За бърза поръчка 24/7:
Ролята на пикочната киселина като антиоксидант при патогенезата на някои невродегенеративни заболявания /кратък преглед/
Оригиналната статия може да бъде намерена тук https://www.longdom.org/open-access/the-role-of-uric-acid-as-an-antioxidant-in-selected-neurodegenerative-disease-pathogenesis-a-short-review-2168-975X.1000129.pdf
Резюме
Пикочната киселина, която е мощен антиоксидант за хората, птиците, влечугите и някои примати, е краен продукт на разграждането на пурина, който се образува при ксантиновите/хипоксантиновите реакции, катализирани от ксантиновата оксидаза. Тя е свързана с еволюционната загуба на уратоксидазата (това е ензимът, който окислява пикочната киселина, което води до образуването на алантоин) и последващо повишение на концентрациите на пикочната киселина, което, от своя страна, води до удължаване на живота. Известно е, че пикочната киселина отстранява пероксинитрита и другите свободни радикали, които могат да доведат до дисбаланс на оксидантите и появата на оксидативен стрес.
Пикочната киселина също играе важна роля за защитата на ДНК от едноверижни разкъсвания, причинени от свободните радикали в организма, което, от своя страна, води до предпазен ефект при невродегенеративни заболявания. Мозъкът е особено уязвим към оксидативния стрес, тъй като той се счита за „важна тъкан” с особено висок метаболизъм и сравнително високо използване на кислород. Освен това, мозъчната тъкан съдържа много ненаситени липиди, което я прави по-податлива на увреждания от страна на свободните радикали. Поради тази причина, оксидативният стрес е свързан с патогенезата на невродегенеративните заболявания и исхемичните мозъчни травми. В настоящата статия ние обобщаваме функциите на пикочната киселина за облекчаване на оксидативните увреждания и осигуряване на защита на невронните клетки при травми и заболявания.
Въведение
Пикочната киселина е била широко изследвана в много физиологични и патологични системи, включително при рака [1], поради ролята й като мощен плазмен антиоксидант, който унищожава синглетния кислород, както и пероксидните и хидроксилните радикали. Дисбалансът на свободните радикали в биологичната система може да доведе до оксидативно увреждане и възпаление, което в крайна сметка може да повиши патогенезата на заболяването. Целта на настоящата статия е да се открие връзката между оксидативния стрес, положителните ефекти на пикочната киселина и патогенезата на заболяването, както и да се представят доказателства за възможността от използване на пикочната киселина като потенциално терапевтично средство.
Активните форми на кислорода (АФК) са свободните радикали, получени от молекулния кислород. Кислородът е необходим за генериране на всички АФК, активните форми на азота (АФА) и активните форми на хлора [2]. Кислородът в основното си състояние, което също се нарича триплетно състояние, се счита за бирадикален, което означава, че той съдържа два несвързани електрона във външната си обвивка. Двата електрона се въртят по един и същ начин, което позволява на кислородната молекула да влиза в реакция с всеки електрон поотделно. В химическата връзка кислородът не е особено реактивен по отношение на двата електрона. Въпреки това, ако единият от несвързаните електрони се възбуди, той може да промени въртенето си, което води до синглетна форма на кислорода. Синглетният кислород може да влиза в реакция с другите двойки електрони, особено с онези, които влизат в двойните връзки, и по този начин може да се превърне в мощен оксидант [3].
Най-известните АФК, които се произвеждат в биологичните системи са хидроксилните (•OH) радикали, супероксидните радикали (O2-.), азотният оксид(NO•), пероксинитритът (ONOO-) и водородният пероксид (H2O2). Свободните радикали и другите АФК постоянно се образуват в организма и са свързани с патогенните състояния и оксидативния стрес [4]. От тези АФК, супероксидните и водороднопероксидните радикали имат най-голямо значение за окислително-възстановителните реакции, както и за субстратите при образуването на други АФК, особено на високотоксичния хидроксилен радикал [3].
