Biochemia stresu oksydacyjnego. Wykład 4 Patofizjologia NOSów

Transkrypt

1 Biochemia stresu oksydacyjnego Wykład 4 Patofizjologia NOSów

2 Porównanie NOSów oxygenase domain reductase domain Alderton et al. Biochem J. 2001

3 Aktywność enos Forstermann U. Eur J Physiol 2010

4 Wpływ NO na transdukcję sygnału (Cys) tissue injury tissue protection Otani H. Antioxid Redox Signal 2009

5 Regulacja aktywności enos lokalizacja komórkowa fosforylacja dostępność substratu poziom ekspresji mrna i białka dostępność kofaktorów reakcja NO z O 2 ' - Huang PL. Trends Endocrin Metabol 2009

6 Regulacja aktywności enos przez Ca 2+ i fosforylację Forstermann U. Eur J Physiol 2010

7 Regulacja aktywności enos przez kinazy Huang PL. Trands Endorcrin Matabol 2009.

8 Czynniki ryzyka wywołujące dysfunkcję enos Forstermann U. Eur J Physiol 2010

9 Stres oksydacyjny wywołuje dysfunkcję śródbłonka Ding and Triggle. Uer J Physiol 2010.

10 NOS - regulacja ciśnienia krwi - Wszystkie formy NOS wpływają na regulację ciśnienia krwi: * enos - bezpośrednia regulacja wazorelaksacji i funkcji mięśni gładkich (obniżanie ciśnienia krwi) * nnos - brak wpływu na ciśnienie krwi w warunkach kontrolnych, ale być może kontrola baroreceptorów (nnos jest produkowana w centrach wazomotorycznych i nerwach periwaskularnych). Być może nnos może podnosić ciśnienie krwi, chroniąc zmniejszając eyzyko hipotencji np. podczas anestezji) * inos - wywołuje hipotensję podczas szoku septycznego - Jedną z głównych przyczyn dysfunkcji śródbłonka (niewłaściwa regulacja wazorelaksacji) jest niedobór NO produkowanego przez enos. Jest to element patogenezy: * miażdżycy * nadciśnienia * cukrzycy * hipercholesterolemii * przedwczesnego starzenia blaszka miażdżycowa - Dysfunkcja pojawia się przed zmianami anatomicznymi (przed hiperplazją mięśniówki lub tworzeniem złogów lipidowych w naczyniach). Liu et al. Cardiovasc Res 2007

11 Regulacja skurczu mięśni gładkich naczyń Skurcz mięśni gładkich ściany naczynia regulowany jest przez śródbłonek Tang and Vanhoutte. Eur J Physiol 2010.

12 Regulacja skurczu mięśni gładkich naczyń Tang and Vanhoutte. Eur J Physiol 2010.

13 Regulacja skurczu mięśni gładkich naczyń Tang and Vanhoutte. Eur J Physiol 2010.

14 Regulacja skurczu mięśni gładkich naczyń WT db/db Ding and Triggle. Uer J Physiol 2010.

15 Wpływ starzenia się na dysfunkcję naczyń

16 Wpływ starzenia na dysfunkcję naczyń - Starzenie się wpływa zarówno na komórki śródbłonka jak i mięśni gładkich (VSMC) oraz komunikację między tymi typami komórek. - Najważniejsze zmiany w VSMC to: * nasilona migracja * nasilona proliferacja * deregulacja odpowiedzi na na czynniki wzrostowe bodźce proapoptotyczne (rozrost mięśniówki) * deregulacja ekspresji kanałów wapniowych i potasowych (nasilona kurczliwość, reakcja zapalna i prozakrzepowa) EC VSMC - Najważniejsze zmiany w śródbłonku to: * zmniejszona aktywność (ale nie ekspresja) enos, zwiększona aktywność arginazy (zmniejszona produkcja i/lub dostępność NO) * zwiększona ekspresja i aktywność cyklooksygenaz (COX) i produkowanych przez nie wazokonstryktorów * nasilona produkcja ROS Herrera et al. Aging Res Rev 2010

17 Wpływ starzenia na dysfunkcję naczyń Herrera et al. Aging Res Rev 2010

18 Wpływ starzenia na dysfunkcję naczyń Herrera et al. Aging Res Rev 2010

19 Wpływ starzenia na dysfunkcję naczyń Herrera et al. Aging Res Rev 2010

20 Czynniki ryzyka wywołujące dysfunkcję enos metylotrasferaza dimetyloarginaza śródbłonek Forstermann U. Eur J Physiol 2010

