza (c-Jun-terminal kinase); NF-kB czynnik transkrypcyjny kappa B (nuclear factor kappa B); 2-ME 2-metoksyestradiol; MDA dialdehyd malonowy; mtDNA mitochondrialny kwas deoksyrybonukleoproteinowy; NAC N-acetylocysteina; NADPH forma zredukowana dinukleotydu nikotynoamidoadeninowego; NO tlenek azotu; ONOO nadtlenoazotyn/anion kwasu azotowego (III); O2 anionorodnik ponadtlenkowy; 1O2 tlen singletowy; OH rodnik hydroksylowy; MnSOD manganowa dysmutaza ponadtlenkowa; NOS syntaza tlenku azotu; PCK kinaza biakowa C (protein kinase C); RFT reaktywne formy tlenu; SOD dysmutaza ponadtlenkowa; TGF-b czynnik wzrostu nowotworw b (tumor growth factor b); TNF czynnik martwicy nowotworu (tumor necrosis factor); TRX tioredoksyna; WRA wolne rodniki azotowe.Wytwarzanie RFT jest nieodcznym elementem aerobowego metabolizmu komrkowego. S one jego naturalnymi produktami i w zjologicznych steniach odgrywaj wn rol w prawidowym dziaaniu zoonych mechanizmw, kontrolujcych podziay komrkowe i uczestnicz w przebiegu wielu wanych procesw komrkowych. Do tego typu procesw nale m.in.: aktywacja czynnikw transkrypcyjnych, takich jak NF-kB czy AP-1, regulacja procesw fosforylacji biaek czy poziomu wapnia w komrkach i in. S take czynnikami obronnymi organizmu, biorcymi udzia w eliminowaniu drobnoustrojw w procesie fagocytozy. Niezalenie od tych wanych funkcji biologicznych RFT mog by take czynnikami uszkadzajcymi skadniki komrkowe. Zaburzenia rwnowagi midzy wytwarzaniem RFT a wydajnoci systemw antyoksydacyjnych prowadz do stresu oksydacyjnego [48,50]. Powstawanie nowotworw jest procesem wieloetapowym, w ktrym wyrnia si faz inicjacji, promocji i progresji. Wyniki licznych bada w ukadach dowiadczalnych in vitro i in vivo wskazuj, e RFT s zaangaowane nie tylko na etapie inicjacji i promocji procesu kancerogenezy, ale rwnie jego progresji [10,38,68].

Prawie kady typ zrnicowanych komrek moe utraci zdolno do kontrolowania podziaw i nabra cech komrek nowotworowych w procesie transformacji nowotworowej. Transformacja nowotworowa polega na kumulacji w materiale genetycznym komrek wielu uszkodze, ktre upoledzaj prawidowe mechanizmy kontroli ich proliferacji. Jest ona uwarunkowana dziaaniem czynnikw genetycznych (teoria genetyczna) i czynnikw rodowiskowych (teoria epigenetyczna) [14]. Wedug teorii genetycznej transformacja zdrowych komrek w komrki nowotworowe jest zwizana z aktywacj protoonkogenw do onkogenw i/lub inaktywacj genw supresorowych oraz genw mutatorowych pod wpywem dziaania rnego rodzaju czynnikw. Teoria epigenetyczna zakada, e nowotwr powstaje w wyniku nieprawidowego rnicowania si komrek [14,17]. Obecnie uwaa si, e niektre typy nowotworw powstaj za porednictwem mechanizmw genetycznych, a inne - epigenetycznych. Istnieje rwnie wiele przesanek, e oba te mechanizmy wspdziaaj ze sob w zoonym procesie kancerogenezy. Dzi nie ulega ju wtpliwoci, e czynniki rodowiskowe wspuczestnicz w procesie ostatecznej decyzji, czy komrki z mutacjami w DNA ulegn transformacji nowotworowej. Coraz wicej danych wskazuje, e jednym z czynnikw odpowiedzialnych za indukcj transformacji nowotworowej komrek s reaktywne formy tlenu (reactive oxygen species RFT). Z powodu swej znacznej reaktywnoci stanowi one powane zagroenie dla integralnoci i prawidowego funkcjonowania komrek [5,39,92].

-

-

CHARAKTERYSTYCZNE CECHY KOMREK NOWOTWOROWYCHKomrki nowotworowe zazwyczaj zachowuj strukturalne i funkcjonalne cechy typowe dla komrek, z ktrych si wywodz. Wykazuj one jednak charakterystyczny zbir cech, odrniajcych je od komrek prawidowych.

-

-

-


Postepy Hig Med Dosw (online), 2009; tom 63: 58-72

Cechy te pozwalaj im na formowanie guza nowotworowego, a w kocowych stadiach jego rozwoju na tworzenie przerzutw do innych czci ciaa. Podczas transformacji nowotworowej komrek zachodzi wiele zmian, ktre przy braku odpowiednich sygnaw stymulujcych i/lub w obecnoci sygnaw hamujcych umoliwiaj im wzrost i podzia [14]. Do najwaniejszych cech odrniajcych komrki nowotworowe od komrek niezmienionych nowotworowo nale: niezaleno od zewntrznych sygnaw wzrostu, niewraliwo na inhibitory wzrostu, ucieczka od zaprogramowanej mierci (apoptozy), nieograniczony potencja replikacyjny, zdolno do cigej angiogenezy, inwazji do ssiednich tkanek i tworzenia przerzutw. Komrki nowotworowe charakteryzuj si rwnie licznymi zmianami w budowie (m.in. cytoszkieletu, jdra czy bon komrkowych) oraz w skadzie i liczbie kanaw bonowych, receptorw czy enzymw [14,42]. Zmieniona w stosunku do prawidowych komrek dystrybucja oraz aktywno mikrolamentw i mikrotubul moe wpywa na interakcje midzy komrkami nowotworowymi, ich adhezj i ruchliwo. Zmniejszenie adhezji typu komrka : komrka oraz komrka : macierz midzykomrkowa pozwala na formowanie si guzw nowotworowych o stosunkowo duej masie. Podczas gdy w przypadku prawidowych komrek, obserwuje si zjawisko zahamowania wzrostu w wyniku kontaktu bona : bona z ssiadujcymi komrkami, nie stwierdzono takiego zjawiska w komrkach nowotworowych. Wykazuj one bowiem zdolno do kontynuowania wzrostu i podziaw nawet w otoczeniu innych komrek. Obnienie adhezji komrkowej wpywa rwnie na ruchliwo komrek nowotworowych, co umoliwia im poruszanie si, migracj w celu rozprzestrzeniania i tworzenia przerzutw. Inwazj do ssiadujcych tkanek umoliwiaj komrkom nowotworowym swoiste enzymy, wytwarzane w celu usuwania barier, ktre mogyby uniemoliwia ich migracj i rozprzestrzenianie si [15,42]. Jedn z najwaniejszych cech komrek nowotworowych jest zdolno do cigych podziaw. O wejciu prawidowych komrek na ciek proliferacji decyduj odpowiednie zewntrzne czynniki pobudzajce mitoz. W przypadku komrek nowotworowych proliferacja moe zachodzi niezalenie od tych czynnikw. Wytwarzaj one autokrynnie wasne czynniki wzrostu, co uniezalenia je od zewntrznych czynnikw stymulujcych podziay, a tym samym od innych komrek. Dodatkowo komrki nowotworowe mog stymulowa otaczajce je komrki prawidowe do wytwarzania zwikszonych iloci czynnikw wzrostu, co prowadzi do podtrzymywania staego wzrostu guza nowotworowego. Zmniejszenie wraliwoci komrek nowotworowych na czynniki zewntrznego pochodzenia umoliwiaj zmiany w budowie i liczbie receptorw na ich powierzchni [3,11]. Komrki nowotworowe maj rwnie mechanizmy eliminujce odbir sygnaw antyproliferacyjnych. Na poziomie molekularnym wikszo tych sygnaw jest przesyanych do komrek przez specjalne biaka pRb, p107 i p130. Hipofosforylacja biaka pRb hamuje proliferacj, prowadzc do zmian funkcji odpowiednich czynnikw transkrypcyjnych (np. E2F), ktre kontroluj ekspresje genw, od-

powiedzialnych za przejcie komrek z fazy G1 do fazy S cyklu komrkowego. Zakcenie tej cieki w komrkach nowotworowych uniemoliwia zahamowanie proliferacji i powoduje, e staj si one niewraliwe na czynniki antyproliferacyjne. Najlepiej udokumentowane jest dziaanie TGF-b, ktry stymuluje syntez biaek p15INK4B i p21, blokujcych kompleks odpowiedzialny za fosforylacj biaka pRb [43]. Komrki nowotworowe mog rwnie zmniejsza ekspresj integryn, odpowiedzialnych za odbieranie sygnaw antyproliferacyjnych oraz czsteczek adhezyjnych, zwizanych z przekazywaniem sygnau do wntrza komrek [34,42]. Komrki nowotworowe nie tylko d do nieograniczonej proliferacji, ale take do zahamowania rnicowania, ktre stanowi sygna stop dla dzielcych si komrek. W prawidowych komrkach, po otrzymaniu przez nie sygnau do podziau nastpuje przejciowa ekspresja protoonkogenu myc. Aktywacja transkrypcji zaley nie tylko od poziomu produktu protoonkogenu myc, ale rwnie od obecnoci odpowiednich biaek Max i Mad. Czynnik transkrypcyjny Myc, aktywnie oddziauje z DNA tylko w postaci kompleksu z biakiem Max, stymulujc proliferacj. Zwizanie biaka Max przez inne biako jdrowe o nazwie Mad prowadzi do negatywnej regulacji transkrypcji. Te cile regulowane procesy zostaj zaburzone w komrkach nowotworowych, w ktrych nadekspresja biaka Myc, moe przesuwa rwnowag w kierunku kompleksu Myc-Max, prowadzc do cigych podziaw komrkowych [31]. Cech wikszoci (a by moe nawet wszystkich typw komrek nowotworowych) jest niewraliwo na apoptoz. Wejcie komrek na drog apoptozy uwarunkowane jest wieloma czynnikami, a mechanizmy odpowiedzialne za jej przebieg mona podzieli na sensorowe i efektorowe. Wewntrzkomrkowe czujniki uruchamiaj proces apoptozy w odpowiedzi na wykryte nieprawidowoci w komrce, obejmujce: uszkodzenia DNA, zaburzenia wynikajce z dziaania produktw biakowych onkogenw, niedobory czynnikw niezbdnych do przeycia czy niedotlenienie. Wiele czynnikw apoptotycznych gromadzi si w mitochondriach, ktre uwalniaj cytochrom c potencjalny katalizator apoptozy. Do mechanizmw efektorowych tego procesu naley uwalnianie wewntrzkomrkowych proteaz zwanych kaspazami [28,37,87]. Apoptoza jest uznawana za gwny mechanizm zapobiegajcy nowotworzeniu. Komrki nowotworowe zabezpieczaj si przed apoptoz, wykorzystujc rne mechanizmy. Najczciej wystpujcym mechanizmem s mutacje w genie supresorowym p53 i utrata proapoptotycznego dziaania jego produktu biakowego. Mutacje prowadz do funkcjonalnej inaktywacji biaka p53, ktre w prawidowych warunkach odpowiada za wywoanie apoptozy poprzez regulacj ekspresji genu Bax w odpowiedzi na uszkodzenia DNA. Biako Bax z kolei stymuluje mitochondria do uwalniania cytochromu c. W nastpstwie mutacji biako p53 nie dziaa jako sensor uszkodze DNA i nie dochodzi do uruchomienia mechanizmw efektorowych apoptozy. Dodatkowo w komrkach nowotworowych moe dochodzi do uruchamiania innej cieki przekazywania sygnaw antyapoptotycznych: kinazy PI3-AKT/PK [28]. Uniezalenienie od zewntrznych sygnaw wzrostu, niewraliwo na inhibitory wzrostu i zdolno do unikania

