Starzenie się komórek mózgowych wywołane promieniowaniem jonizującym i potencjalne leżące u ich podstaw mechanizmy molekularne, część 3

Sposób, w jaki autofagia utrzymuje produkcję białek, obejmuje promowanie nieprawidłowego fałdowania i degradacji zagregowanych białek. Kontrola jakości mitochondriów polega na usuwaniu uszkodzonych mitochondriów w drodze autofagii.

Znaczenie autofagii w utrzymaniu zdrowia organizmu zostało powszechnie uznane w środowiskach akademickich. Oprócz swojej roli w utrzymaniu zdrowia, odgrywa również ważną rolę w utrzymaniu pamięci.

Mechanizm autofagii jest ważnym procesem usuwania produktów przemiany materii w komórkach. Utrzymuje organizm w zdrowiu, rozkładając martwe części komórek i uwalniając przydatne nowe składniki odżywcze. Badania wykazały, że autofagia sprzyja również przetrwaniu neuronów i eliminacji płytek białkowych powstałych w wyniku toksycznej agregacji. Płytki te działają tak, jakby blokowały kanały komunikacyjne między neuronami, co prowadzi do problemów, takich jak utrata pamięci.

Wraz z wiekiem spada także funkcja mechanizmu autofagii. Spadek ten nie tylko wpływa na odporność i metabolizm organizmu, ale także negatywnie wpływa na funkcjonowanie neuronów i zdrowie. Problemy te będą prowadzić do pogorszenia funkcji poznawczych i wystąpienia chorób neurodegeneracyjnych u osób starszych. Dlatego też, jeśli uda się wzmocnić autofagię, może ona opóźnić starzenie się ludzkich narządów i mózgu, poprawić zdrowie komórek oraz poprawić pamięć i zdolności poznawcze.

Aby poprawić funkcję autofagii, możemy wprowadzić kilka prostych zmian w stylu życia, takich jak zmiana nawyków żywieniowych, zwiększenie aktywności fizycznej i utrzymanie odpowiedniej ilości snu. Ponadto udowodniono, że niektóre leki promują aktywność mechanizmu autofagii, na przykład stosowanie dużych dawek witaminy D w celu pobudzenia autofagii i poprawy funkcjonowania mózgu.

Podsumowując, mechanizm autofagii odgrywa ważną rolę w utrzymaniu zdrowia fizycznego i pamięci. Metody wzmacniające autofagię mogą pomóc ludziom opóźnić starzenie się organizmu i zmniejszyć ryzyko chorób neurodegeneracyjnych. Promując działanie mechanizmu autofagii poprzez korzystny styl życia i leczenie farmakologiczne, możemy lepiej zachować zdrowie fizyczne i pamięć oraz żyć lepszym życiem. Widać, że trzeba poprawić pamięć, a Cistanche desericola potrafi znacząco poprawić pamięć, bo Cistanche desericola potrafi także regulować równowagę neuroprzekaźników, np. zwiększać poziom acetylocholiny i czynników wzrostu. Substancje te są bardzo ważne dla pamięci i uczenia się. Ponadto Cistanche desericola może również poprawić przepływ krwi i promować dostarczanie tlenu, co może zapewnić mózgowi wystarczającą ilość składników odżywczych i energii, poprawiając w ten sposób witalność i wytrzymałość mózgu.

Kliknij Poznaj suplementy poprawiające pamięć

Receptory ładunku autofagii rozpoznają mitochondria zmodyfikowane ubikwityną, ułatwiając ich sekwestrację w obrębie autofagosomów i rozkład za pośrednictwem lizosomów. Wzór molekularny związany z uszkodzeniem mitochondriów jest również jedną z przyczyn wyzwalania produkcji cytokin zapalnych.

Metodą autofagii regulującą starzenie się jest promowanie rozpadu i degradacji blaszki jądrowej. Wolne aminokwasy uwalniane z lizosomu podczas starzenia wspomagają działania anaboliczne, w tym produkcję cytokin zapalnych tworzących SASP (ryc. 2).