Това се дължи на факта, че OH атакува всички протеини, ДНК, полиненаситените мастни киселини в клетъчните мембрани, както и много други молекули [4]. Хидроксилните радикали могат да се генерират чрез реакцията на Фентън (Fe2+ + H2O2 -> Fe3+ + •OH + -OH). Те се катализират от преходните метали. Известно е, че генерирането на OH• радикали чрез реакцията на Фентън става в субмитохондриалните частици под оксидативен стрес [5], както и по време на някои токсикологични състояния [6]. Излагането на радиация може да доведе до хомолитично делене на водните молекули, което от своя страна води до производството на хидроксилни радикали [3].
Окислително-възстановителните реакции със супероксида, водородния пероксид и хипохлорната киселина също генерират хидроксилните радикали ин виво [7].
Супероксидните радикали по принцип се генерират в организма чрез респираторен взрив по време на фагоцитозата в имунологичната защита и от изтичането на електрони от веригата за пренасяне на митохондриални електрони. Супероксидът е кислородно центриран радикал, който може да има селективна реактивност към различни видове тъкани, протеини, ДНК и др. [4]. Освен супероксидните радикали, по време на митохондриалната респирация може да се произвежда водороден пероксид, както и при ксантинова/хипоксантинова реакция по време на разграждането на пурина [8]. H2O2 също може да се образува при дисмутиране на супероксида (това е реакция, която включва едно вещество и произвежда два продукта) от ензима супероксидна дисмутаза. H2O2 е сравнително слабо реактивен [4], но той може да бъде субстрат за производството на хидроксилни радикали, както и за генерирането на други АФК.
Основното състояние на кислорода е изключително важно за всички аеробни организми. Въпреки това, зависимостта от кислорода може да доведе до токсичност и дисбаланс на физиологичните процеси в организма. Такава токсичност например се получава при оксидативен стрес. Оксидативният стрес може да се дефинира като дисбаланс на оксидантите (АФК) и антиоксидантите в организма, като този дисбаланс е в полза на оксидантите [9]. Дисбалансът на АФК по принцип може да се причини от намалена концентрация на антиоксиданти и повишено производство на АФК [3]. Това може да се предизвика от такива ендогенни източници, като изтичането на електрони от митохондрията [10], от такива екзогенни източници, като въглеродният окис [6], радиацията и други фактори от околната среда. След това натрупаните увреждания от АФК допринасят за много патогенни и непатогенни състояния поради изключително нестабилната същност на АФК. Разкъсването на веригите, модификацията на основата и ДНК-протеиновите напречни връзки могат да се свържат с уврежданията, свързани с АФК [3].
Оксидативният стрес се смята за един от основните фактори, допринасящи за увреждането на ДНК. Увреждането и възстановяването на ДНК се извършва ин виво постоянно [4], като хидроксилните и супероксидните радикали са въвлечени в механизма на увреждане на ДНК. Едноверижните разкъсвания на ДНК могат да се елиминират от системите за антиоксидантна защита, като пикочната киселина, например [11].
Освен това, оксидативният стрес е свързан с такива заболявания, като исхемия, реперфузия, диабет и невродегенеративни заболявания. Исхемичната реперфузия се появява при сърдечносъдови нарушения или мозъчни увреждания, когато тъканите са лишени от кислород [3]. С тези събития е свързано увеличаването на АФК, както и повишаването на активността на ксантиноксидазата, което води до освобождаването на супероксидни радикали от реакцията с ксантина [12]. Освен това се съобщава, че пероксинитритът играе важна роля при възпаленията на ЦНС [13], както и при множествена склероза [14].
И накрая, оксидативният стрес е фактор в процеса на стареене. С течение на времето оксидативните увреждания оказват отрицателно влияние върху гликоксидацията на протеините, липидите и ДНК. Натрупването на тези продукти на гликоксидацията може да наруши функционирането на тъканите и да повлияе върху процеса на стареене [15]. За да се справи с оксидативния стрес, организмът обикновено се опитва да регулира системите си за антиоксидантна защита.