-

-

-

-

-



apoptozy pozwala komrkom nowotworowym na samodzielny, niezaleny od czynnikw zewntrznych wzrost i rozwj. Wytworzyy one rwnie mechanizmy zapewniajce im nieograniczony potencja replikacyjny, podczas gdy prawidowe komrki s zdolne tylko do 6070 podziaw. W przypadku wikszoci nowotworw potencja ten jest zwizany z aktywnoci enzymu telomerazy, ktra zapewnia utrzymanie integralnoci chromosomw w trakcie kolejnych podziaw. W prawidowych warunkach podczas kadego podziau komrkowego dochodzi do skracania DNA. Wynika to z niezdolnoci polimerazy DNA do cakowitej replikacji koca 3DNA w fazie S cyklu komrkowego i prowadzi do wyczerpania potencjau replikacyjnego komrki po okrelonej liczbie podziaw. Utrzymanie staej dugoci odcinkw telomerowych w DNA jest charakterystyczne dla wszystkich typw komrek nowotworowych. Wynika to ze zwikszonej ekspresji enzymu telomerazy, odpowiedzialnego za dobudowanie telomerw w kadym cyklu komrkowym. Pozwala to komrkom nowotworowym na uniknicie zjawiska starzenia si, uznawanego za drugi obok apoptozy wany mechanizm chronicy prawidowe komrki przed transformacj nowotworow [20]. Do rozwoju nowotworu niezbdna jest cig angiogeneza. Komrki nowotworowe maj zdolno do aktywacji tego procesu. Odbywa si to poprzez zmian rwnowagi midzy czynnikami stymulujcymi i hamujcymi ten proces [41]. W kocowych stadiach rozwoju guza komrki nowotworowe zyskuj zdolno do inwazji ssiadujcych tkanek, przemieszczania si do nawet odlegych organw i tworzenia przerzutw. Inwazyjno i przerzutowanie s zoonymi procesami, w ktre zaangaowane s liczne biaka. Nale do nich biaka odpowiedzialne za zjawisko adhezji komrkowej np. CAM, integryny, a take proteazy [54].

produktw ubocznych tego procesu nale anionorodnik ponadtlenkowy (O2), nadtlenek wodoru (H2O2), rodnik hydroksylowy (OH), tlen singletowy (1O2), rodnik wodoronadtlenkowy (HO2) [5,44,51]. W wikszoci biologicznych reakcji w wyniku jednoelektronowej redukcji tlenu powstaje O2, ktry peni gwn rol jako prekursor wszystkich pozostaych RFT. Gwnym miejscem tworzenia RFT w komrkach jest kompleks I i III acucha oddechowego. Najwicej O2 i innych RFT powstaje w trakcie przepywu elektronw pomidzy kompleksem I i III, ale w warunkach hipoksji miejscem ich wytwarzania jest rwnie kompleks II [51]. rdem anionorodnika ponadtlenkowego w komrkach s rwnie reakcje autoutleniania niskoczsteczkowych zwizkw (np. adreanaliny, noradrenaliny), tetrahydropterydyny, zredukowanych nukleotydw awinowych (FMNH2, FADH2), zwizkw tiolowych (np. glutationu, cysteiny) [5,51]. Powstawanie O2 towarzyszy take niektrym reakcjom enzymatycznym, katalizowanym przez enzymy z klasy oksydoreduktaz, takie jak np. oksydazy ksantynowa, aldehydowa, acylo-CoA, NAD(P)H. Wrd wymienionych enzymw szczeglne znaczenie ma oksydaza ksantynowa, ktra utlenia hipoksantyn do ksantyny i ksantyn do kwasu moczowego oraz oksydaza NAD(P)H, obecna m.in. w bonach fagocytw. Wystpowanie w organizmie ognisk zapalnych stymuluje gwatowny wzrost zuycia tlenu przez komrki fagocytujce, zwany wybuchem tlenowym [74]. Anionorodnik ponadtlenkowy i rodnik hydroksylowy wytwarzane s rwnie w trakcie metabolizmu kwasu arachidonowego. W wyniku dziaania lipooksygenazy powstaj anionorodniki ponadtlenkowe, a cyklooksygenazy rodniki hydroksylowe [18]. Kolejnym istotnym rdem O2 i innych wolnych rodnikw w komrce jest mikrosomalny system transportu elektronw, odpowiedzialny za utlenianie ksenobiotykw (np. lekw, pestycydw, rodkw konserwujcych i innych) [22]. Miejscem wytwarzania O2 s take peroksysomy, gdzie dziaa oksydaza ksantynowa oraz obecny jest acuch transportu elektronw, w skad ktrego wchodz reduktaza NADH i cytochrom b5 [51]. Wytworzony w reakcji jednoelektronowej redukcji tlenu O2, ulega w wyniku tzw. dysmutacji przeksztaceniu do nadtlenku wodoru. Reakcja dysmutacji zachodzi spontanicznie (z ma wydajnoci) lub enzymatycznie z udziaem dysmutazy ponadtlenkowej (SOD) (ze znacznie wiksz szybkoci). Jest ona najwaniejszym rdem H2O2 w komrkach organizmu [5]. Powstawanie H2O2 towarzyszy transportowi elektronw w mitochondrialnym acuchu oddechowym, jednak gwnym miejscem jego syntezy w komrkach s peroksysomy. Powstaje on rwnie w reakcjach katalizowanych przez oksydazy (np. oksydaz L-aminokwasw), a take cyklooksygenazy i lipooksygenazy, co ma szczeglne znaczenie w aktywowanych komrkach fagocytujcych w czasie wybuchu tlenowego [74].

RDA RFT W KOMRKACHW warunkach zjologicznych okoo 15% O2 w organizmie ulega przeksztaceniu w reaktywne formy tlenu. Staa obecno RFT w niewielkich, zjologicznych steniach jest niezbdna do prawidowego przebiegu wielu procesw yciowych. Uczestnicz one w przekazywaniu sygnaw wewntrzkomrkowych, moduluj ekspresj genw, aktywuj transkrypcj, proliferacj, apoptoz komrek, kontroluj wewntrzkomrkow homeostaz jonw wapnia Ca2+, bior udzia w indukcji procesw zapalnych oraz reguluj aktywno niektrych enzymw (np. CuZnSOD) [22,33,68]. Wszystkie typy wolnych rodnikw tlenowych powstaj w reakcjach z tlenem czsteczkowym w wyniku jego wzbudzenia lub redukcji. Powstaj one w trakcie procesw zjologicznych, zachodzcych we wszystkich strukturach komrki oraz w wyniku dziaania czynnikw zewntrznych. S produktem metabolizmu bardzo wielu egzogennych zwizkw chemicznych (np. benzo/a/pirenu), w tym take lekw (np. antracykliny), dziaania na komrki czynnikw zycznych (np. promieniowania ultraoletowego, jonizujcego, ultradwikw czy podwyszonej temperatury) [5,22]. W warunkach zjologicznych gwnym rdem RFT s procesy oddechowe w mitochondriach, gdzie w wyniku cakowitej redukcji czsteczki O2 powstaje woda. Do

-

-

-

-

-



H2O2 nie wykazuje bezporednio silnego dziaania utleniajcego, ale atwo przenika przez bony komrkowe i wraz z rodnikiem O2, w obecnoci jonw metali przejciowych (np. Fe2+, Cu1+) moe by rdem nietrwaego, ale bardzo reaktywnego rodnika hydroksylowego OH (reakcja Fentona) [73]. H2O2 moe rwnie atwo wchodzi w reakcj z O2 (reakcja Haber-Weissa), w ktrej powstaje rodnik hydroksylowy. Oznacza to, e w obecnoci jonw metali przejciowych pojawienie si jednej postaci reaktywnych form tlenu stwarza moliwo wytworzenia w komrce pozostaych. Nadtlenek wodoru jest prekursorem nie tylko OH, ale rwnie tlenu singletowego [33]. Oprcz wymienionych reakcji rdem duych iloci OH s zaktywowane, zdolne do fagocytozy leukocyty, ktre wytwarzaj go w czasie wybuchu tlenowego, w reakcji katalizowanej przez mieloperoksydaz [5,74]. Tlen singletowy powstaje przede wszystkim w wyniku elektronowego wzbudzenia czsteczki tlenu w stanie podstawowym. Moe powstawa rwnie w procesie peroksydacji lipidw, w reakcji O2 z nadtlenkami lipidowymi [5,39]. Poza wolnymi rodnikami tlenowymi w komrce mog powstawa rwnie zwizki tlenu z azotem tlenek azotu (NO) i nadtlenoazotyn/anion kwasu azotowego (III) (ONOO). Tlenek azotu powstaje z L-argininy w reakcji katalizowanej przez syntaz tlenku azotu (NOS). Jest wolnym rodnikiem o krtkim okresie ptrwania, ktry atwo przenika przez bony komrkowe i prekursorem pozostaych wolnych rodnikw azotowych. Wanym miejscem syntezy tego zwizku s komrki rdbonka, makrofagi, neutrole oraz komrki nerwowe. Peni on wiele istotnych funkcji biologicznych w organizmie. Jest on m.in. gwnym czynnikiem rozszerzajcym naczynia krwionone, hamuje adhezj leukocytw i agregacj pytek krwi, pobudza wytwarzanie endoteliny oraz proliferacj mini gadkich [5,12,40]. W duych steniach tlenek azotu dziaa bakteriobjczo, stanowic siln bro przeciwbakteryjn w zaaktywowanych komrkach fagocytarnych. atwo wchodzi w reakcj z O2, tworzc ONOO, charakteryzujcy si wyjtkowo silnymi waciwociami utleniajcymi. Reakcja ta ma due znaczenie biologiczne, poniewa prowadzi do unieczynniania dwch rodnikw anionorodnika ponadtlenkowego i tlenku azotu. ONOO jest mao swoistym oksydantem, a w komrkach moe by rdem toksycznego rodnika hydroksylowego [5,8]. We wntrzu granulocytw obojtnochonnych i monocytw, w wyniku reakcji katalizowanej przez obecn w ich ziarnistociach mieloperoksydaz powstaje kwas chlorowy (I) (HOCl), ktry z aminami tworzy toksyczne chloraminy [74].-

