Auswirkungen von eisenchelatbildenden bioaktiven Verbindungen in der Nahrung auf die molekularen Mechanismen der durch oxidativen Stress induzierten Zellalterung Teil 2

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3.2. Zelluläre Seneszenz

Zelluläre Seneszenz ist einer der häufigsten Marker für die Alterung des Organismus. Das hervorstechendste Merkmal dieses grundlegenden zellulären Prozesses ist der dauerhafte Stillstand des Zellzyklus, der von der intrazellulären Akkumulation beschädigter Makromoleküle sowie einem sekretorischen Phänotyp und einem veränderten Metabolismus begleitet wird [55,56]. In Säugetierzellen wurden zwei Arten von zellulärer Seneszenz erkannt; diese werden als "replikative Seneszenz" und "stressinduzierte zelluläre Seneszenz" bezeichnet [56]. Die erste tritt normalerweise nach einer bestimmten Anzahl von Teilungen in verschiedenen Zelltypen auf. Es wurde vor mehreren Jahrzehnten in kultivierten menschlichen Fibroblasten beschrieben [57]. Dieses Phänomen wurde später der Telomerabnutzung zugeschrieben, der allmählichen Verkürzung der linearen Enden der Chromosomen bei jeder DNA-Replikation [58]. Andererseits ist stressinduzierte zelluläre Seneszenz weitgehend unabhängig von der Telomerlänge und stellt eine akute Reaktion auf zahlreiche Stressoren dar, darunter oxidativer Stress, genotoxischer Stress, mitochondriale Verschlechterung, Hypoxie, Nährstoffmangel und die anomale Aktivierung von Onkogenen |56,{ {8}}. Interessanterweise ist oxidativer Stress ein gemeinsamer Nenner für all diese Fälle, da er an allen oben genannten Stresssignalen beteiligt sein kann [62-65].

Die zelluläre Seneszenz ist zweifellos mit der Alterung des Organismus verbunden [55,56].Cynomorium-Vorteile,Seneszente Zellen werden jedoch nicht ausschließlich in alternden Geweben nachgewiesen; sie können in jedem Lebensstadium nachgewiesen werden und können bei einem breiten Spektrum menschlicher physiologischer und pathologischer Prozesse, einschließlich Embryogenese, Wundheilung und Tumorunterdrückung, eine positive Rolle spielen [56,61]. Die stetige Anhäufung seneszenter Zellen mit zunehmendem Alter hat jedoch nachteilige Auswirkungen und wurde mit altersbedingten Krankheiten und Morbidität in Verbindung gebracht [56,59,66-69].

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In Bezug auf ihre Morphologie zeigen seneszente Zellen gemeinsame Merkmale, einschließlich vergrößerter, abgeflachter und unregelmäßig geformter Zellkörper; eine veränderte Zusammensetzung der Plasmamembran; ein Verlust an nuklearer Kondensation; und ein erhöhter lysosomaler Gehalt an Seneszenz-assoziierter Beta-Galactosidase (SA- -gal)J70,71]. Sie zeigen auch dramatische Veränderungen in ihrem sekretorischen Profil und zeigen eine erhöhte Expression und Sekretion von proinflammatorischen Zytokinen und Chemokinen, Wachstumsfaktoren, Komponenten der extrazellulären Matrix (Matrix-Metalloproteinasen, Serinproteasen) und ROS [59]. All diese Veränderungen werden auch von der fortschreitenden intrazellulären Akkumulation eines biologischen, nicht abbaubaren „Abfallmaterials“ begleitet, das herkömmlich „Lipofuszin“ oder „Ceroid“ oder sogar „Alterspigment“ genannt wird[72-74].

Nachfolgende Abschnitte beschreiben die mechanistischen Aspekte der Bildung von Lipofuszin und schlagen mögliche Mittel vor, um seine Akkumulation zu behindern oder zu verhindern.

3.3. Bildung und Akkumulation von Lipofuszin in seneszenten Zellen

Das heute als "Lipofuszin" bekannte Pigment wurde 1842 vom holländischen Histologen Hannover entdeckt und beschrieben [75]. Der Begriff Lipofuszin wurde ursprünglich von Borst in seinen Vorlesungen verwendet, aber erstmals 1912 von Hueck veröffentlicht [76,77]. Der Name leitet sich vom griechischen Wort lipo (was Fett bedeutet) und dem lateinischen Wort fuscus (was dunkel oder düster bedeutet) ab. Bildung und Akkumulation von Lipofuszin sind charakteristische Veränderungen mit universeller Manifestation in seneszenten Zellen[78-80] und sind tiefgreifender in langlebigen postmitotischen Zellen wie Neuronen, Kardiomyozyten, Skelettmuskelzellen und retinalen Pigmentepithelzellen (RPE) [ 74,81]. Diese Zellen leben nach Beendigung ihrer Proliferation lange Zeit normal weiter, akkumulieren jedoch allmählich zunehmende Mengen an Lipofuszin, das nicht abgebaut oder exozytiert werden kann.

