Брой 4/2016
Д-р Д. Комсийска, гл. ас.
Медицински факултет, Тракийски университет – Стара Загора
Доц. П. Маринов, д. м.
Катедра по психиатрия и медицинска психология, Медицински университет „Проф. Параскев Стоянов“ – Варна
Оксидативен стрес
Усвояването на кислорода от живите организми се осъществява в две основни направления: конструктивно – чрез ензимно контролираните процеси на биологичното окисление, при които се получава необходимата за живота енергия и деструктивно – чрез свободно-радикаловите окислителни процеси, които нарушават нормалните му биологични функции. При нормални условия в човешкия организъм е налице деликатен баланс между продукцията на реактивни кислородни метаболити и тяхното елиминиране от защитните му системи. Налице са достатъчно факти, потвърждаващи участието на реактивни кислородни видове (ROS) в редица физиологични и патофизиологични процеси. В ниски концентрации ROS играят важна роля като медиатори в регулацията на сигналните процеси при протичането на клетъчната диференциация, пролиферация, апоптоза, клетъчния имунитет, клетъчната защита срещу микроорганизми, меланогенеза и стареене (Shackelford R et al., 2000). Обратно, във високи концентрации свободните радикали и техните производни нерадикалови реактивни съединения са опасни за живите организми, тъй като увреждат всички основни клетъчни компоненти.
Нарушаването на баланса между процесите, продуциращи ROS и антиоксидантните защитни системи, води до възникване на оксидативен стрес причиняващ клетъчни увреждания и директно инхибиране на ензимни протеини (Chopra, Wallace 1998). Оксидативният стрес представлява дисбаланс между биохимичните процеси, генериращи ROS и способността на дадена биологична система да ги неутрализира. Като резултат ROS се образуват по-бързо, отколкото клетъчните защитни системи могат да ги отстранят (Гаджева 2007). Развитието на оксидативния стрес и последствията от него зависят от възможностите на организма самостоятелно или с намеса отвън да възстанови физиологичното равновесие между прооксиданти и антиоксиданти (Himmelfarb J, Hakim R, 2003).
Терминът “редокс сигнализация” се използва за описване на регулаторен процес, в който сигналът е подаден от окислително-редукционни процеси. Редокс сигнализирането се използва от голям брой организми, включително бактерии и служи за индуциране на протективни отговори срещу оксидативни увреждания и възстановяване на нормалното състояние на „редокс – хомеостазата” след кратковременни атаки от ROS.
Теорията за оксидативния стрес като патофизиологичен механизъм най-общо може да бъде обяснена с концепцията, понякога наричана „оксигенен парадокс”, че докато кислородът е съществен за аеробния живот, големи количества от неговите свободни радикални метаболитни вторични продукти са токсични (Davies, 1995). Накратко, тези свободни радикали играят интегрална роля в клетъчната сигнализация, физиологични имунологични отговори и митози. Обаче, бидейки високо нестабилни молекули с нечифтни електрони, те имат различни оксидативни сили и затова потенциално могат да увредят клетъчни протеини, липиди, карбохидрати и нуклеинови киселини (Filomeni and Ciriolo, 2006). Под психологични условия, множество нива на защита съществуват, за да предпазят от тези свободни радикали, включващи рестрикцията на тяхната продукция чрез поддържането на високи кислородни нива между външната и клетъчната среда, тяхното премахване чрез неензимни и ензимни антиоксиданти и възстановяването от оксидативни увреждания чрез структурни поправки и заместващи механизми (Davies, 2000; Sies, 1997). Въпреки ефикасността на тази мулти-фасетна защитна мрежа, степента на оксидативните увреждания е различна в аеробния живот и се смята, че се дължи на процеса на стареене и влияе на организмовата продължителност на живота (Finkel and Holbrook, 2000). Оксидативният стрес се появява, когато редокс хомеостазата е обърната към пребаланс на свободни радикали, дължимо или на тяхната свръхпродукция, или недостиг на антиоксидантна защита (Sies, 1997). Резултатното клетъчно увреждане може да варира от клетъчно структурно увреждане и митотично блокиране до апоптоза и клетъчна некроза, в зависимост от нивото на тежестта на оксидативния стрес (Davies, 2000; Finkel and Holbrook, 2000). Основните класове свободни радикали в живите организми са реактивните кислородни видове (ROS) и реактивни азотни видове (RNS), които са респективно колективни термини за кислородно- и азотно-изведени радикали, както и някои нерадикали, които имат готовност да се превърнат в радикали (Halliwell, 2006; Pacher et al., 2007).
Оксидативните стресови механизми са имплицирани в патогенезата на психичните заболявания. Тази хипотеза има теоретичен апел, тъй като мозъкът се смята за особено раним от оксидативни увреждания по редица причини. Те включват неговата сравнително висока кислородна утилизация и следователно генерация от свободни радикалови вторични продукти, неговите скромни антиоксидантни защити, неговата богата на липиди устойчивост, която доставя готови субстрати за окисление, намаляващия потенциал на някои невротрансмитери и присъствието на редокс-каталитични метали като желязото и медта (Halliwell, 2006; Valko et al., 2007).