Oksydacyjne uszkodzenia DNA Integralno i stabilno DNA s warunkiem prawidowego funkcjonowania komrek. Uszkodzenia DNA mog prowadzi do zaburzenia procesw komrkowych i rozwoju rnych schorze, w tym nowotworw. Uszkodzenia te powstaj zarwno w procesach endogennych (bdy replikacyjne, uszkodzenia zasad w wyniku stresu oksydacyjnego), jak i w wyniku ekspozycji na czynniki zewntrzne (ksenobiotyki, promieniowanie, leki, niewaciwa dieta) [19]. Reakcje RFT z DNA prowadz do powstawania wielu uszkodze oksydacyjnych, wrd ktrych mona wyrni m.in. uszkodzenia pojedynczych zasad azotowych, pknicia nici DNA czy tworzenie adduktw [5,19]. Za uszkodzenia oksydacyjne DNA odpowiedzialny jest przede wszystkim rodnik hydroksylowy. Anionorodnik ponadtlenkowy i H2O2 nie powoduj bezporednio zmian w DNA. Jednak H2O2, ktry atwo przenika przez bon jdrow jest w jdrze substratem w reakcji Fentona, w ktrej powstaje HO. Oksydacyjne uszkodzenia DNA mog powodowa rwnie WRA np. ONOO [55,62]. W wyniku oddziaywania HO z DNA dochodzi do uszkodzenia zasad azotowych, deoksyrybozy, rozerwania wiza fosfodiestrowych, czcych nukleotydy oraz tworzenia wiza poprzecznych DNA-biako [62]. Oddziaywanie HO z resztami deoksyrybozy powoduje powstawanie pojedynczych i podwjnych pkni w acuchu DNA. Z kolei oksydacyjne uszkodzenia zasad azotowych, wywoane jego dziaaniem, dotycz gwnie pozycji C5 i C6 w pirymidynach oraz pozycji C8, C5 i C4 w purynach [4]. Zmodykowane produkty zasad azotowych 8-hydroksyguanina, dipirymidynowe addukty adeniny i guaniny, glikol tyminy s odpowiedzialne za powstawanie w DNA mutacji punktowych typu G-C T-A, G-C C-G czy C T [19,55]. Mog one rwnie podlega dalszym przeksztaceniom, ktre prowadz do ich degradacji i powstawania produktw o dziaaniu mutagennym. Powstajce w wyniku dziaania RFT mutacje punktowe w DNA, mog zwiksza ekspresj protoonkogenw komrkowych [4,55]. RFT mog rwnie wpywa na wewntrzkomrkowe stenie jonw wapnia. Zwikszaj one napyw jonw Ca2+ do komrki, a take wpywaj na ich uwalnianie z rezerw komrkowych. Wzrost stenia Ca2+ prowadzi do aktywacji zalenych od tych jonw endonukleaz, ktre s odpowiedzialne za degradacj DNA. Stwierdzono, rwnie, e indukcja niektrych protoonkogenw jest spowodowana bezporednio dziaaniem cytosolowych jonw Ca2+ [61,70,77]. Wykazano rwnie, e wzrost stenia jonw Ca2+ stymulowany dziaaniem RFT, jest zwizany z aktywacj Ca2+-zalenych kinaz biakowych (w tym kinazy biakowej C), ktre odpowiadaj za fosforylacj czynnikw transkrypcyjnych, a tym samym wpywaj na przebieg procesu transkrypcji [92]. Szczeglnie naraony na oksydacyjne uszkodzenia jest mitochondrialny DNA. Wynika to z bliskiego ssiedztwa acucha oddechowego, ograniczonych moliwoci na-

SKUTKI STRESU OKSYDACYJNEGONasilony lub dugo utrzymujcy si stres oksydacyjny jest bardzo szkodliwy dla komrek, poniewa moe prowadzi do trwaych zmian w strukturze wanych biologicznie makroczsteczek (DNA, biaek, cukrw i innych). Zmiany te prowadz do zaburze ich funkcji biologicznych, co z kolei jest przyczyn nieprawidowoci w metabolizmie komrkowym.-



prawczych, a take braku biaek chronicych dodatkowo t struktur przed uszkodzeniami. Potwierdzono to w badaniach dowiadczalnych na tkankach prawidowych, w ktrych wykazano 16-krotnie wiksz ilo 8-hydroksyguaninyw mitochondrialnym ni w jdrowym DNA [9]. Oksydacyjne modykacje DNA spowodowane dziaaniem RFT mog stanowi element zapocztkowujcy proces nowotworowy. Dowodem na to moe by stwierdzony podwyszony poziom zmodykowanych zasad w tkance nowotworowej w porwnaniu do otaczajcych nowotwr tkanek prawidowych. Przypuszcza si rwnie, e tego typu zmiany w DNA s czynnikiem sprzyjajcym przeksztaceniu zmiany agodnej w zmian zoliw, a take mog prowadzi do wzrostu potencjau przerzutowania [19,38,68]. Oksydacyjne uszkodzenia biaek

Zmienione oksydacyjnie biaka mog wykazywa rwnie tendencj do tworzenia agregatw. Powstajce w wyniku modykacji oksydacyjnych agregaty s oporne na degradacj, co przy zmniejszonej wydajnoci dziaania mechanizmw naprawczych sprzyja gromadzeniu si zmienionych biaek w komrkach i prowadzi do stopniowej utraty ich biochemicznych i zjologicznych funkcji [1,81]. Przy duej iloci RFT, a zmniejszonej skutecznoci dziaania ukadw antyoksydacyjnych i proteolitycznych, dochodzi do akumulacji utlenionych produktw biakowych. Zmodykowane oksydacyjnie biaka wykryto w licznych tkankach i wykazano, e stres oksydacyjny i modykacja biaek, zachodzca pod wpywem RFT, odgrywaj rol w patogenezie wielu schorze, w tym chorobie nowotworowej [7]. Peroksydacja lipidw

Utlenianie biaek prowadzi do zmian w ich strukturze i zaburza ich funkcje biologiczne. Za oksydacyjne modykacje reszt aminokwasowych, grup prostetycznych enzymw, fragmentacj czy agregacj biaek odpowiedzialne s przede wszystkim OH, H2O2 i O2. Jednak gwnym mediatorem oksydacyjnych uszkodze biaek jest rodnik hydroksylowy. Jego dziaanie utleniajce prowadzi do powstania rodnikw alkilowych, alkilonadtlenkowych, alkilowodoronatlenkw czy w dalszych przemianach rodnikw alkoksylowych, ktrych obecno sprzyja reakcjom, prowadzcym do rozerwania acucha polipeptydowego [23,67]. Najbardziej podatne na dziaanie RFT s reszty aminokwasw aromatycznych i siarkowych. Szczegln wraliwo wykazuj tyrozyna, tryptofan, cysteina i metionina [67]. Utlenianie przez RFT aminokwasw z woln grup aminow, amidow lub hydroksylow prowadzi do powstania pochodnych karbonylowych. Pochodne karbonylowe maj zdolno do reagowania z wolnymi grupami aminowymi reszt lizyny w tej samej lub innej czsteczce biaka. Reakcja ta prowadzi do powstawania w biaku wiza krzyowych [62]. Rwnie WRA, a wrd nich szczeglnie ONOO mog oddziaywa z biakami i utlenia ich skadniki. Naraone na jego dziaanie s zwaszcza reszty cysteiny, metioniny, tyrozyny i tryptofanu. Utlenia on reszty tiolowe w cysteinie z wytworzeniem mostkw disiarczkowych, a take silnie utlenia reszty metioniny do sulfotlenku. W reakcji z tyrozyn ONOO tworzy 3-nitrotyrozyn i 2,5-dinitrotyrozyn, ktre bior udzia w powstawaniu wiza krzyowych. Aktywno utleniajca ONOO moe prowadzi take do tworzenia grup karbonylowych i do fragmentacji biaek [1,40,67]. RFT mog indukowa peroksydacj biaek, ktra powoduje powstawanie nadtlenkw biaek i nadtlenkw aminokwasw [67]. RFT wykazuj rwnie utleniajce dziaanie w stosunku do niebiakowych skadnikw w biakach. Mog one utlenia np. wglowodany czy jony metali zawarte w biakach, co czsto prowadzi do zaburzenia funkcji biologicznych biaka. Wykazano, e pod wpywem RFT dochodzi do utraty aktywnoci enzymatycznej, m.in. takich enzymw jak dehydrogenaza gliceroloaldehydofosforanowa czy dehydrogenaza glukozo-6-fosforanowa [16,81].-

Jednym z waniejszych procesw biologicznych, zwizanych z dziaaniem RFT jest peroksydacja lipidw. Kaskadowy proces utleniania obecnych w lipidach nienasyconych kwasw tuszczowych, w ktrym powstaj nadtlenki tych zwizkw zapewnia rwnie cig dostaw wolnych rodnikw, inicjujcych kolejne reakcje peroksydacji. Peroksydacji ulegaj przede wszystkim reszty wielonienasyconych kwasw tuszczowych, wchodzce w skad fosfolipidw, ktre s podstawowym skadnikiem budulcowym bon biologicznych [61]. Peroksydacja lipidw jest procesem wieloetapowym, ktry nieodcznie towarzyszy reakcjom metabolizmu organizmw aerobowych. Moe on przebiega zarwno nieenzymatycznie, jak i w wyniku reakcji enzymatycznych (np. podczas powstawania biologicznie aktywnych zwizkw, takich jak eikozanoidy: prostaglandyny, tromboksany i leukotrieny). Kocowym produktem peroksydacji lipidw s rodniki alkilowe i nadtlenkowe, ktre podlegaj dalszym przemianom. Do kocowych produktw procesu peroksydacji lipidw nale take wglowodory m.in. z grupy alkanw i alkenw. Nagromadzenie tych zwizkw prowadzi do zmiany struktury bon komrkowych i ich pynnoci, a to wpywa na zachowanie integralnoci komrek [61,75]. Kocowe produkty peroksydacji lipidw, do ktrych nale m.in. dialdehyd malonowy (MDA), trans-4-hydroksy-2nonenal (4HNE), 4-hydroksyheksenal (4HHE), wykazuj mutagenne i kancerogenne dziaanie, a take mog wpywa regulacyjnie na tempo proliferacji komrki. Spord wymienionych produktw peroksydacji lipidw du toksycznoci charakteryzuje si 4HNE, natomiast najbardziej mutagenny jest MDA [27].

PRZYCZYNY ZWIKSZONEGO WYTWARZANIA RFT W KOMRKACHNOWOTWOROWYCH

Mimo e wystpowanie stresu oksydacyjnego w komrkach nowotworowych potwierdzono w badaniach in vitro i in vivo, to mechanizmy odpowiedzialne za jego indukcj nie s do koca poznane i wyjanione. W wietle aktualnego stanu wiedzy do potencjalnych mechanizmw odpowiedzialnych za zwikszone powstawanie RFT w komrkach nowotworowych nale: stany zapalne i dziaanie cytokin,

-

-

-

-



zaburzenia w przekazywaniu sygnaw onkogennych, aktywny metabolizm zwizany z cig proliferacj, mutacje w mitochondrialnym DNA (mtDNA) i zwizane z tym dysfunkcje [63,68,72,92]. Przewleke stany zapalne np. wtroby, jelita grubego czy infekcja Helicobacter pylori w odku mog prowadzi do powstawania i rozwoju nowotworw [50]. Stan zapalny jest reakcj obronn komrek organizmu na czynniki patogenne i uszkadzajce komrki (np. chroniczne, bakteryjne i wirusowe infekcje, reakcje autoimmunologiczne, szok termiczny, promieniowanie np. UV oraz ciaa obce np. azbest) [18]. Patogeny lub fragmenty uszkodzonych komrek organizmu aktywuj fagocyty (monocyty, neutrole, eozynole, granulocyty obojtnochonne), ktre w ognisku uszkodzenia wydzielaj prozapalne cytokiny (np. IL-1, -6, -8, TNF-a, IFN-g i in.). W bonach zaaktywowanych fagocytw wzrasta rwnie aktywno enzymw (np. oksydazy NAD(P)H, mieloperoksydazy, peroksydazy eozynolowej, cyklooksygenazy czy iNOS), w wyniku ich dziaania dochodzi do wybuchu tlenowego. Zwikszonemu zuyciu tlenu przez fagocyty towarzyszy uwalnianie duych iloci RFT, ktre nie tylko niszcz patogeny i tkanki objte procesem zapalnym oraz tkanki otaczajce, ale rwnie mog indukowa w komrkach zmiany, prowadzce do transformacji nowotworowej. W miar rozwoju zapalenia dochodzi do zaburzenia istniejcej rwnowagi midzy reakcjami prozapalnymi a przeciwzapalnymi mechanizmami obronnymi, co pociga za sob czsto nieodwracalne zmiany w komrkowej rwnowadze redoks i moe skutkowa zwikszon niestabilnoci genetyczn [5,18]. Podczas przekazywania sygnaw onkogennych wzrasta poziom RFT w komrce. Dzieje si tak podczas zaburze w wielu szlakach sygnalizacyjnych (np. RAS-Raf, kaskadzie kinaz MAP czy kinazy biakowej PKA). Aktywny onkongen c-myc zwiksza generacj RFT, co prowadzi do uszkodzenia DNA i osabienia lub zahamowania funkcji biologicznych p53. Wykazano rwnie, e allel RAS2 (val19), ktry powoduje konstytutywn aktywacj cieki cAMP-PKA, prowadzi do wzrostu wytwarzania RFT, a tym samym sprzyja powstawaniu oksydacyjnych uszkodze w makroczsteczkach komrkowych, co prowadzi do procesu nowotworowego przez promowanie niekontrolowanego wzrostu, nabycie przez komrki zdolnoci do inwazji, tworzenia przerzutw, nasilenie procesw angiogenezy oraz blokowanie apoptozy. Powyszy mechanizm wskazuje na indukowan onkogenami niestabilno genetyczn w komrkach nowotworowych [47,91]. Aktywacja w broblastach onkogenw scn i ras sprawia, e ich produkty biakowe (np. czynnik rac) aktywuj bonow NADPH oksydaz, co prowadzi do zwikszonego wytwarzania anionorodnika ponadtlenkowego, ktry wydaje si wanym czynnikiem w procesie proliferacji. W wyniku onkogennej mutacji, nastpuj zmiany w przekazywaniu sygnaw wewntrzkomrkowych, a to powoduje transformacj nowotworow [79]. Inny moliwy mechanizm, dziki ktremu dochodzi w komrkach nowotworowych do powstawania zwikszonych iloci RFT jest zwizany z zaburzeniami w funkcjonowaniu mitochondrialnego acucha oddechowego. Wiadomo,

