Радиозащитные агенты для предотвращения повреждения клеток из-за ионизирующего излучения

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

Тайлер А. Смит1, Дэниел Р. Киркпатрик2, Шон Смит2, Тревор К. Смит3, Тейт Пирсон4, Апарна Кайласам2, Кортни З. Херрманн4, Джоанна Шуберт2 и Девендра К. Агравал2*

Медицинская визуализация стала центральным компонентом современной медицинской диагностики. За последние 10 лет более широкое использование рентгенологических исследований и компьютерной томографии (КТ) привело к соответствующему увеличению воздействия на пациентовионизирующее излучениеповышение осведомленности общественности о его пагубных последствиях. Несмотря на заметное снижение дозы облучения, связанное с отдельными сканированиями, более широкое использование медицинской визуализации является основным фактором радиационного облучения и радиационной патологии [1, 2]. Долгосрочные исследования выживших после атомной бомбардировки Второй мировой войны в Японии; т.е. у тех, кто подвергся значительному радиационному облучению, как было обнаружено, повышена заболеваемость как лейкемией, так и солидным раком [1]. Основываясь на линейной беспороговой модели, излучение, связанное с визуализацией, хотя и менее драматично, чем атомный взрыв, может представлять значительный риск, связанный с радиацией. Известно, что риски, связанные с радиационным облучением, более выражены у молодых пациентов. Об этом факте свидетельствует повышенная распространенность лейкемии и солидных опухолей среди детей, переживших атомную бомбардировку, по сравнению с теми, кто подвергся такому же радиационному воздействию в более старшем возрасте [1]. Гилберт и др. [2] показали дозозависимую связь между радиационным облучением и лейкемией, раком молочной железы, раком щитовидной железы и другими солидными опухолями. Ионизирующее излучение оказывает немедленное и поддающееся измерению вредное воздействие на клетки, включая увеличение количества активных форм кислорода (АФК), образование одноцепочечных разрывов ДНК (SSB) и двухцепочечных разрывов ДНК (DSB).

цистанхеМожнопротиворадиационный

Несколько авторов предложили использовать различные агенты для модуляции клеточного повреждения, связанного соблучение. Постулируется, например, что антиоксиданты или соединения, повышающие уровень глутатиона, могут уменьшать повреждение ДНК, теоретически уменьшая пострадиационный канцерогенез [4, 5]. Хотя многие исследования продемонстрировали потенциальные преимущества различных препаратов, радиозащитные соединения обычно не назначаются пациентам до или после медицинской визуализации [6]. Целью данного обзора является обобщение и критическая оценка недавно опубликованных в литературе результатов исследований использования радиозащитных средств для предотвращения радиационно-ассоциированного повреждения клеток.

Ионизирующее излучениешироко используется в медицинской диагностике, терапии рака и имеет дополнительные промышленные применения [7]. Известные опасности, связанные с воздействием ионизирующего излучения на человека, включают индукцию гибели клеток, генетические мутации и канцерогенез [7]. В дополнение к прямым клеточным эффектам радиационное облучение может также повреждать клетки за счет образования активных форм кислорода (т.е. перекиси водорода, гидроперекисей липидов, супероксида, гидроксида, гидрида и пероксинитрита). Активные формы кислорода (АФК) образуются при поглощении ионизирующего излучения небольшими молекулами, прежде всего водой, окружающими клеточные биомакромолекулы. Эти АФК реагируют с клеточным содержимым, включая ДНК и белки [7].

Клетка реагирует на повышенные концентрации свободных радикалов выработкой природных антиоксидантов (включая супероксиддисмутазу, глутатион, каталазу), которые могут свести к минимуму или устранить вызванное свободными радикалами повреждение клеточных структур. Глутатионпероксидаза в первую очередь катализирует превращение ионов гидроксида в воду. Супероксиддисмутаза превращает супероксиды в пероксид водорода, который затем с помощью каталазы превращается в кислород и воду. Супероксиддисмутаза существует в нескольких различных изоформах, каждая из которых специализирована для определенных областей клетки [8]. При воздействии возрастающих уровней ионизирующего излучения в клетке увеличивается экспрессия антиоксидантных ферментов [8]. Однако, когда уровень АФК превышает эту клеточную защиту, клетка получает повреждение (в зависимости от дозы), которое может привести к канцерогенезу, тератогенезу, некрозу или апоптозу.