3.1. Stres oksydacyjny

Endogenna produkcja ROS jest produktem ubocznym normalnego metabolizmu komórkowego, ale egzogenna produkcja ROS może również zachodzić w wyniku promieniowania i związków chemicznych [107]. ROS mogą być wytwarzane z kilku źródeł po napromienianiu [108]. Klasyczna radiobiologia pokazuje, że w porównaniu z większością innych stresów oksydacyjnych, ilość ROS wytwarzanych w wyniku teradiolizy wody jest mniejsza, a czas utrzymywania się jest krótszy. Narażenie na promieniowanie jonizujące spowoduje wygenerowanie ROS w zakresie 2 nm DNA i utworzenie złożonych DSB, wywołując w ten sposób wysoką cytotoksyczność.

Związane z błoną mitochondrialną oksydazy fosforanowe nikotynoamidoadeninodinukleotydu (NOX) lub inne oksydazy mogą mieć pośrednie połączenie ze szlakiem DDR.

Oksydazy te są głównym źródłem komórkowych ROS powodowanych przez stres oksydacyjny. [109–111]. Promieniowanie może również powodować wytwarzanie RFT z tych źródeł poprzez uszkodzenie mitochondriów i stymulację NOX lub innych oksydaz [110,111], co prowadzi do uwolnienia ATP, aktywacji kanałów jonowych [112] i sygnalizacji purynergicznej [113]. Jednym z przykładów wzorca molekularnego związanego z uszkodzeniami (DAMP) obserwowanego po napromienianiu jest ekspresja białka grupy 1 o wysokiej ruchliwości (HMGB1), białka jądrowego wiążącego chromatynę, które działa poprzez sygnalizację receptora Toll-podobnego 4 (TLR4) w celu promowania dalszych ROS produkcja [114].

Wysoka aktywność ROS może bezpośrednio niszczyć makrocząsteczki, takie jak lipidy, kwasy nukleinowe i białka. Uszkodzenia DNA, zwykle w postaci pęknięć nici i wiązań krzyżowych, prowadzą do mutacji genomowych. Co więcej, ROS powoduje wysoki stres oksydacyjny w dotkniętych komórkach. W komórkach uszkodzenia oksydacyjne zależą od stężenia ROS i równowagi pomiędzy względnym poziomem ROS i przeciwutleniaczy.

Kiedy równowaga utleniacz-przeciwutleniacz zostaje utracona, pojawia się stres oksydacyjny, zmieniając i niszcząc kilka wewnątrzkomórkowych makrocząsteczek, jak wspomniano wcześniej [115]. Wolnorodnikowa teoria starzenia została sformułowana przez Harmana w 1956 r., a następnie wykazał on, że oddychanie mitochondrialne jest głównym endogenne źródło stresu oksydacyjnego [116]. Starzeniu towarzyszy wzrost poziomu RFT oraz spadek aktywności i ekspresji enzymów antyoksydacyjnych, w tym dysmutazy ponadtlenkowej, katalazy i peroksydazy glutationowej [117,118].

Ponadto uszkodzenia wywołane promieniowaniem wykazują kilka cech, często typowych dla zużycia komórkowego, takich jak mutacje somatyczne, które mogą powodować rozwój chorób związanych ze starzeniem się [119]. ROS i reaktywne formy azotu (RNS) atakują makrocząsteczki i powodują stres oksydacyjny, a proces ten powiązano z kilkoma chorobami. Stwierdzono również, że nawet niski poziom ROS i RNScan prowadzi do starzenia się mózgu [120]. Uważa się, że wrodzona wrażliwość komórek na promieniowanie zależy od powstałej produkcji ROS.

