Rádioprotektívne činidlá na prevenciu poškodenia buniek v dôsledku ionizujúceho žiarenia

Kontakt:joanna.jia@wecistanche.com/ WhatsApp: 008618081934791

Tyler A. Smith1, Daniel R. Kirkpatrick2, Sean Smith2, Trevor K. Smith3, Tate Pearson4, Aparna Kailasam2, Kortney Z. Herrmann4, Johanna Schubertv2 a Devendra K. Agrawal2*

Lekárske zobrazovanie sa stalo ústrednou súčasťou modernej lekárskej diagnostiky. Za posledných 10 rokov viedlo zvýšené využívanie röntgenových vyšetrení a počítačovej tomografie (CT) k zodpovedajúcemu zvýšeniu expozície pacientovionizujúce žiareniezvyšovanie povedomia verejnosti o jej škodlivých účinkoch. Napriek výraznému zníženiu dávky žiarenia spojeného s jednotlivými skenmi, zvýšené využitie lekárskeho zobrazovania je hlavným prispievateľom k vystaveniu žiareniu a patológii spojenej s radiáciou [1, 2]. Dlhodobé štúdie ľudí, ktorí prežili atómovú bombu v Japonsku z druhej svetovej vojny; tj u pacientov s významnou radiačnou expozíciou sa zistilo, že majú zvýšený výskyt leukémie aj solídnych rakovín [1]. Na základe lineárneho bezprahového modelu môže žiarenie súvisiace so zobrazovaním, hoci je určite menej dramatické ako atómový výbuch, predstavovať významné riziká súvisiace s radiáciou. Je známe, že riziká spojené s vystavením žiareniu sú výraznejšie u mladších pacientov. Túto skutočnosť dokazuje zvýšená prevalencia leukémie a solídnych nádorov u detí, ktoré prežili atómovú bombu, v porovnaní s tými, ktorí podstúpili rovnakú radiačnú záťaž vo vyššom veku [1]. Gilbert a kol. [2] ukázali na dávke závislý vzťah medzi ožiarením a leukémiou, rakovinou prsníka, rakovinou štítnej žľazy a inými solídnymi nádormi. Ionizujúce žiarenie má okamžité, merateľné škodlivé účinky na bunky, vrátane zvýšenia reaktívnych foriem kyslíka (ROS), tvorby zlomov jednovláknovej DNA (SSB) a zlomov dvojvláknovej DNA (DSB).

cistanchemôcťproti žiareniu

Niekoľko autorov navrhlo použitie rôznych činidiel na moduláciu súvisiaceho bunkového poškodeniaradiačnej záťaži. Predpokladá sa napríklad, že antioxidanty alebo zlúčeniny zvyšujúce glutatión môžu byť schopné redukovať poškodenie DNA, teoreticky redukovať karcinogenézu po ožiarení [4, 5]. Hoci mnohé štúdie preukázali potenciálne prínosy pre rôzne látky, rádioprotektívne zlúčeniny sa rutinne nepodávajú pacientom pred alebo po medicínskom zobrazovaní [6]. Cieľom tohto prehľadu je zhrnúť a kriticky zhodnotiť nedávno publikované zistenia v literatúre, ktoré skúmali použitie rádioprotektívnych činidiel, aby sa predišlo poškodeniu buniek súvisiacemu s žiarením.

Ionizujúce žiarenieje široko používaný v lekárskej diagnostike, terapii súvisiacej s rakovinou a má ďalšie priemyselné aplikácie [7]. Známe riziká spojené s vystavením človeka ionizujúcemu žiareniu zahŕňajú indukciu bunkovej smrti, genetické mutácie a karcinogenézu [7]. Okrem priamych bunkových účinkov môže ožiarenie poškodiť bunky aj tvorbou reaktívnych foriem kyslíka (tj peroxid vodíka, lipidové hydroperoxidy, superoxid, hydroxid, hydrid a peroxydusitan). Reaktívne formy kyslíka (ROS) sa tvoria, keď je ionizujúce žiarenie absorbované malými molekulami, predovšetkým vodou, obklopujúcimi bunkové bio-makromolekuly. Tieto ROS reagujú s bunkovým obsahom, vrátane DNA a proteínov [7].