Организмите балансират своето окислително-възстановително състояние чрез регулиране на производството на АФК от антиоксидантите. Най-общо казано, антиоксидантът е агент, който каталитично отстранява свободните радикали и активно елиминира АФК и активните форми на азота (АФА) [3]. Антиоксидантите по принцип работят при ниски концентрации и се окисляват от АФК, като по този начин намаляват способността на АФК да влизат в реакция със заобикалящите ги клетки и тъкани. Освен това се смята, че антиоксидантите с ниска индивидуална молекулярна маса участват в координирана мрежа с други антиоксиданти, които унищожават радикалите [16].
Система за антиоксидантна защита: избрани антиоксиданти и пикочна киселина
Антиоксидантите и храненето са тясно свързани. Екзогенните източници на антиоксиданти са онези, които могат да се получат от храната. Те могат да включват, но не се ограничават с витамин E (токофероли), аскорбинова киселина (витамин C), каротеноиди и флавоноиди.
Витамин E (а-токоферол) е мощен мембранно свързан, липидоразтворим антиоксидант, който влиза в пряка реакция със синглетния кислород [19]. Освен това е известно, че витамин E унищожава пероксилните радикали. Счита се, че а-токоферолът притежава най-силните антиоксидантни свойства в сравнение с другите токофероли, поради факта, че способността на различните токоли да даряват H+ се увеличава при по-високо метилово заместване [17]. При състояние на недостиг, ниската концентрация на витамин E води до намаляване и на други антиоксиданти, такива като аскорбатът [18]. Освен това се съобщава, че при мишките с поставени едностенни въглеродни нанотръбички в белите дробове се наблюдава индуцирано натрупване на продуктите на липидната пероксидаза, както и по-силен оксидативен стрес поради недостиг на витамин E [18]. Витамин E е важен антиоксидант заедно с витамина C.
Витамин C (аскорбинова киселина или аскорбат) също е екзогенен антиоксидант, който може да се набавя от храната. Витамин C е важен водоразтворим цитозолен антиоксидант, участващ в разкъсването на веригите на радикалите и регенерацията на токоферола от токофероксидните радикали [19]. Според информацията за регенерацията на токоферола от токофероксидните радикали се съобщава, че между витамин С и витамин Е има синергична връзка [20]. Витамин C унищожава супероксидните радикали, както и други видове синглетен кислород [19]. При пациентите с тежък инсулт често се наблюдава намаляване на количеството на витамин E и аскорбата, което означава, че понижаването на антиоксидантната защита е свързано с по-високата честота на възникване на оксидативните увреждания [21].
Освен хранителните антиоксиданти, ендогенните (генетичните) антиоксиданти също играят важна роля за регулиране на производството на АФК. Те могат да бъдат ензимни или неензимни. Един от най-известните от тези ензими е супероксидната дисмутаза (SOD). SOD може да се открие в цитозола (CuZn SOD) на клетките, както и в митохондриалната матрица (Mn-SOD) [22]. Когато SOD унищожава супероксида, тя ограничава производството и на другите АФК. Освен ензимните ендогенни антиоксиданти, организмът също притежава неензимни системи за антиоксидантна защита.