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Durch die Verwendung verschiedener Techniken zum Nachweis seneszenter Zellen wurde beobachtet, dass die Akkumulationsrate von Lipofuszin in ähnlichen Arten von postmitotischen Zellen verschiedener Organismen umgekehrt proportional zu ihrer Lebensdauer ist [82]. Insbesondere war die Rate bei kurzlebigen Arten schnell und bei langlebigen langsam, was darauf hindeutet, dass die Akkumulation von Lipofuszin höchstwahrscheinlich schädliche Auswirkungen auf die Zellfunktionen hat und mit der Verkürzung der Lebensspanne eines Organismus verbunden ist [80,83,84]. . Trotz der erheblichen Bedeutung dieser Korrelation sind die genauen biochemischen Mechanismen, die der Akkumulation von Lipofuszin zugrunde liegen, sowie ihre Auswirkungen auf die Zellfunktionen noch weitgehend unverstanden.

Lipofuszin wurde hauptsächlich in Lysosomen gefunden, aber auch in geringeren Mengen im Zytosol gealterter Zellen [85, 86]. Es zeigt ein breites Spektrum an Autofluoreszenz mit einer gelb-bräunlichen Farbe [80,87], aber seine Struktur und Zusammensetzung bleiben schlecht definiert. Obwohl seine Zusammensetzung in verschiedenen Zelltypen variiert, wurde gezeigt, dass es hauptsächlich aus oxidierten Proteinen und Lipiden (wie Triglyceriden, freien Fettsäuren, Cholesterin und Lipoproteinen) und einer kleinen Anzahl von Kohlenhydraten und Nukleotidfragmenten besteht, die miteinander verbunden sind kovalente Bindungen verschiedener Art [84].WüstenhyazintheDie Bindung von Eisen an seine Oberfläche stellt auch ein gemeinsames Merkmal von Lipofuszin dar [88,89].

Obwohl die endgültigen Auswirkungen der Lipofuszin-Akkumulation auf Zellfunktionen unklar bleiben, wurde gezeigt, dass es die Aktivitäten sowohl proteasomaler als auch lysosomaler Proteinabbausysteme hemmen kann. Darüber hinaus gibt es experimentelle Hinweise, dass es die weitere Bildung reaktiver freier Radikale durch an seiner Oberfläche angelagerte redoxaktive Eisenionen (labiles Eisen) katalysieren kann [89].

3.4. Lipofuszin als überoxidiertes Material in Zellen, die oxidativem Stress ausgesetzt sind

Da Lipofuszin ein stark oxidiertes Aggregat umfasst, das hauptsächlich aus kovalent vernetzten Proteinen und Lipiden besteht |90], ist es vernünftig zu postulieren, dass labiles Eisen – das in der Lage ist, die Bildung extrem reaktiver freier Radikale zu katalysieren – an den Wegen seiner Bildung beteiligt ist [91]. Beweise, die hauptsächlich aus experimentellen Systemen stammen, haben gezeigt, dass die Exposition von Zellen gegenüber einem erhöhten Maß an oxidativem Stress ausnahmslos zur Entwicklung eines starken Seneszenz-Phänotyps über verschiedene Zelltypen hinweg führt, mit der parallelen Beschleunigung der intrazellulären Bildung und Akkumulation von Lipofuszin-ähnlichen Materialien [87,89,92,93]. Unterschiedliche aufeinanderfolgende Schritte, die zur Bildung von Lipofuszin führen, sind in Abbildung 2 dargestellt.

Wie oben diskutiert, ist das Vorhandensein von labilem Eisen für die Erzeugung von hochreaktiven ROS (HO-Grad und RO *) erforderlich, die für die Oxidation und Überoxidation von zellulären Makromolekülen verantwortlich sind (Abbildung 2A, B). Darüber hinaus können oxidativ modifizierte Makromoleküle den Proteinabbau und Zellreparatursysteme hemmen und so vergebliche Zyklen zur Erhöhung der Oxidationsraten erleichtern (Abbildung 2C). Die allmähliche Anhäufung von überoxidierten, nicht abbaubaren Zellbestandteilen in Zellen führt zur Bildung von Lipofuszin (Abbildung 2D), das vermutlich zum Zellalterungsprozess beiträgt (Abbildung 2E).

Abbildung 2. Schematische Darstellung aufeinanderfolgender Schritte, die zur Bildung von Lipofuszin führen und zur Zellalterung beitragen. Beachten Sie, dass Fe2 plus für die Erzeugung hochreaktiver ROS (HO und RO) erforderlich ist, die für die Oxidation und Überoxidation von zellulären Makromolekülen (A, B) verantwortlich sind. Überoxidierte Makromoleküle können zelluläre Reparatursysteme (insbesondere das 20S-Proteasom) hemmen und so vergebliche Zyklen fortschreitend zunehmender Oxidationsraten (C) erleichtern. Oxidativ modifizierte, nicht abbaubare Zellbestandteile werden nach und nach als kovalent miteinander verbundene Aggregate in Form von Lipofuscin(D) in Zellen angereichert, eine Tatsache, von der angenommen wird, dass sie den Prozess der Zellalterung beeinflusst (E). Pfeilspitzen und Flachspitzen zeigen die Induktion bzw. Hemmung von Prozessen an.Flavonoidextraktionsmethode pdfInteressanterweise haben Marzabadi et al.[94] beobachteten, dass die Akkumulation von Lipofuszin in eisenarmen Zellen durch die Verwendung des Eisen-Chelatbildners Desferrioxamin verhindert wurde, was darauf hindeutet, dass die Bildung von Lipofuszin hochreaktive freie Radikale wie HO-Grad und RO-Grad erfordert (Abbildung 2). Offensichtlich können diese reaktiven Radikale Kettenreaktionen initiieren, die zu Abbauprodukten der Lipidperoxidation führen, die die Bildung der nicht abbaubaren, unspezifischen Quervernetzung von Zellbestandteilen hervorrufen.