Введение радиозащитных средств было предложено как один из способов сниженияпагубное воздействие радиации на клетки. Антиоксиданты могут действовать как поглотители свободных радикалов и, таким образом, уменьшать некоторые повреждения ДНК, вызванные ионизирующим излучением [4, 7, 9, 10]. Теоретически это вмешательство позволит клеточной защите идти в ногу со свободными радикалами, образующимися в результате радиационного облучения (при условии, что внутриклеточный уровень антиоксидантов достаточен во время радиационного облучения). Радиозащитные соединения могут подавлять образование свободных радикалов, удалять свободные радикалы, индуцировать естественную выработку радиопротекторов (таких как супероксиддисмутаза, глутатионпероксидаза и каталаза), усиливать репарацию ДНК, уменьшать пострадиационную воспалительную реакцию или даже задерживать клеточное деление, что дает больше времени для восстановления. клетки восстанавливаются или подвергаются апоптозу [10] (таблица 1). Хотя было показано, что радиозащитные вещества эффективны в уменьшении побочных эффектов лучевой терапии, в настоящее время радиопротекторы не используются в диагностической радиологии.

Чтобы обобщить существующие кандидаты на клинические радиопротекторы, мы провели обзор литературы, используя поиск Pubmed/MEDLINE с ключевыми фразами, включая: «антиоксиданты в медицинской визуализации», «антиоксиданты в лучевой терапии», «антиоксидантрадиация», «радиозащитные агенты», «радиозащитная лучевая терапия», «радиозащитная медицинская визуализация» и «радиозащита». больше веществ в качестве потенциальных радиозащитных агентов.Эта статья представляет собой краткий и критический анализ избранных статей, посвященных радиозащите.Кроме того, в этой статье обобщаются основные выводы, относящиеся к следующему клиническому вопросу: могут ли радиопротекторы использоваться в диагностической визуализации для уменьшения повреждения ДНК?

Результаты исследований in vitro - In vitro: лимфоциты человека

Преобладающее количество литературы по радиозащитным средствам связано с изучением лимфоцитов человека in vitro до и после облучения.радиация. Иногда это включает в себя взятие образцов крови у пациентов после того, как они прошли клиническую визуализацию. Обычно в этих исследованиях количественно определяют радиационно-индуцированные двухцепочечные разрывы ДНК (DSB) через фокусы -H2AX (H2AX). Например, Бранд и др. [9] показали, что некоторые антиоксиданты, если их вводить перед облучением крови человека, могут снизить частоту DSB в лимфоцитах. Важно отметить, что N-ацетилцистеин (NAC) и витамин С снижали DSB на 43 и 25 процентов соответственно, что было значительно больше, чем любой из других изученных агентов [9]. Интересно, что, несмотря на то, что отдельные агенты продемонстрировали многообещающие радиозащитные свойства, ни одна из протестированных авторами комбинаций не показала аддитивного эффекта при совместном использовании нескольких агентов [9]. Это исследование поддерживает использование антиоксидантов, особенно аналогов NAC и витамина С, для предотвращения повреждения ДНК, связанного с радиацией. Как Бранд и др. [9], Куфнер и соавт. [11] провели исследование, изучающее влияние смеси антиоксидантов (аскорбат кальция, d-альфа-токоферилсукцинат, каротиноиды, NAC, R- -липоевая кислота, L-селенометионин) на лимфоциты человека in vitro. Куфнер и др. [11] сделали это двумя способами: сначала лимфоциты in vitro обрабатывали антиоксидантами, а затем облучали. Во-вторых, образцы крови получали через 15, 30, 60 мин, 2, 3, 5 ч после приема таблетки, содержащей исследуемые антиоксиданты, затем облучали лимфоциты. В то время как введение антиоксидантов после облучения не приводило к снижению DSB, предварительная обработка антиоксидантами вызывала значительное снижение DSB: снижение на 23% через 15 минут и снижение на 58% при введении за 60 минут до облучения [11]. Это исследование имело клиническое значение, поскольку экспериментальное облучение было сравнимо с облучением, полученным при компьютерной томографии. В другом исследовании NAC и витамин С вводили непосредственно до и после облучения пациентов рентгеновскими лучами. Затем у пациента брали кровь и измеряли DSB в лимфоцитах. Было обнаружено, что как витамин С, так и NAC снижают DSB, измеренные с помощью H2AX, по сравнению с контролем [12]. В каждом из этих исследований NAC значительно уменьшал связанные с радиацией повреждения ДНК в лимфоцитах человека.