Оксидативният стрес води до инактивация и модификация на антиоксидантните ензими и отслабване на антиоксидантната защита. Оксидацията на протеините може да бъде отговорна за техния обмен под форми, които са по-податливи на разграждане от протеинази (Radak et al. 2014, Droge et al. 2002). Формирането на карбонилов протеин е индекс за оксидативен стрес, като резултат от модификации на аминокиселини. Карбонилацията на протеините е неензимна добавка на алдехиди или кетони към специфични аминокиселинни остатъци, главно към аргинин, лизин, треонин, пролин, цистеин или хистидин (Uchida, Stadtman 1993). Изместванията в редоксовото равновесие в тиол-дисулфидната плазмена система са имплицирани като ключов механизъм на оксидативни увреждане и възстановяване на редокс хомеостазата при пациенти след остър инсулт. ROS-зависимата оксидативна модификация на редокс активните цистеини в протеините е отговорна за регулацията на активността на различни протеинни функции, включително ензимната активност, протеинната експресия и изобилие, протеиновата локализация, интеракцията с други биомолекули в контролирането на клетъчната сигнализация и генна експресия (Li et al. 2012). Окислените цистеинови остатъци могат да взаимодействат с азотния окис и да формират нитрозотиол или да дадат дисулфидна връзка с друга протеинова тиолова група (Wang et al. 2012).
Нитративният стрес може да промотира нитросативни посттранслационни модификации в протеините, които са имплицарани в патогенезата на асоциираната кардиоваскуларна дисфункция (Sun, Murphy 2010, Manolescu et al. 2011). Но едновременно формиране на азотен оксид и супероксидни радикали може да редуцира S-нитросилацията на протеин, дължаща се на едновременно генерация на мощното тирозин-нитриращо вещество пероксинитрит (ONOO−). Нитрирането на протеин и акумулацията на 3-нитротирозин е биомаркер на нитративния стрес, индуциран от пероксинитрит и други реактивни азотни видове. Тирозиновата нитрация като честа модификация е също относително специфичен маркер на оксидативни увреждания, медиирани от ONOO−, който е формиран от реакцията между супероксид и азотен оксид и е важен за регулацията на протеиновата структура и функция (Reiter et al. 2000).
Антиоксидантната защитна система в организма съдържа езимни и неензимни компоненти. В патогенезата на острия исхемичен инсулт се абсорбират ниско молекулярни антиоксиданти в реакцията със свободни радикали, генерирани през оксидативния стрес. Ендогенната каталитична система включва множество антиоксидантни ензими, като супероксид дисмутация, каталаза и глутатион пероксидаза. Сред тях първата защитна линия е каталазата, която разлага хидроген пероксида, тъй като акумулацията му може да доведе до формирането на свободни радикали (Cojocaru et al. 2013, Golden et al. 2009). Доказателствата посочват, че депресията принадлежи на спектър от невродегенеративни разстройства и се акомпанира от намален антиоксидантен статус и от индукция на оксидативните и азотни пътища. Също е известна значима асоциация между депресията и полиморфизми в гените, включени в оксидативните и азотни пътища, като манган супероксид дисмутаза, каталаза и миелопероксидаза (Maes et al. 2011c).
Оксидативен стрес и инсулти
Инсултът е една от водещите причина за смъртност и болестност с огромно финансово натоварване върху здравните системи по целия свят. Исхемичният инсулт е отговорен за приблизително 80-85% от всички случаи и се характеризира като прекъсване на церебралния кръвен поток и загубата на кислород в засегната област. Оксидативният стрес кулминира, заради неравновесието между про-оксиданти и анти-оксиданти и последователна прекомерна продукция на реактивни кислородни видове. Реактивните кислородни видове са двуфазни, играещи роля в нормалните физиологични процеси, а също са и включени в известен брой болестни процеси, където медиират увреждане на клетъчните структури, включващи липиди, мембрани, протеини и ДНК. Церебралната кръвоносна система е главна цел на оксидативния стрес, защото играе критична роля в патогенезата на исхемичното мозъчно увреждане в резултат на цереброваскуларната атака. Супероксидът, главният реактивен кислороден вид и неговите производни причиняват вазодилатация чрез отварянето на калиеви канали, както и влошаване на васкуларната реактивност. Но реактивните кислородни видове са включени в нормалните физиологични процеси, включително клетъчно сигнализиране, индукция в митогенезата и имунна защита. Allen и Bayraktutan 2009 се фокусират върху клетъчните и васкуларните аспекти на генерирането на реактивните кислородни и азотни видове и тяхната роля в патогенезата на феномените на исхемичната реперфузия.
Нарушеният баланс между клетъчната продукция на свободни радикали и способността на клетките за защита срещу тях е един от водещите механизми, които допринасят за невронална увреда (Radak et al. 2014). Тези състояния подпомагат оксидативни и азотни модификации в някои аминокиселини. Протеините са едни от основните цели на реактивните оксидативни или азотни видове. Оксидативните и азотните промени в протеините включват формирането на карбонилни групи, оксидация на тиоловите групи и генерирането на нитротирозин (Miller et al. 2012).
Мозъкът е податлив на вторични увреждания от оксидативно клетъчно нараняване или некроза от невротоксичните ефекти от освободените стимулиращи амини (основно глутамат) и желязо и активирания възпалителен отговор (Halliwell, 2006). Тази присъща оксидативна чувствителност на мозъка, заедно с растящите доказателства за невродегенеративните промени, свързани с много психиатрични синдроми, предполагат, че оксидативните щети могат да са достоен патогенетичен кандидат.
В изследване на Cichon et al. 2015 се наблюдава статистически значимо увеличено ниво на карбонилните групи в плазмените протеини, намалени нива на плазма протеин тиолови групи, намалена каталазна активност в еритроцитите и увеличено ниво на плазма протеин 3-нитротирозин в пациенти с инсулт за сметка на контролна група. В случая с карбонилните групи и 3-нитротирозина, наблюдаваното увеличение в оксидативното и нитративното протеиново увреждане след инсулта е повече от два пъти по-високо при пациентите с инсулт.
