Kvercetín zmierňuje neurotoxicitu vyvolanú nanočasticami oxidu železitého, časť 2

Prosím kontaktujteoscar.xiao@wecistanche.comPre viac informácií

Železo pri ochoreniach spojených s demenciou Železo a Alzheimerova choroba

AD je progresívna porucha mozgu, ktorá pomaly ničí učenie, pamäť a myslenie. Rizikovými faktormi súvisiacimi s AD sú vek, pohlavie, genetická náchylnosť, životný štýl a niekoľko patologických stavov, ako je diabetes a mozgová príhoda, ako aj akumulácia železa v mozgu [87, 88]. Senilné plaky obsahujú agregáty extracelulárnych amyloid-beta (A) oligomérov a neurofibrilárne klbká (NFT) obsahujú agregáty intracelulárnych abnormálnychhyperfosforylovanétau proteín sú dva bežné patologické znaky AD. Existuje vzťah medzi akumuláciou železa apatologické znakyAD. Boli hlásené abnormálne hladiny železa v hipokampe a kortexe subjektov postihnutých AD75]. Štúdia in vivo naznačuje depozity železa sprevádzané senilnými plakmi v mozgu transgénneho myšieho modelu AD pomocou kvantitatívneho mapovania citlivosti (QSM), novej techniky v MRI [89]. Skoré plaky sa tvorili paralelne s preťažením železom na myšom modeli AD[90]. Fe plus v rámci senilných plakov

môžu byť premenené na reaktívnejšiu formu železa, Fe2 plus, pomocou A [78]. Na druhej strane,4-HNE vznikla z lipidovperoxidáciapriamo reaguje s A a vytvára produkty oxidácie, čo vedie k agregácii A [76]. Peptid A tiež priamo produkuje H, O v procese závislom od redukcie železa, čo je proces, ktorý zhoršuje oxidačný stres a preťaženie železom [91]. Železo môže zvýšiť expresiu amyloidového prekurzorového proteínu (APP) ovplyvnením miesta IRE APP mRNA. Okrem toho sa železo môže viazať na A a zvýšiť agregáciu A 92]. Vzťah medzi ukladaním železa a fosforyláciou tau bol preukázaný prostredníctvom kortikálneho zobrazovania pomocou QSM a skenovania tau pozitrónovou emisnou tomografiou (tau-PET) u jedincov s AD [93]. Železo podporuje fosforyláciu tau aktiváciou komplexu cyklín-dependentnej kinázy (CDK5)/P25 aglykogénsyntázová kináza-3 (GSK-3) na tvorbu NFT a zníženie odtoku iónov železa[92]. Podľa týchto vysvetlení možno dospieť k záveru, že existuje pozitívna spätná väzba medzi akumuláciou železa, oxidačným stresom, agregáciou A a hyperfosforyláciou tau. Výskumníci by mohli znížiť toxicitu plakov, zvýšiť rozpustnosť A a znížiť tvorbu NFT odstránením iónov železa pomocou chelátorov železa.

Ak chcete vedieť viac, kliknite sem

Železo a Parkinsonova choroba

PD je ďalšie neurodegeneratívne ochorenie charakterizované motorickými symptómami. Kognitívny pokles zvyčajne nastáva dve desaťročia pred diagnózou motorických symptómov. Včasná diagnostika so zvážením kognitívneho poklesu teda môže čiastočne zabrániť progresii PD (94). PD vzniká v dôsledku degeneráciedopamínové neurónynajmä v časti substantia nigra nazývanej pars compacta. Výrazne strata dopamínu