Пикочната киселина е краен продукт на пуриновия метаболизъм при хората, влечугите, широконосите маймуни и птиците. За разлика от повечето млекопитаещи, при тези видове липсва уриказата или уратоксидазата (Uox), която катализира окисляването на пикочната киселина до алантоин. Анализът на промоторните, кодиращите, екзонните и интронните области на гените при хората и някои видове примати показа, че в хоминоидното родословие има осем независими безсмислени мутации, които са довели до дезактивацията на гена на Uox [23]. Шест от тези осем мутации са предизвикани от промяната от C към T в аргининовия кодон (CGA). След изследване на преобладаването на аргининовия кодон при приматите учените предположиха, че кодонът CGA се среща по-често поради загубата на уратоксидазата [23]. Авторите на изследването стигнаха до заключението, че тази загуба е била постепенна, а не единична стъпка в еволюцията [23]. Днес в базата данни на ДНК няма Uox секвенция за птиците или влечугите, затова е необходим по-нататъшен анализ за откриване на еволюционната загуба на Uox при тези видове. Загубата на активността на този ензим при видовете, които са живели дълго време, е свързана с антиоксидантните свойства на пикочната киселина. Освен това съществува хипотеза, че е възникнала коеволюция между понижаващата регулация на ксантин-оксидоредуктазата и повишаването на концентрацията на пикочната киселина при видовете, при които липсва уратоксидазата [23]. Транскрипцията и ядрената промоторна активност на човешката ксантин-оксидоредуктаза XOR се потискат [24], което показва, че има регулаторен механизъм, предотвратяващ свръхпроизводството на пикочната киселина при пуриновия метаболизъм. Трябва да се определи дали тази връзка съществува не само при хората, а и при други видове, при които липсва същата Uox активност и дали това всъщност е коеволюционно събитие, което може да е свързано с антиоксидантната защита, включваща пикочната киселина. Публикувано е подробно изследване на загубата на уриказата, както и клиничните прояви в човешката патология [25].
Пикочната киселина е мощен плазмен антиоксидант (фиг. 1), който унищожава синглетния кислород, пероксидните и хидроксилните радикали [1]. Тя е била широко изследвана в много физиологични и патологични системи, включително при невродегенеративните заболявания. Концентрациите на пикочната киселина в човешката плазма обикновено са високи (> 2 mg/dL), със средна стойност от 7,0 mg/dL при мъжете и 6,0 mg/dL при жените [21, 26]. Пикочната киселина може да се свързва и с комплексите на железните йони, което може да свидетелства за допълнителни антиоксидантни възможности [27]. Изследванията доказаха способността на пикочната киселина да унищожава свободните радикали в дози, които са равни или по-големи от тези, които се откриват при птиците с помощта на електронния спинов резонанс [28]. Пикочната киселина оказва концентрационно зависим ефект върху намаляването на хидроксилните и супероксидните радикали, което означава, че повишаването на концентрацията на пикочната киселина води до повишено унищожаване на тези радикали [28]. Това изследване също доказа намаляването на фрагментацията на ДНК и липидната пероксидация [28]. Тези резултати подкрепят твърдението, че пикочната киселина унищожава свободните радикали и може да се смята за жизненоважна за антиоксидантната защита.
Фигура 1: Предполагаемите антиоксидантни свойства на пикочната киселина, които са свързани с патогенезата на някои невродегенеративни заболявания.
Пикочната киселина се смята за мощен антиоксидант, който притежава и неврозащитни свойства. При патогенезата на невродегенеративните заболявания изследванията показват, че намаляването на пикочната киселина е свързано с по-вероятно прогресиране на болестта. Поради антиоксидантната същност на пикочната киселина, тя може да се смята за терапевтично средство.
Проведени са няколко сравнителни изследвания на птици, които показват, че между повишените концентрации на пикочната киселина и намаляването на оксидативния стрес съществува пряка зависимост [29, 30]. При бройлерите, хранени с високопротеинови храни, състоящи се от 45% казеин, е имало значително повишаване на концентрациите на пикочната киселина в плазмата, което е свързано с намаляване на оксидативния стрес при бързоразвиващите се птици, като това показва, че високите нива на протеини не са вредни за здравето на птиците [31]. Когато бройлерите са били хранени с храни, съдържащи ксантин или хипоксантин, нивото на плазмената пикочна киселина е било значително повишено в сравнение с контролната група, което е свързано с намаляване на оксидативния стрес [30]. За разлика от тях, при птиците, хранени с алопуринол (50 мг/кг от телесното тегло) се е наблюдавало намаляване на концентрациите на плазмената пикочна киселина, което е свързано със значително повишаване на оксидативния стрес [30]. С увеличаването на оксидативния стрес е било свързано и повишаването на експресията на IL-1β, IFN-γ и IL-12p35 (Сетъл, непубликувани наблюдения), което свидетелства за провъзпалителна реакция. Друго изследване с инозин (0,6 мола/кг храна/ден), който са давали на бройлери, лекувани с хемин (прооксидант), показа, че инозинът повишава концентрациите на пикочната киселина в плазмата и намалява предизвикания от хемина оксидативен стрес [32]. При хранене на бройлерите със смес от инозин и алопуринол в продължение на 3 дни е имало значително намаляване на пикочната киселина в кръвната плазма и тъканите, в сравнение с бройлерите, които са получавали само инозин, което показва, че тъканите са податливи на оксидативни увреждания дори след премахването на алопуринола от храната [33]. Изводите от тези изследвания подкрепят теорията, че между концентрациите на пикочната киселина и оксидативния стрес има обратна връзка, която е валидна за различните видове живи същества.