След началото на церебралната исхемия оксидативния стрес играе важна роля в инфламаторните реакции (Wang et al. 2003, Godinez-Rubi et al. 2013). В постисхемичните мозъци оксидативният стрес задейства активацията на микроглия и астроцити (Love 1999), водейки до резки увеличения в нивата на инфламаторните медиатори, като цитокини, хемокини и матрикс металопротеази (Lakhan et al. 2009) и причинявайки загубата на интегритета на ендотелните клетки в мозъка, както е манифестирано от възходящата регулация на клетъчно адхезионни молекули и невротрофична инфилтрация (Zoppo et al. 2000). Това вероятно провокира последователно вторично възпаление и глиален имунен отговор, резултиращ в перманентно увреждане на мозъчните клетки (Lakjan et al. 2009).
Редокс-медиираното увеличение в свободните радикали в постисхемичните мозъци води до уголемена експресия на няколко проинфламаторни гени, чиято експресия е медиирана през транскрипционен нуклеарен фактор- kappa-B or NF-κB (Lakjan et al. 2009). Проинфламаторни реакции, медиирани чрез NF-κB и вродени имунни отговори са важни свойства в церебралните исхемични състояния (Harari et al. 2010, Nichols 2004, Wei et al. 2011). Въпреки че активирането на вроден имунитет от Тол-подобни рецептори (клас протеини, които играят ключова роля във вродената имунна система) изглежда да подпомага регенеративни механизми (Pradillo et al. 2009), загубата на неврони критично включва инфламаторни отговори, медиирани чрез ROS индуцирани Тол-подобни рецептори, по време на церебрална исхемия (Caso et al. 2007, Caso et al. 2008, Gill et al. 2010, Suzuki et al. 2012).
Оксидативен стрес и депресии
През последните няколко години оксидативният стрес е проучван във връзка с психичните заболявания, включително и депресията, и се обсъжда като допринасящ фактор в патогенезата на депресията (Ng et al. 2008).
Механизмите, отговорни за развитието на депресията, са широко дискутирани и доказателствата предполагат хетерогенни и смесени етиологии на заболяването. Голям брой изследвания предлагат хипотези за развитието на депресията. Тези хипотези включват:
• монаминната теория на депресията с нейните модификации (Farvolden et al., 2003)
• хипотезата за разстроената невропластичност (Christoffel et al., 2011)
• инфламаторно-, оксидативно- и нитросативностресовата (IO&NS) теория за депресията (Leonard and Maes, 2012, Maes, 2011a). Данните предполагат, че депресията се свързва с възможни увеличения в броя и активността на макрофагите/моноцити и с имунокомпетентните фагоцитиращи клетки в мозъка, произвеждащи свободни радикали (Maes 2011b).
Според цитокинната хипотеза за депресията (Maes, 2008) инфламаторни, оксидативни и нитросативни (IO&NS) пътища и увеличена транслокация на LPS от грам-негативните бактерии са причинно свързани с депресията след външни (психологични) и вътрешни (органични) стресори и тези IO&NS пътища са нововъведени пътища за антидепресантното развитие. Депресията е придружена от инфламаторна реакция, която е показана чрез увеличаването продукцията на про-инфламаторните цитокини, като interleukin-1beta (IL-1 beta), IL-6, tumour necrosis factor-alpha (TNF-alpha) и interferon-gamma (IFN)-gamma. Тези цитокини са стрес сензитивни и могат да причинят депресивни поведения. Последното може да бъде индуцирано от увеличаване на катаболизма на триптофана, прекурсорът на серотонина, невротоксичния TRYCATs (tryptophan catabolites along the indoleamine oxidase pathway). Възпалителните биомаркери са открити в животински модели на депресията. Новоразвитите животински модели на депресията са базирани на индуцирано възпаление. Повече, ако не и всички антидепресанти имат специфичен противовъзпалителен ефект. Антивъзпалителните съединения може да увеличат клиничната ефикасност на антидепресантите. Депресията също е придружена с IgM-related (авто) имунен отговор, насочен срещу нарушените липидни мембранни компоненти, като фосфатидилиноситол, вторични продукти на липидната пероксидация, като например азелаинова киселина и малондиалдехид, и NO-модифицирани аминокиселни, които по принцип не се улавят от имунната система, но благодарение на щетите, причинени от O&NS са станали имуногенетични. Увеличената транслокация на липополизахариди от грам-негативните бактерии, което може да се индуцира от вътрешни и външни стресори, може впоследствие да агравира в индуцирани IO&NS пътища.
По отношение на връзката между депресията и оксидативния стрес са правени проучвания. Някои проучвания са докладвали корелации между депресивна тежест и величината на разстройствата в техните оксидативни индекси (Bilici et al., 2001; Forlenza и Miller, 2006; Sarandol et al., 2007), въпреки че едно проучване не е открило такава взаимовръзка (Herken et al., 2007).
Подсилената оксидация на липопротеините, съдържащи аполипопротеин Б, корелира с тежестта на голямата депресия заедно със значителни редукции в серум параоксаназа/арилестеразна активност, последвала от антидепресантно лечение, е била демонстрирана (Sarandol et al., 2006). Както оксидацията на липопротеините и ниската параоксоназна активност са включени в атерогенезата и коронарната артериална болест, тези резултати могат да бъдат релевантни в разбирането на връзката между голямата депресия и кардиоваскуларната болест (Sarandol et al., 2006). И други също предполагат оксидативни промени, като кумулативното оксидативно ДНК увреждане да бъде общ патофизиологичен механизъм в основата на голямата депресия и медицинските коморбидности (Forlenza and Miller, 2006).