e mtDNA koduje 13 skadnikw kompleksw enzymatycznych acucha oddechowego. Poniewa nie zawiera on intronw jest wysoce prawdopodobne, e mutacje mtDNA bd wpywa na funkcje kodowanych przez nie biaek, a tym samym prowadzi do zaburze w funkcjonowaniu acucha oddechowego. Wykazano, e mtDNA jest bardziej podatny na uszkodzenia ni DNA jdrowy. Mutacje mtDNA s czsto obserwowane w komrkach nowotworowych [9,30]. Poniewa mitochondrialny acuch oddechowy jest gwnym miejscem wytwarzania RFT, to dysfunkcje spowodowane mutacjami mtDNA jeszcze bardziej nasilaj ten proces. Wydaje si wic, e istnieje korelacja pomidzy mutacjami w mtDNA, a wzrostem stenia RFT w komrkach nowotworowych [9,69]. Aktywne metabolicznie komrki nowotworowe w celu utrzymania swoich biochemicznych funkcji wymagaj cigego dostarczania duych iloci ATP (std nasilona w nich glikoliza), co wymaga intensywnego dziaania acucha oddechowego. Sprzyja to jednak wytwarzaniu zwikszonych iloci RFT i powstawaniu uszkodze oksydacyjnych mtDNA, prowadzcych ostatecznie do decytu ATP [47,69]. Wewntrzkomrkowy poziom RFT jest zaleny od rwnowagi pomidzy ich wytwarzaniem a eliminowaniem. Do akumulowania duych iloci RFT w komrkach moe rwnie prowadzi zmniejszenie ekspresji czy obnienie aktywnoci enzymw antyoksydacyjnych. Wykazane w pewnych typach komrek nowotworowych obnienie aktywnoci dysmutazy ponadtlenkowej (zwaszcza MnSOD) powoduje zmniejszenie ich zdolnoci do usuwania anionorodnika ponadtlenkowego, prekursora pozostaych RFT i nasilenie stresu oksydacyjnego [52, 86].

MECHANIZMY CHRONICE KOMRKI PRZED TOKSYCZNYM DZIAANIEM RFTKomrki organizmw ywych maj wiele mechanizmw obronnych, umoliwiajcych prawidowe funkcjonowanie w obecnoci nadmiaru RFT. Usuwanie nadmiaru toksycznych dla komrek RFT, chroni je przed strukturalnym i funkcjonalnym zniszczeniem. System antyoksydacyjny komrek obejmuje wiele skadnikw, ktre ze sob wspdziaaj. Niedobr kadego z nich moe powodowa obnienie cakowitego potencjau antyoksydacyjnego komrki. Dziaanie systemu ochronnego w komrkach polega na: niedopuszczeniu do powstawania i oddziaywania RFT ze skadnikami komrki (pierwsza linia obrony), przerywaniu acuchowych reakcji wolnorodnikowych (druga linia obrony) i usuwaniu skutkw reakcji RFT z makroczsteczkami komrkowymi (trzecia linia obrony) [29,32]. Elementem pierwszej linii obrony s przede wszystkim biaka wice jony metali przejciowych (gwnie elazo, mied) sekwestr metali. Drug lini obrony stanowi enzymy antyoksydacyjne oraz endo- i egzogenne niskoczsteczkowe antyoksydanty. S one odpowiedzialne za neutralizacj nadmiaru RFT zarwno w cytoplazmie jak i mitochondriach oraz w innych przedziaach komrki [39,78]. W skad enzymatycznego systemu antyoksydacyjnego wchodz: izoenzymy dysmutazy ponadtlenkowej (SOD;

-

-

-

-

-



E.C. 1.5.1.1), katalaza (CAT; E.C.1.11.1.6), peroksydazy glutationowe (GSHPx; E.C. 1.11.1.9), transferaza glutationowa (GST; E.C. 2.5.1.18) oraz reduktaza glutationowa (GSHR; E.C. 1.6.4.2.) i dehydrogenaza glukozo-6-fosforanowa (G6PD; E.C. 1.1.1.49). Komrki zmienione nowotworowo w porwnaniu z komrkami prawidowymi wykazuj zmieniony poziom aktywnoci enzymw antyoksydacyjnych. W komrkach wielu typw nowotworw stwierdzono zmniejszon aktywno CuZnSOD i MnSOD oraz CAT. W badaniach in vitro i in vivo zaobserwowano, e obnienie aktywnoci obu izoenzymw SOD, przy jednoczesnym podwyszeniu poziomu anionorodnika ponadtlenkowego jest bardzo charakterystyczne dla wielu typw komrek nowotworowych. Brak lub obnion aktywno MnSOD obserwowano w rnych nowotworach wtroby, gruczolakach, nowotworze puc i innych. Zaobserwowane zmiany aktywnoci tego enzymu zaleay nie tylko od typu nowotworu, ale rwnie i stadium jego rozwoju [5,52,85]. Natomiast enzymy GSH-zalene (GSPx, GSHR, GST czy G6PD), w zalenoci od typu nowotworu charakteryzuj si zmienn aktywnoci. W ludzkich tkankach nowotworowych obserwowano wzrost ich aktywnoci [85]. Maa aktywno SOD i CAT w komrkach nowotworowych powoduje gromadzenie w nich RFT, natomiast wysoki poziom aktywnoci enzymw GSH-zalenych znosi ich toksyczne dziaanie. Podwyszenie aktywnoci GSHPx w komrkach nowotworowych przy jednoczesnym obnionym poziomie CAT wskazuj na ich kompensacyjne dziaanie w unieczynnianiu nadtlenku wodoru. Istniej sugestie, e wyselekcjonowane spord komrek prawidowych, komrki z ma aktywnoci SOD i CAT oraz podwyszonym poziomem aktywnoci GST i przy zmiennej aktywnoci GSHPx i GSHR tworz ostatecznie guz nowotworowy [5,85]. Wspdziaanie enzymw antyoksydacyjnych w prawidowych komrkach jest skuteczne, jeli ich ekspresja i aktywno s w cile okrelonych proporcjach. Zmiany poziomu ekspresji i aktywnoci poszczeglnych enzymw zakcaj rwnowag, co moe by przyczyn nie tylko powstawania, ale i rozwoju nowotworw [5,29,46,52,85]. Mimo intensywnych bada nie ma jednoznacznych danych czy istnieje zaleno pomidzy poziomem aktywnoci poszczeglnych enzymw antyoksydacyjnych a typem nowotworu czy stadiami jego rozwoju. Nie ma te ostatecznych dowodw, e obserwowane zmiany s przyczyn, czy skutkiem kancerogenezy. Dziaanie enzymatycznego systemu antyoksydacyjnego zarwno w komrkach prawidowych i nowotworowych jest wspomagane przez endo- i egzogenne niskoczsteczkowe antyoksydanty, do ktrych nale tiole, glutation (GSH), cysteina, tioredoksyna (TRX), kwas askorbowy/ kwas askorbinowy, kwas moczowy, a-tokoferol, retinol i jego pochodne oraz ubichinon, bilirubina, ceruloplazmina, transferryna, albuminy, karotenoidy, awonoidy [5,29]. Nieenzymatyczny system antyoksydacyjny, do ktrego zalicza si gwnie zwizki drobnoczsteczkowe, mimo odrbnej lokalizacji (faza wodna i faza lipidowa), tworz

system pocze tzw. sieci antyoksydacyjnej, pozwalajcy im skutecznie wspdziaa. Nieenzymatyczne antyoksydanty, chronice komrki przed skutkami stresu oksydacyjnego, s stosunkowo mao efektywne w porwnaniu z dziaaniem enzymw antyoksydacyjnych. Dopiero razem z enzymami stanowi skuteczn lini obrony przed stresem oksydacyjnym [29]. Trzeci lini obrony przed toksycznym dziaaniem RFT stanowi enzymatyczne systemy naprawcze odpowiedzialne za likwidacj skutkw ich dziaania na DNA. Jeli mimo dziaania enzymatycznych i nieenzymatycznych systemw antyoksydacyjnych, stres oksydacyjny spowoduje uszkodzenia w tej strategicznej dla komrki makroczsteczce, dochodzi do aktywacji enzymw o funkcjach naprawczych. Do enzymw odpowiedzialnych za napraw uszkodze w jdrowym i w mniejszym stopniu mitochondrialnym DNA zaliczamy m.in.: ligazy (reperujce pknicia nici DNA), glikozylazy (odcinajce uszkodzone zasady azotowe) i enzymatyczny system SOS, ktry w przypadku powstania zbyt wielu uszkodze dokonuje szybkiej, ale niedokadnej naprawy DNA [5,77].

NASTPSTWA STRESU OKSYDACYJNEGO W KOMRKACHNOWOTWOROWYCH

Ostatnio wzrasta liczba dowodw sugerujcych, e komrki nowotworowe s naraone na zwikszony stres oksydacyjny w porwnaniu z komrkami prawidowymi. Nale do nich m. in.: zwikszone wytwarzanie RFT i akumulacja produktw ich dziaania w komrkach nowotworowych, obecno tych produktw w osoczu krwi i moczu chorych na nowotwory, czy podwyszona ekspresja niektrych enzymw antyoksydacyjnych w odpowiedzi na stres oksydacyjny. Zwikszone wytwarzanie anionorodnika ponadtlenkowego wykazano np. w mitochondriach komrek raka wtroby w porwnaniu z komrkami niezmienionymi nowotworowo, mimo e mechanizm powstawania tego rodnika wydaje si taki sam w obu typach komrek. Obserwacje te wskazuj, e czynniki onkogenne w komrkach nowotworowych mog prowadzi do stymulowania wytwarzania zwikszonych iloci anionorodnika ponadtlenkowego. Dobrze udokumentowano zdolno onkogenw, takich jak c-myc i ras do indukcji wytwarzania RFT [47,91]. Wzrost stenia RFT w komrkach nowotworowych prowadzi u nich do indukcji rnych odpowiedzi biologicznych, obejmujcych krtkotrwae zatrzymanie wzrostu i adaptacj komrek, wzrostu tempa proliferacji, cakowite zatrzymanie wzrostu i starzenie, apoptoz i nekroz [12,22,64]. Nastpstwem zwikszonych iloci RFT w komrkach nowotworowych jest stymulacja podziaw komrkowych, powstawanie mutacji, prowadzce do niestabilnoci genomu czy zmiany we wraliwoci komrkowej na leki przeciwnowotworowe. Zdolno do adaptacji Komrki w warunkach stresu oksydacyjnego s zdolne do wytworzenia rnych mechanizmw adaptacyjnych, ktre chroni je przed skutkami dziaania RFT. Komrkowe me-