Bunka reaguje na zvýšenú koncentráciu voľných radikálov tvorbou prirodzených antioxidantov (vrátane superoxiddismutázy, glutatiónu, katalázy), ktoré môžu minimalizovať alebo eliminovať poškodenie bunkových štruktúr vyvolané voľnými radikálmi. Glutatiónperoxidáza primárne katalyzuje premenu hydroxidových iónov na vodu. Superoxiddismutáza premieňa superoxidy na peroxid vodíka, ktorý sa potom katalázou premení na kyslík a vodu. Superoxiddismutáza existuje v niekoľkých rôznych izoformách, z ktorých každá je špecializovaná na špecifické oblasti bunky [8]. Keď je bunka vystavená zvyšujúcim sa hladinám ionizujúceho žiarenia, zvyšuje sa expresia antioxidačných enzýmov [8]. Keď však hladina ROS prekoná túto bunkovú obranu, bunka utrpí poškodenie (v závislosti od dávky), ktoré môže viesť ku karcinogenéze, teratogenéze, nekróze alebo apoptóze.

Podávanie rádioprotektívnych látok bolo navrhnuté ako jeden zo spôsobov zníženiaškodlivé účinky žiarenia na bunky. Antioxidanty majú potenciál pôsobiť ako lapače voľných radikálov, a tým znižovať niektoré poškodenia DNA spôsobené ionizujúcim žiarením [4, 7, 9, 10]. Teoreticky by tento zásah umožnil bunkovej obrane držať krok s voľnými radikálmi generovanými radiačnou expozíciou (za predpokladu, že vnútrobunková hladina antioxidantov je v čase vystavenia žiareniu dostatočná). Rádioprotektívne zlúčeniny môžu potlačiť tvorbu voľných radikálov, odstrániť voľné radikály, vyvolať prirodzenú produkciu rádioprotektorov (ako je superoxiddismutáza, glutatiónperoxidáza a kataláza), zlepšiť opravu DNA, znížiť postradiačnú zápalovú reakciu alebo dokonca oddialiť bunkové delenie, čím sa získa viac času na bunky opraviť alebo podstúpiť apoptózu [10] (tabuľka 1). Hoci sa rádioprotektívne látky ukázali ako účinné pri znižovaní vedľajších účinkov radiačnej terapie, v súčasnosti neexistujú žiadne rádioprotektíva používané v diagnostickej rádiológii.

Aby sme zhrnuli existujúcich kandidátov na klinické rádioprotektory, vykonali sme prehľad literatúry pomocou vyhľadávania Pubmed/MEDLINE s kľúčovými frázami vrátane: „antioxidanty v medicínskom zobrazovaní“, „antioxidanty v rádioterapii“, „antioxidantožarovanie“, „rádioprotektívne látky“, „rádioprotektívna rádioterapia“, „rádioprotektívne lekárske zobrazovanie“ a „rádioprotekcia.“ Aby boli články zahrnuté, vyžadovalo sa, aby išlo o recenzované články primárneho výskumu publikované za posledných 10 rokov, ktoré skúmali jeden alebo viac látok ako potenciálnych rádioprotektívnych látok. Tento článok predstavuje súhrn a kritickú analýzu vybraných článkov skúmajúcich rádioprotekciu Okrem toho tento článok sumarizuje kľúčové zistenia relevantné pre nasledujúcu klinickú otázku: možno rádioprotektíva použiť v diagnostickom zobrazovaní na zníženie poškodenia DNA?