Множествена склероза
Пикочната киселина също играе важна роля за защитата на ДНК от едноверижни разкъсвания, причинени от свободните радикали в организма [11], както и защитна роля при невродегенеративни заболявания. Пикочната киселина унищожава пероксинитрита и проявява защитни свойства при инхибиране на възпаленията на ЦНС и бариерата кръв-ЦНС, подложени на пероксинитритни увреждания [13]. Освен това е имало намаляване на симптомите на енцефаломиелита след лечението с пикочна киселина, както и повишаване на оцеляването при мишките с множествена склероза [14]. Известно е, че пациентите с множествена склероза (МС) имат по-ниски концентрации на пикочна киселина в кръвния серум и повишен оксидативен стрес във връзка с производството на азотен оксид и регулирането на iNOS, като се съобщава, че пациентите с подагра нямат МС [35]. Подаграта и множествената склероза взаимно се изключват, което предполага, че намаленото количество пикочна киселина може да е свързано с по-голямата вероятност за прогресиране на невродегенеративните заболявания поради липсата на ефективна антиоксидантна защита, а лечението с такива предвестници на пикочната киселина, като инозинът, например, може да окаже положителен терапевтичен ефект. Концентрациите на пикочната киселина в кръвната плазма се увеличиха от 4 mg/dl до 9mg/dl при пациентите с диагностицирана хронична МС, приемали по 1-3 gm инозин дневно, което е довело до намаляване на симптомите, без признаци за релапс в продължение на една година [36]. Освен това, при пациентите не са се наблюдавали странични ефекти, свързани с приемането на инозина, което показва, че пуриновите предвестници имат потенциал за терапевтично лечение на МС.
Хипоксия и исхемичен инсулт
Хипоксията и исхемичният инсулт са състояния, при които тъканите са лишени от кислород за определено време преди снабдяването с кислород да се възстанови. През това време в организма умират клетки и възниква апоптоза с увреждания от страна на свободните радикали, което води до множество усложнения, свързани с реперфузията на тъканите. Тези механизми са подробно изследвани [35], макар че ролята на пикочната киселина при исхемичните състояния не е напълно разбрана. Изследванията на хипокампалната клетъчна култура показаха, че пикочната киселина предпазва срещу метаболичните инсулти и намалява оксидативните увреждания [37]. Освен това се съобщава, че при плъховете с исхемия/реперфузия по време на лечението с пикочна киселина и след него е имало намаляване на маркерите за мозъчни травми, както и подобряване на поведенческите и когнитивните дефицити, които често са свързани с тези травми [37]. Комбинацията от пикочната киселина и рекомбинантния тъканен плазминогенен активатор (rt-PA) при пациентите с исхемичен инсулт е довела до предотвратяване на ранното изчезване на пикочната киселина, свързано със загубата на неврална защита [38].
Освен исхемичните увреждания, проведени са изследвания, които подкрепят неврозащитните свойства на пикочната киселина при невродегенеративните заболявания, например болестта на Паркинсон и Алцхаймер.