-

-

-

-

-



Stany zapalne

Zaburzenia w przekazywaniu sygnaw onkogennych

Nasilony metabolizm

Aktywacja czynnikw transkrypcyjnych

Stres oksydacyjnyUszkodzenia skadnikw komrkowych

Adaptacja

Aktywacja onkogenw

Uszkodzenia DNA Mutacje

Peroksydacja lipidw

Uszkodzenia biaek Wzrost tempa proliferacji Tworzenie przerzutw

Zmiany

Niestabilno genetyczna

Oporno na leki

Ryc. 1. Przyczyny i skutki stresu oksydacyjnego w komrkach nowotworowych

chanizmy obronne obejmuj systemy buforujce rwnowag redoks i enzymatyczny system antyoksydacyjny wspomagany przez niskoczsteczkowe endo- i egzogenne antyoksydanty (np. GSH, witaminy A, E i C). Najpowszechniej wystpujcym systemem, ktry odpowiada za utrzymanie rwnowagi redoks w komrce jest system glutationowy (GSH/GSSG), wspomagany dziaaniem enzymw GSH-zalenych (GSHPx, GST i GSHR czy G6PD) [78]. Innym potencjalnym mechanizmem, dziki ktremu komrka broni si przed toksycznym dziaaniem RFT jest system tioredoksyny (TRX) [5,59]. Mobilizacja systemw buforujcych redoks moe by uwaana za pierwsz lini komrkowej adaptacji do stresu oksydacyjnego. Zwikszenie ekspresji enzymw antyoksydacyjnych i w konsekwencji podwyszenie ich aktywnoci stanowi dodatkowy i wany mechanizm, ktry umoliwia skuteczn ochron komrek przed stresem oksydacyjnym. Wzrost aktywnoci enzymw antyoksydacyjnych czy podwyszenie ste antyoksydantw umoliwia komrkom przeycie w warunkach ich naraenia na dziaanie RFT [64]. W warunkach dugotrwaego stresu oksydacyjnego w komrkach dochodzi do zuycia mechanizmw adaptacyjnych i wyczerpania zdolnoci buforowania. Procesy adaptacyjne w komrkach maj bowiem ograniczon zdolno przystosowywania ich do stresu oksydacyjnego. Zadziaanie na takie komrki zewntrznym duym steniem RFT moe prowadzi do nasilenia stresu oksydacyjnego do takiego poziomu, ktry spowoduje ich mier. Obserwacje te mog mie potencjalne zastosowanie terapeutyczne w terapii przeciwnowotworowej [12,22].-

Uszkodzenia skadnikw komrkowych Nasilony stres oksydacyjny moe powodowa liczne oksydacyjne uszkodzenia wanych skadnikw komrkowych np. DNA, biaek i lipidw bonowych. Charakterystycznymi objawami stresu oksydacyjnego jest upoledzenie funkcjonowania mitochondrialnego acucha oddechowego, co prowadzi do decytu ATP w komrkach [12]. Zmiany oksydacyjne w biakach mog zaburza rwnowag redoks niezbdnej do prawidowego funkcjonowania wielu enzymw, zawierajcych jony metali np. cytochromu c i jego oksydazy, GSHPx i CAT. Oksydacyjne uszkodzenia GSHPx i CAT zmniejszaj zdolno eliminowania nadtlenku wodoru, co dodatkowo nasila stres oksydacyjny w komrce. Z kolei proces nitrozylacji biaek moe wpywa na funkcj czsteczek sygnalizacyjnych m.in. NF-kB, AP-1 i p53 [60,63]. W nastpstwie peroksydacji lipidw dochodzi do obnienia pynnoci bon i zwikszenia ich przepuszczalnoci. W zwizku z tym, e najwiksze iloci anionorodnika ponadtlenkowego generowane s w acuchu oddechowym, najbardziej naraona na uszkodzenia jest bona mitochondrialna. W wyniku tych uszkodze dochodzi do uwalniania cytochromu c i aktywacji kaskady apoptotycznej. Wykazano, e zwikszone stenie RFT w komrkach prowadzi do inicjacji procesu apoptozy [72]. Zaobserwowano, e w limfocytach T hodowanych w warunkach, w ktrych akumuluj si znaczne iloci RFT, dochodzi do aktywacji ekspresji Bcl-2. Oddziauje on z me-

-

-

-

-



diatorem mierci komrki (BIM) i indukowaln syntaz tlenku azotu (iNOS), co prowadzi do apoptozy komrek. Wykazano, e droga ta jest hamowana przez antyoksydanty [76]. Znaczne zmiany oksydacyjne w wanych makroczsteczkach komrkowych, spowodowane wysokim steniem RFT, mog ostatecznie prowadzi do nekrozy komrki [45]. Niestabilno genetyczna Uszkodzenia DNA spowodowane dziaaniem RFT nale do najczciej wystpujcych uszkodze tej makroczsteczki. Uszkodzenia mtDNA wywouj dysfunkcji acucha oddechowego, czego nastpstwem jest dalsze zwikszenie iloci RFT w komrce. Ich dziaanie prowadzi do powstawania kolejnych mutacji w DNA i niestabilnoci genetycznej komrek. W prawidowych komrkach stabilno genomu jest utrzymywana dziki rwnowadze pomidzy uszkodzeniami DNA a zoonymi mechanizmami naprawczymi, odpowiedzialnymi za ich eliminowanie [37,51]. Due stenie RFT powoduje, e wzrasta liczba oksydacyjnych uszkodze DNA, ktre nie ulegaj naprawie i kumuluj si w komrkach. Ekspozycja komrek organizmu na czynniki wywoujce nasilony, dugotrway stres oksydacyjny przyczynia si do gromadzenia uszkodze w DNA, ktre ostatecznie mog prowadzi do inicjacji procesu kancerogenezy [56,89]. Pierwszy etap kancerogenezy inicjacja (poprzedzana preinicjacj) jest zwizany z wytworzeniem trwaych zmian w materiale genetycznym komrki, wskutek dziaania chemicznych, biologicznych i zycznych czynnikw mutagennych lub kancerogennych. Na tym etapie powstawania nowotworw szczegln rol przypisuje si dziaaniu RFT [55]. W wielu typach komrek nowotworowych wykazano obecno w DNA swoistych modykacji oksydacyjnych zasad azotowych, zwizanych z dziaaniem RFT. S one odpowiedzialne za indukcj mutacji punktowych w genach (protoonkogenach i antyonkogenach), odpowiedzialnych za wzrost, podzia, rnicowanie i dojrzewanie komrek czy adhezj midzykomrkow. Jedn z najczciej wystpujcych modykacji oksydacyjnych zasad azotowych w DNA jest 8-OH-guanina, ktrej obecno moe powodowa mutacj typu transwersji G-C T-A. Tego typu mutacja jest czsto wykrywana w onkogenie RAS i stanowi jeden z moliwych mechanizmw inicjacji transformacji nowotworowej przez RFT [6,61]. Aktywacja onkogenw i inaktywacja genw supresorowych, jako wynik mutacji punktowych spowodowanych dziaaniem RFT, prowadzi nie tylko do inicjacji procesu kancerogenezy, ale moe rwnie sprzyja progresji nowotworowej. Stan redoks w komrce moe rwnie bezporednio oddziaywa na czynniki transkrypcyjne, zwizane z transkrypcj genw odpowiedzialnych za proliferacj lub mier komrki. W przypadku komrek ssakw wykazano, e RFT dziaaj bezporednio na aktywno nalecego do rodziny onkogenw REL czynnika transkrypcyjnego NF-kB. Wiele genw, w tym geny zwizane ze wzrostem

i proliferacj komrek, pozostaje pod kontrol biaek rodziny Rel [83,88]. Wzrost tempa proliferacji Wiadomo, e RFT (H2O2 i O2) mog peni funkcj wtrnych przekanikw w ciekach sygnalizacyjnych komrek. W wielu badaniach wykazano, e stan redoks komrki wpywa regulacyjnie na proliferacj, apoptoz, ekspresj rnych cytokin, czsteczek adhedyzyjnych i ich receptorw oraz angiogenez. Ostateczne skutki dziaania stresu oksydacyjnego na komrk s uwarunkowane stopniem uszkodze i zmian jakie w niej zaszy. W wyniku dziaania RFT komrka moe zyska zdolno do transformacji nowotworowej lub utraci swoje funkcje biologiczne i wej na drog prowadzc do jej mierci [38,50]. Istnieje wiele dowodw, wskazujcych na udzia RFT w promocji proliferacji komrek, ktre wczeniej przeszy etap inicjacji pod wpywem dziaania czynnikw mutagennych. Wykazano, e wysoki poziom stresu oksydacyjnego dziaa toksycznie na komrki i hamuje proliferacj, natomiast umiarkowany wzrost stenia pewnych RFT (np. H2O2) moe prowadzi do nasilenia wzrostu komrkowego i proliferacji, a tym samym przyczynia si do rozwoju nowotworu [10,79]. Szczeglnie wan rol w regulacji proliferacji i apoptozy komrek odgrywa H2O2. W zalenoci od jego stenia komrka moe si dzieli lub podlega apoptozie, a w szczeglnych warunkach nekrozie. W warunkach zjologicznych stenie H2O2 w komrce jest niskie i mieci si w granicach 550 nM [2,5]. Stopniowy wzrost jego iloci w komrce, ale do poziomu nieprzekraczajcego 0,7 M, uruchamia w niej mechanizmy, ktre prowadz do proliferacji. Jeli stenie H2O2 w komrce przekroczy ten poziom i osignie warto 13 M, dochodzi do indukcji apoptozy. Z kolei przekroczenie stenia 3 M jest dla komrki toksyczne i prowadzi do nekrozy [2]. Mechanizmy odpowiedzialne za nasilenie proliferacji komrkowej obejmuj prawdopodobnie bezporednie oddziaywanie RFT ze swoistymi receptorami i modulowanie aktywnoci wanych czynnikw sygnaowych, takich jak kinazy biakowe czy czynniki transkrypcyjne. Aktywacja tych czynnikw prowadzi do zmiany ich aktywnoci, czego konsekwencj jest ciga proliferacja komrek [56,88]. Wykazano, e RFT moduluj zdolno tioredoksyny (TRX) do hamowania aktywnoci ASK1 (kinaza 1 sygnalizujca apoptoz, naleca do rodziny MAP3K). Jest ona zaangaowana w cieki sygnaowe pomidzy receptorem TNF a aktywowanymi stresem oksydacyjnym kinazami biakowymi (SAPK czy JNK). Utlenienie TRX powoduje oddysocjowanie TRX od ASK1, nastpstwem czego jest aktywacja SAPK/JNK z udziaem TRAF2 [59]. cieka sygnaowa MAPK jest gwnym mechanizmem regulacyjnym, zaangaowanym w liczne procesy komrkowe, w tym proliferacj komrek. Za modulacj wzrostu i przeycia komrek odpowiedzialne s rwnie, modykacje oksydacyjne wraliwych na zmiany stanu redoks czynnikw transkrypcyjnych, takich jak NF-kB i HIF-1a oraz porednich czsteczek sygnaowych, takich jak PKC, ERK czy JNK [64].