Zusammengenommen weisen die obigen Ergebnisse darauf hin, dass das empfindliche Gleichgewicht zwischen dem intrazellulären Peroxidspiegel und dem verfügbaren labilen Eisen das Auslösen einer Vielzahl von toxischen Wirkungen bestimmt, die mit der Akkumulation von Lipofuszin gipfeln, sowie die Induktion von zellulärer Seneszenz und Zelltod durch beide Apoptose oder Nekrose [29,95].

Die Induktion der zellulären Seneszenz durch Peroxide kann auch über verschiedene Wege erreicht werden. Beispielsweise können die mittleren Raten von H, O,-Zellen direkt die Aktivierung spezifischer MAP-Kinasen und die Transduktion von Seneszenzsignalen induzieren, die die Aktivierung der p16INK4aINK4A-Achse auslösen und zur Induktion der Zellseneszenz führen [64,65,92 ,96]. Andererseits können höhere HO,-Konzentrationen, wie dies in stark entzündeten Bereichen der Fall ist, die aktivierte Phagozyten anziehen, eine direkte eisenkatalysierte Oxidation an der DNA induzieren, die anschließend Seneszenz-Signalwege auslöst. In beiden Fällen stellt die parallele Bildung und Akkumulation von oxidativ modifizierten zellulären Makromolekülen offensichtliche Folgen dar. Es muss jedoch angemerkt werden, dass die Frage, ob die Lipofuscin-Akkumulation einen ursächlichen Faktor für die zelluläre Seneszenz darstellt oder deren Folge ist, eine zentrale, aber noch nicht abgeschlossene Frage bleibt.

3.5. Intrazelluläre Eisenhomöostase und Lipofuszinbildung

Wie oben diskutiert, ist Eisen ein essentielles Element für lebende Zellen und Organismen, da es an verschiedenen biochemischen Reaktionen teilnimmt, die grundlegende Funktionen wie Sauerstofftransport, Zellatmung und DNA-Synthese und -Reparatur unterstützen. Eisen kann jedoch auch an Reaktionen beteiligt sein, die zur Bildung schädlicher freier Radikale führen, bekannt als Reaktionen vom Fenton-Typ. Um die Toxizität von Eisen zu minimieren, haben Säugetiere ausgeklügelte Mechanismen entwickelt, die seine Verfügbarkeit regulieren35,37I. Trotzdem ist immer ein kleiner und fein abgestimmter Anteil an redoxaktivem Eisen vorhanden, das üblicherweise als "labiles Eisen" bezeichnet wird und vermutlich die eigentliche Eisenbewegung zwischen verschiedenen Zellkompartimenten darstellt [6,38]. Somit stellt labiles Eisen einen dynamischen Zellparameter dar, der auf eine Vielzahl von Reizen reagieren kann, indem er sein Niveau ändert, mit dem Ziel, die Verhinderung von Zellschäden und die Gewährleistung der Zellanforderungen in Einklang zu bringen.

Unter Bedingungen vorübergehend erhöhter Peroxidkonzentrationen (üblicherweise als oxidativer Stress bezeichnet) kann labiles Eisen die folgenden Ereignisse vermitteln: (a) die Initiierung und Ausbreitung von Lipidperoxidationskettenreaktionen, (b) Proteinoxidation und -vernetzung, (c) die Induktion von DNA-Schäden wie Einzel- und Doppelstrangbrüchen und (d) die Auslösung einer Vielzahl komplexer Redox-Signalwege[10,29,43]. All diese eisenkatalysierten Wirkungen können zu Zellalterung führen, begleitet von der Bildung und Akkumulation von Lipofuszin.

Hervorzuheben ist hier, dass wir bereits in einer Reihe von Veröffentlichungen die Prävention von H2O2--induzierten DNA-Schäden und Apoptose in Zellen mit erschöpften Spiegeln an labilem Eisen durch die Verwendung verschiedener Eisen-Chelatbildner nachgewiesen haben [11 ,29,42,43,97]. In diesen Untersuchungen verwendeten wir ein in-vitro-Zellkultur-basiertes experimentelles System, in dem verschiedene Arten menschlicher Zellen oxidativem Stress in Form von H und O ausgesetzt wurden und die Schäden in der Kern-DNA mithilfe des Comet-Assays quantitativ abgeschätzt wurden, a empfindliche Methode, die die Bildung von DNA-Einzelstrangbrüchen in einzelnen Zellen nachweist. Interessanterweise bot die Vorinkubation von Zellen mit einer Reihe bekannter starker Antioxidantien wie Ascorbinsäure, o-Tocopherol, Trolox, N-Acetylcystein und o-Liponsäure vor der Exposition gegenüber H, O, keinen Schutz [7 ]. Da die Kapazität dieser Mittel zur Bekämpfung freier Radikale in zahlreichen In-vitro-Studien festgestellt wurde, wurden die oben erwähnten negativen Ergebnisse der Unfähigkeit dieser Mittel zugeschrieben, die innerhalb der Zellen erzeugten reaktiven freien Radikale wirksam abzufangen.