Napromienianie starzejących się komórek, które zawierają już duże ilości aktywnego tlenu, niewątpliwie przeciąży układ antyoksydacyjny odpowiedzialny za usuwanie nadmiernych ilości metabolitów tlenu [121]. Ochrona antyoksydacyjna przed terapeutycznymi i zwolnionymi dawkami IR w ludzkiej krwi zmniejsza się wraz z wiekiem [122]. Badania te ilustrują rolę systemów regulacji stresu oksydacyjnego w określaniu wrażliwości na promieniowanie starzejących się komórek.

3.2. Dysfunkcja mitochondriów

Mitochondria są obecne w dendrytach i aksonach neuronów i wytwarzają trifosforan adenozyny (ATP) niezbędny do elektrochemicznej neurotransmisji oraz konserwacji i naprawy komórek [123].

W miarę starzenia się komórek i organizmów wydajność łańcucha transportu elektronów (ETC) ma tendencję do zmniejszania się, zwiększając wyciek elektronów i zmniejszając produkcję ATP [124]. Większość komórek mózgowych wykazuje stopniową akumulację dysfunkcyjnych mitochondriów, co zaobserwowano w badaniach porównawczych neuronów i astrocytów u myszy w różnych grupach wiekowych [125,126]. Wraz z wiekiem dysfunkcja mitochondriów prowadzi do zwiększonej produkcji ROS, co z kolei powoduje dalszą degradację mitochondriów i ogólne uszkodzenie komórek [127].

Główną rolą aktywnego tlenu jest aktywacja kompensacyjnej odpowiedzi w stanie stacjonarnym. Jeśli poziom ROS wzrasta powyżej pewnego progu, następuje brak równowagi w homeostazie ROS, co ostatecznie pogłębia uszkodzenia związane z wiekiem [128]. Dysfunkcja mitochondriów może również powodować starzenie się poprzez szlaki niezależne od ROS. Defekty mitochondrialne mogą wpływać na sygnały apoptozy, zwiększając podatność mitochondriów na reakcje stresowe [129] i wyzwalać odpowiedź zapalną poprzez promowanie aktywacji flamasomów za pośrednictwem ROS i/lub związanej z przepuszczalnością [124].

Ponadto dysfunkcjonalne mitochondria mogą wywierać bezpośredni wpływ na sygnalizację komórkową i przesłuch między narządami poprzez negatywny wpływ na powierzchnię styku zewnętrznej błony mitochondrialnej i retikulum endoplazmatycznego [130].

Mitochondria wyizolowane ze zwierzęcej tkanki mózgowej wykazują wiele zmian związanych z wiekiem, w tym zwiększone uszkodzenie oksydacyjne mitochondrialnego DNA [131], powiększenie lub fragmentację mitochondriów [132], zwiększoną liczbę mitochondriów z błonami depolaryzującymi [133] i upośledzoną funkcję ETC [134]. Mutacje i delecje mitochondrialnego DNA (mtDNA) u osób starszych mogą również prowadzić do starzenia się [135].

Ze względu na oksydacyjne mikrośrodowisko w mitochondriach, mtDNA brakuje ochronnych histonów. Skuteczność mechanizmów naprawy mtDNA jest również niższa niż mechanizmów naprawy jądrowego DNA. Dlatego uważa się, że mtDNA jest głównym celem mutacji somatycznych związanych ze starzeniem się [136].

Podczas rozwoju mózgu nieprawidłowe uszkodzenia mitochondriów mogą prowadzić do dysfunkcji mitochondriów i nadmiernej produkcji ROS, co ostatecznie skutkuje starzeniem się komórek mózgowych, zaburzeniami funkcji poznawczych i nieprawidłowym zachowaniem [137]. Ekspozycja na podczerwień może powodować dysfunkcję mitochondriów, co pośrednio powoduje starzenie się. Przebieg zmian w czasie które występują po ekspozycji na promieniowanie o wartości pięciu Gy, są następujące.