-

-

-

-

-



Wykazano, e utlenienie reszt cysteiny w biaku p53 wpywa negatywnie na jego zdolno do wizania z domen regulacyjn DNA, co skutkuje zmianami w regulacji ekspresji okrelonych genw. Wydaje si wic, e RFT poprzez wpyw na dziaanie regulacyjne p53 w cyklu komrkowym uczestnicz w stymulacji niekontrolowanych podziaw komrkowych [84,95]. RFT s rwnie odpowiedzialne za wzrost stenia jonw Ca2+ w komrkach. Jest to moliwe dziki mobilizacji rezerw wewntrzkomrkowych i napywie Ca2+ z zewntrz. RFT-zalene zmiany stenia jonw Ca2+ w komrce mog wpywa regulacyjnie na transkrypcj genw zaangaowanych we wzrost i proliferacj komrek [70]. Odbywa si to za porednictwem zoonych kaskad fosforylacji i aktywacji odpowiednich czynnikw transkrypcyjnych [26]. cisy zwizek pomidzy poziomem RFT i promocj procesu kancerogenezy moe tumaczy, dlaczego dua tolerancja na stres oksydacyjny zainicjowanych w procesie kancerogenezy komrek, jest bardzo czsto zwizana z podwyszon aktywnoci niektrych enzymw antyoksydacyjnych [25,71,80,86]. Przy wzmoonej proliferacji komrek jest bowiem istotne utrzymanie w nich takiego stenia RFT, ktre nie bdzie dla nich toksyczne i bdzie stymulowa podziay komrkowe [68]. Tworzenie przerzutw Kocowym etapem w rozwoju raka jest nabycie przez komrki waciwoci zezoliwienia, ktre obejmuj przyspieszony wzrost, ucieczk spod nadzoru ukadu immunologicznego, inwazyjno i zdolno do tworzenia przerzutw. Wikszo tych waciwoci jest zwizana z pojawieniem si w materiale genetycznym dodatkowych uszkodze. Wiele bada wykonanych na modelach dowiadczalnych in vitro i in vivo wskazuje, e zwikszone stenie RFT w komrkach nowotworowych powoduje trway stan stresu oksydacyjnego, ktry zwiksza niestabilno materiau genetycznego. Wie si to z kolejnymi mutacjami w genach biorcych udzia w regulacji mechanizmw kontrolujcych podziay, wzrost i rnicowanie komrek, biorcych udzia w szlaku prowadzcym do apoptozy, w naprawie uszkodze DNA oraz uczestniczcych w procesie angiogenezy i tworzeniu przerzutw nowotworowych [26, 68].

wyczerpywa ich mechanizmy antyoksydacyjne i po przekroczeniu progowego stenia wolnych rodnikw w komrkach, prowadzi do apoptozy [57]. Na tej podstawie mona przypuszcza, e komrki nowotworowe, charakteryzujce si podwyszonym wewntrznym steniem RFT, powinny by bardziej ni prawidowe komrki wraliwe na leki antynowotworowe, ktrych dziaanie polega na zwikszaniu stresu oksydacyjnego czy obnianiu zdolnoci komrek do obrony antyoksydacyjnej. Wiedza na temat udziau RFT i roli obrony antyoksydacyjnej w powstawaniu i rozwoju nowotworw zostaa wykorzystana do opracowania nowych strategii ich leczenia. Polegaj one przede wszystkim na: bezporednim dziaaniu czynnikw wytwarzajcych RFT (np. leki, promieniowanie); inhibicji enzymw antyoksydacyjnych; zmniejszeniu potencjau redoks w komrkach nowotworowych [58,65,66]. Powysze strategie wywodz si ze zrozumienia biologii nowotworu oraz danych dowiadczalnych dotyczcych skutecznoci rnych metod leczniczych (chirurgia, chemioterapia, radioterapia, immunoterapia czy hormonoterapia). Ich gwnym celem jest skuteczne zwalczanie komrek nowotworowych, bez dziaa niepodanych. Pierwsza strategia jest oparta na dziaaniu wielu lekw stosowanych w chemioterapii, a take radioterapii wykorzystujcej promieniowanie jonizujce, ktrym towarzyszy wytwarzanie duych iloci RFT w komrkach nowotworowych, co prowadzi do nieodwracalnych w nich uszkodze oraz wyczerpywania zdolnoci antyoksydacyjnych i innych mechanizmw obronnych [58]. W prawidowych komrkach wystpuje niskie stenie RFT i dziki temu maj one wiksz zdolno do obrony przed stresem oksydacyjnym ni komrki nowotworowe. W zwizku z tym mona w tej strategii wykorzysta zwizki, ktre porednio lub bezporednio generuj RFT i wykazuj selektywno terapeutyczn, prowadzc preferencyjnie do mierci komrek nowotworowych [53,66,68,82]. Do zwizkw tego typu naley wiele lekw przeciwnowotworowych (np. antracykliny, bleomycyna, cisplatyna, trjtlenek arsenu) [65,72]. Antracykliny, takie jak daunorubicina (nazwa midzynarodowa: Daunorubicin), maj zdolno do oddziaywania w obecnoci zredukowanego NADPH z reduktaz cytochromu P-450, co powoduje wytwarzanie rodnikw semichinonowych, ktre z kolei reagujc z tlenem wytwarzaj inne rodniki. Wytwarzane w ten sposb RFT mog aktywowa sngomielinaz, a tym samym prowadzi do wzrostu wewntrzkomrkowego stenia ceramidu, aktywacji cieki JNK/SAPK i ostatecznie apoptozy [36]. Inny lek z grupy antracyklin doksorubicyna (nazwa midzynarodowa: Doxorubicin) nasila wytwarzanie anionorodnika ponadtlenkowego i nadtlenku wodoru, co moe stymulowa uszkodzenia w mitochondriach i prowadzi do aktywacji p53-zalenej cieki apoptozy [90]. Wykazano rwnie, e wytwarzanie zwikszonych iloci RFT odgrywa znaczc rol w stymulowaniu apoptozy przez cisplatyn, bleomycyn. Ten sam efekt dziaania obserwowano dla rnego typu promieniowania (np. UV) [13,72].

STRES OKSYDACYJNY A TERAPIA PRZECIWNOWOTWOROWANadmierna synteza RFT w komrkach nowotworowych powoduje, e s one uzalenione od dziaania enzymw antyoksydacyjnych, ktre umoliwiaj im przeycie w warunkach nasilonego stresu oksydacyjnego. Dugotrway stres oksydacyjny, spowodowany cigym dziaaniem sygnaw onkogennych i aktywnym metabolizmem komrek nowotworowych, wymaga penej mobilizacji enzymatycznych i nieenzymatycznych mechanizmw antyoksydacyjnych komrek. Zdolno RFT do indukcji licznych uszkodze komrkowych i w efekcie do mierci komrki stwarza moliwoci wykorzystania zjawiska wytwarzania RFT w leczeniu, do eliminowania komrek nowotworowych. Uwaa si, e dugotrway stres oksydacyjny oraz wystawienie komrek nowotworowych na dziaanie lekw generujcych RFT moe

-

-

-

-

-



Jednym z gwnych skutkw dziaania trjtlenku arsenu (ATO) jest rwnie wytwarzanie zwikszonych iloci RFT, co prowadzi do utraty przepuszczalnoci zewntrznej bony mitochondrialnej. Wykazano, e moe on uszkadza skadniki mitochondrialnego acucha oddechowego, powodujc zwikszenie iloci anionorodnika ponadtlenkowego w komrce, prawdopodobnie w wyniku wycieku elektronw z I i III kompleksu acucha oddechowego. Cytotoksyczno ATO podwysza selektywnie w komrkach nowotworowych naturalna antrachinonowa pochodna (Emodin), ktra zwiksza wytwarzanie RFT i dodatkowo wzmacnia RFT-zalen inhibicj cieek sygnalizacyjnych, zwizanych z przeyciem komrek [53]. Obiecujc metod leczenia niektrych typw nowotworw (np. gowy i szyi, przeyku, odka, szyjki macicy czy pcherza moczowego), w ktrej wytwarzane s RFT jest terapia fotodynamiczna. Zastosowanie w niej selektywnego leku fotouczulajcego (np. Metvix, Photofrin, Foscan), wiata laserowego i tlenu prowadzi do zoonych reakcji fotochemicznych, ktrym towarzyszy powstawanie w komrkach nowotworowych RFT, odpowiedzialnych za uszkodzenia w nich struktur wewntrzkomrkowych i indukcj apoptozy. Przeciwnowotworowe dziaanie terapii fotodynamicznej polega przede wszystkim na bezporednim niszczeniu komrek nowotworowych i naczy odywiajcych guz [35]. Niestety, zastosowane w terapii czynniki (leki czy promieniowanie) mog generowa RFT rwnie w komrkach prawidowych otaczajcych guz, co stanowi bardzo czsto efekt niepodany w leczeniu nowotworw. Druga strategia terapeutyczna zakada stosowanie inhibitorw enzymw antyoksydacyjnych w celu wywoania w komrkach nowotworowych apoptozy [57]. Bardzo wan rol w ochronie komrek organizmu przed dziaaniem RFT odgrywaj enzymy antyoksydacyjne, do ktrych nale SOD, CAT, GSHPx, GST, GSHR i G6PH. Zahamowanie ich aktywnoci wydaje si decydujcym czynnikiem, zmniejszajcym zdolno komrek do obrony przed zwikszonym steniem RFT [49,58]. Poniewa komrki nowotworowe charakteryzuj si wytwarzaniem duych iloci RFT to ich przeycie jest zalene od aktywnoci enzymw antyoksydacyjnych. Wynika z tego, e nie tylko ekspozycja komrek nowotworowych na dziaanie duych zewntrznych ste RFT, ale rwnie zahamowanie aktywnoci enzymw antyoksydacyjnych moe spowodowa w nich wiksze uszkodzenia oksydacyjne ni w komrkach prawidowych i wywoa apoptoz. Hipoteza ta zostaa poparta wynikami bada, w ktrych wykazano, e komrki nowotworowe chorych z leukemi i rakiem jajnika s bardziej wraliwe na hamowanie aktywnoci SOD przez 2-metoksyestradiolu (2-ME) ni komrki prawidowe, i e ich wraliwo na 2-ME jest skorelowana z wysokim poziomem stresu oksydacyjnego. Rwnie skuteczno terapii fotodynamicznej wzrastaa po zahamowaniu aktywnoci SOD [35,45,66,96]. Mechanizm dziaania 2-ME polega u chorych z leukemi na hamowaniu aktywnoci SOD, co powoduje gromadzenie w komrkach znacznych iloci anionorodnika po-

nadtlenkowego. Skutkiem tej akumulacji s: uszkodzenie bon mitochondrialnych, uwalnianie z nich cytochromu c i aktywacja apoptozy w komrkach nowotworowych [49]. Interesujce i wane jest to, e 2-ME ma minimalne dziaanie cytotoksyczne na prawidowe leukocyty, charakteryzujce si mniejszym wewntrzkomrkowym steniem RFT. Stopie indukcji apoptozy przez 2-ME w komrkach nowotworowych w leukemii by silnie skorelowany zarwno z pocztkowym steniem anionorodnika ponadtlenkowego, jak i stopniem wzrostu jego stenia indukowanego przez ten zwizek [96]. Wiele z przebadanych pod ktem zdolnoci do hamowania aktywnoci SOD analogw 2-ME wykazao tak zdolno o potencjale zblionym do 2-ME. Obecnie 2-ME i jego analogi s uywane w leczeniu niektrych typw nowotworw [35,94]. Z kolei dietyloditiokarbaminian (nazwa midzynarodowa: Dietyloditiocarbamate DETCA), wykazuje zdolno do hamowania aktywnoci CuZnSOD poprzez chelatowanie jonw miedzi, wystpujcych w centrum katalitycznym enzymu [93]. Kolejna strategia walki z nowotworami zakada obnienie w komrkach nowotworowych potencjau redoks. Jest to moliwe m.in. dziki zastosowaniu lekw bezporednio wpywajcych na system GSH/GSSG, gdzie GSH stanowi wewntrzkomrkowy bufor tiolowy chronicy komrki przed licznymi chemioterapeutykami, np. ATO i cisplatyn [24]. Zwizek taki jak butioninosulfoksyimina (nazwa midzynarodowa: L-buthionine-S,R-sulfoximine BSO), ktry hamuje syntez a-glutamylocysteiny, obnia wewntrzkomrkowe stenie GSH i wzmacnia dziaanie proapoptotyczne ATO w komrkach nowotworowych NB4. Z kolei zastosowanie antyoksydantu N-acetylocysteiny (NAC) zabezpiecza GSH i chroni te komrki przed indukowan przez ATO apoptoz [24]. Kwas askorbowy uwaany za zwizek o silnej aktywnoci antyoksydacyjnej moe ulega autoutlenianiu, ktre prowadzi do podwyszania stenia nadtlenku wodoru w komrce i obnienia poziomu zredukowanego GSH. Wykazano, e kwas askorbowy dziaa synergistycznie z ATO w stosunku do linii komrkowych HL-60, a take komrek nowotworowych pochodzcych od chorych z leukemi czy rakiem sutka. Prawidowe komrki wykazuj mniejsz wraliwo na synergistyczne dziaanie tych zwizkw, co moe by rwnie zwizane z wysz w nich aktywnoci katalazy [21]. Enzymy, takie jak reduktaza glutationowa, dehydrogenaza glukozo-6-fosforanowa, g-glutamylotranspeptydaza i syntetaza glutationowa odgrywaj du rol w uzupenianiu siy redukcyjnej GSH/GSSG komrki. Zahamowanie ich aktywnoci obnia jej dziaanie w komrkach nowotworowych [5,85]. Poniewa ostateczny poziom RFT w komrkach zaley zarwno od ich wytwarzania jak i od mechanizmw odpowiedzialnych za ich usuwanie, dlatego uzasadnione wydaje si stosowanie w terapii przeciwnowotworowej lekw generujcych RFT w poczeniu z inhibitorami enzymw antyoksydacyjnych. Poczenie strategii pozwala na uzyskanie toksycznego dla komrek nowotworowych poziomu stresu oksydacyjnego. Przykadem takiego dziaania moe by zastosowanie kombinacji generujcego wolne rodniki tlenowe ATO i inhibitora dysmutazy ponadtlenko-