21 Stres oksydacyjny wywołuje miażdżycę Forstermann U. Eur J Physiol 2010

22 Zawał- ischemia - ischemia-reperfuzja

23 enos i inos a uszkodzenie po ischemii i reperfuzji - Angiotensyna i cytokiny prozapalne indukują stres oksydacyjny. To prowadzi do indukcji NFkB i ekspresji inos. COX-2 PGE 2, PGI 2 - inos może stanowić drugą linię obrony. Jeśli enos jest zablokowana, inos staje się głównym źródłem NO i może dzięki temu pełnić funkcje cytoprotekcyjne (pod warunkiem, że ekspresja nie jest zbyt silna, stężenia NO byt wysokie, gdyż wtedy mogą działać toksycznie i prooksydacyjnie, np. poprzez wpływ na łańcuch oddechowy). - Istotną rolę odgrywa również indukcja COX-2 i produkcja prze nią PGE 2 i PGI 2. Otani H. Antioxid Redox Signal 2009

24 Tlenek azotu a zapalenie - Zawał powoduje naciek komórek zapalnych, które produkują ROS, proteazy i cytokiny prozapalne. Prowadzi to do uszkodenia śródbłonka. - W wyniku uszkodzenia śródbłonka dochodzi do wazokonstrykcji i ischemii w odległych od zawału miejscach mięśnia sercowego. Strefa uszkodzenia rozszerza się. - Aktywacja enos (np. przez VEGF uwalniany przez niedotlenione tkanki, czy statyny podawane przez lekarza) łagodzi te objawy (pod warunkiem, że enos produkuje NO a nie anionorodnik ponadtlenkowy). Otani H. Antioxid Redox Signal 2009

25 Tlenek azotu a neowaskularyzacja - NO zwiększa produkcję VEGF oraz nasila jego aktywność w komórkach śródbłonka (zwłaszca migrację i morfogenezę). - VEGF chroni śródbłonek przed apoptozą, nasila angiogenezę i waskulogenezę, prowadząc do utworzenia nowych naczyń krwionośnych. - Niewystarczająca angiogeneza prowadzi do powstawania większej blizny pozawałowej i zwłóknienia. Otani H. Antioxid Redox Signal 2009

26 Syntazy tlenku azotu, a przebudowa LV Serce po zawale - W wyniku zawału zwiększa się obciążenie pozostałej części serca. Prowadzi to do aktywacji receptorów angiotensyny i zwiększenia produkcji ROS. - Indukcja inos przez pewien czas działa ochronnie. - Szczególnie istotne w zapobieganiu przebudowie jest zwiększenie dostępności BH4 (np. kwas foliowy nasila produkcję BH4). Otani H. Antioxid Redox Signal 2009

27 Insulino-oporność i cukrzyca typu 2

28 Rola oksydazy NAD(P)H w indukcji stresu oksydacyjnego w cukrzycy Gao & Mann. Cardiovasc Res 2009.

29 Mitochondria w cukrzycy Bugger & Abel. Cardiovasc Res 2010; Tabit et al. Rev Endocr Metab Disord 2010

30 Transdukcja sygnału od insuliny Huang PL. Trands Endorcrin Matabol 2009.

31 Stres oksydacyjny indukuje insulinooporność Długotrwała hiperglikemia i hiperlipidemia prowadzi do: - wzrostu produkcji ROS i RNS - aktywacji kinaz (np. JNK, p38, IKKb) * kinazy te fosforylują IRS-1 * IKKb aktywuje NFkB NFkB indukuje ekspresję inos co prowadzi do: - wzrostu NO - nitrozylacji IRS-1 Fosforylacja seryny i S-nitrozylacja IRS-1 prowadzi do: - degradacji proteosomalnej IRS-1 - zmniejszenia transdukcji sygnału - braku właściwej odpowiedzi na insulinę IRS-1: insulin receptor substrate-1 Newsholme et al. J Physiol 2007.