Ein wichtiger Parameter der eisenkatalysierten Vernetzung kann die Erleichterung der kovalenten Bindung von oxidierten löslichen Zellkomponenten an biologische Membranen sein. Ein solches Ereignis sollte die Exozytose der membrangebundenen Materialien behindern, was zu ihrer permanenten intrazellulären Akkumulation führt. Es ist vernünftig zu spekulieren, dass lysosomale Membranen aufgrund ihrer Nähe zum Ort der Lipofuszinbildung in diesem Fall primäre Ziele sein sollten. Tatsächlich wurde Lipofuszin oft in Zellen nachgewiesen, die von lysosomalen Membransegmenten umschlossen sind [98].

Angesichts der Bedeutung des verfügbaren labilen Eisens für die Bildung und Akkumulation von Lipofuszin scheint die Regulierung seiner intrazellulären Homöostase im Hinblick auf den Alterungsprozess von größter Bedeutung zu sein. Die Würdigung der Verfügbarkeit von labilem Eisen als entscheidender Faktor, der die Oxidation und Überoxidation von Zellbestandteilen und die Akkumulation von Lipofuszin in Zellen bestimmt, könnte den Weg für die Entwicklung neuer Strategien ebnen, die darauf abzielen, die biologische Uhr der Alterungsprozess.

3.6. Inaktivierung von Reparatursystemen durch überoxidierte Zellbestandteile

Zellstrategien für die Reparatur verschiedener oxidierter Zellkomponenten variieren stark, abhängig von der Art der jeweiligen Komponenten. Beispielsweise werden oxidierte DNA-Nukleotide entfernt und durch normale Nukleotide durch einen Prozess namens "Nukleotidexzisionsreparatur" ersetzt, während oxidierte Proteine ​​zu einzelnen Aminosäuren abgebaut werden, die dann für die neue Proteinsynthese wiederverwendet werden können.

Es gibt verschiedene Proteinabbausysteme: In Zellen gibt es lysosomale Enzyme; im Zytosol gibt es Proteasomen und Calpaine; in der mitochondrialen Matrix gibt es die Lon-Proteasen (ATP-abhängige Proteasen); und in der mitochondrialen Membran gibt es die Triple-A-Proteasen [78, 98-100]. Darüber hinaus können Lysosomen neben oxidativ modifizierten Proteinen auch stark geschädigte Organellen wie Mitochondrien oder Teile des Zytoplasmas in Prozessen aufnehmen und abbauen, die als Chaperon-vermittelte Autophagie, Makro-Autophagie und Mikro-Autophagie bezeichnet werden [82,101].

Trotz der Tatsache, dass die meisten oxidativ modifizierten Biomoleküle und Organellen von Zellen effizient repariert oder abgebaut werden können, wurde beobachtet, dass sich einige von ihnen mit zunehmendem Alter anreichern, was auf die inhärente Unzulänglichkeit der zellulären Umsatzmechanismen hindeutet.FlavonoideEs wurde gezeigt, dass bereits oxidierte Zellbestandteile weitere oxidative Modifikationen erfahren können, was zur Bildung von Produkten führt, mit denen Zellabbausysteme nicht fertig werden [34,84]. Die Anhäufung solcher nicht abbaubarer Konglomerate kann wiederum die Funktionsfähigkeit von Abbausystemen beeinträchtigen, die Auswirkungen verschlimmern und zu einem Teufelskreis führen, wie in Abbildung 2 schematisch dargestellt.

Bei erhöhten und lang anhaltenden oxidativen Stressbedingungen kann die Reparaturkapazität von Zellen im Allgemeinen und die Proteinabbaukapazität im Besonderen Sättigungsgrade erreichen, was zu einer anhaltenden Anwesenheit von oxidierten Komponenten führt. Diese Situation erhöht die Wahrscheinlichkeit der weiteren Oxidation bereits oxidierter Komponenten und der Bildung zusätzlicher und tiefgreifenderer oxidativer Modifikationen, einschließlich intra- und intermolekularer kovalenter Bindungsbildungen. Die Gesamtkomplexität der gebildeten chemischen Strukturen übersteigt die Abbaufähigkeit zellulärer proteolytischer Systeme (insbesondere des 20S-Proteasoms), was zur allmählichen Ansammlung von überoxidierten, nicht abbaubaren „Müll“-Materialien innerhalb der Zellen führt, hauptsächlich in Lysosomen [82,102].