-

-

-

-

-



wej 2-ME w leczeniu leukemii. Zastosowanie tych lekw w takiej kombinacji pozwala na eliminacj opornoci na dziaanie 2-ME obserwowanej w przypadku komrek charakteryzujcych si niewielkim wewntrznym steniem anionorodnika ponatlenkowego [96]. Zastosowanie inhibitorw syntezy GSH np. BSO z jednoczesnym podaniem lekw generujcych RFT rwnie podwysza znacznie stres oksydacyjny w komrkach nowotworowych. Dodatkowo obnienie poziomu GSH w komrkach nowotworowych, moe zapocztkowa proces rnicowania, co moe znaczco zwiksza ich podatno na dziaanie podwyszonych ste RFT [82]. Terapia przeciwnowotworowa polega nie tylko na zastosowaniu rnych strategii czy metod leczenia, ale rwnie na prolaktyce. Ze wzgldu na udowodnienie, e RFT powoduj uszkodzenia komrek organizmu i uczestnicz w patogenezie nowotworw coraz wiksz uwag powinno si przywizywa do prawidowej diety i prolaktycznego stosowania antyoksydantw. Wiele bada epidemiologicznych wskazuje na odwrotn zaleno midzy konsumpcj warzyw i owocw a czstoci zachorowania na nowotwory. Dieta bogata w owoce i warzywa dostarcza do organizmu wiele zwizkw o aktywnoci antyoksydacyjnej m.in. witamin, gwnie A, E i C oraz tozwizkw (np. awonoidw).

PODSUMOWANIEIstnieje wiele danych wskazujcych na silny stres oksydacyjny w komrkach nowotworowych. Za jego powstawanie s odpowiedzialne zoone mechanizmy komrkowe obejmujce m.in. sygnay onkogenne, intensywny metabolizm zwizany z cig proliferacj, mutacje w DNA mitochondrialnym i dysfunkcje w acuchu oddechowym. Wysokie stenie RFT w komrkach nowotworowych moe odpowiada za szybkie tempo podziaw komrkowych, kolejne mutacje w DNA i niestabilno genomu, a take prowadzi do opornoci na pewne grupy lekw stosowanych w terapii antynowotworowej. Jednak zjawisko stresu w komrkach nowotworowych moe by wykorzystane w poszukiwaniu nowych strategii leczenia. Dalsze badania nad stresem w komrkach nowotworowych powinny doprowadzi do wyselekcjonowania tych typw nowotworw, ktre s najbardziej podatne na dziaanie lekw o mechanizmie dziaania opartym na wytwarzaniu RFT i/lub hamowaniu mechanizmw antyoksydacyjnych. Ponadto, szczegowe poznanie mechanizmw ich dziaania jest szczeglnie istotne w przewidywaniu dziaa niepodanych zastosowanych lekw. Wykorzystanie rnic w poziomie RFT i barierze antyoksydacyjnej komrek nowotworowych i zdrowych by moe pomoe w przyszoci na znalezienie zwizkw dziaajcych swoicie tylko na komrki nowotworowe, a to pozwoli na skuteczne leczenie choroby nowotworowej.

PIMIENNICTWO[1] Alvarez B., Radi R.: Peroxynitrite reactivity with amino acids and proteins. Amino Acids, 2003; 25: 295311 [2] Antunes F., Cadenas E.: Cellular titration of apoptosis with steady state concentrations of H2O2: submicromolar levels of H2O2 induce apoptosis through Fenton chemistry independent of the cellular thiol state. Free Radic. Biol. Med., 2001; 30: 10081018 [3] Ashkenazi A., Dixit V.M.: Apoptosis control by death and decoy receptors. Curr. Opin. Cell Biol., 1999; 11: 255260 [4] Aust A.E., Eveleigh J.F.: Mechanisms of DNA oxidation. Proc. Soc. Exp. Biol. Med., 1999; 222: 246252 [5] Bartosz G.: Druga twarz tlenu. Wolne rodniki w przyrodzie. Wydawnictwo Naukowe PWN (wydanie drugie zmienione), Warszawa 2003 [6] Bartsch H., Nair J.: Exocyclic, DNA adducts as secondary markers of oxidative stress: applications in human cancer etiology and risk assessment. Adv. Exp. Med. Biol., 2001; 500: 675686 [7] Beal M.F.: Oxidatively modied proteins in aging and disease. Free Radic. Biol. Med., 2002; 32: 797803 [8] Beckman J.S., Koppenol W.H.: Nitric oxide, superoxide, and peroxynitrite: the good, the bad, and ugly. Am. J. Physiol., 1996; 271: C1424 C1437 [9] Beckman K.B., Ames B.N.: Endogenous oxidative damage of mtDNA. Mutat. Res., 1999; 424: 5158 [10] Behrend L., Henderson G., Zwacka R.M.: Reactive oxygen species in oncogenic transformation. Biochem. Soc.Trans., 2003; 31: 1441 1444 [11] Bishop J.M., Weinberg R.A.: Molecular Oncology. Scientic American, Inc, New York, 1996 [12] Brown G.C., Borutaite V.: Nitric oxide, mitochondria, and cell death. IUBMB Life, 2001; 52: 189195 [13] Chan W.H., Yu J.S.: Inhibition of UV irradiation-induced oxidative stress and apoptotic biochemical changes in human epidermal carcinoma A431 cells by genistein. J. Cell. Biochem., 2000; 78: 7384 [14] Chory M.: Molekularne aspekty kancerogenezy. Nowotwory, 1997; 47: 251264 [15] Christofori G., Semb H.: The role of cell-adhesion molecule E-cadherin as a tumour-suppressor gene. Trends Biochem. Sci., 1999; 24: 7376-

[16] Ciolino H.P., Levine R.L.: Modication of proteins in endothelial cell death during oxidative stress. Free Radic. Biol. Med., 1997; 22: 1277 1282 [17] Cisowski J.: Wpyw stanu redoks komrki na aktywacj czynnikw transkrypcyjnych i ekspresj genw. Post. Biol. Kom., 2001; 28(Suppl.16): 4359 [18] Conner E.M., Grisham M.B.: Inammation, free radicals and antioxidants. Nutrition, 1996; 12: 274277 [19] Cooke M.S., Evans M.D., Dizdaroglu M., Lunec J.: Oxidative DNA damage: mechanisms, mutation, and disease. FASEB J., 2003; 17: 11951214 [20] Counter C.M., Hahn W.C., Wei W., Caddle S.D., Beijersbergen R.L., Lansdorp P.M., Sedivy J.M., Weinberg R.A.: Dissociation among in vitro telomerase activity, telomere maintenance, and cellular immortalization. Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 1998; 95: 1472314728 [21] Dai J., Weinberg R.S., Waxman S., Jing Y.: Malignant cells can be sensitized to undergo growth inhibition and apoptosis by arsenic trioxide through modulation of the glutathione redox system. Blood, 1999; 93: 268277 [22] Das K.C., White C.W.: Redox system of the cell: possible links and implications. Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 2002; 99: 96179618 [23] Davies M.J.: Singlet oxygen-mediated damage to proteins and its consequences. Biochem. Biophys. Res. Commun., 2003; 305: 761770 [24] Davison K., Cote S., Mader S., Miller W.H.: Glutathione depletion overcomes resistance to arsenic trioxide in arsenic-resistant cell lines. Leukemia, 2003; 17: 931940 [25] Devi G.S., Prasad M.H., Saraswathi I., Raghu D., Rao D.N., Reddy P.P.: Free radicals antioxidant enzymes and lipid peroxidation in different types of leukemias. Clin. Chim. Acta, 2000; 293: 5362 [26] Dreher D., Junod A.F.: Differential effects of superoxide, hydrogen peroxide, and hydroxyl radical on intracellular calcium in human endothelial cells. J. Cell Physiol., 1995; 162: 147153 [27] Esterbauer H., Schaur R.J., Zollner H.: Chemistry and biochemistry of 4-hydroxynonenal, malonaldehyde and related aldehydes. Free Radic. Biol. Med., 1991; 11: 81128 [28] Evan G., Littlewood T.: A matter of life and cell death. Science, 1998; 281: 13171322 [29] Fang Y.Z., Yang S., Wu G.: Free radical, antioxidants and nutrition. Nutrition, 2002; 18: 872878