Някои неврологични разстройства, включително инсулт, са свързани с оксидативна и азотна модификация на специфични протеини и акумулацията на оксидативни щети. Има няколко доказателства, които индикират участието на оксидативен и нитративен стрес в патофизиологията на депресията (Maes et al. 2011b, Maes et al. 2011c). В няколко изследвания са демонстрирани увеличени нива на реактивни кислородни и азотни видове в депресията, основно пероксид (Maes et al. 2011c) и азотен окис (Suzuki et al. 2001, Dhir et al. 2011) и намалени нива на антиоксиданти, като глутатион (GSH), в мозъка на починали депресивни пациенти (Gawrlyluk et al. 2011). Поради тази причина, оксидативните и азотни механизми са предложени като цели за новите антидепресанти (Lee et al. 2013).
Малка група от изследвания, демонстрирайки обрати в антиоксидантните и оксидативните разстройства след антидепресивни терапии, предоставят доказателства за антиоксидантните ефекти на тези лекарства (Bilici et al., 2001; Herken et al., 2007; Khanzode et al., 2003). Свързвайки се с това наблюдение, оксидативните параметри са номинирани от някои автори за кандидат-маркери за антидепресивна ефективност (Bilici et al., 2001; Herken et al., 2007). Обаче, проучванията не са единодушни в асоциирането на нормализацията в оксидативните параметри с антидепресивно лечение. Едно сравнително по-голямо проучване откри, че 6-седмично антидепресивно лечение не влияе на оксидативно-антиоксидативните системи, независимо от отговора или състоянието на ремисия при пациентите (Sarandol et al., 2007). За лекарства, различни от антидепресантите, антиоксидативните ефекти на лития може също да доведат до поддръжка на оксидативните стресови механизми зад голямата депресия, като е установена ролята като допълваща терапия.
В изследването на Cichon et al. 2015 само оксидативното увреждане на протеините е свързано със степента на слединсултната депресия, докато нитрацията на протеините не показва такава връзка.
Големите депресивни разстройства често се свързват с увеличен инфламаторен отговор на мозъка. Изследване, включващо серотониново транспортерно (SERT) мутирали плъхове, показва, че делецията на SERT гена е свързан с увеличено ниво на проинфламаторни цитокини и увеличено ниво на активирана микроглия. Това предполага, че дисфункцията на серотониновия транспортер играе ключова роля в патогенезата на депресивните разстройства чрез увеличаване на глиалния отговор към инфламаторни агенти (Fredericks et al., 2010; Macchi et al., 2013). Macchi и колеги (Macchi et al., 2013) показва, че SERT мутиралите плъхове показват активиран микроглиален фенотип под базални условия. Механизмите за микроглиална активация и нейните последици не са все още напълно разбрани. Няколко проучвания, обаче, изследват ролята на проинфламаторните цитокини, като туморен некрозен фактор (TNF) алфа или интерлевкини (IL 1 beta, IL 6, IL 8), които включват микроглиална активация при шизофренната патогенеза (Monji et al., 2013; Liaury et al, 2012).
Прогресирането на биполярни разстройства е мултифакториално и включва интеракция между невротрансмитери, невропептиди, оксидативен и нитросативен стрес и цитокини, както и невротрофини, включващи BDNF (Post 2007; Berk et al., 2011). Най-важно е, че нарастващите доказателства в животинските модели, а също и при хората, внушават, че анти-инфламаторната терапия може да забави прогресирането на тези заболявания (Iyengar et al., 2013).
Тревожни разстройства и оксидативен стрес
Идеята, че оксидативните стресови механизми са в основата на тревожното разстройствo, съществува от няколко години, като по-ранни предположения, че азотен окис и пероксинитрит играят главна роля в поставянето на порочния етиологичен цикъл, включващ свободни радикали и възпалителни цитокини при пост-травматичното стресово разстройство (Pall, Satterlee 2001). Въпреки това, биологични оксидативни проучвания в тревожните разстройства все още са недостатъчни и мнозинството от ограничената литература произлиза от животински изследвания, които обаче генерират заинтригуващи открития.
При хората, само шепа релевантни проучвания са публикувани. Те съобщават повишени продукти на липидната пероксидация и антиоксидантни промени при обсесивно-компулсивното разстройство (Ersan et al 2006, Kuloglu et al 2002a), паническо разстройство (Kuloglu et al 2002b) и социална фобия (Atmaca et al 2004), но не и при посттравматичното стресово разстройство (Tezcan et al 2003). Проучването върху социалната фобия също откри обрат при тези разстройства, следващи 8-седмичното лечение с циталопрам (Atmaca et al 2004). Проучване на тревожни жени откри намален общ антиоксидантен капацитет сред тази група, сравнена с нетревожни контроли, във връзка с няколко параметри на увредено имунно функциониране (Arranz et al 2007). Редица случаи съобщават подобрение в трихотиломанията, патологичното гризане на нокти и чоплене на кожа, състояния които имат близости с обсесивно-компулсивното разстройство, използващи NAC (N-Acetylcysteine) (Odlaug and Grant 2007).
Реактивни кислородни видове
Свободните радикали са парамагнитни частици – молекули, атоми или йони, които притежават един или повече несдвоени електрони на някоя от външните си орбитали. Те са силно реактивоспособни, участват във верижни реакции, при които се образуват нови свободни радикали. Тяхното образуване се извършва непрекъснато в клетките като последица от ензимни и неензимни реакции. Реакциите, водещи до образуването на свободни радикали могат да се разделят на три етапа: иницииране, развитие и прекратяване. Съществуват различни свободно радикални видове: реактивни кислородни видове (ROS) и реактивни азотни видове (RNS).