Zusammengenommen erhöht die Akkumulation von überoxidierten Materialien in Zellen die Wahrscheinlichkeit einer weiteren Oxidation von bereits oxidierten Zellkomponenten im Laufe der Zeit, wodurch der Beginn eines Teufelskreises aus Oxidation, Überoxidation und Akkumulation erleichtert wird; All dies führt letztendlich zu einer fortschreitenden Beeinträchtigung der Zellfunktionen, wie sie im Alter und in der Seneszenz deutlich wird.

3.7. Lysosomen als Hauptorte der Lipofuszinbildung

Als Ergebnis des normalen autophagischen Abbaus ist das lysosomale Kompartiment besonders reich an labilem Eisen, da viele autophagozytierte Makromoleküle und Organellen Eisen enthalten. Das kombinierte Vorhandensein von redoxaktivem Eisen und niedrigem pH-Wert in Lysosomen erleichtern die Bildung extrem reaktiver Radikale aus relativ unreaktiven Peroxiden über die Fenton-Reaktion. Daher ist diese Organelle besonders empfindlich gegenüber dem milden oxidativen Stress, den Zellen auf natürliche Weise während der vorübergehenden Schwankungen des intrazellulären H, O, Steady-State erfahren. Die erzeugten HO·s induzieren sofort Kettenoxidationen von lysosomalen Komponenten wie Proteinen und Membranlipiden, was zur Bildung von Lipofuszin-ähnlichen Materialien führt, von denen tatsächlich gezeigt wurde, dass sie sich in Lysosomen ansammeln.

Bei intensiven und lang anhaltenden oxidativen Stressbedingungen induziert das gleichzeitige Vorhandensein von H2O2 und labilem Eisen eine weitere Oxidation auf bereits oxidierten autophagozytierten Biomolekülen, was zu überoxidierten Produkten führt, die mit mehreren kovalenten Bindungen vernetzt sind .Hesperidin verwendetDieses Material ist nicht nur abbaubeständig, sondern kann auch Zellreparatursysteme hemmen, wie es in Proteasomen nachgewiesen wurde [85,102]. Dieser Vorschlag wird durch die Beobachtung stark unterstützt, dass die Kombination von oxidativem Stress mit der Hemmung lysosomaler Proteasen den Abbau von autophagozytierten Makromolekülen verzögert und mehr Zeit für ihre Oxidation bietet, wodurch die Bildung von Lipofuszin in kultivierten Zellen dramatisch beschleunigt wird [7]. Lipofuszin selbst kann aus verschiedenen Arten von auto- oder heterophagozytiertem Material stammen. In vielen Zellen, insbesondere in hoch aeroben wie Herzmyozyten und Neuronen, bilden autophagozytierte Mitochondrien den Großteil des intralysosomalen nicht abbaubaren Materials. Ein starker Beweis für den mitochondrialen Ursprung eines signifikanten Teils des Lipofuszinkörpers stellt die Beobachtung dar, dass reichlich ATP-Synthase-Untereinheiten in Lipofuszin-beladenen Zellen vorhanden sind [103]. In professionellen Fresszellen mit aktiver Phagozytose, wie Makrophagen, Mikrogliazellen und retinalen Pigmentepithelzellen, kann jedoch auch ein wesentlicher Teil ihres Lipofuszingehalts stammen.

3.8. Nachweis seneszenter Zellen

Die Erkennung von seneszenten Zellen ist angesichts der zunehmenden Beweise für die Rolle der Seneszenz in menschlichen Pathologien ein kritisches Thema [56,104]. Darüber hinaus erfordert das schnell wachsende Gebiet der Chemotherapeutika den präzisen Nachweis seneszenter Zellen [105]. Verschiedene Marker, die Sensoren der zellulären Seneszenz nachweisen, sind in Tabelle 1 dargestellt. Jüngste Ergebnisse haben auf die Implikation der Seneszenz bei COVID-19 hingewiesen, was die Anwendung von Chemotherapeutika zur Behandlung oder Vorbeugung von COVID-19-Patienten rechtfertigt [106.

Die Akkumulation von neu gebildetem Lipofuszin kann mittels Elektronen-, Konfokal- und Fluoreszenzmikroskopie sowie Durchflusszytometrie nachgewiesen und quantifiziert werden [108,109]. Darüber hinaus kann Lipofuszin anhand seiner Autofluoreszenz in Kombination mit einer Reihe histochemischer und zytochemischer Techniken nachgewiesen werden [68,87,110,111]. Insbesondere GL13, ein biotinyliertes chemisches Analogon von Sudan Black-B(SBB), das im Handel als "SenTraGorTM" erhältlich ist, interagiert mit Lipofuszin und ermöglicht die genaue Identifizierung alternder Zellen in vitro und ex vivo durch Anwendung eines Antikörper-vermittelten Nachweisverfahrens [ 56,107,110]. Mit diesem Assay ist auch die quantitative Bestimmung von löslichem oder extrahiertem Lipofuszin in Zellkulturüberständen, Körperflüssigkeiten und Gewebehomogenaten möglich [112]. Die Abfolge von Ereignissen, die während der Seneszenz zur Akkumulation von Lipofuszin führen, und ihre Wechselwirkung mit Lipofuszin ist in Abbildung 3A schematisch dargestellt. Repräsentative Bilder von Li-Fraumeni-p21WAF1/Cip1 Tet-OFF- und ON(seneszenten)-Zellen, gefärbt mit SenlraGor, sind in Abbildung 3B dargestellt. In seneszenten Zellen ist ein starkes braunes zytoplasmatisches Signal erkennbar (rechtes Bild), während keine induzierten Zellen negativ sind (linkes Bild).