v pars compacta narúša vôľové riadenie motora, zvyšuje celkový budiaci pohon v bazálgangliáa spôsobuje charakteristické symptómy PD. V rámci synapsie môže byť dopamín štiepený a inaktivovaný dvoma enzýmami vrátane monoaminooxidázy (MAO) a katechol-O-metyltransferázy (COMT)[95]. Je známe, že aktivita MAO ovplyvňuje hladiny železa u zvierat a ľudí. Medzi hladinami voľného železa a MAO v mozgu existujú zložité interakcie. Zdá sa však, že zvýšený oxidačný stres je spojením medzi MAO, hladinou železa a poškodením neurónov. H,O2 je normálny produkt oxidácie monoamínov cez MAO. H, O sa môže zúčastniť Fentonovej reakcie a produkovať vysoko aktívne voľné radikály. Pri starnutí sa zvyšuje hladina MAO a železa v mozgu, čo vedie k zvýšeniu zložiek Fentonovej reakcie a poškodeniu makromolekúl [96]. Inhibícia MAO alebo odstránenie iónov Fe2 chelátorom železa sú teda dva prístupy s rovnakým cieľom u pacientov s PD súčasne, zvýšenie hladín monoamínov, zníženie zložiek Fentonovej reakcie a následný oxidačný stres.

Cistanche môže zlepšiť imunitu

Podobne ako AD, hyperfosforylovaný tau a zníženie rozpustného tau môže spôsobiť preťaženie železom v neurónoch prostredníctvom zníženia exportu železa sprostredkovaného APP, čo môže byť jednou z príčin dysfunkcie pamäte pri PD (97). Okrem toho bolo pozorované ukladanie železa v štruktúrach podporujúcich kognitívne funkcie, ako je hipokampus [85]. Dôkazy zozbierané od roku 1988 do roku 2008 A Jon Stoessl a kol. preukázali abnormálne ukladanie železa, ktoré je hlavne spolu s feritínom v neurónoch substantia nigra, motorickej oblasti pacientov s PD. Tieto údaje ukázali, že koncentrácia železa priamo súvisí so závažnosťou ochorenia [98]. Lewyho telieska a Lewyho neurity zložené z abnormálnych a-synukleínových filamentov sú najdôležitejšími neuropatologickými charakteristikami PD [94]. Na molekulárnej úrovni existuje úzky vzťah medzi a-synukleínovou agregáciou a akumuláciou železa. Fe3 plus z Fentonovej reakcie priamo indukuje expresiu a agregáciu a-synukleínu. Nadmerná expresia hepcidínu, potenciálneho regulátora transportérov železa, znižuje akumuláciu železa v mozgu a Fentonovu reakciu, čím sa znižuje agregácia a-synukleínu a produkcia ROS vo vysoko rizikových oblastiach mozgu súvisiacich s demenciou a motorickými poruchami [99, 100]. Takže aplikácia chelátorov železa, ktoré zvyšujú expresiu hepcidínu, môže inhibovať agregáciu a-synukleínu.

Žehliť a pohladiť

Existujú dôkazy o presluchoch medzi určitými typmi mŕtvice, preťažením železom a dysfunkciou pamäte [86, 101, 102]. Mŕtvica je jednou z hlavných príčin dysfunkcie pamäte a takmer 30 percent pacientov s mŕtvicou rozvinie demenciu do 1 roka od začiatku mŕtvice [103]. Ateroskleróza, diabetes, hypertenzia, fajčenie, vysoký BMI a dyslipidémia sú rizikové faktory ischemickej cievnej mozgovej príhody [104]. Na poraneniach mozgu vyvolaných ischémiou sa podieľa niekoľko mechanizmov vrátane zápalu, oxidačného stresu, zvýšenej koncentrácie intracelulárneho vápnika, zvýšených excitačných aminokyselín a zvýšených hladín voľného železa a feritínu [105]. Dysfunkcia pamäte po mozgovej príhode môže byť spôsobená aj vaskulárnou demenciou, patológiou AD [103], preťažením železom a oxidačným stresom [86]. Tvorba edému prebytkom železa indukuje oxidačné poškodenie buniek po hemoragickej mŕtvici [106]. Ukladanie železa sprevádzané poklesom GSH a GPX a zvýšením peroxidácie lipidov bolo zaznamenané v neurónoch modelov ischemickej cievnej mozgovej príhody [83]. Kondo et al. zaznamenali ukladanie železa v hipokampe, striate a mozgovej kôre u potkanov s prechodnou ischémiou predného mozgu. Neskorá a skorá peroxidácia lipidov v dôsledku ukladania železa po ischémii môže byť jednou z príčin smrti neurónových buniek [107]. Stav nedostatku kyslíka spôsobený ischemickou mozgovou príhodou vedie k väčšiemu prítoku železa do mozgu. Na druhej strane kyslé pH spôsobené ischemickou mŕtvicou vedie k disociácii Fe3 z transferínu a jeho redukcii na Fe2 plus, čím dochádza k vychytávaniu NTBI. Neuróny vychytávajú NTBI a podliehajú Fenton/Haber-Weissovej reakcii, ktorá produkuje škodlivé reaktívne radikály a vedie k peroxidácii lipidov a smrti neurónových buniek [55].