Образуването на свободни радикали от една страна има значителни предимства, а от друга може да доведе до различни увреждания. Свръхпроизводството на реактивни кислородни видове и слабите антиоксидантни механизми водят до развитието на оксидативен стрес патологичен процес, който може да доведе до различни увреждания на клетъчните структури.
Към свободнорадикаловите реакции се отнасят и окислителните процеси с участието на кислорода, пероксидите, хидропероксидите и др., както и много биохимични окислително-редукционни реакции (Valentine et al 1998). В резултат на тези реакции в биологичните организми се образуват голям брой реактивни кислородни видове (ROS) – супероксиден анион радикал (.О2-), азотен оксид (NO.), водороден пероксид (H2O2), хидроксилен радикал (.ОН) и други свободни радикали.
Супероксидният анион радикал се образува чрез едноелектронна редукция на молекулния кислород в триплетно състояние (3О2). Този процес се катализира от ензими като NAD(P)H оксидази и ксантин оксидаза (ХО) или може да протече неензимно чрез редоксреактивни съединения като убисемихинон компонента на митохондрийната електрон транспортна верига.
Супероксиддисмутазата превръща супероксида ензимно във водороден пероксид. В биологичните тъкани супероксидът може също да бъде неензимно превърнат в нерадикаловото съединение водороден пероксид и синглетен кислород (1О2), (Steinbeck et al 1993).
В присъствие на редуциран метал с преходна валентност (напр. феро- или купройони), водородният пероксид може да бъде превърнат във високореактивен радикал (.ОН) чрез реакциите на Haber-Weiss и Fenton. Алтернативно, H2O2 може да бъде превърнат във вода със съдействието на ензима каталаза (САТ) и глутатион пероксидаза (GSHPx).
Митохондричният енергиен метаболизъм произвежда няколко реактивни кислородни видове (ROS), включително оксидни йони (основните ROS), свободни радикали и пероксиди (неорганични и органични). Присъствието на ROS предизвиква значителни последици за живота на земята, както положителни, така и отрицателни. Например, сведенията сочат, че високи нива на ROS са тясно свързани с появата на невронална смърт при различни неврологични разстройства. Те включват хронични заболявания (болестта на Паркинсон или Алцхаймер) (Guglielmotto et al., 2009), остро увреждане на мозъка (мозъчна травма и церебрална исхемия) (Chen et al., 2011, Valko et al., 2007), или психиатрични разстройства (аутизъм, синдром с дефицит на внимание и хиперактивност, депресия и шизофрения) (Michel et al, 2012).
Въпреки, че ROS са отговорни за редица заболявания, те също са и уместен медиатор на няколко нормални физиологични процеса. ROS са продукти на преобръщането на митохондиралната респираторна верига. Високата реактивна природа на кислорода може да се използва за направата на реактивни пероксиди, които могат да служат като антимикробни агенти (Wang, Zhao, 2009). Повечето физиологични ефекти са всъщност медиирани от ROS деривати на супероксид. Също така супероксидния анион (O2−∙), през неговия дериват, хидроксилния радикал (∙OH), играе съществена роля в клетъчната физиология, като стимулира активацията на гванилат циклаза и формирането на „вторичния посредник” cGMP в клетки и активирането на транскрипт фактор нуклеарен фактор kB (NF-kB) от хидроген пероксида в клетки на бозайници (Droge, 2012). В нормални физиологични условия, NO радикалът регулира васкуларния тон чрез плавна мускулна релаксация.
В инфламаторния отговор, макрофаги и неутрофили се привличат от активираните T-лимфоцити и IL-2 и произвеждат високи нива на O2−, които унищожават погълнатите бактерии заедно с други ROS (оксидативен изблик) (Lu et al., 2007). В мозъчната тъкан, ROS се генерират от микроглия и астроцити и модулират синаптична и несинаптична комуникация между неврони и глия. ROS също са виновни за увеличената невронална активност (Atkins et al., 1999), като модифицират миелин алкалния протеин и може да индуцира синаптична дълготрайна потенциация, форма на активно-зависима синаптична пластичност и консолидация на паметта. Още повече, резултати от животински модели предполагат, че ролята на O2− в модуларинето на синаптична пластичност, формирането на паметта, както и ученето е изменена с възрастта (Hu et al., 2006).
Активираните кислородни видове, особено тези, които поделят електронни орбитални особености с монокислород, са високо реактивни и следователно еволюционната адаптация на организмите да правят кислорода напълно благоприятен никога не е била завършена. Има много вредоносни ефекти, свързани с преобладаването на активирани ROS. ROS са способни да създават увреждания на мембраните, промени във вътрешните протеини, влияейки на тяхната структура и функция, липидна денатурация, и структурни увреждания на ДНК. В мозъка тези ефекти се появяват, когато ROS са в екцесивни концентрации и следователно способността на антиоксидантните механизми на невроните да контрабалансират увреждащите реакции е намалена (Mehta et al., 2012).