Zistenia zo štúdií in vitro- In vitro: ľudské lymfocyty

Prevaha literatúry o rádioprotektívnych látkach pochádza zo štúdia ľudských lymfocytov in vitro pred a po expozíciižiarenia. Príležitostne to zahŕňa odber vzoriek krvi od pacientov po tom, čo podstúpia klinické zobrazovanie. Zvyčajne tieto štúdie kvantifikujú radiáciou indukované zlomy dvojvláknovej DNA (DSB) prostredníctvom -H2AX foci (H2AX). Napríklad Brand a kol. [9] ukázali, že niekoľko antioxidantov, ak sa podáva pred vystavením ľudskej krvi žiareniu, môže znížiť výskyt DSB v lymfocytoch. Dôležité je, že N-acetylcysteín (NAC) a vitamín C znížili DSB o 43 a 25 percent, čo bolo výrazne viac ako ktorékoľvek iné skúmané činidlo [9]. Je zaujímavé, že napriek tomu, že jednotlivé látky sú sľubné ako rádioprotektanty, žiadna z autormi testovaných kombinácií nevykazovala aditívny účinok, keď sa súčasne použili viaceré látky [9]. Táto štúdia podporuje používanie antioxidantov, najmä NAC a analógov vitamínu C, na prevenciu poškodenia DNA súvisiaceho s radiáciou. Podobne ako Brand a spol. [9], Kuefner a kol. [11] uskutočnili štúdiu skúmajúcu účinky zmesi antioxidantov (askorbát vápenatý, d-alfa-tokoferylsukcinát, karotenoidy, NAC, kyselina R- -lipoová, l-selenometionín) na ľudské lymfocyty in vitro. Kuefner a kol. [11] to urobili dvoma spôsobmi: najprv boli lymfocyty in vitro ošetrené antioxidantmi a potom ožiarené. Po druhé, vzorky krvi boli získané 15, 30, 60 minút, 2, 3, 5 hodín po požití pilulky obsahujúcej študované antioxidanty, potom boli lymfocyty ožiarené. Zatiaľ čo podávanie antioxidantov po ožiarení neviedlo k zníženiu DSB, predbežná liečba antioxidantmi spôsobila významné zníženie DSB, s 23-percentným znížením po 15 minútach a 58-percentným znížením, ak sa podali 60 minút pred ožiarením [11]. Táto štúdia mala klinickú hodnotu, pretože experimentálna radiačná expozícia bola porovnateľná s expozíciou získanou počas CT vyšetrenia. V inej štúdii sa NAC a vitamín C podávali bezprostredne pred a po tom, ako boli pacienti vystavení röntgenovému žiareniu. Potom sa pacientovi odobrala krv a merali sa DSB v lymfocytoch. Zistilo sa, že vitamín C aj NAC znižujú DSB, merané pomocou H2AX, v porovnaní s kontrolami [12]. V každej z týchto štúdií NAC významne znížil poškodenie DNA súvisiace s žiarením v ľudských lymfocytoch.

Dôležitá štúdia Reliene et al. [13] skúmali účinky NAC na ľudských, myších a kvasinkových modeloch. Aj keď táto štúdia zistila, že NAC redukuje ohniská H2AX (náhrada za DSB), tiež poznamenala, že prežitie bunkových kolónií sa v kvasinkách a ľudských lymfocytoch nezmenilo. Inými slovami, zatiaľ čo NAC znižuje poškodenie DNA, nemusí nevyhnutne zabrániť apoptóze alebo nekróze. Toto zistenie môže mať dôležité potenciálne dôsledky: NAC môže znížiť výskyt poškodenia DNA bez toho, aby zasahoval do účelovej smrti rakovinových alebo prekanceróznych buniek [13]. Schopnosť NAC znižovať alebo vyhýbať sa poškodeniu DNA bez ochrany buniek pred apoptózou môže zvýšiť jeho klinickú hodnotu (v porovnaní s inými antioxidantmi).