Die Entwicklung von auf Nanotechnologie basierenden theranostischen Anwendungen könnte ein genaues Targeting von seneszenten Zellen ermöglichen [113-115]. Die Kartierung der seneszenten Zellen in vivo bleibt eine große Herausforderung. In diesem Zusammenhang könnte die neuartige GL13-Verbindung durch den Einbau von Quantenpunkten oder anderen geeigneten Nanoträgern und einer hydrophilen Hülle zur Einkapselung des gesamten Systems angereichert werden, was GL13 zu einem vielversprechenden Kandidaten für die molekulare Bildgebung in vivo macht [114].

Abbildung 3. (A)SenTraGorTM reagiert spezifisch gegen Lipofuszin, das nicht abbaubare Nebenprodukt der Zellalterung, und ermöglicht die genaue Identifizierung alternder Zellen in vitro und ex vivo durch Anwendung einer Antikörper-vermittelten Nachweismethode. (B) SenTraGor-Färbung auf Li-Fraumeni-p21WAF1/Cip1 Tet-OFF (linkes Bild) und ON-Zellen (rechtes Bild); Originalvergrößerung: × 200. 4. Nahrungsbioaktive Verbindungen und oxidativer Stress

Zahlreiche epidemiologische Studien, die hauptsächlich in der zweiten Hälfte des vorigen Jahrhunderts durchgeführt wurden, haben die traditionelle mediterrane Ernährung (die an der Nordküste des Mittelmeerbeckens vorherrschende Ernährung) mit einem geringeren Auftreten bestimmter chronischer Krankheiten und einem geringeren Morbiditäts- und Mortalitätsrisiko in Verbindung gebracht [{{0 }}]. Daher wurden intensive Forschungsanstrengungen unternommen, um mediterrane Diätmittel zu identifizieren, die in der Lage sind, die schädlichen Auswirkungen von oxidativem Stress zu verhindern oder abzuschwächen, und um ihre molekulare Wirkungsweise zu beschreiben.

4.1.Nahrungsbioaktive Verbindungen: Radikalfänger-Antioxidantien oder schwache Eisenchelatoren?

Die traditionelle mediterrane Ernährung zeichnet sich durch einen hohen Verzehr von Olivenöl und pflanzlichen Lebensmitteln wie Obst, Gemüse, unraffiniertem Getreide und Hülsenfrüchten aus; mäßiger Verzehr von Fisch, Milchprodukten und Wein; und geringer Verzehr von Fleischprodukten [119]. Seine gesundheitlichen Vorteile werden häufig den hohen Mengen an Antioxidantien vom Typ der Radikalfänger zugeschrieben, die in typischen Lebensmitteln dieser Diät weitgehend vorhanden sind. Es wurde allgemein angenommen, dass solche Radikalfänger mit freien Radikalen interagieren und diese neutralisieren können, wodurch die Oxidation im Körper bekämpft und folglich das Auftreten verschiedener chronischer Krankheiten, einschließlich des Alterungsprozesses, verzögert oder sogar verhindert wird [120-123].

Die Ergebnisse der größten bisher durchgeführten klinischen Studien zur Supplementierung mit Antioxidantien konnten jedoch keinen wesentlichen Schutz gegen die Entwicklung chronischer Krankheiten zeigen [124-137]. Darüber hinaus wurden Bedenken hinsichtlich der Sicherheit der hochdosierten Supplementierung von Antioxidantien geäußert, da in einigen Fällen Zusammenhänge mit Gesundheitsrisiken beobachtet wurden [138,139]. Dieses Versagen kann durch die Tatsache erklärt werden, dass freie Radikale wie HO-Grad und RO-Grad extrem reaktiv sind und jede chemische Gruppe, die in der Nähe ihrer Erzeugung vorhanden ist, sofort und unspezifisch angreifen und oxidieren[140]. Wenn sie also innerhalb von Zellen erzeugt werden, ist es für einen von außen stammenden Fänger freier Radikale praktisch unmöglich, sie zu neutralisieren. An dieser Stelle muss betont werden, dass die einzige Chance, Zellbestandteile unter oxidativen Stressbedingungen vor Oxidation und Schädigung zu schützen, darin besteht, die Bildung solch hochreaktiver freier Radikale zu verhindern. Eine andere mögliche Strategie, um die Oxidation kritischer biologischer Makromoleküle wie DNA und Proteine ​​unter solchen Umständen zu vermeiden, könnte darin bestehen, den Ort ihrer Bildung durch die Verwendung von Eisenchelatbildnern zu manipulieren. Wie unten diskutiert wird, enthält die Ernährung im Allgemeinen und die mediterrane Ernährung im Besonderen eine Fülle solcher schwacher Eisenchelatoren (Abbildung 4), die, wenn sie die Zellmembran passieren können, schwach gebundenes labiles Eisen von wichtigen Makromolekülen lösen können. wodurch sie vor unerwünschter Oxidation geschützt werden, unabhängig davon, ob sie die Fenton-Reaktion hemmen oder nicht