-

-

-

-


cibior-Bentkowska D. i Czeczot H. Komrki nowotworowe a stres oksydacyjny[30] Fliss M.S., Usadel H., Caballero O.L., Wu L., Buta M.R., Eleff S.M., Jen J., Sidransky D.: Facile detection of mitochondrial DNA mutations in tumors and bodily uids. Science, 2002; 287: 20172019 [31] Foley K.P., Eisenman R.N.: Two MAD tails: what the recent knockouts of Mad1 and Mx1 tell us about the MYC/MAX/MAD network. Biochim. Biophys. Acta, 1999; 1423: M37M47 [32] Frczek M., Kurpisz M.: The redox system in human semen and peroxidative damage of spermatozoa. Post. Hig. Med. Dow., 2005; 59: 523534 [33] Fridovich I.: Superoxide anion radical (O2), superoxide dismutases, and related matters. J. Biol. Chem., 1997; 272: 1851518517 [34] Giancotti F.G., Ruoslahti E.: Integrin signalling. Science, 1999; 285: 10281032 [35] Golab J., Nowis D., Skrzycki M., Czeczot H., Baranczyk-Kuzma A., Wilczynski G.M., Makowski M., Mroz P., Kozar K., Kaminski R., Jalili A., Kopec M., Grzela T., Jakobisiak M.: Antitumor effects of photodynamic therapy are potentiated by 2-methoxyestadiol. A superoxide dismutase inhibitor. J. Biol. Chem., 2003; 278: 407414 [36] Gollapudi S., Ghoneum M.: MGN-3/Biobran, modied arabinoxylan from rice bran, sensitizes human breast cancer cells to chemotherapeutic agent, daunorubicin. Cancer Detect. Prev., 2008; 32: 16 [37] Green D.R., Reed J.C.: Mitochondria and apoptosis. Scince, 1998; 281: 13091312 [38] Guyton K.Z., Kensler T.W.: Oxidative mechanisms in carcinogenesis. Brit. Med. Bull., 1993; 49: 523544 [39] Halliwell B., Gutteridge J.M.: The antioxidants of human extracellular uids. Arch. Biochem. Biophys., 1990; 280: 18 [40] Halliwell B., Zhao K., Whiteman M.: Nitric oxide and peroxynitrite. The ugly, the uglier and the not so good: a personal view of recent controversies. Free Radic. Res., 1990; 31: 651669 [41] Hanahan D., Folkman J.: Patterns and emerging mechanisms of the angiogenic switch during tumorigenesis. Cell, 1996; 86: 353364 [42] Hanahan D., Weinberg R.A.: The hallmarks of cancer. Cell, 2000; 100: 5770 [43] Hannon G.J., Beach D.: P15INK4B is a potential effector of TGF-betainduced cell cycle arrest. Nature, 1994; 371: 257261 [44] Henrotin Y.E., Bruckner P., Pujol J.P.: The role of reactive oxygen species in homeostasis and degeneration of cartilage. Osteoarthritis Cartilage, 2003; 11: 747755 [45] Higuchi Y.: Chromosomal DNA fragmentation in apoptosis and necrosis induced by oxidative stress. Biochem. Pharmacol., 2003; 66: 15271535 [46] Hileman E.A., Achanta G., Huang P.: Superoxide dismutase: an emerging target for cancer therapeutics. Expert Opin. Ther. Targets, 2001; 5: 679710 [47] Hlavata L., Aguilaniu H., Pichova A., Nystrom T.: The oncogenic RAS2val19 mutation locks respiration, independently of PKA, in a mode prone to generate ROS. EMBO J., 2003; 22: 33373345 [48] Hsu T.C., Young M.R., Cmarik J., Colburn N.H.: Activator protein1 (AP-1)-and nuclear factor kB (NF-kB)-dependent transcriptional events in carcinogenesis. Free Rad. Biol. Med., 2000; 28: 13381348 [49] Huang P., Feng L., Oldham E.A., Keating M.J., Plunkett W.: Superoxide dismutase as a target for the selective killing of cancer cells. Nature, 2001; 407: 390395 [50] Hussain S.P., Hofseth L.J., Harris C.C.: Radical causes of cancer. Nat. Rev. Cancer, 2003; 3: 276285 [51] Inoue M., Sato E.F., Nishikawa M., Park A.M., Kira Y., Imada I., Utsumi K.: Mitochondrial generation of reactive oxygen species and its role in aerobic life. Curr. Med. Chem., 2003; 10: 24952505 [52] Jaruga P., Zastawny T.H, Skokowski J., Dizdaroglu M., Oliski R.: Oxidative DNA base damage and antioxidant enzyme activities in human lung cancer. FEBS Lett., 1994; 341: 5964 [53] Jing Y., Dai J., Chalmers-Redman R.M., Tatton W.G., Waxman S.: Arsenic trioxide selectively induces acute promyelocytic leukaemia cells apoptosis via a hydrogen peroxide- dependent pathway. Blood, 1999; 94: 21022111 [54] Johnsen M., Lund L.R., Romer J., Almholt K., Dano K.: Cancer invasion and tissue remodeling: common themes in proteolytic matrix degradation. Curr. Opin. Cell Biol., 1998; 10: 667671 [55] Kasai H.: Chemistry-based studies on oxidative DNA damage: formation, repair, and mutagenesis. Free Radic. Biol. Med., 2002; 33: 450456 [56] Klaunig J.E., Kamendulis L.M.: The role of oxidative stress in carcinogenesis. Annu. Rev. Pharmacol. Toxicol., 2004; 44: 239267-

[57] Kong Q., Beel J.A., Lillehei K.O.: A threshold concept for cancer therapy. Med. Hypotheses, 2000; 55: 2935 [58] Kong Q., Lillehei K.O.: Antioxidant inhibitors for cancer therapy. Med. Hypotheses, 1998; 51, 405409 [59] Liu H., Nishitoh H., Ichijo H., Kyriakis J.M.: Activation of apoptosis signal-regulating kinase 1 (ASK1) by tumor necrosis factor receptorassociated factor 2 requires prior dissociation of the ASK1 inhibition thioredoxin. Mol. Cell. Biol., 2000; 20: 21982208 [60] Mallis R.J., Buss J.E., Thomas J.A.: Oxidative modication of H-ras: S-thiolation and S-nitrosylation of reactive cysteines. Biochem. J., 2001; 355: 145153 [61] Marnett L.J.: Oxy radicals, lipid peroxidation and DNA damage. Toxicology, 2002; 181-182: 219222 [62] Marnett L.J., Riggins J.N., West J.D.: Endogenous generation of reactive oxidants and electrophiles and their reactions with DNA and protein. J. Clin. Invest., 2003; 111: 583593 [63] Martin K.R., Barrett J.C.: Reactive oxygen species as double-edged swords in cellular processes: low-dose cell signalling versus high-dose toxicity. Hum. Exp. Toxicol., 2002; 21: 7175 [64] Martindale J.L., Holbrook N.J.: Cellular response to oxidative stress: signalling for suicide and survival. J. Cell Physiol., 2002; 192: 115 [65] Miller W.H. Jr.: Molecular targets of arsenic trioxide in malignant cells. Oncologist, 2002; 7(Suppl.1): 1419 [66] Mooberry S.L.: Mechanism of action of 2-methoxyestradiol: new developments. Drug Resist. Updat., 2003; 6: 355361 [67] Naskalski J.W., Bartosz G.: Oxidative modications of protein structures. Adv. Clin. Chem., 2000; 35: 161253 [68] Nicco C., Laurent A., Chereau C., Weill B., Batteux F.: Differential modulation of normal and tumour cell proliferation by reactive oxygen species. Biomed. Pharmacother., 2005; 59: 169174 [69] Olinski R., Zastawny T., Budzbon J., Skokowski J., Zegarski W., Dizaroglu M.: DNA base modications in chromatin of human cancerous tissues. FEBS Lett., 1992; 309: 193198 [70] Parekh A.B., Penner R.: Store depletion and calcium inux. Physiol. Rev., 1997; 77: 901930 [71] Patel B.P., Rawal U.M., Shah P.M., Prajapati J.A., Rawal R.M., Dave T.K., Patel P.S.: Study of tobacco habits and alterations in enzymatic antioxidant in oral cancer. Oncology, 2005; 68: 511519 [72] Pelicano H., Carney D., Huang P.: ROS stress in cancer cells and therapeutic implications. Drug Resist. Updates, 2004; 7: 97110 [73] Platenik J., Stopka P., Vejrazka M., Stipek S.: Quinolinic acid-iron (II) complexes: slow autoxidation, but enhanced hydroxyl radical production in the Fenton reaction. Free Rad. Res., 2001; 34: 445459 [74] Poli G.: Introduction-serial review: reactive oxygen and nitrogen in inammation. Free Radic. Biol. Med., 2002; 33: 301302 [75] Porter N.A., Caldwell S.E., Mills K.A.: Mechanisms of free-radical oxidation of unsaturated lipids. Lipids, 1995; 30: 277290 [76] Sade H., Sarin A.: Reactive oxygen species regulate quiescent T-cell apoptosis via the BH3-only proapoptotic protein BIM. Cell Death. Differ., 2004; 11: 416423 [77] Sancar A.: Mechanisms of DNA excision repair. Science, 1994; 266: 19541956 [78] Schafer F.Q., Buettner G.R.: Redox environt of the cell as viewed through the redox state of the glutathione disulde/glutathione couple. Free Radic. Biol. Med., 2001; 30: 11911212 [79] Schimmel M., Bauer G.: Prapoptotic and redox state-related signalling of reactive oxygen species generated by transformed broblasts. Oncogene, 2002; 21: 58865896 [80] Skrzydlewska E., Kouszko B., Sulkowska M., Bogdan Z., Kozlowski M., Snarska J., Puchalski Z., Sulkowski S., Skrzydlewski Z.: Antioxidant status in esophageal, stomach and colorectal cancer. Hepatogastroenterology, 2003; 50: 126131 [81] Sohal R.S.: Role of oxidative stress and protein oxidation in the aging process. Free Radic. Biol. Med., 2002; 33: 3744 [82] Sordet O., Rebe C., Leroy I., Bruey J.M., Garrido C., Miguet C., Lizard G., Plenchette Corcos L., Solary E.: Mitochondria targeting drugs arsenic trioxide and lonidamine bypass the resistance of TPA-differentiated leukemic cells to apoptosis. Blood, 2001; 97: 39313940 [83] Storz P., Doppler H., Toker A.: Protein kinase D mediates mitochondrion-to-nucleus signaling and detoxication from mitochondrial reactive oxygen species. Mol. Cell Biol., 2005; 25: 85208530

-

-

-

-


Postepy Hig Med Dosw (online), 2009; tom 63: 58-72[84] Sun X.Z., Vinci C., Makmura L., Han S., Tran D., Nguyen J., Hamann M., Grazziani S., Sheppard S., Gutova M., Zhou F., Thomas J., Momand J.: Formation of disulde bond in p53 correlates with inhibition of DNA binding and tetramerization. Antioxid. Redox Signal., 2003; 5: 655665 [85] Sun Y.: Free radicals, antioxidant enzymes and carcinogenesis. Free Radic. Biol. Med., 1990; 8: 583599 [86] Tas F., Hansel H., Belce A., Ilvan S., Argon A., Camlica H., Topuz E.: Oxidative stress in breast cancer. Med. Oncol., 2005; 22: 1115 [87] Thornberry N.A., Lazebnik Y.: Caspases: enemies within. Science, 1998; 281: 13121316 [88] Toledano M.B., Leonard W.J.: Modulation of transcription factor NFkappa B binding activity by oxidation-reduction in vitro. Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 1991; 88: 43284332 [89] Trzeciak A.: Uszkodzenia DNA w komrkach ssakw. Post. Biol. Kom., 2001; 3: 407429 [90] Tsang W.P., Chau S.P., Kong S.K., Fung K.P., Kwok T.T.: Reactive oxygen species mediate doxorubicin induced p53-independent apoptosis. Life Sci., 2003; 73: 20472058 [91] Vafa O., Wade M., kern S., Beeche M., Pandita T.K., Hampton G.M., Wahl G.M.: c-Myc can induce DNA damage, increase reactive oxygen species, and mitigate p53 function: a mechanism for oncogeneinduced genetic instability. Mol. Cell, 2002; 9: 10311044 [92] Valko M., Izakovic M., Mazur M., Rhodes C.J., Telser J.: Role of oxygen radicals in DNA damage and cancer incidence. Mol. Cell Biochem., 2004; 266: 3756 [93] Wambi-Kiesse C.O., Katusic Z.S.: Inhibition of copper/zinc superoxide dismutase impairs NO-mediated endothelium-dependent relaxations. Am. J. Physiol., 1999; 276: H1043H1048 [94] Wood L., Leese M.R., Leblond B., Woo L.W., Ganeshapillai D., Purohit A., Reed M.J., Potter B.V., Packham G.: Inhibition of superoxide dismutase by 2-methoxyoestradiol analogues and oestrogen derivatives: structure-activity relationships. Anticancer Drug Des., 2001; 16: 209215 [95] Wu H.H., Thomas J.A., Momand J.: p53 protein oxidation in cultured cells in response to pyrrolidine dithiocarbamate: a novel method for relating the amount of p53 oxidation in vivo to the regulation of p53responsive genes. Biochem. J., 2000; 351: 8793 [96] Zhou Y., Hileman E.O., Plunkett W., Keating M.J., Huang P.: Free radical stress in chronic lymphocytic leukemia cells and its role in cellular sensitivity to ROS-generating anticancer agents. Blood, 2003; 101: 40984104

Autorki deklaruj brak potencjalnych koniktw interesw.

-

-

-

-

-


Komórki nowotworowe a stres oksydacyjny

Documents

Transcript of Komórki nowotworowe a stres oksydacyjny