Мозъкът е особено податлив на нападения, причинени от ROS. Това е така, защото мозъкът като орган е голям метаболизатор на кислород (20% от телесната консумация) и все пак има относително слаби протективни антиоксидантни механизми. Заради това той е особено уязвим на оксидативен стрес. Мозъкът съдържа голямо количество полинесатурирани, податливи на пероксидаза, мастни киселини заедно с високи нива на желязо, което действа като прооксидант и понякога индуцира автофагиална клетъчна смърт при хеморагичен инсулт. В мозъка може да възникне още и синаптична трансмисия, включваща допамин и глутамат оксидация (Mehta et al., 2012; Badjatia et al., 2012; Chen et al., 2013). В допълнение, липидната пероксидация води до продукцията на токсични съединения, като алдехиди или диенали (напр. 4-хидроксиноненал), които могат да причинят на свой ред невронална апоптоза (McCracken et al., 2000).
На ДНК ниво оксидативните модификации могат да причинят остро изчерпване на интрацелуларната енергия чрез активация на ДНК възстановителни ензими. Оскъдицата на енергия след инсулт причинява на свой ред ендонуцлеазно-медиирана ДНК фрагментация, ключовият механизъм, който води до ДНК увреждане (Cui et al., 2000).
Митохондрията генерира АТФ и следователно е ключов участник във всички физиологични и патологични събития. Следвайки исхемия-асоциираната екситотоксичност и други невродегенеративни инсулти, митохондрията отнема калций, което води до увеличена продукция на реактивни кислородни видове (ROS). В резултат, невроналните клетки се изправят срещу ексцесивните количества ROS (Panov et al., 2007). Механизмите, свързващи поемането на митохондриалния калций и продукцията на ROS не са напълно разбрани, но могат да включват увеличение в пермеабилитета на митохондириалните мембрани да намалят молекулите и по този начин да инициират клетъчна смърт чрез освобождаване на апоптозис-индуцирани фактори, посредством отварянето на засега неидентифициран мегапор протеин (Panov et al., 2007; Hansson et al., 2008; Opii et al., 2007; Lemasters et al., 2009).
Веднъж отворена, пората може да причини колапс на протонния градиент. Това промотира колапса на респираторния контрол, както и изпускане Ca2+, складиран в митохондриалния матрикс. Още повече, тъй като митохондриалния матрикс е отрицателно зареден, K+може да влезе през пората и да причини осмотичен оток (Rasola et al., 2010). Биоенергетична повреда се причинява от инхибицията на оксидативната фосфорилация и АТФ синтеза. Малкото АТФ молекули, генерирани от гликолиза или от резидуална функционална митохондрия, са хидролизирани от АТФ синтеза, който действа на обратно под такива екстремни условия (Rasola et al., 2010). Ако пората остане отворена за дълъг период, могат да настъпят големи последици за енергийния метаболизъм и дори клетъчна смърт.
Голям брой изследвания съобщават преобладаването на оксидативен стрес и митохондриални абнормности при множество невропсихични заболявания (Halliwell, 2006; Tobe, 2013; Tsaluchidu et al., 2008; Masood et al., 2008; Arranz et al., 2007; Bouayed et al., 2007; Bouayed et al., 2009; Marazziti et al., 2012). Базирайки се на генетични оценъчни проучвания (Ng et al., 2008) и на няколко биохимични оценки (Hovatta et al., 2010; Ng et al., 2008), обстойно е категоризиран спектър от маркери на оксидативния стрес, включени в шизофренията и тревожните заболявания. Скорошни генетични проучвания наблягат на мутации в няколко генно-кодиращи протеини, нужни за синаптичната пластичност, внушавайки приемлива връзка между невропсихиатрични заболявания и абнормности в невроразвитието (Auerbach et al., 2011; Ben-David et al., 2012). Мутациите в генната функция PTEN-индуцирана киназа 1 (PINK1) са класифицирани като оксидативен стрес и митохондирална фрагментация (Dagda et al., 2009). Смята се, че промените в GMP-PKG сигнализирането, водещи до увеличени нива на мозъчна фосфодиестераза-2 (PDE2) (Masood et al., 2008; Boess et al., 2004; Werner et al., 2004) и NOX2-зависими механизми (Wang et al., 2013), водят свързани с оксидативния стрес събития в патогенезата на психичните разстройства.
Реактивни азотни видове (RNS)
NO-радикалът се продуцира във висшите организми чрез окисление на един от терминалните гуанидино азотни атоми на L-аргинина. Този процес се катализира от ензима NO – синтаза (NOS). В зависимост от микросредата, този ензим може да бъде превърнат в различни други токсични азотни видове. Супероксидът и NO се превръщат бързо чрез ензимни или неензимни химични реакции в реактивни нерадикалови съединения като синглетен кислород-водороден пероксид или пероксинитритен анион, които на свой ред водят до образуване на нови радикали (Gadjeva 2007).
Исхемичните инсулти са приблизително 80% от случаите на инсулт. Реканализацията с тромболиза е важна терапевтична стратегия за възстановяване на кръвоснабдяването, но тромболитичната терапия често се съпровожда от церебрално исхемично-реперфузионно увреждане, което е медиирано от свободни радикали. Като важен компонент на свободните радикали, реактивните азотни видове (RNS), включително азотен оксид (NO) и пероксинитрит (ONOO(-)), играят важна роля в процеса на церебралното исхемично-реперфузионно увреждане.
Исхемичната реперфузия води до продукция на азотен оксид (NO) и пероксинитрит (ONOO(-)) в исхемичния мозък, което задейства много молекулярни каскади и води до прекъсване на кръвната мозъчна бариера и екзацербира мозъчни увреждания. Има няколко терапевтични стратегии, които са способни да спасят исхемичните мозъци и да предотвратят последващи мозъчни увреждания. Скорошни доказателства предлагат, че RNS могат да бъдат терапевтична цел за лечение на церебрално исхемично-реперфузионно увреждане. Проучване на Chen et al. 2012 разглежда ролята на RNS в процеса на церебрално исхемично-реперфузионно увреждане и дискутира потенциалното създаване на медикамент, който да открива NO и ONOO(-), за да лекува исхемичен инсулт. Те заключват, че модулацията на нивото на RNS може да е важна терапевтична стратегия за предотвратяване на церебрално исхемично-реперфузионно увреждане.