Ďalšie štúdie sa zamerali špecificky na vitamín C a jeho deriváty. V štúdii z roku 2014 Xiao a kol. [3] vystavili ľudské lymfocyty žiareniu po tom, čo boli na 3 hodiny nanesené na platne s rôznymi koncentráciami jedného z dvoch derivátov vitamínu C: 6-O-palmitoyl askorbátu (PlmtVC) alebo kyseliny l-askorbovej (l-AA). Ako rádioprotektívne činidlo PlmtVC prekonalo l-AA, čo ukazuje, že nie všetky deriváty vitamínu C sú rovnako účinné ako antioxidanty [3]. PlmtVC významne znížil peroxidáciu lipidov a karbonyláciu proteínov v porovnaní s kontrolami a zároveň zvýšil endogénny glutatión [3]. PlmtVC tiež významne znížil celkový počet DSB v porovnaní s kontrolami alebo l-AA [3]. Zatiaľ čo niektoré štúdie ukázali, že vitamín C má rádioochrannú aktivitu, iné štúdie ukázali, že vitamín C zosilňujepoškodenie spôsobené žiarením[14 – 16]. Táto dichotómia robí z vitamínu C kontroverznú látku na klinické použitie ako rádioprotektíva. Hoci vitamín C a NAC vykázali sľubné výsledky, in vitro sa študovalo množstvo ďalších látok s použitím ľudských lymfocytov. Alcaraz a kol. [17] vykonali štúdiu s cieľom posúdiť 10 rôznych antioxidačných zlúčenín (kyselina karnosová, extrakt zo zeleného čaju, apigenín, diosmín, kyselina rozmarínová, kyselina l-askorbová, δ-tokoferol, rutín, amifostín, dimetylsulfoxid) ako kandidátov na rádioprotektíva proti spôsobenému poškodeniu chromozómov ionizujúcim žiarením (s DSMO ako kontrolou a nosičom). V porovnaní s ožiarenými kontrolami všetky zlúčeniny vykazovali zníženie poškodenia DNA, pričom najväčšie účinky boli pozorované u kyseliny rozmarínovej, kyseliny karnozovej, δ-tokoferolu (vitamín E) a apigenínu [17]. Medzi menej účinné látky patrili kyselina l-askorbová, amifostín, extrakt zo zeleného čaju, rutín a diosmín [17]. Rovnaký vzor bol pozorovaný aj z hľadiska veľkosti rádioprotekcie poskytovanej týmito látkami [17].

Arivalagan a kol. [18] skúmali karvakrol (CVC) ako potenciálne rádioprotektívne činidlo kvôli jeho bezpečnosti pri konzumácii (je to bežná potravinová prísada), protizápalovým a antioxidačným vlastnostiam. V tejto štúdii sa lymfocyty odobrali od zdravých jedincov a potom sa pred ožiarením ošetrili DMSO alebo CVC. Niet divu, že akožiareniadávka zvýšila prežívanie buniek znížila a poškodenie DNA sa zvýšilo v kontrolných skupinách [18]. Lymfocyty vopred ošetrené CVC zaznamenali štatisticky významný nárast smrteľnej dávky žiarenia, ktoré mohli tolerovať v porovnaní s kontrolami. Lymfocyty ošetrené CVC tiež vykazovali významné zníženie poškodenia DNA, ako aj zníženú peroxidáciu lipidov a apoptózu [18]. Zdá sa, že CVC znižuje poškodenie voľnými radikálmi dvoma spôsobmi: ako antioxidant a ako lapač voľných radikálov [18]. CVC je sľubné ako rádioprotektívne činidlo s niekoľkými vedľajšími účinkami alebo toxicitou.