Neurotoxicita vyvolaná metabolizmom IONP

IONP pozostávajú z jadra z oxidu železa a ochranného povlaku [108, 109]. Oxidy železa majú niekoľko chemických štruktúr, ako je magnetit (Fe, O)), maghemit y-Fe, O3), hematit (a-Fe,O:) a wustit (FeO)[108]. Spomedzi nich sa v nanomedicíne častejšie používajú Fe, Land Y-Fe, O [14]. Napriek veľkej podobnosti medzi týmito dvoma oxidmi železa je Fe, O magnetickejší a menej stabilný ako y-Fe, O,[110]. Holé IONP sa akumulovali po vstupe do obehu v dôsledku hydrofóbnych interakcií medzi nimi. Akumulácia IONP stimuluje imunitný systém, čím môžu byť IONP zničené mechanizmom závislým od opsonizácie.

Zdá sa teda, že ochranný povlak je potrebný na optimalizáciu vlastností IONP vrátane stability, biokompatibility, multifunkčnosti, optimálnej biodegradácie, hydrofilných interakcií a rozpustnosti [10}9]. V nanomedicíne sa zvyčajne používajú dva typy IONP: superparamagnetické nanočastice oxidu železa (SPION) s priemerom 50-100 nm a ultra-malé superparamagnetické nanočastice oxidu železa (USPION) s priemerom do 50 nm [lll] . IONP môžu vstúpiť do ľudského tela mnohými spôsobmi podávania vrátane intravenózneho (IV), intramuskulárneho (IM), subkutánneho, intratekálneho, intratumorálneho, orálneho a nazálneho. Na vychytávanie IONP bunkami sa navrhuje niekoľko mechanizmov, ako je pasívna difúzia, fagocytóza a typy endocytózy, či už závislé alebo nezávislé od klatrínu a caveolae [112]. Vstupná cesta IONP do bunky závisí od ich fyzikálno-chemických vlastností, ako je veľkosť, tvar, typ povlaku a funkčná skupina týchto častíc[113-115]. IONP majú veľkosť nanometrov a vysoký pomer povrchu k hmotnosti. Napriek tomu, že sú výhodou, tieto vlastnosti môžu spôsobiť väčšiu reaktivitu a cytotoxicitu [116]. Bolo vykonaných niekoľko štúdií o možnosti toxicity IONPs v rôznych tkanivách, najmä v nervových bunkách. Napriek tomu, že zlepšujú poruchy pamäti, ich relatívna úloha pri neurodegenerácii a zhoršovaní porúch pamäti bola trochu diskutovaná. Cytotoxicita IONP závisí od fyzikálno-chemických vlastností vrátane veľkosti, tvaru, typu povlaku, povrchového náboja, času/koncentrácie expozície, funkčných skupín a tiež typu bunky ošetrenej IONP [14, 117]. Okrem toho sa uvádza, že oxidačný stav Fe iónov v jadre oxidu železa určuje cytotoxicitu IONP. Fe; O4 v dôsledku vysokej potenciálnej oxidácie preukázal väčšiu genotoxicitu ako y-Fe, O v epiteliálnych bunkách ľudských pľúc A549 [112]. Hoci dôkazy z niekoľkých štúdií naznačujú, že IONPs obsahujúce Fe, O2core mali nižšiu toxicitu v porovnaní s y-Fe, O, kvôli ich rýchlemu odstraňovaniu z tela [14,118]. Vo všeobecnosti sú hlavným zdrojom toxicity IONPs ióny železa uvoľnené z jadra [119]. Tieto ióny železa spolu s ďalšími vedľajšími