Както имунно-инфламаторният процес, така и тези на оксидативен и нитросативен стрес (O&NS) играят важна роля в развитието на когнитивна дисфункция в рекурентното депресивно разстройство (rDD). Нови сведения сочат, че хроничните инфламаторни и O&NS реакции възникват в мозъците на пациентите с невродегенеративни заболявания и тези с rDD. Изследване на Talarowska et al. 2014 представя възможното засягане на селектирани инфламаторни и O&NS ензими върху когнитивното функциониране на пациенти с rDD. Те се фокусират върху манган супероксид дисмутаза (MnSOD), синтеза на индуциран азотен оксид (iNOS), както и миелопероксидаза (MPO).
Антиоксиданти
Антиоксидантите се дефинират като субстанции, които са в състояние при относително ниски концентрации да се конкурират с други окисляеми субстрати и по този начин да предотвратяват или инхибират окислението на тези субстрати, т.е. притежават висока реактивоспособност при ниски концентрации (Halliwell, Gutteridge 1985). Някои антиоксиданти предотвратяват окислителното увреждане от реактивни кислoродни продукти, които се образуват по време на нормалния метаболизъм. Това са супероксиддисмутазата и глутатион пероксидазата.
Антиоксидантите са вещества, които могат да инхибират окислението. Те удължават фазата на инициация или потискат фазата на пропагация на автоокислението, но не могат да го предотвратят напълно. Антиоксидантите се класифицират в две основни категории: превантивни инхибитори, които забавят фазата на инициация и свободнорадикалови вериги – разрушаващи антиоксиданти, които ефективно премахват свободните радикали от дадена система. Каталази, глутатионпероксидази, глутатионтрансфераза, супероксид дисмутаза, алфа-токоферол, феритин и металотионеин са превантивни или верига-разрушаващи антиоксиданти.
Ензимна антиоксидантна система
Супероксиддисмутазата (SOD) е антиоксидантен ензим, който играе важна роля в защитните механизми срещу оксидативни увреждания. Той катализира превръщането на силно реактивоспособния супероксиден анион радикал, инициатор на верижни реакции в по-малко реактивоспособни видове (Mates et al 1999). При човешкия индивид се срещат три форми на SOD–цитозолна, митохондриална и екстрацелуларна. Активността на SOD се увеличава под въздействието на разнообразни химични агенти или условия, при които се увеличава продукцията на супероксидния анион радикал. Според някои проучвания скоростта на ензимно катализираната дисмутация е много по- голяма от тази на спонтанната. По този начин бързо се елиминира образувания супероксид, който би могъл да реагира с водородния пероксид и да се получи хидроксилен радикал. Това е първата стъпка на антиоксидантната защитна система срещу оксидативния стрес на организма. Проведени са изследвания, посветени на взаимодействието на супероксидни радикали с неензимните антиоксиданти токоферол (витамин Е и витамин С) и са изследвани промените в мембранния потенциал на супероксидните радикали и протективното действие на SOD (Turrens et al 1984).
Каталазата (САТ) предпазва клетките от образувания в тях реактивен водороден пероксид като го обезврежда до вода и молекулен кислород. Тази функция на САТ се изпълнява и от глутатион пероксидазата. Счита се САТ няма съществено значение при нормални условия, но играе роля в адаптацията на клетките към оксидативния стрес. Някои данни показват, че САТ защитава клетките от оксидативните увреждания на ROS– продуциращи медикаменти или чрез разграждане на водородния пероксид, или чрез директно взаимодействие с лекарствените препарати. Прилагането на инхибитори на каталазата води до повишаване на оксидативните увреждания, причинени от образуването на ROS, коетo от своя страна повишава липидното перокисление (Kazuya et al 2003).
Глутатион пероксидазата (GSH-Px) катализира продукцията на ниски концентрации водороден пероксид и липидни пероксиди до вода и алкохоли, използвайки GSH. В клетките има два вида глутатион пероксидази.
Други ензими, които участват в обезвреждането на ROS са глутатион-S-трансферазите (GST). Най-важна е тяхната роля при клетъчната детоксикация и участието им в метаболизма на ксенобиотиците и др.
Балансът между активностите на антиоксидантните ензими и вътреклетъчните нива на тези ензими е жизнено необходим за оцеляването на организмите (Aleryani et al 1998).
Неензимна антиоксидантна система
Тази защитна антиоксидантна система срещу ROS включва нискомолекулни хидрофобни и хидрофилни съединения, към които спадат и витамините Е, А и С. Витамин С (аскорбинова киселина) се отнася към класа на монозахаридите. Биохимичната му роля в организма се състои в създаване на обратима редукционна система. Важна биологична роля на този витамин е участието му в неензимната антиоксидантна защитна система. Той взаимодейства с водородния пероксид, хидроксилните и супероксидните радикали, пероксили и др. като ги превръща в нерадикални продукти в резултат на своите редукционни свойства. Проследяването на плазмените антиоксиданти при оксидативния стрес показва, че най-рано се повишава нивото на аскорбиновата киселина и след нейното изчерпване се осигурява развитие на липидна пероксидация дори и ако плазмения токоферол е в нормални концентрации (Saygili et al 2003). Витамин С поддържа Витамин Е в неговата активна форма. Дневната доза на Витамин С е 60-100 милиграма. Витамин С не се синтезира в организма, поради което трябва да се приема свободно с храната.