Ukázalo sa, že fenolové glykozidy, ktoré sa prirodzene vyskytujú v rastlinách, majú antioxidačné vlastnosti [19]. Materska a kol. [19] skúmali niekoľko fenolických glykozidov: sinapoyl-E-glukozid (sEg), kvercetín-3-O-ramnozid-7-O-glukozid (q3Or7Og), kvercetín-3-O-ramnozid ( q3Or) a luteolín-7-0-(2-apiosyl)-glukozid (17O2ag). Autori použili ľudské lymfocyty získané od zdravých ľudských darcov a potom ich pred ožiarením röntgenovým žiarením vystavili pôsobeniu jedného z fenolických glykozidov. Výskumníci zistili, že q3Or vykazoval najvyšší rádioprotektívny účinok, s 50-percentným znížením poškodenia DNA v porovnaní s kontrolami. Dôležité je, že v tejto štúdii tieto látky nepreukázali žiadne toxické účinky proti ľudským lymfocytom [19]. Zistilo sa, že fenolové glykozidy majú vynikajúce antiradikálové účinky [19]. V tejto štúdii zlúčeniny s väčšou schopnosťou zachytávať superoxidové radikály tiež preukázali lepšie rádioprotektívne účinky [19]. Rádioprotektívne účinky iných fenolových glykozidov vrátane kyseliny chinovej a chlorogénovej boli tiež študované na ľudských lymfocytoch in vitro. V jednej štúdii boli lymfocyty vystavené rôznym dávkamRöntgenové žiareniea ošetrené rôznymi koncentráciami buď kyseliny chinovej, kyseliny chlorogénovej alebo simulovanej kontroly. Táto štúdia zistila, že lymfocyty vopred ošetrené kyselinou chinovou aj kyselinou chlorogénovou pred ožiarením mali významné zníženie poškodenia DNA merané indexom genetického poškodenia [20]. V prípade kyseliny chlorogénovej však nedošlo k žiadnym významným zmenám v indexe genetického poškodenia v nižšom rozsahu dávok RTG žiarenia [20]. Kyselina chinová tiež znížila percento buniek poškodených žiarením [20]. Kvantitatívne bola veľkosť ochrany (na základe indexu genetického poškodenia) vypočítaná na 5,99 – 53,57 percent pre kyselinu chinovú a 4,49 – 48,15 percent pre kyselinu chlorogénovú [20]. Rádioprotektívna účinnosť kyseliny chinovej a kyseliny chlorogénovej sa zdá byť porovnateľná s inými fenolickými fytochemikáliami, ako je kurkumín, kyselina kávová, hesperidín, vanilka a resveratrol [20]. Pozorované účinky kyseliny chinovej aj kyseliny chlorogénovej môžu súvisieť s vicinálnymi hydroxylovými skupinami na aromatickom zvyšku, ktorý môže mať antimutagénne, antikarcinogénne a antioxidačné účinky in vitro [20].

Kyselina škoricová je fenolová látka získaná zo škoricového oleja a bolo preukázané, že má antioxidačné vlastnosti. Cinkilic a kol. [21] skúmali rádioprotektívne účinky kyseliny škoricovej proti röntgenom indukovanej genómovej nestabilite v ľudských lymfocytoch. Zistili, že lymfocyty ošetrené kyselinou škoricovou mali v porovnaní s kontrolami významný pokles DNA DSB (v rozsahu od 16 do 55 percent redukcie) [21]. Predliečba kyselinou škoricovou tiež znížila celkové genetické poškodenie [21]. Samotná kyselina škoricová nezvýšila DSB ani iné poškodenie DNA, čo naznačuje, že nie je genotoxická [21]. Autori zistili, že kyselina škoricová znížila poškodenie DNA vyvolané ožiarením röntgenovými lúčmi znížením intracelulárnej hladiny ROS prostredníctvom svojich vlastností zachytávajúcich voľné radikály [21]. Ako skupina fenolové glykozidy zahŕňajú mnoho činidiel, ktoré vykazujú potenciál na zníženiepoškodenie DNA spojené s žiarením.