produktmi metabolizmu IONP môžu interferovať s homeostázou železa. Štúdie in vivo ukázali, že hladiny feritínu v pečeni sa po liečbe IONP zvýšili, čo naznačuje, že IONP sú degradované a ich metabolické produkty indukujú zmeny v reakciách na železo [120, 121]. IONP prechádzajú cez BBB mechanizmami internalizácie alebo deštrukciou membrán endotelových buniek [14]. Príjem železa v dôsledku metabolizmu NPS závisí od hladín expresie TfR na bunkovom povrchu [122]. Uvádza sa, že IONP prechádzajú cez BBB interakciou s TfR na abluminálnej membráne endotelových buniek. Tiež bolo hlásené narušenie BBB a zvýšenie ROS spôsobené expozíciou 10 ug/ml Fe-NP (10 a 30 nm) počas 24 hodín v umelých BBB [121]. V tomto ohľade Jain a kol. uviedli, že IV podanie MNP (10 mg Fe/kg v 100 μl fyziologického roztoku) v skorších časových bodoch nezmenilo hladiny železa v mozgu potkana. V priebehu času vedie väzba uvoľneného komplexu železo-transferín na TfR na BBB k zvýšeniu obsahu železa v mozgu, najmä jeden týždeň po injekcii MNP [122]. Úroveň expresie TfR v bunke je teda ďalším faktorom, ktorý odlišuje vychytávanie NP. Po internalizácii IONP v bunke sú umiestnené do kyslého prostredia lyzozómu a metabolizované, čo vedie k uvoľneniu voľných iónov železa do cytosolu. Táto degradácia začína od povrchu NP a postupne pokračuje až k ich jadru. Uvoľnené ióny železa sa môžu podieľať na Fenton/Haber-Weissových reakciách. Dôsledky tejto udalosti sa prejavujú tvorbou skorých a sekundárnych oxidačných produktov, ktoré by mohli poškodiť bunkové zložky, ako sú nukleové kyseliny, proteíny, lipidy, mitochondrie[112, 123] a nakoniec spôsobiť apoptózu[14,124]. Je teda dokázané, že CNS môže byť ovplyvnený IONP. Tieto stavy nejako súvisia s neurodegeneráciou [121]. Počas neurodegeneratívnych ochorení, pri ktorých sa BBB stáva priepustným pre mnohé prvky, najmä NPS, môže použitie IONP ochorenie zhoršiť [14]. Existujú dôkazy o toxicite NP pri ochoreniach spojených s demenciou, ako sú AD, PD[121] a mŕtvica|125|. In vitro model AD naznačuje, že NP na báze oxidu železa môžu zhoršiť stav vytváraním komplexov s A [126]. c-Abl tyrozínkináza hrá kľúčovú úlohu pri smrti neurónových buniek pri PD. Aktivácia c-Abl, zvýšený -synukleín, znížená bunková proliferácia, zvýšená ROS a mitochondriálna permeabilita bola hlásená v neurónoch po liečbe SPIONs Imam et al. [121]. Únik elektrónov do cytosolu v dôsledku mitochondriálnej permeability spôsobuje podstatné zníženie striatálnych dopaminergných neurónov u potkanov [121]. boli pozorované v modeli mŕtvice myši. Ukázalo sa tiež, že USPIONs môžu pristupovať k mozgovému parenchýmu a CSF prekročením BBB, čo sa zistilo detekciou USPION v meningeálnych makrofágoch a fagocytoch v oblastiach omývaných CSF [125].