32 Dysfunkcja śródbłonka w cukrzycy

33 Surface of the wound [%] Gojenie ran u myszy z cukrzycą db/db WT 100 WT Day ** *** ** *** db/db *** *** *** *** *** *** *** Day 1 Day 3 Day Days after wounding Day 17 Grochot-Przeczek et al. PLoS ONE, 2009

34 Fazy gojenia ran Faza zapalenia (kilka dni) - Natychmiast po utworzeniu skrzepu w ranie dochodzi do wazodylatacji i nacieku leukocytarnego. Bardzo nasila się aktywność fagocytarna neutrofili. Faza proliferacji (2 dni - kilka tygodni) - Fibroblasty proliferują wypełniając ubytki i tworząc tkankę ziarninową. Nasila się angiogeneza. Keratynocyty migrują i proliferują zamykając ranę. Faza przebudowy (miesiące) - Dochodzi do wzmożonej syntezy kolagenu wzmacniającego tkankę, oraz do przekształcenia tkanki ziarninowej w typowe tkanki (lub utworzenia blizny). Liu & Velazquez. Antioxid Redox Signal 2008

35 Upośledzenie funkcji EPC w cukrzycy - U zdrowych osobników czynniki uwalniane przez ischemiczne lub zranione tkanki mobilizują komórki progenitorowe (w tym EPC) ze szpiku, a te po dotarciu do miejsc zranienia lub niedotlenienia uwalniają czynniki proangenne (w tym niewielkie ilości NO i ROS) oraz biorą udział w neowaskularyzacji i naprawie naczyń. - W cukrzycy sygnały wysyłane przez niedotlenione lub zranione tkanki są słabsze, przez co mobilizacja komórek progenitorowych jest mniejsza. Komórki progenitorowe które docierają do zranionych tkanek uwalniają niewiele czynników proangiogennych, natomiast dużo prozapalnych i antyangiogennych (w tym duże ilości NO i ROS). EPC: komórki progenitorowe śródbłonka Jarajapu & Grant. Circ Res 2010.

36 Upośledzenie gojenia ran w cukrzycy - EPC: komórki progenitorowe śródbłonka - VEGF: vascular endothelial growth factor - SDF-1: stromal cell derived growth factor - enos: endothelial nitric oxide synthase Brem & Tomic-Canic. J Clin Invest 2007.

37 Mobilizacja EPC - Zranione tkanki uwalniają między innymi VEGF, który wpływa na komórki podścieliska szpiku. Prowadzi to do: * aktywacji enzymatycznej enos * nasilenia produkcji NO. - To zwiększa aktywność MMP-9, która uwalnia skitl z błonowego białka mkitl. - Związanie skitl do receptora c-kit prowadzi do uwolnienia EPC z niszy szpikowych do krążenia. EPC w szpiku Liu & Velazquez. Antioxid Redox Signal 2008

38 Mechanisms of blood vessels formation Incorporation to pre-existing vessels Formation of blood vessels de novo paracrine stimulation of endothelial cells (VEGF, bfgf, IL-8 ) Carmeliet P. Nat Med, 2000

39 number of cells cumulative kength of sprouts % CD45-/KDR+/Sca-1+/lectin+ number of connections Wpływ cukrzycy na EPC Percentage of EPC in bone marrow Morphogenesis * * healthy diabetic 0 healthy diabetic 800 Migration to SDF-1 10 Capillary sprouting * 6 4 * healthy diabetic 0 healthy diabetic Kotlinowski et al., in preparation

40 Wpływ cukrzycy na komórki śródbłonka Krążki aorty zatopione w matriżelu - 5 dni inkubacji. Widoczne tworzące się kapilary. Myszy WT Myszy db/db Kotlinowski et al., in preparation

41 Odtwarzanie krążenia w mięśniu myszy z cukrzycą diabetes diabetes + NAC diabetes diabetes + NAC NAC - N-acetylocyteina Ebrahimian et al. Am J Pathol 2006

42 Mobilizacja EPC ze szpiku - EPC: komórki progenitorowe śródbłonka - VEGF: vascular endothelial growth factor - MMP-9: matrix metalloproteinase-9 - enos: endothelial nitric oxide synthase Liu & Velazquez. Antioxid Redox Signal 2008

43 Regulacja mobilizacji EPC w hiperoksji i hipoksji Liu & Velazquez. Antioxid Redox Signal 2008

44 Regulacja mobilizacji EPC w hiperoksji i hipoksji - EPC: komórki progenitorowe śródbłonka - MMP-9: matrix metalloproteinase-9 - enos: endothelial nitric oxide synthase - SDF-1a - stromal cell derived growth factor-a - CXCR-4 - receptor dla SDF-1 Liu & Velazquez. Antioxid Redox Signal 2008

45 Powstawianie i inaktywacja ROS w śródbłonku Forstermann U. Eur J Physiol 2010

46 Dziękuję Slajdy dostępne na stronie Zakładu Biotechnologii Medycznej