Важное исследование Reliene et al. [13] рассмотрели эффекты NAC на моделях человека, мыши и дрожжей. Хотя это исследование действительно показало, что NAC уменьшает очаги H2AX (суррогат DSB), оно также отметило, что выживаемость клеточных колоний не изменилась у дрожжей и лимфоцитов человека. Другими словами, хотя NAC уменьшает повреждение ДНК, он не обязательно предотвращает апоптоз или некроз. Это открытие может иметь важные потенциальные последствия: NAC может снижать частоту повреждения ДНК, не влияя на целенаправленную гибель раковых или предраковых клеток [13]. Способность NAC уменьшать или избегать повреждения ДНК без защиты клеток от апоптоза может повысить его клиническую ценность (по сравнению с другими антиоксидантами).

Другие исследования были сосредоточены конкретно на витамине С и его производных. В исследовании 2014 года Xiao et al. [3] подвергли облучению лимфоциты человека после того, как в течение 3 ч поместили в них различные концентрации одного из двух производных витамина С: 6-O-пальмитоиласкорбата (PlmtVC) или l-аскорбиновой кислоты (l-AA). В качестве радиозащитного агента PlmtVC превосходит l-АК, показывая, что не все производные витамина С одинаково эффективны в качестве антиоксидантов [3]. PlmtVC значительно снижал перекисное окисление липидов и карбонилирование белков по сравнению с контролем, а также повышал уровень эндогенного глутатиона [3]. PlmtVC также значительно снижал общее количество DSB по сравнению с контролем или l-AA [3]. В то время как некоторые исследования показали, что витамин С обладает радиозащитной активностью, другие исследования показали, что витамин С усиливаетрадиационное поражение[14–16]. Эта дихотомия делает витамин С спорным агентом для клинического использования в качестве радиозащитного средства. Хотя витамин С и NAC показали многообещающие результаты, множество других агентов было изучено с использованием лимфоцитов человека in vitro. Алькарас и др. [17] провели исследование по оценке 10 различных антиоксидантных соединений (карнозиновая кислота, экстракт зеленого чая, апигенин, диосмин, розмариновая кислота, L-аскорбиновая кислота, δ-токоферол, рутин, амифостин, диметилсульфоксид) в качестве кандидатов на радиопротекторы против хромосомных повреждений, вызванных ионизирующим излучением (с ДСМО в качестве контроля и носителя). По сравнению с облученным контролем все соединения продемонстрировали снижение повреждения ДНК, при этом наибольший эффект наблюдался у розмариновой кислоты, карнозиновой кислоты, δ-токоферола (витамин Е) и апигенина [17]. Менее эффективные агенты включали l-аскорбиновую кислоту, амифостин, экстракт зеленого чая, рутин и диосмин [17]. Та же картина наблюдалась и в отношении степени радиозащиты, обеспечиваемой этими агентами [17].

Ариваган и др. [18] исследовали карвакрол (КВК) как потенциальное радиозащитное средство благодаря его безопасности для потребления (это обычная пищевая добавка), противовоспалительным и антиоксидантным свойствам. В этом исследовании лимфоциты были собраны у здоровых людей, а затем обработаны ДМСО или CVC перед облучением. Не удивительно, какрадиацияувеличение дозы выживаемость клеток снизилась, а повреждение ДНК увеличилось в контрольных группах [18]. Лимфоциты, предварительно обработанные CVC, испытали статистически значимое увеличение летальной дозы радиации, которую они могли переносить, по сравнению с контрольной группой. Лимфоциты, обработанные CVC, также показали значительное снижение повреждения ДНК, а также снижение перекисного окисления липидов и апоптоза [18]. CVC, по-видимому, уменьшает повреждение свободными радикалами двумя способами: как антиоксидант и как поглотитель свободных радикалов [18]. CVC обещает стать радиозащитным средством с небольшими побочными эффектами или токсичностью.