Koncentrácia železa v mozgu nie je statická a je ovplyvnená faktormi, ako je vek, zlá strava s obsahom železa, anémia z nedostatku železa a poruchy preťaženia železom. Obsah železa v rôznych oblastiach mozgu sa líši. Makro divízie má biela hmota vyššiu koncentráciu železa. Lokálne oddelene globus pallidus, červené jadro, substantia nigra, caudate-putamen a dentate nucleus majú vyššiu koncentráciu železa [l27]. Niekoľko štúdií skúmalo tkanivovú distribúciu IONP v mozgu. Existujú tiež dôkazy o toxicite vyvolanej potiahnutými IONP. Časté IV podávanie ferumoxytolu (8 mg/kg) ako produktu náhrady železa počas 4 týždňov u potkanov ukázalo, že IONP môže viesť k akumulácii železa v komorách. Zmeny koncentrácie železa v priebehu času boli kvantifikované technikou QSM. Mierne zmeny v obsahu železa v striatu a corpus callosum boli hlásené pomocou analýzy oblastí záujmu (ROI), ktoré môžu súvisieť s ukladaním železa v mozgovom parenchýme. Histopatologické vyšetrenie tiež ukázalo hemosiderózu choroidálneho plexu a vakuolizáciu stredného mozgu v mozgovom parenchýme [128].

V in vivo štúdii boli IONP potiahnuté rádioaktívne značené aminopropyltrietox-ysilánom (APTS) intranazálne instilované potkanom Sprague Dawley v koncentrácii 10 ug (v 10 ul). Merala sa koncentrácia IONPs v miestnych oblastiach na siedmy deň expozície. Čuchový bulbus, stria-tum, hipokampus, mozgový kmeň, mozoček a frontálny kortex vykazovali najvyššiu koncentráciu depozícií IONP. Dokonca viac ako 50 percent IONP zostáva v striate a hipokampe o 14 dní neskôr. Okrem toho sa oxidačné poškodenie zvyšuje v striate a hipokampe. Po in vivo štúdii sa skúmali mechanizmy toxicity indukované IONP v dopaminergných neurónových bunkách PC12. Inkubované bunky PC12 s IONP (100 a 200 mg/ml) vykazovali významnú cytotoxicitu vrátane zvýšených hladín MDA a zníženia hladín GSH-PX a SOD. Exponované bunky PC12 tiež vykazovali zvýšenie fosforylácie c-Jun, JNK a p53, ktoré boli spojené s oxidačným stresom a bunkovou smrťou [129]. Podľa našich najlepších vedomostí neexistuje určitý rozsah maximálnych prípustných koncentrácií IONP v rôznych oblastiach mozgu. To sa líši pre IONP a závisí od fyzikálno-chemických vlastností a štandardizácie.