Po pierwsze, komórkowe poziomy ROS znacznie wzrastają w ciągu pierwszych kilku minut, ale zmniejszają się w ciągu 30 minut. Następnie, 12 godzin po napromienianiu, wykrywa się dysfunkcję mitochondriów, o czym świadczy spadek aktywności dehydrogenazy dinukleotydu nikotynoamidoadeninowego (NADH), głównego regulatora uwalniania ROS z ETC [138]. Limoli i in. zbadali potencjał błony mitochondrialnej w niestabilnych komórkach GM10115 po ekspozycji na promieniowanie.

 Zaobserwowali, że wzrosła liczba dysfunkcyjnych mitochondriów, a potencjał błony mitochondrialnej spadł [139]. Jonizuje cząsteczki wody (H2O), powodując głównie produkcję •OH, RFT o największej zdolności do powodowania uszkodzeń [140]. •OH może utleniać cząsteczki biologiczne, takie jak białka i lipidy [121,141].

Wewnętrzna błona mitochondrialna zawiera fosfolipidy, takie jak fosfatydylocholina, fosfatydyloetanoloamina i kardiolipina, które są niezbędne do optymalizacji i wspomagania funkcji różnych enzymów mitochondrialnych ETC [142,143].

Jakakolwiek zmiana w profilu lipidowym błony, taka jak zmniejszenie zawartości lipidów i peroksydacja, może prowadzić do lub zwiększać wytwarzanie O2− poprzez wyciek elektronów z enzymów ETC. Dlatego •OH wytwarzany w wyniku napromieniowania indukuje utlenianie mitochondriów poprzez peroksydację fosfolipidów, promując w ten sposób produkcję O2−.

3.3. Wytarcie telomerów

Telomery to specjalne kompleksy białek jądrowych, które chronią końce liniowych chromosomów w komórkach eukariotycznych. Telomery są związane charakterystycznym kompleksem polibiałkowym zwanym schronieniem [144], który zapobiega przedostawaniu się naprawy DNA do telomerów, które w przeciwnym razie zostałyby „naprawione” z powodu obecności widocznych pęknięć DNA, co prowadzi do niskiej zdolności do naprawy uszkodzeń DNA w tym regionie.

Dlatego uszkodzenie telomerów często powoduje starzenie się komórek i/lub apoptozę [145,146]. Utrata funkcji schronienia w składnikach powoduje szybkie osłabienie regeneracji tkanek i przyspiesza starzenie się, nawet jeśli telomery mają normalną długość [147]. Podczerwień może indukować proliferację komórek, apoptozę i starzenie się, wszystkie powiązane z telomerami, poprzez uszkodzenia oksydacyjne i zaburzenia DNA.

Badanie krwi obwodowej uzyskanej od 83 osób sprzątających w Czarnobylu wykazało, że w porównaniu z krwią zdrowych dawców krwi względna długość telomerów u osób sprzątających w Czarnobylu była znacznie krótsza. Badanie to sugeruje, że napromienianie małymi dawkami prowadzi do skracania telomerów, a zmiany utrzymują się nawet 20 lat po napromienianiu [148].

Starzenie się mikrogleju może być również związane ze skracaniem telomerów. Zmniejszenie długości telomerów w mikrogleju może prowadzić do zdolności tych komórek do odpowiedniej odpowiedzi na infekcję powodującą uszkodzenie OUN, prowadząc do apoptozy [149].

Należy zauważyć, że w mózgu pacjentów chorych na chorobę Alzheimera niedożywienie mikrogleju wykazuje najsilniejszy związek ze zwyrodnieniem neuronów tau-dodatnich, tj. patologia tau jest powiązana z niedożywieniem mikrogleju.

Zatem zamiast zapalenia mózgu, podstawową przyczyną neurodegeneracji jest brak wsparcia mikrogleju. Wiek mikrogleju może być powiązany ze skróceniem totelomerów. Telomery są końcami chromosomów eukariotycznych i skracają się wraz z wiekiem, co prowadzi do poczucia „replikacji” w mikrogleju posiadającym zdolność do samoodnawiania [150].