Болестта на Паркинсон
Болестта на Паркинсон (БП) е невродегенеративно заболяване, което всъщност може да е свързано с концентрациите на пикочната киселина. БП се характеризира с дегенерация на пигментираните допаминергични неврони в черното вещество на средния мозък. Симптомите на пациентите включват брадикинезия, тремори в покой и когнитивни нарушения. Конкретната причина за клетъчната смърт все още не е известна, но съществува хипотеза, че оксидативният стрес и митохондриалната дисфункция може би играят роля в патогенезата на БП, като тази хипотеза е била подробно изследвана [39]. Ролята на пикочната киселина в патогенезата на БП все още не е напълно изяснена, но доказателствата сочат, че намалената концентрация на пикочната киселина в кръвния серум е свързана с прогресирането на болестта.
При провеждане на популационно изследване, 4695 участници са били изследвани за БП, като пациентите с маркери за БП или деменция за всяко заболяване са били изключени от данните [40]. Резултатите от това изследване показаха, че между по-високите концентрации на пикочна киселина в кръвния серум и намаляването на заболеваемостта от БП в продължение на 9,4 години има връзка [40]. Освен това, изследванията показаха, че по-високите нива на пикочна киселина в кръвния серум са свързани с намаляване на развитието на БП [41, 42]. Когнитивните нарушения също са свързани с БП. Имало е връзка между когнитивните способности на 40 пациента с БП, като намалените когнитивни способности са били свързани с по-ниските нива на пикочната киселина в плазмата [43]. Въз основа на тези открития, учените стигнаха до извода, че пикочната киселина може да се използва за терапия на пациенти с БП, но в тази област са необходими повече изследвания, за да се определи точната доза на пикочната киселина, както и начинът, по който това ще засегне общата физиологична реакция.
Болестта на Алцхаймер
Болестта на Алцхаймер (БА) също се характеризира със загуба на когнитивната функция и невронна дегенерация при пациентите. БА се счита за невропсихиатрично разстройство, а етиологията на тази болест до голяма степен остава неизвестна. Един от основните фактори за развитието на болестта е увреждането, причинено от оксидативния стрес чрез повишена липидна пероксидация в различни части на мозъка [44]. Уврежданията от страна на свободните радикали също могат да играят роля в образуването на β-амилоидната плака, свързано с БА [45]. При БА се наблюдава увеличаване на такива антиоксиданти, като каталаза и супероксидна дисмутаза в хипокампуса и амигдалата [46, 47]. Както и при БП, при пациентите с БА се наблюдава намаляване на нивата на пикочната киселина в организма [48,49]. Изследванията показват, че комбинирането на такива предвестници на пикочната киселина, като инозинът с аскорбинова киселина може да донесе терапевтична полза на пациентите с БА, но дозите и продължителността на лечението не са били определени. БА е прогресивно заболяване, което в бъдеще може да включва и инозина като терапевтично средство.
Изводи
Оксидативните увреждания играят роля в прогресирането на невродегенеративните заболявания и уврежданията на невралната тъкан. Мозъкът и централната нервна система са изложени на оксидативните увреждания, които се причиняват от свободните радикали през целия живот. Съществува хипотеза, че тези постоянни атаки от страна на АФК върху тези тъкани могат значително да допринесат за патогенезата на определени заболявания и още повече да влошат уврежданията. Разбирането на системите за антиоксидантна защита е изключително важно за откриването на маркерите на заболяването, както и за потенциалното терапевтично лечение. Пикочната киселина е мощен ендогенен антиоксидант за хората, птиците и влечугите. Сравнителните изследвания на птиците сочат, че намаляването на нивото на пикочната киселина води до повишаване на възпаленията и оксидативния стрес, което може да се облекчи чрез приемане на пуринови предвестници. Това лечение също се препоръчва на пациентите, страдащи от МС, БА, БП и исхемични заболявания. Представените в литературата доказателства показват, че нивото на пикочната киселина е по-ниско при пациентите с тези невродегенеративни заболявания (фиг. 1), което означава, че неврологичната система разчита на пикочната киселина за намаляване на уврежданията от страна на свободните радикали чрез елиминиране на пероксинитрита. Въпреки че за пикочната киселина има много информация, има още много какво да се научи за ролята й в системата за антиоксидантна защита, за потенциалното използване на пикочната киселина или нейните предвестници за профилактиката и лечението на болестите.