Povrchová úprava IONPs

Je dobre známe, že optimalizácia fyzikálno-chemických parametrov IONP je vysoko účinná na minimalizáciu interakcií medzi týmito NP a bunkami, imunitnú odpoveď a toxicitu. Vždy, keď sa vyrába nová nanočastica, jedna z prvých dôležitých vecí, ktorú treba zvážiť, je jej povrchová úprava. Povlak zachováva vnútorné jadro nanočastice a zabraňuje uvoľňovaniu nanočastíc. Samotný náter by však nemal byť toxický. Jedným zo spôsobov, ako znížiť toxicitu nanočastíc, je ich poťahovanie. Poťahovanie nanočastíc okrem toho, že ich robí životaschopnými a znižuje ich toxicitu, ich robí aj efektívnejšími [6]. V závislosti od typu a aplikácie nanočastíc sa použili rôzne typy povlakov. Niektoré povlaky sa používajú na ochranu nanočastíc pred možnými zmenami v gastrointestinálnom trakte a niektoré sa používajú na konjugáciu materiálov na nanočastice. Povlaky nanočastíc ovplyvňujú ich absorpciu a biodistribúciu v tele a sú dokonca účinné pri autofágii nanočastíc [14, 108, 117]. Ako väčšina nanočastíc, IONP obsahujú jadro z oxidu železa a ochranný povlak. Povrchová vrstva môže optimalizovať funkciu IONP a ich cytotoxické vlastnosti. Preto sa povrchový náter javí ako nevyhnutný pre optimalizáciu vlastností IONP vrátane stability, biokompatibility, multifunkčnosti, optimálnej biodegradácie, hydrofilných interakcií a rozpustnosti [109]. Povrchový povlak by mohol súvisieť s fyzikálno-chemickými vlastnosťami IONP vrátane interakcií s biologickými zložkami, bunkovej absorpcie, in vivo osudu a toxicity. Ovplyvňuje aj osud a biologické účinky IONP. Povlak poskytuje pripájaciu vrstvu k rôznym molekulárnym ligandom, ako sú chemické skupiny (napr. karboxyl a hydroxyl) a biomolekuly (napr. peptidy a polysacharidy), takzvaná funkcionalizácia [6]. Kvôli koloidnej nestabilite holých IONP bolo vytvorených niekoľko prírodných a syntetických povrchových náterov, ako je chitosan, dextrán, citrát, Pluronic, polyetylénglykol (PEG), poly(etylénimín)(PEI), polyvinylalkohol (PVA), oxid kremičitý a zlato. použité. PEG je najobľúbenejší povlakový polymér, pretože zabraňuje agregácii a opsonizácii nanočastíc. PEI sa používa na prenos DNA/siRNA. V našich štúdiách sme použili dextrán, hydrofóbny prírodný polymérny sacharid s neutrálnym nábojom [115, 130-134]. Hoci správny povlak môže stabilizovať IONP, vyhnúť sa aglomerácii a zabrániť rozpúšťaniu a uvoľňovaniu toxických iónov, existujú správy týkajúce sa relatívnej toxicity povrchovo potiahnutých IONP. V tomto smere Kazemipour a kol. uviedli, že 100 mg/kg IONP potiahnutých dextránom vyvolalo významné zníženie hladiny GSH v pečeni a aktivity CAT a významné zvýšenie hladiny MDA v pečeni u potkanov [135]. V štúdii Feng a kol. ukázali, že IONP potiahnuté PEI spôsobili závažnú cytotoxicitu prostredníctvom viacerých mechanizmov, ako je produkcia ROS a apoptóza. Zatiaľ čo PEGylované IONP vykazovali mierne cytotoxický účinok iba pri vysokých koncentráciách. Okrem toho IONP potiahnuté PEI vykazovali letálnu toxicitu závislú od dávky u myší BALB/c [136]. Výsledky štúdie in vitro ukázali, že magnetické nanočastice potiahnuté najkratšími 0,75 kDa polyetylénoxidovými (PEO) chvostmi spôsobujú cytotoxicitu a existuje inverzná korelácia medzi dĺžkou PEO chvostového bloku a toxicitou [137]. Badman a kol. skúmali od dávky závislú neurotoxicitu dextránom potiahnutých IONP na kultivovaných primárnych neurónoch a ukázali, že koncentrácia nad 20 ug/ml zvyšuje bunkové ROS a vedie k bunkovej smrti [138]. Preto prítomnosť silného chelátora železa môže zlepšiť potenciálne výhody IONP s rôznym povlakom a zabrániť ich možnej toxicite.

Tento článok je prevzatý z Bardestani et al. J Nanobiotechnol (2021) 19:327 https://doi.org/10.1186/s12951-021-01059-0