Витамин Е е понятие, което включва група от естествено срещащи се липидно разтворими антиоксиданти, токофероли и токотриеноли, които се намират естествено в растителни масла, като соя, царевица, памук и семена.
Витамин Е (токоферол) е най-разпространеният неензимен, липофилен антиоксидант в природата. Антиоксидантната му активност се състои в протектирането интегритета на биологичната мембрана на клетката чрез инхибиране на реакциите на пероксиление на полиненаситените мастни киселини. Това инхибиране в мембраните се осъществява чрез взаимодействие на Витамин Е с пероксилните радикали, получени от мастните киселини при оксидативен стрес. Витамин Е се определя като главен антиоксидант на липидната фаза в биологичните мембрани и липопротеини, койтo инхибира липидното пероксиление като прекъсва верижната реакция. Той също не се синтезира в човешкия организъм и трябва да се приема с храната.
Алфа-токоферолът е естествен антиоксидант при стабилизирането на ненаситените липиди срещу автоокисляване. Свободните радикали, генерирани от нормалните метаболитни процеси или от токсични съединения, приети в организма, например озон, реагират с по-наситените мастни киселини. Разпадането на тези съставки води до клетъчни увреждания. Токоферолът може да реагира със свободни радикали и евентуално с други окислителни междинни съединения и да предотврати развитието на патологичните процеси (Bieri et al 1983).
Витамин А (ретинол) е растежен фактор, а също така участва в зрителното възприятие. Той се отнася към неензимната антиоксидантна защитна система. Витамин А притежава способността да улавя синглетен кислород и супероксид анион радикал като по този начин снижава риска от протичане на патологични свободно-радикалови процеси в организма. Така той повишава оксидативния статус (Nagler et al 2003).
Каротеноидите са вторите по важност липоразтворими антиоксиданти в биологичните мембрани. Не се синтезират в човешкия организъм. Бета- каротенът е в най-голямо количество и е най-ефикасен като провитамин А. Има синергично действие с Витамин Е. Каротеноидите и токоферолите са известни като ефективни антиоксиданти, улавящи реактивните кислородни видове.
Витамините Q (коензими Q или убихиноните-CoQ) се синтезират в организмите на животните и растенията и са широко разпространени. Те участват в системата на дишане на висшите организми и микроорганзимите като обезпечават поглъщането на кислорода, транспорта на електроните и окисилителното фосфорилиране в митохондриите. Те са необходими и за осъществяване на фотосинтезата при растенията. При нормални условия убихиноните в човешкия организъм се синтезират в достатъчно количество, но при болестни процеси нивото им се понижава.
Коензим Q е мастно разтворим антиоксидант, който играе важна роля в предпазването на митохондриалната мембрана от липидно перокисление. Церулоплазминът (CER) е мед, съдържащ плазмен гликопротеин. Той изпълнява ролята на антиоксидант, поради способността му да свързва кислородни видове като супероксиден радикал и водороден пероксид. Възстановяването на антиоксидантния статус и редукцията на постоперативните усложнения са постигнати при болни чрез прилагане на CER (Edeleva et al 2005).
Биомаркери за оксидативен стрес при депресии
Нивата на няколко растящи фактори и метаболити са изменени в церебралната тъкан, цереброспиналната течност (CSF) и серум от пациенти, изложени на оксидативен стрес, и могат да се използват за оценка на рискови фактори или като потенциални биомаркери.
Проучвания, извършени върху послесмъртна тъкан от депресирани пациенти, показват редуцирани нива на хипокампала, анатомична структура, участваща в тревожните и депресивните поведения, както и кортикален BDNF (Dwivedi et al., 2003). Също така полиморфизъм в BDNF генът се свързва с депресия (Sklar et al., 2002; Sen et al., 2003; Kaufman et al., 2006; Chen et al., 2006).
В периферията, мета-анализ предоставя силни доказателства, че нивата на BDNF в серум от депресирани субекти са по-ниски в сравнение с тези на здрави контроли. Още повече, терапията с антидепресанти възстановява BDNF до нормални нива (Sen et al., 2008).
След мастната тъкан, органът с най-високо съдържание на липиди е мозъкът и увеличените серумни нива на продуктите на липидна пероксидация са често съобщавани при биполярните заболявания. Понеже аксоналните мембрани и миелиновите обвивки на мозъка са богати на липиди, се предполага, че продукти на липидната пероксидаза могат да са обещаващи периферни биомаркери на абнормности в основата на бялото вещество на мозъка при биполярните разстройства. Скорошно проучване комбинира дифузна тензорна томография и биохимичен анализ на серум, за да изследва взаимовръзките между размерите на интегритета на бялото мозъчно вещество, измерени по фракционална анизотропия, радиална дифузност и периферни стойности на липидната пероксидацията, липидната хидропероксидаза, β-липотропин (LPH) и 4-хидрокси-2-ноненал, 4-хидроксиноненал (4-HNE). Проучването предполага, че серум LPH може да е полезен в развитието на клинично релевантната оценка на периферните биомаркери на биполярните разстройства (Versace et al., 2013).
Акумулацията на гранули липофусцин е описана в биопсиите от пациенти, страдащи от голямо депресивно разстройство (MDD), посочвайки въздействието на оксидативния стрес върху невроваскуларните абнормности в тези пациенти (Najjar et al., 2013).
(Библиографията е на разположение на авторите)