Badanie Unryn i wsp. przeprowadzone na 20 starszych pacjentach z zaawansowanym rakiem głowy i szyi. wykazali, że radioterapia spowodowała znaczne skrócenie długości telomerów u wszystkich pacjentów [151].

Zhang i in. zbadali wpływ dysfunkcji telomerów poprzez hamowanie neuronów i mitotycznych komórek nerwowych (astrocytów i komórek nerwiaka niedojrzałego) za pośrednictwem telomerowego czynnika wiązania powtarzalnego 2 (TRF2). Wykazali, że dysfunkcja telomerów wyzwala DDRs i indukuje aktywację p53 i p21 oraz starzenie się [152]. Odpowiedzi komórkowe na IR obejmują zatrzymanie cyklu komórkowego w punkcie kontrolnym i zaprogramowaną śmierć komórki. Ponieważ promieniowanie powoduje pęknięcia dwuniciowe w DNA prowadzące do zmniejszenia długości telomerów, odpowiedź na promieniowanie wydaje się wynikać z niewłaściwie indukowanego starzenia się komórek [153].

Mechanizm leżący u podstaw przyspieszonego starzenia się spowodowanego IR jest taki sam, jak mechanizm leżący u podstaw starzenia się za pośrednictwem ROS. Uszkodzenia radiacyjne telomerów są również podobne do uszkodzeń oksydacyjnych obserwowanych w tych obszarach i prowadzą do dalszego skracania telomerów i przyspieszonego starzenia się komórek. Duża dawka IR może spowodować ogromną śmierć komórek, powodując kompensacyjny podział komórek. Przyspieszona proliferacja prowadzi do skracania telomerów, przyspieszając w ten sposób starzenie się całego organizmu, co obserwuje się u osób narażonych na promieniowanie IR [154]. Dlatego też skracanie telomerów można uznać za jeden z mechanizmów leżących u podstaw starzenia się wywołanego promieniowaniem [155].

3.4. Uszkodzenie DNA

Podczerwień indukuje uszkodzenia DNA zarówno drogą bezpośrednią, jak i pośrednią. Droga bezpośrednia odnosi się do jonizacji DNA poprzez energię promieniowania, a droga pośrednia odnosi się do wytwarzania dużej liczby ROS po radiolizie cząsteczek wody. Ten ostatni szlak może indukować uszkodzenia DNA poprzez różne mechanizmy, w tym uszkodzenie i uwalnianie zasad, depolimeryzację, sieciowanie i pękanie łańcucha [156].

Takie uszkodzenia DNA, zwłaszcza DSB, uruchamiają złożone i ściśle regulowane szlaki DDR i naprawy. Jonizacja DNA powoduje bezpośrednio uszkodzenie makrocząsteczek genetycznych, natomiast jonizacja cytozolu prowadzi do wytworzenia substancji aktywnych, takich jak •OH. Uwodnione elektrony i atomy wodoru, które dyfundują do obszaru nanoskali otaczającego zdarzenia jonizacyjne, nieuchronnie reagują ze składnikami DNA i pośrednio je uszkadzają. Część tych uszkodzeń zachodzi w genetycznym łańcuchu molekularnym, prowadząc do powstania zagregowanych uszkodzeń DNA lub wielu miejsc uszkodzeń.

Ze względu na endogenny charakter takich uszkodzeń, bardziej prawdopodobne jest, że zostaną one poddane naprawie podatnej na błędy niż uszkodzenia słabo rozproszone, prowadzące do nieodwracalnego uszkodzenia komórek.157]. Na poziomie molekularnym napromieniowany mikroglej wykazuje zwiększoną ekspresję genów związanych z DDR, stresem komórkowym, komórką zatrzymanie cyklu i szlaki stresu oksydacyjnego [158,159]. Komórki mają wysoce konserwatywną i złożoną sieć rozpoznawania i naprawy uszkodzeń DNA (DDR), której używają do reagowania na różne typy uszkodzeń DNA [160]. Badania z wykorzystaniem komercyjnych linii komórkowych i hodowli pierwotnych wykazały, że uszkodzenie DNA może prowadzić do trwałego zatrzymania cyklu komórkowego [161], co skutkuje nieodwracalnym stanem, w którym uszkodzone komórki mogą przetrwać, ale nie mogą się rozmnażać, co jest znane jako starzenie się komórkowe [162].