Abbildung 4. Die schematische Darstellung zeigt, dass die pflanzlichen Lebensmittel der mediterranen Ernährung zunehmende Mengen an eisenbindenden Verbindungen enthalten, die in der Lage sind, intrazelluläres labiles Eisen zu chelatieren und die Bildung hochreaktiver freier Radikale zu verhindern, die für die unregulierte Oxidation von Zellbestandteilen verantwortlich sind. Typische Lebensmittel der mediterranen Ernährung enthalten zahlreiche Verbindungen, darunter Phenolalkohole, Phenolsäuren und Flavonoide, von denen wiederholt vorgeschlagen wurde, dass sie als Antioxidantien zum Einfangen freier Radikale wirken. Eine Reihe solcher Verbindungen wurde von unserer Forschungsgruppe untersucht, und wir beobachteten eine starke Beziehung zwischen der Schutzkapazität jeder Verbindung und ihrer Fähigkeit, intrazelluläres labiles Eisen zu chelatieren, aber nicht mit ihrer Fähigkeit, freie Radikale in vitro abzufangen [8,9, 12]. Eine zusätzliche notwendige Eigenschaft dieser Verbindungen, die zur Entfaltung ihrer Schutzwirkung erforderlich war, war ihre Fähigkeit, das Zellinnere durch Diffusion oder jede andere Art von Transport durch die Plasmamembran zu erreichen [11,42,141]. Basierend auf diesen Beobachtungen schlugen wir vor, dass bioaktive Verbindungen, die allgegenwärtig in der mediterranen Ernährung vorhanden sind, ihre zytoprotektive Wirkung entfalten, indem sie intrazelluläres labiles Eisen von kritischen Zellbestandteilen lösen und so ihre unerwünschte Oxidation verringern.

4.2.Verhindern diätetische Eisenchelatbildner die Bildung von Lipofuscin?

Basierend auf den oben genannten Überlegungen ist es vernünftig zu spekulieren, dass bioaktive Eisenchelatbildner, die in der mediterranen Ernährung vorhanden sind, Schlüsselfaktoren darstellen könnten, die für die Verhinderung der Lipofuszinbildung und folglich des Alterungsprozesses im Allgemeinen verantwortlich sind. Soweit wir wissen, wurden bisher keine systematischen Bemühungen unternommen, um diese wichtige Hypothese experimentell zu überprüfen.

Eine typisch mediterrane Ernährung enthält eine Vielzahl von eisenchelatbildenden Molekülen mit unterschiedlichen chemischen Strukturen und Eigenschaften. Beispielsweise haben wir Pflanzenextrakte mit zahlreichen Polyphenolen ausführlich untersucht und festgestellt, dass phenolische Verbindungen mit einer ortho-Dihydroxylgruppe vor oxidativem Stress schützen, während diejenigen, denen ein Hydroxyl fehlt oder sich in einer meta- oder para-Position befindet, völlig unwirksam sind [8, 10-12]. Diese Beobachtungen werfen zusätzlich die Frage auf, ob die in Lebensmitteln enthaltenen Eisenchelatbildner in der Lage sind, mehrere Barrieren zu durchdringen, um ins Innere der Zielzellen zu gelangen. In diesem Fall können die jeweiligen Nahrungsergänzungsmittel als "indirekte Antioxidantien" angesehen werden, da sie die Bildung reaktiver freier Radikale verhindern, anstatt sie nach ihrer intrazellulären Produktion zu entgiften.

In einigen Fällen können intrazelluläre labile Eisenionen aufgrund ihrer geringen Aufnahme und beträchtlichen Verdünnung im Körper unvollständig mit aus der Nahrung stammenden Mitteln koordiniert werden, wodurch die Beteiligung von Eisen an Redoxreaktionen ermöglicht wird. Dennoch besitzen dieselben Wirkstoffe in der Regel Doppelfunktionen, da sie sowohl eisenbindende als auch Radikalfänger-Eigenschaften im selben Molekül enthalten können. Daher können aus der Nahrung stammende Eisenchelatoren auf zweifache Weise wirken: entweder durch Abmilderung von durch oxidativen Stress verursachten Zellschäden durch Entfernung von lose gebundenem labilem Eisen aus anfälligen zellulären Makromolekülen und vollständige Inaktivierung oder durch unvollständige Koordination von Eisen, was zu seiner Entfernung führt seine ursprüngliche Position, ermöglicht es ihm jedoch, redoxaktiv zu bleiben und die entsprechenden aus der Nahrung stammenden Eisenchelatoren zu oxidieren.