Также было показано, что фенольные гликозиды, встречающиеся в природе в растениях, обладают антиоксидантными свойствами [19]. Матерска и др. [19] исследовали несколько фенольных гликозидов: синапоил-E-глюкозид (sEg), кверцетин-3-O-рамнозид-7-O-глюкозид (q3Or7Og), кверцетин-3-O-рамнозид ( q3Or) и лютеолин-7-O-(2-апиозил)-глюкозид (17O2ag). Авторы использовали лимфоциты человека, полученные от здоровых доноров, а затем подвергли их воздействию одного из фенольных гликозидов перед облучением рентгеновскими лучами. Исследователи обнаружили, что q3Or продемонстрировал самый высокий радиозащитный эффект с 50-процентным снижением повреждения ДНК по сравнению с контрольной группой. Важно отметить, что в данном исследовании эти вещества не проявляли токсического действия на лимфоциты человека [19]. Также было отмечено, что фенольные гликозиды обладают превосходной антирадикальной активностью [19]. В этом исследовании соединения с большей способностью поглощать супероксидные радикалы также продемонстрировали лучшие радиозащитные эффекты [19]. Радиозащитные эффекты других фенольных гликозидов, включая хинную и хлорогеновую кислоты, также изучались на лимфоцитах человека in vitro. В одном исследовании лимфоциты подвергались воздействию различных дозрентгеновское излучениеи обработаны различными концентрациями хинной кислоты, хлорогеновой кислоты или ложного контроля. Это исследование показало, что лимфоциты, предварительно обработанные как хинной кислотой, так и хлорогеновой кислотой перед облучением, имели значительное снижение повреждения ДНК, что измеряется индексом генетического повреждения [20]. Однако в случае хлорогеновой кислоты достоверных изменений индекса генетического повреждения в нижнем диапазоне доз рентгеновского излучения не наблюдалось [20]. Хинная кислота также снижала процент клеток, поврежденных радиацией [20]. Количественно величина защиты (на основе индекса генетического повреждения) была рассчитана для 5,99–53,57% для хинной кислоты и 4,49–48,15% для хлорогеновой кислоты [20]. Радиозащитная эффективность хинной кислоты и хлорогеновой кислоты, по-видимому, сравнима с другими фенольными фитохимическими веществами, такими как куркумин, кофейная кислота, гесперидин, ваниль и ресвератрол [20]. Наблюдаемые эффекты как хинной кислоты, так и хлорогеновой кислоты могут быть связаны с вицинальными гидроксильными группами ароматического остатка, который может обладать антимутагенным, антиканцерогенным и антиоксидантным действием in vitro [20].

Коричная кислота представляет собой фенольное вещество, полученное из коричного масла, и, как было показано, обладает антиоксидантными свойствами. Чинкилич и др. [21] исследовали радиозащитные эффекты коричной кислоты против вызванной рентгеновским излучением геномной нестабильности в лимфоцитах человека. Они обнаружили, что лимфоциты, обработанные коричной кислотой, имели значительное снижение DSB ДНК (от 16 до 55 процентов) по сравнению с контролем [21]. Предварительная обработка коричной кислотой также уменьшала общее генетическое повреждение [21]. Сама по себе коричная кислота не увеличивала DSB или другие повреждения ДНК, что позволяет предположить, что она не является генотоксичной [21]. Авторы обнаружили, что коричная кислота уменьшает повреждение ДНК, вызванное облучением рентгеновскими лучами, за счет снижения внутриклеточного уровня АФК благодаря своим свойствам удаления свободных радикалов [21]. Как группа, фенольные гликозиды включают в себя множество агентов, обладающих способностью снижатьрадиационно-ассоциированное повреждение ДНК.