W dojrzałych neuronach rekombinacja homologiczna i niehomologiczne połączenia końcowe nie są wystarczające do odpowiedniej naprawy DSB, prawdopodobnie dlatego, że komórki te nie dzielą się. Dlatego powszechnie uważa się, że neurony z czasem zwiększają nienaprawione uszkodzenia DNA, co może przyczyniać się do chorób neurodegeneracyjnych [163]. W ostrych stadiach po ekspozycji na promieniowanie prowadzi to do53-szybkiej apoptozy pierwotnej, w której pośredniczy odgórna i późnej apoptozy wtórnej (związanej z mutacjami mitotycznymi), eliminując w ten sposób poważnie uszkodzone komórki.

Komórki w mózgu często reagują na aktywację p53 poprzez trwałe zatrzymanie cyklu komórkowego zamiast apoptozy.164 Wraz ze starzeniem się, kumulują się uszkodzenia DNA, powodując utratę funkcji komórkowych oraz zwyrodnienie komórek i tkanek. Jednakże wadliwa naprawa może skutkować mutacjami i aberracjami chromosomowymi. Nienaprawione uszkodzenie DNA często powoduje dysfunkcję komórek lub starzenie się, co prowadzi do wielu patologii i śmierci komórek podczas starzenia [165,166]. Stymulacja DDR przez podczerwień wyzwala wrodzoną i adaptacyjną regulację immunologiczną. Ciągła aktywacja DDR sprzyja wytwarzaniu cytokin zapalnych, w tym IL-6i IL-8 [167], inicjując reakcję zapalną, która może uszkodzić otaczające tkanki.

Warto zauważyć, że uszkodzenie DNA może wystąpić nie tylko w jądrze, ale także w mitochondriach, a mtDNA jest bardziej podatny na uszkodzenia niż DNA jądrowy. ROS są głównym źródłem mutacji mtDNA, które mogą kumulować się wraz z wiekiem i postępem choroby [168,169]. Co więcej, DDR prowadzi do starzenia się komórek, a ciągłe starzenie się indukuje SASP, w którym uwalniane są cytokiny zapalne.

Mediatory te wpływają na sąsiadujące komórki i wywołują różne patologie.170]. Nienaprawiona DDR indukuje starzenie się komórek poprzez szlak p53, aktywuje SASP, powoduje wydzielanie cytokin prozapalnych i dalej aktywuje wrodzoną odpowiedź immunologiczną, co powoduje starzenie się tkanek i starzenie się. chorobami pokrewnymi [171–173]. Starzejące się komórki charakteryzują się zwiększoną aktywnością najpowszechniejszego markera starzenia, SA- -gal, i zwiększoną ekspresją p21WAF1/Cip1. Chociaż p21 może sprzyjać starzeniu się komórek pod wpływem podczerwieni, może również sprzyjać zatrzymaniu cyklu komórkowego G1.

Jednak nie zawsze jest to skorelowane z aktywnością p53. Zarówno aktywacja p53, jak i p21 w starzejących się komórkach jest tymczasowa, ponieważ ekspresja p53 i p21 ostatecznie maleje, a p16Ink4A utrzymuje zatrzymanie wzrostu w starzejących się komórkach [174]. W przeciwieństwie do starzenia replikacyjnego, przedwczesne starzenie wywołane stresem (SIPS), spowodowane uszkodzeniem DNA, jest niezależne od długości i funkcji telomerów [175,176].

For more information:1950477648nn@gmail.com