5. Schlussfolgerungen

Eines der prominentesten Konzepte auf dem Gebiet des Alterns ist heute die sogenannte „Freie-Radikal-Theorie des Alterns“. Nach dieser Theorie wird die Alterung des Organismus durch kumulative oxidative Schäden verursacht, die durch hochreaktive freie Radikale verursacht werden, die hauptsächlich als Folge entstehen des aeroben Stoffwechsels. Die kontinuierliche Erzeugung solcher äußerst reaktiver Radikale bewirkt die allmähliche Bildung und Akkumulation nicht reparierbarer Aggregate geschädigter Zellbestandteile. Dieses chemisch undefinierte Material, das hauptsächlich aus Proteinen und Lipiden besteht und gelb-braun fluoresziert, wird als "Lipofuszin", Ceroid oder "Alterspigment" bezeichnet und gilt als Kennzeichen der Zellalterung.

Lipofuszin wird hauptsächlich durch unkontrollierte und unspezifische oxidative Modifikationen zellulärer Makromoleküle gebildet. Zellen sind mit vielseitigen Abwehrsystemen ausgestattet, um oxidierte Makromoleküle zu überwachen und zu reparieren. Wenn jedoch intensiver oxidativer Stress über einen längeren Zeitraum anhält, führt dies unweigerlich zur Bildung hochreaktiver freier Radikale und zur Überoxidation bereits oxidierter Materialien, wodurch Produkte entstehen, die nicht repariert, abgebaut oder sogar exozytiert werden können durch die relevanten zellularen Systeme. Darüber hinaus wurde gezeigt, dass überoxidierte Materialien eine allmähliche Inaktivierung von zellulären Schutz- und Reparatursystemen induzieren können, wodurch vergebliche Zyklen erhöhter Lipofuscin-Akkumulationsraten angeheizt werden.

Da bei eisenkatalysierten Oxidationsprozessen (Fenton-Reaktion) hochreaktive freie Radikale entstehen können, ist die Verfügbarkeit von labilem Eisen eine notwendige Voraussetzung für die Bildung und Akkumulation von Lipofuszin in den Zellen. Basierend auf diesen Überlegungen ist es plausibel zu spekulieren, dass die Feinregulierung der zellulären Eisenhomöostase in der allgemeinen und der Verteilung von labilem Eisen im Besonderen einen bisher unbeachteten Weg darstellen könnte, um die intrazelluläre Lipofuszinbildung und die daraus resultierende zelluläre Alterung (Seneszenz) zu verzögern. Wir haben zuvor gezeigt, dass eine Reihe von eisenchelatbildenden Phytonährstoffen, die in der mediterranen Ernährung enthalten sind, in der Lage sind, biologische Membranen zu durchdringen und das Zellinnere zu erreichen [8,9,11,12]. Diese Mittel chelatieren intrazelluläres labiles Eisen (nicht unbedingt mit hoher Affinität) und bestimmen somit seine Verteilung und folglich die Orte der durch oxidativen Stress induzierten Oxidation. Gemäß dem vorgeschlagenen Mechanismus müssen aus der Nahrung stammende Phytochemikalien die folgenden Eigenschaften in ihrer Struktur vereinen, um Zellen vor oxidativem Stress schützen zu können: Sie müssen in der Lage sein, (a) Zellmembranen zu durchdringen; (b) Zellchelate zu bilden labiles Eisen; und (c) im Fall einer Wechselwirkung des gebundenen Eisens mit Peroxiden (die unvollständige Besetzung seiner Koordinationsstellen), um das gebildete reaktive Radikal abzufangen.

Die Schlussfolgerungen aus der obigen Präsentation zusammenfassend, können die folgenden Aussagen gemacht werden: (a) labiles Eisen stellt den Hauptagenten dar, der für die Produktion hochreaktiver freier Radikale verantwortlich ist, die in der Lage sind, Zellbestandteile unter Bedingungen von oxidativem Stress zu oxidieren, (b )oxidierte und insbesondere überoxidierte Zellbestandteile den Hauptkörper von Lipofuszin bilden, das unter diesen Bedingungen innerhalb der Zellen gebildet und angereichert wird, (c) die Abreicherung von intrazellulärem labilem Eisen durch Eisenchelatbildner die Oxidation von Zellbestandteilen verhindert, und( d) Unsere Ernährung und insbesondere die Mittelmeer-Diät enthalten eine Fülle von Verbindungen, die in der Lage sind, die intrazelluläre Eisenverteilung zu modulieren.

Wenn man die obigen Überlegungen zusammen betrachtet, kann man vernünftigerweise erwarten, dass die Identifizierung von bioaktiven Nährstoffverbindungen mit den zugeordneten Eigenschaften ihre Verwendung als pharmakologische Werkzeuge für konkrete Schutzmaßnahmen unter Bedingungen erhöhten oxidativen Stresses in Zellen, Geweben und ganzen Organismen ermöglichen kann. Dieser Vorschlag könnte neue Wege für die Entwicklung von Strategien eröffnen, die darauf abzielen, das Auftreten und die Entwicklung altersbedingter Krankheiten zu verlangsamen.

Dieser Artikel ist ein Auszug aus Antioxidants 2021, 10, 491. https://doi.org/10.3390/antiox10030491 https://www.mdpi.com/journal/antioxidants